Збройовий плутоній- це плутоній у формі компактного металу, що містить не менше 93,5% ізотопу 239Pu. Призначається до створення ядерної зброї.
1. Назва та особливості
"Збройовим" його називають, щоб відрізнити від "реакторного". Плутоній утворюється в будь-якому ядерному реакторі, що працює на природному або низькозбагаченому урані, що містить в основному ізотоп 238U, при захопленні надлишкових нейтронів. Але в міру роботи реактора збройовий ізотоп плутонію швидко вигоряє, в результаті в реакторі накопичується велика кількість ізотопів 240Pu, 241Pu і 242Pu, що утворюються при послідовних захватах кількох нейтронів - оскільки глибина вигоряння зазвичай визначається економічними факторами. Чим менша глибина вигоряння, тим менше ізотопів 240Pu, 241Pu та 242Pu, міститиме плутоній, виділений з опроміненого ядерного палива, але тим менша кількість плутонію у паливі утворюється.
Спеціальне виробництво плутонію для зброї, що містить майже виключно 239Pu, потрібно, в основному, тому, що ізотопи з масовими числами 240 і 242 створюють високий нейтронний фон, що ускладнює конструювання ефективних ядерних боєприпасів, крім того, 240Pu і 241Pu 239Pu, через що плутонієві деталі нагріваються, і в конструкцію ядерного боєприпасу доводиться додатково вводити елементи тепловідведення. Навіть чистий 239Pu тепліший за людське тіло. Додатково, продукти розпаду важких ізотопів псують кристалічну решітку металу, що може призвести до зміни форми деталей з плутонію, що може призвести до відмови ядерного вибухового пристрою.
У принципі, всі ці труднощі переборні, і були успішно випробувані ядерні вибухові пристрої з «реакторного» плутонію, проте, у боєприпасах, де не останню роль відіграє компактність, мала вага, надійність і довговічність, застосовується виключно спеціально збройний плутоній. Критична маса металевих 240 Pu і 242 Pu дуже велика, 241 Pu - трохи більше, ніж у 239 Pu.
2.Виробництво
У СРСР виробництво збройового плутонію здійснювалося спочатку на комбінаті «Маяк» у м. Озерськ (раніше Челябінськ-40, Челябінськ-65), потім на Сибірському хімічному комбінаті у м. Сіверськ (раніше Томськ-7), пізніше в експлуатацію було введено Красноярський гірничо -хімічний комбінат у м. Желєзногорськ (відомий також, як Соцгород та Красноярськ-26). Виробництво збройового плутонію в Росії було припинено у 1994 році. У 1999 році було зупинено реактори в Озерську та Сіверську, у 2010 році зупинено останній реактор у Залізногірську.
У США збройовий плутоній вироблявся в кількох місцях, наприклад, таких як Хенфордський комплекс, розташований у штаті Вашингтон. Виробництво було закрито у 1988 році.
3.Синтез нових елементів
Перетворення одних атомів на інші відбувається при взаємодії атомних або субатомних частинок. З таких доступні у великих кількостях лише нейтрони. Гігаватний ядерний реактор виробляє близько 3.75 кг (або 4*1030) нейтронів протягом року.
4.Виробництво плутонію
Атоми плутонію утворюються в результаті ланцюга атомних реакцій, що починаються із захоплення нейтрону атомом урану-238:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
або, точніше:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
При продовженні опромінення деякі атоми плутонію-239 здатні у свою чергу захопити нейтрон і перетворитися на важчий ізотоп плутоній-240:
Pu239 + n -> Pu240
Щоб отримувати плутоній у достатній кількості, потрібні сильні нейтронні потоки. Такі створюються в атомних реакторах. У принципі будь-який реактор є джерелом нейтронів, але для промислового виробництва плутонію природно використовувати спеціально розроблений для цього.
Найперший у світі промисловий реактор з виробництва плутонію – B-реактор у Хенфорді. Запрацював 26 вересня 1944 року, потужність - 250 МВт, продуктивність - 6 кг плутонію на місяць. Він містив близько 200 тонн металевого урану, 1200 тонн графіту та охолоджувався водою зі швидкістю 5 кубометрів/хв.
Панель завантаження хенфордського реактора касетами з ураном:
Схема його. У реакторі для опромінення урану-238 створюються нейтрони внаслідок стаціонарної ланцюгової реакції розподілу ядер урану-235. У середньому одне поділ U-235 виникає 2.5 нейтрону. Для підтримки реакції та одночасного напрацювання плутонію необхідно, щоб у середньому один або два нейтрони поглинулися б U-238, а один викликав би поділ наступного атома U-235.
Нейтрони, що виникають при розподілі урану мають дуже великі швидкості. Атоми урану влаштовані таким чином, що захоплення швидких нейтронів ядрами та U-238 та U-235 малоймовірне. Тому швидкі нейтрони зазнавши кількох зіткнень з навколишніми атомами поступово сповільнюються. При цьому ядра U-238 так сильно поглинають такі нейтрони (проміжні швидкості), що нічого не залишається для поділу U-235 і підтримки ланцюгової реакції (U-235 ділиться від повільних, теплових нейтронів).
З цим бореться сповільнювач, що оточує блоки з ураном якусь легку речовину. У ньому нейтрони гальмуються без поглинання, відчуваючи пружні зіткнення, у кожному з яких втрачається мала частина енергії. Хорошими уповільнювачами є вода, вуглець. Таким чином, уповільнені до теплових швидкостей нейтрони подорожують реактором, поки не викличуть поділ U-235 (U-238 поглинає їх дуже слабо). При певній конфігурації сповільнювача та уранових стрижнів створюються умови для поглинання нейтронів та U-238 та U-235.
Ізотопний склад одержуваного плутонію залежить від тривалості перебування в реакторі уранових стрижнів. Значне накопичення Pu-240 відбувається внаслідок тривалого опромінення касети з ураном. За невеликого часу знаходження урану в реакторі виходить Pu-239 з незначним вмістом Pu-240.
Pu-240 шкідливий для зброї з наступних причин:
1. Він менш ділиться матеріал, ніж Pu-239, тому потрібно трохи більше плутонію для виготовлення зброї.
2. Друга, набагато важливіша причина. Рівень спонтанного поділу у Pu-240 набагато вищий, що створює сильне нейтронне тло.
У перші роки розробки атомної зброї випромінювання нейтронів (сильне нейтронне тло) було проблемою на шляху до надійного та ефективного заряду через передчасну його детонацію. Сильні потоки нейтронів робили складним або неможливим стиснення ядра бомби, що містить кілька кілограмів плутонію, в надкритичний стан - до цього воно руйнувалося найсильнішим, але все ж таки не максимально можливим енерговиходом. Прихід змішаних ядер - містять високозбагачений U-235 і плутоній (наприкінці 1940-х) - подолав цю скруту, коли стало можливим застосовувати відносно невелику кількість плутонію в здебільшого уранових ядрах. Наступне покоління зарядів - пристрої з посиленням за рахунок синтезу (у середині 1950-х) повністю виключили цю скруту, гарантуючи високе виділення енергії, навіть за малопотужних початкових зарядів поділу.
Плутоній, що виробляється у спеціальних реакторах, містить відносно невеликий відсоток Pu-240 (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
У реакторах спеціального призначення уран знаходиться відносно невеликий проміжок часу, протягом якого вигоряє не весь U-235 і не весь U-238 переходить у плутоній, зате утворюється менша кількість Pu-240.
Є дві причини для виробництва плутонію з низьким вмістом Pu-240:
Економічна: єдина причина існування плутонієвих спецреакторів. Розпад плутонію в результаті поділу або перетворення його в менш ділиться Pu-240 зменшують віддачу і збільшують вартість виробництва (аж до точки, де його ціна балансуватиме з ціною обробки опроміненого палива з маленькою концентрацією плутонію).
Складність поводження: хоча випромінювання нейтронів не є такою вже серйозною проблемою для конструкторів зброї, воно може створити складності у виробництві та з поводженням з таким зарядом. Нейтрони створюють додатковий внесок у професійне опромінення тих, хто збирає або обслуговує зброю (самі нейтрони не мають іонізуючої дії, але вони створюють протони, здатні на це). Насправді заряди, що передбачають безпосередній контакт з людьми, наприклад Davy Crocket, можуть вимагати надчистого плутонію з низьким рівнем випускання нейтронів.
Безпосередній виливок та обробка плутонію виконується вручну в герметичних камерах з рукавичками для оператора. На кшталт таких:
Це передбачає зовсім невеликий захист людини від плутонію, що випускає нейтрони. Тому плутоній із великим змістом Pu-240 обробляється лише маніпуляторами або жорстко обмежується час роботи з ним кожного працівника.
З усіх цих причин (радіоактивність, гірші властивості Pu-240) пояснюється, чому плутоній реакторної якості не застосовується для виготовлення зброї - дешевше напрацьовувати плутоній зброї в спец. реактори. Хоча і з реакторного теж, мабуть, можна виготовити ядерний вибуховий пристрій.
Плутонієве кільце
Це кільце з електролітично очищеного металевого плутонію (чистота понад 99.96%). Типове з кілець, які готуються в Лос-Аламосі і відправляються в Рокі Флетс для виготовлення зброї, до недавнього призупинення її виробництва. Маса кільця 5.3 кг, достатня для виготовлення сучасного стратегічного заряду, діаметр приблизно 11 см. Кільцева форма важлива для забезпечення критичної безпеки.
Відлиття з плутонієво-галієвого сплаву, рекуперованого зі збройового ядра:
Плутоній під час Манхеттенського проекту
Історично перші 520 міліграм металевого плутонію, вироблені Тедом Мейджелом (Ted Magel) та Ніком Далласом (Nick Dallas) у Лос-Аламосі 23 березня 1944 року:
Прес для гарячого пресування плутонієво-галієвого сплаву у вигляді напівсфер. Цей прес використовувався в Лос-Аламосі для виготовлення плутонієвих ядер для зарядів, підірваних у Нагасакі та операції Трініті.
Вилиті на ньому вироби:
Додаткові побічні ізотопи плутонію
Захоплення нейтрону не супроводжується актом розподілу створює нові ізотопи плутонію: Pu-240, Pu-241 і Pu-242. Останні два накопичуються у незначних кількостях.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
Можливий і побічний ланцюжок реакцій:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6.75 днів, бета-розпад) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2.1 дня, бета-розпад) -> Pu238
Загальну міру опроміненості (відпрацьованості) паливного елемента можна виразити в мегават-днях/тонну (МВт-день/т). Плутоній збройовоїякості виходить із елементів, з невеликою кількістю МВт-день/т, у ньому утворюється менше побічних ізотопів. Паливні елементи в сучасних водо-водяних реакторах досягають рівня 33 000 МВт-день/т. Типова експозиція в бридерному зброї (з розширеним відтворенням ядерного пального) реакторі 1000 МВт-день/т. Плутоній у Хенфордських реакторах з графітовим сповільнювачем опромінюється до 600 МВт-день/т, у Савані на реакторі на важкій воді виробляється плутоній такої ж якості при 1000 МВт-день/т (можливо через те, що частина нейтронів йде на утворення тритію) . Під час Манхеттенського проекту паливо з природного урану отримувало всього 100 МВт-день/т, таким чином виходив дуже високоякісний плутоній-239 (всього 0.9-1% Pu-240, решта ізотопів ще в менших кількостях).
Подібна інформація.
Плутоній було відкрито наприкінці 1940 р. у Каліфорнійському університеті. Його синтезували Мак-Міллан, Кеннеді та Валь, бомбардуючи окис урану (U 3 O 8), сильно прискореними в циклотроні ядрами дейтерію (дейтронами). Пізніше було встановлено, що при цій ядерній реакції спочатку виходить короткоживучий ізотоп нептуній-238, а з нього плутоній-238 з періодом напіврозпаду близько 50 років. Роком пізніше Кеннеді, Сіборг, Сегре і Валь синтезували найважливіший ізотоп - плутоній-239 у вигляді опромінення урану сильно прискореними в циклотроні нейтронами. Плутоній-239 утворюється під час розпаду нептунія-239; він випускає alfa-промені та має період напіврозпаду 24 000 років. Чисте з'єднання плутонію вперше отримано 1942 r. Потім стало відомо, що існує природний плутоній, виявлений в рудах уранових, зокрема в рудах, залягах в Конго.
Назва елемента було запропоновано в 1948: Мак-Міллан назвав перший трансурановий елемент нептунієм у зв'язку з тим, що планета Нептун - перша за Ураном. За аналогією елемент 94 вирішили назвати плутонією, оскільки планета Плутон є другою за Ураном. Плутон, відкритий 1930 р., отримав свою назву від імені бога Плутона - володаря підземного царства з грецької міфології. На початку ХІХ ст. Кларк пропонував назвати плутонією елемент барій, виробляючи цю назву безпосередньо від імені бога Плутона, але його пропозиція не була прийнята.
Цей метал називають дорогоцінним, але не за красу, а за незамінність. У періодичній системі Менделєєва цей елемент займає осередок під номером 94. Саме з ним вчені пов'язують свої найбільші надії, і саме плутоній вони називають найнебезпечнішим металом для людства.
Плутоній: опис
На вигляд це сріблясто-білий метал. Він є радіоактивним і може бути представлений у вигляді 15 ізотопів, що мають різні періоди напіврозпаду, наприклад:
- Pu-238 – близько 90 років
- Pu-239 – близько 24 тисяч років
- Pu-240 – 6580 років
- Pu-241 – 14 років
- Pu-242 – 370 тисяч років
- Pu-244 – близько 80 мільйонів років
Цей метал не можна видобути з руди, оскільки він є продуктом радіоактивного перетворення урану.
Як одержують плутоній?
Виробництво плутонію потребує розщеплення урану, що можна здійснити лише в атомних реакторах. Якщо ж говорити про присутність елемента Pu в земній корі, то на 4 мільйони тонн уранової руди буде всього 1 грам чистого плутонію. І це грам утворюється шляхом природного захоплення нейтронів ядрами урану. Таким чином, щоб отримати це ядерне пальне (зазвичай – ізотоп 239-Pu) у кількості кількох кілограм необхідно провести складний технологічний процес в атомному реакторі.
Властивості плутонію
Радіоактивний метал плутоній має такі фізичні властивості:
- густина 19,8 г/см 3
- температура плавлення – 641°C
- температура кипіння – 3232°C
- теплопровідність (при 300 K) – 6,74 Вт/(м·К)
Плутоній радіоактивний, тому теплий на дотик. При цьому для цього металу характерна найнижча теплопровідність та електропровідність. Рідкий плутоній є найв'язкішим із усіх існуючих металів.
Найменша зміна температури плутонію призводить до миттєвої зміни густини речовини. Загалом же, маса плутонію постійно змінюється, оскільки ядра цього металу перебувають у стані постійного розподілу більш дрібні ядра і нейтрони. Критична маса плутонію - так називають мінімальну масу діленої речовини, при якій перебіг поділу (ланцюгової ядерної реакції) залишається можливим. Наприклад, критична маса збройового плутонію – 11 кг (порівняно, критична маса високозбагаченого урану – 52 кг).
Уран та плутоній – основне ядерне пальне. Щоб отримати плутоній у великій кількості застосовується дві технології:
- опромінення урану
- опромінення трансуранових елементів, отриманих з відпрацьованого палива
Обидва способи є відділення плутонію та урану в результаті протікання хімічної реакції.
Для отримання чистого плутонію-238 застосовується нейтронне опромінення нептунія-237. Цей ізотоп бере участь у створенні збройового плутонію-239, зокрема, він є проміжним продуктом розпаду. $1 млн. – саме стільки становить ціна за 1 кг плутонію-238.
Людство завжди перебувало у пошуках нових джерел енергії, здатних вирішити безліч проблем. Однак далеко не завжди вони є безпечними. Так, зокрема, широко застосовувані сьогодні хоч і здатні виробити просто колосальну кількість такої потрібної всім електричної енергії, все ж таки несуть у собі смертельну небезпеку. Але, крім мирних цілях, деякі країни нашої планети навчилися використовувати її і у військових, особливо для створення ядерних боєголовок. У цій статті йтиметься про основу такої руйнівної зброї, назва якої - збройовий плутоній.
Коротка довідка
У цій компактній формі металу міститься мінімум 93,5% ізотопу 239Pu. Збройовий плутоній назвали так для того, щоб його можна було відрізнити від «реакторного побратима». У принципі, плутоній завжди утворюється в будь-якому ядерному реакторі, який, у свою чергу, працює на низькозбагаченому або природному урані, що містить, здебільшого, ізотоп 238U.
Застосування у військовій галузі
Збройовий плутоній 239Pu – основа ядерного озброєння. При цьому застосування ізотопів з масовими числами 240 і 242 неактуальне, оскільки вони створюють дуже високий фон нейтронів, що ускладнює створення і конструювання високоефективних ядерних боєкомплектів. Крім цього, ізотопи плутонію 240Pu і 241Pu мають значно менший період напіврозпаду в порівнянні з 239Pu, тому деталі з плутонію сильно нагріваються. Саме через це в ядерний боєприпас інженери змушені додатково додавати елементи для відведення зайвого тепла. До речі, 239 Pu в чистому вигляді тепліше тіла людини. Не можна також не враховувати і факт того, що продукти процесу розпаду важких ізотопів піддають шкідливим змінам кристалічні ґрати металу, а це цілком закономірно змінює конфігурацію деталей з плутонію, що зрештою може викликати повну відмову ядерного вибухового пристрою.
За великим рахунком, усі ці труднощі можна подолати. І практично вже неодноразово проходили випробування з урахуванням саме «реакторного» плутонію. Але слід розуміти, що в ядерних боєприпасах далеко не останню позицію займає їхня компактність, мала власна маса, довговічність і надійність. У зв'язку з цим у них застосовується винятково збройовий плутоній.
Конструктивні особливості виробничих реакторів
Практично весь плутоній у Росії виробили реакторах, обладнаних графітовим сповільнювачем. Кожен із реакторів зведений навколо циліндрично зібраних блоків із графіту.
У зібраному вигляді графітові блоки мають між собою спеціальні щілини для забезпечення безперервної циркуляції охолоджувача, як використовується азот. У зібраній конструкції є вертикально розташовані канали, створені для проходження по них водяного охолодження і палива. Сама по собі збирання жорстко спирається на структуру з отворами під каналами, що використовуються для відвантаження вже опроміненого палива. При цьому кожен із каналів знаходиться в тонкостінній трубі, відлитій з легковагого та особливо міцного алюмінієвого сплаву. Більшість описуваних каналів має 70 паливних стрижнів. Вода для охолодження протікає безпосередньо навколо стрижнів із паливом, відводячи від них надлишки тепла.
Підвищення потужності виробничих реакторів
Спочатку перший реактор «Маяк» функціонував із потужністю 100 теплових МВт. Однак головний керівник радянської програми з розробки ядерної зброї вніс пропозицію, яка полягала у тому, щоб реактор у зимовий час працював із потужністю 170-190 МВт, а в літній період – 140-150 МВт. Такий підхід дозволив реактору виробляти майже 140 г дорогоцінного плутонію на добу.
У 1952 році були проведені повноцінні науково-дослідні роботи з метою збільшення виробничої потужності функціонуючих реакторів такими методами:
- Шляхом збільшення потоку води, що використовується для охолодження та протікає через активні зони ядерної установки.
- Через нарощування опору явищу корозії, що виникає поблизу вкладиша каналів.
- Зменшення швидкості окислення графіту.
- Нарощуванням температури всередині паливних елементів.
У результаті пропускна здатність циркулюючої води значно зросла після того, як було збільшено зазор між паливом та стінками каналу. Корозії також вдалося позбутися. Для цього вибрали найбільш підходящі алюмінієві сплави і почали активно додавати біхромат натрію, що, зрештою, підвищило м'якість охолоджувальної води (рН дорівнював порядку 6.0-6.2). Окислення графіту перестало бути актуальною проблемою після того, як для його охолодження почали застосовувати азот (до цього використовувалося виключно повітря).
Наприкінці 1950-х нововведення були повністю реалізовані на практиці, що дозволило зменшити вкрай непотрібне роздування урану, що викликається радіацією, значно знизити теплове зміцнення стрижнів з урану, покращити опір оболонки і підвищити контроль якості виробництва.
Виробництво на «Маяку»
"Челябінськ-65" - один із тих найтаємніших заводів, на якому відбувалося створення збройового плутонію. На підприємстві було кілька реакторів, із кожним із яких ми познайомимося ближче.
Реактор А
Установка була спроектована та створена під керівництвом легендарного Н. А. Доллежаля. Працювала вона із потужністю 100 МВт. У реакторі було 1149 вертикально розташованих керуючих та паливних каналів у графітовому блоці. Повна маса конструкції складала близько 1050 тонн. Майже всі канали (крім 25) завантажувалися ураном, повна маса якого становила 120-130 тонн. 17 каналів використовувалися для стрижнів, що управляють, а 8 - для проведення експериментів. Максимальний показник проектного тепловиділення паливного елемента дорівнював 3,45 кВт. Спочатку реактор виробляв близько 100 грам плутонію в день. Вперше металевий плутоній було вироблено 16 квітня 1949 року.
Технологічні недоліки
Практично відразу було виявлено досить серйозні проблеми, які полягали у корозії алюмінієвих вкладишів та покриття паливних елементів. Також розбухали і пошкоджувалися уранові стрижні і випливала вода, що охолоджує, безпосередньо в серцевину реактора. Після кожної протікання реактор доводилося зупиняти на якийсь час до 10 годин з метою осушити графіт повітрям. У січні 1949 року було замінено вкладиші у канали. Після цього запуск встановлення стався 26 березня 1949 року.
Збройовий плутоній, виробництво якого реакторі А супроводжувалося всілякими труднощами, вироблявся період 1950-1954 років за середньої потужності агрегату 180 МВт. Наступна робота реактора почала супроводжуватися інтенсивнішим його використанням, що цілком закономірно призвело і до частіших зупинок (до 165 разів на місяць). У результаті, у жовтні 1963 року реактор було зупинено та відновив свою роботу лише навесні 1964 року. Свою кампанію він повністю закінчив у 1987 році та за весь період багаторічного функціонування виробив 4,6 тонни плутонію.
Реактори АВ
На підприємстві "Челябінськ-65" три реактори АВ було вирішено збудувати восени 1948 року. Їхня виробнича потужність становила 200-250 грам плутонію на день. Головним конструктором проекту був А. Савін. Кожен реактор налічував 1996 каналів, 65 із них були контрольними. В установках була використана технічна новинка - кожен канал забезпечили спеціальним детектором витоку рідини, що охолоджує. Такий хід дозволив міняти вкладки без припинення роботи самого реактора.
Перший рік функціонування реакторів показав, що вони виробляли близько 260 г плутонію на добу. Проте вже з другого року роботи потужність поступово нарощували, і вже 1963 року її показник становив 600 МВт. Після другого капітального ремонту було повністю вирішено проблему із вкладишами, а потужність уже склала 1200 МВт із щорічним виробництвом плутонію 270 кілограм. Ці показники збереглися до закриття реакторів.
Реактор АІ-ІР
Челябінське підприємство використало цю установку в період з 22 грудня 1951 року до 25 травня 1987 року. Крім урану, реактор також виробляв кобальт-60 та полоній-210. Спочатку на об'єкті виробляли тритій, але пізніше почали отримувати плутоній.
Також завод з переробки збройового плутонію мав у строю реактори, що працюють на важкій воді та єдиний легководний реактор (ім'я його – «Руслан»).
Сибірський гігант
"Томськ-7" - саме таку назву мав завод, на якому розташувалися п'ять реакторів для створення плутонію. Кожен із агрегатів застосовував графіт з метою уповільнити нейтрони та звичайну воду для забезпечення належного охолодження.
Реактор І-1 працював із системою охолодження, в якій вода проходила один раз. Однак решта чотирьох установок була забезпечена замкнутими первинними контурами, обладнаними теплообмінниками. Така конструкція дозволяла додатково виробляти ще й пару, яка у свою чергу допомагала у виробництві електрики та обігріву різних житлових приміщень.
"Томськ-7" мав також і реактор під назвою ЕІ-2, який, у свою чергу, мав подвійне призначення: виробляв плутоній і за рахунок пари, що виробляється, генерував 100 МВт електроенергії, а також 200 МВт теплової енергії.
Важлива інформація
Як запевняють вчені, напіврозпад збройового плутонію становить близько 24 360 років. Величезна цифра! У зв'язку з цим особливо гострим стає питання: «Як правильно обійтися з відходами виробництва даного елемента?» Найбільш оптимальним варіантом вважається будівництво спеціальних підприємств для подальшої переробки збройового плутонію. Пояснюється це тим, що в такому разі елемент уже не можна буде використовувати у військових цілях та буде підконтрольний людині. Саме так проводиться утилізація збройового плутонію в Росії, проте Сполучені Штати Америки пішли іншим шляхом, порушивши цим свої міжнародні зобов'язання.
Так, американський уряд пропонує знищувати високозбагачене не промисловим способом, а шляхом розведення плутонію та зберігання його у спеціальних ємностях на глибині, що дорівнює 500 метрам. Само собою, що в такому разі матеріал легко можна буде будь-якої миті витягти із землі і знову пустити його на військові цілі. Як стверджує президент РФ Володимир Путін, спочатку країни домовлялися знищувати плутоній не в такий спосіб, а проводити утилізацію на промислових об'єктах.
На окрему увагу заслуговує вартість збройового плутонію. За оцінками експертів, десятки тонн цього елемента можуть коштувати кілька мільярдів американських доларів. А деякі фахівці мені оцінили 500 тонн збройового плутонію аж у 8 трильйонів доларів. Сума реально вражаюча. Щоб було зрозуміліше, наскільки це великі гроші, скажімо, що останні десять років 20 століття середньорічний показник ВВП Росії становив 400 мільярдів доларів. Тобто, по суті, реальна ціна збройового плутонію дорівнювала двадцятирічним ВВП Російської Федерації.
Він справді дорогоцінний.
Передісторія та історія
Спочатку були протони – галактичний водень. В результаті його стиснення і подальших ядерних реакцій утворилися найнеймовірніші «зливки» нуклонів. Серед них, цих «злитків», були, мабуть, і по 94 протони. Оцінки теоретиків дозволяють вважати, що близько 100 нуклонних утворень, до складу яких входять 94 протони та від 107 до 206 нейтронів, настільки стабільні, що їх можна вважати ядрами ізотопів елемента №94.
Але всі ці ізотопи – гіпотетичні та реальні – не настільки стабільні, щоб зберегтися до наших днів із моменту утворення елементів сонячної системи. Період напіврозпаду самого довговічного ізотопу елемента №94 - 75 млн років. Вік Галактики вимірюється мільярдами років. Отже, «перворідний» плутон не мав шансів дожити до наших днів. Якщо він і утворювався при великому синтезі елементів Всесвіту, то ті давні його атоми давно «вимерли», подібно до того, як вимерли динозаври та мамонти.
У XX ст. нової ери, нашої ери, цей елемент було відтворено. Зі 100 можливих ізотопів плутонію синтезовано 25. У 15 з них вивчені ядерні властивості. Чотири знайшли практичне застосування. А відкрили його зовсім нещодавно. У грудні 1940 р. при опроміненні урану ядрами важкого водню група американських радіохіміків на чолі з Гленном Т. Сіборгом виявила невідомий насамперед випромінювач альфа-часток з періодом напіврозпаду 90 років. Цим випромінювачем виявився ізотоп елемента №94 з масовим числом 238. У тому ж році, але за кілька місяців раніше Е.М. Макміллан і Ф. Ейбельсон отримали перший елемент, важчий за уран, – елемент №93. Цей елемент назвали нептунієм, а 94-й – плутонією. Історик виразно скаже, що ці назви беруть початок у римській міфології, але по суті походження цих назв швидше не міфологічне, а астрономічне.
Елементи №92 і 93 названі на честь далеких планет сонячної системи – Урана та Нептуна, але й Нептун у сонячній системі – не останній, ще далі пролягає орбіта Плутона – планети, про яку досі майже нічого не відомо... Подібна ж побудова спостерігаємо і на «лівому фланзі» менделєєвської таблиці: uranium – neptunium – plutonium, проте про плутонію людство знає набагато більше, ніж про Плутон. До речі, Плутон астрономи відкрили лише за десять років до синтезу плутонію – майже такий самий час розділяв відкриття Урану – планети та урану – елементу.
Загадки для шифрувальників
Перший ізотоп елемента №94 – плутоній-238 у наші дні знайшов практичне застосування. Але на початку 40-х років про це не думали. Отримувати плутоній-238 у кількостях, що становлять практичний інтерес, можна лише спираючись на потужну ядерну промисловість. Тоді вона лише зароджувалася. Але вже було ясно, що, звільнивши енергію, укладену в ядрах важких радіоактивних елементів, можна отримати зброю небаченої колись сили. З'явився Манхеттенський проект, який не мав нічого, крім назви, спільної з відомим районом Нью-Йорка. Це була загальна назва всіх робіт, пов'язаних із створенням у США перших атомних бомб. Керівником Манхеттенського проекту було призначено не вченого, а військового – генерала Гровса, який «ласково» величав своїх високоосвічених підопічних «битими горщиками».
Керівників "проекту" плутоній-238 не цікавив. Його ядра, як, зрештою, ядра всіх ізотопів плутонію з парними масовими числами, нейтронами низьких енергій* не діляться, тому він не міг служити ядерною вибухівкою. Проте перші не дуже виразні повідомлення про елементи №93 і 94 потрапили до друку лише навесні 1942 р.
* Нейтронами низьких енергій ми називаємо нейтрони, енергія яких не перевищує 10 кеВ. Нейтрони з енергією, що вимірюється частками електронвольта, називаються тепловими, а найповільніші нейтрони – з енергією менше 0,005 еВ – холодними. Якщо ж енергія нейтрону більше 100 кеВ, такий нейтрон вважається вже швидким.
Чим це пояснити? Фізики розуміли: синтез ізотопів плутонію з непарними масовими числами – справа часу та недалекого. Від непарних ізотопів чекали, що, подібно до урану-235, вони зможуть підтримувати ланцюгову ядерну реакцію. У них, ще не отриманих, декому бачилася потенційна ядерна вибухівка. І ці сподівання плутоній, на жаль, виправдовував.
У шифруваннях на той час елемент №94 іменувався не інакше, як... міддю. А коли виникла потреба у самій міді (як конструкційному матеріалі для якихось деталей), то в шифровках поряд із «міддю» з'явилася «справжня мідь».
«Дерево пізнання добра і зла»
У 1941 р. було відкрито найважливіший ізотоп плутонію – ізотоп із масовим числом 239. І майже відразу підтвердилося передбачення теоретиків: ядра плутонію-239 ділилися тепловими нейтронами. Понад те, у процесі їх розподілу народжувалося щонайменше число нейтронів, ніж за розподілі урану-235. Негайно були намічені шляхи отримання цього ізотопу у великих кількостях.
Минули роки. Тепер уже ні для кого не секрет, що ядерні бомби, що зберігаються в арсеналах, начинені плутонієм-239 і що їх цих бомб достатньо, щоб завдати непоправної шкоди всьому живому на Землі.
Поширена думка, що з відкриттям ланцюгової ядерної реакції (неминучим наслідком якого стало створення ядерної бомби), людство явно поквапилося. Можна думати по-іншому або вдавати, що думаєш по-іншому, – приємніше бути оптимістом. Але й перед оптимістами неминуче постає питання відповідальності вчених. Ми пам'ятаємо тріумфальний червневий день 1954, день, коли дала струм перша атомна електростанція в Обнінську. Але ми не можемо забути й серпневий ранок 1945 р. – «ранок Хіросіми», «чорний день Альберта Ейнштейна»... Пам'ятаємо перші повоєнні роки та нестримний атомний шантаж – основу американської політики тих років. А хіба мало тривог пережило людство у наступні роки? Причому ці тривоги багаторазово посилювалися свідомістю, що, якщо спалахне нова світова війна, ядерна зброя буде пущена в хід.
Тут можна спробувати довести, що відкриття плутонію не додало людству побоювань, що, навпаки, було лише корисно.
Припустимо, трапилося так, що з якоїсь причини або, як сказали б за старих часів, з волі божої, плутоній виявився недоступним вченим. Хіба зменшилися б тоді наші страхи та побоювання? Анітрохи не бувало. Ядерні бомби робили б з урану-235 (і в не меншій кількості, ніж з плутонію), і ці бомби «з'їдали» ще більші, ніж зараз, частини бюджетів.
Проте без плутонію не існувало б перспективи мирного використання ядерної енергії у великих масштабах. Для «мирного атома» просто забракло б урану-235. Зло, завдане людству відкриттям ядерної енергії, не врівноважувалося б, навіть частково, досягненнями «доброго атома».
Як виміряти, з чим порівняти
Коли ядро плутонію-239 ділиться нейтронами на два уламки приблизно рівної маси, виділяється близько 200 МеВ енергії. Це у 50 млн разів більше енергії, що звільняється у найвідомішій екзотермічній реакції C + O 2 = CO 2 . «Згоряючи» в ядерному реакторі, грам плутонію дає 2 10 7 ккал. Щоб не порушувати традиції (а в популярних статтях енергію ядерного пального прийнято вимірювати позасистемними одиницями – тоннами вугілля, бензину, тринітротолуолу тощо), зауважимо і ми: це енергія, що міститься у 4 т вугілля. А у звичайний наперсток міститься кількість плутонію, енергетично еквівалентна сорока вагонам гарних березових дров.
Така сама енергія виділяється і при розподілі нейтронами ядер урану-235. Але основну масу природного урану (99,3%!) становить ізотоп 238 U, який можна використовувати, тільки перетворивши уран на плутоній.
Енергія каміння
Оцінимо енергетичні ресурси, укладені у природних запасах урану.
Уран – розсіяний елемент, і він є всюди. Кожному, хто побував, наприклад, у Карелії, напевно, запам'яталися гранітні валуни та прибережні скелі. Але мало хто знає, що у тоні граніту до 25 г урану. Граніти становлять майже 20% ваги земної кори. Якщо рахувати тільки уран-235, то в тоні граніту укладено 3,5 · 10 5 ккал енергії. Це дуже багато, але...
На переробку граніту та вилучення з нього урану потрібно витратити ще більше енергії – близько 10 6 ...10 7 ккал/т. Ось якби вдалося як джерело енергії використовувати не тільки уран-235, а й уран-238, тоді граніт можна було б розглядати хоча б як потенційну енергетичну сировину. Тоді енергія, отримана з тонни каменю, склала б вже від 8 10 7 до 5 10 8 ккал. Це рівноцінно 16...100 т вугілля. І в цьому випадку граніт міг би дати людям майже в мільйон разів більше енергії, аніж усі запаси хімічного палива на Землі.
Але ядра урану-238 нейтронами не діляться. Для атомної енергетики цей ізотоп марний. Точніше, був би марним, якби його не вдалося перетворити на плутоній-239. І що особливо важливо: на це ядерне перетворення практично не потрібно витрачати енергію – навпаки, у цьому процесі енергія виробляється!
Спробуємо розібратися, як це відбувається, але спочатку кілька слів про плутонію.
У 400 тисяч разів менше, ніж радія
Вже йшлося про те, що ізотопи плутонію не збереглися з часу синтезу елементів при освіті нашої планети. Але це не означає, що плутонію в Землі немає.
Він постійно утворюється в уранових рудах. Захоплюючи нейтрони космічного випромінювання та нейтрони, що утворюються при мимовільному (спонтанному) розподілі ядер урану-238, деякі – дуже небагато – атоми цього ізотопу перетворюються на атоми урану-239. Ці ядра дуже нестабільні, вони випускають електрони і цим підвищують свій заряд. Утворюється нептуній перший трансурановий елемент. Нептуній-239 також дуже нестійкий, і його ядра випускають електрони. Усього за 56 годин половина нептунія-239 перетворюється на плутоній-239, період напіврозпаду якого вже досить великий – 24 тис. років.
Чому не добувають плутоній із уранових руд? Мала, надто мала концентрація. «У грам видобуток – на рік праці» – це про радію, а плутонію в рудах міститься в 400 тис. разів менше, ніж радію. Тому не тільки здобути – навіть виявити «земний» плутоній надзвичайно важко. Зробити це вдалося лише після того, як було вивчено фізичні та хімічні властивості плутонію, отриманого в атомних реакторах.
Коли 2,70 >> 2,23
Накопичують плутоній у ядерних реакторах. У потужних потоках нейтронів відбувається така ж реакція, що і в уранових рудах, але швидкість утворення та накопичення плутонію в реакторі набагато вища – у мільярд мільярдів разів. Для реакції перетворення баластового урану-238 на енергетичний плутоній-239 створюються оптимальні (не більше допустимого) умови.
Якщо реактор працює на теплових нейтронах (нагадаємо, що їх швидкість – близько 2000 м на секунду, а енергія – частки електронвольта), то з природної суміші ізотопів урану отримують кількість плутонію, трохи меншу, ніж кількість урану-235, що «вигорів». Дещо, але менше, плюс неминучі втрати плутонію при хімічному виділенні його з опроміненого урану. До того ж ланцюгова ядерна реакція підтримується в природній суміші ізотопів урану лише до того часу, поки не витрачено незначну частку урану-235. Звідси закономірний висновок: «тепловий» реактор на природному урані – основний тип реакторів, що нині діють – не може забезпечити розширеного відтворення ядерного пального. Але що тоді перспективно? Для відповіді це питання порівняємо хід ланцюгової ядерної реакції в урані-235 і плутонії-239 і введемо до наших міркувань ще одне фізичне поняття.
Найважливіша характеристика будь-якого ядерного палива - середня кількість нейтронів, що випускаються після того, як ядро захопило один нейтрон. Фізики називають його ця-числом і позначають грецькою буквою η. У "теплових" реакторах на урані спостерігається така закономірність: кожен нейтрон породжує в середньому 2,08 нейтрону (η = 2,08). Вміщений у такий реактор плутоній під дією теплових нейтронів дає η = 2,03. Але ще є реактори, що працюють на швидких нейтронах. Природну суміш ізотопів урану в такий реактор завантажувати марно: ланцюгова реакція не піде. Але якщо збагатити сировину ураном-235, вона зможе розвиватися і в швидкому реакторі. При цьому буде рівно вже 2,23. А плутоній, поміщений під обстріл швидкими нейтронами, дасть η, що дорівнює 2,70. До нашого розпорядження надійде «зайвих повнейтронів». І це зовсім не мало.
Простежимо, потім витрачаються отримані нейтрони. У будь-якому реакторі один нейтрон потрібен підтримки ланцюгової ядерної реакції. 0,1 нейтрону поглинається конструктивними матеріалами установки. «Надлишок» йде на накопичення плутонію-239. В одному випадку "надлишок" дорівнює 1,13, в іншому - 1,60. Після «згоряння» кілограма плутонію в «швидкому» реакторі виділяється колосальна енергія та накопичується 1,6 кг плутонію. А уран і в швидкому реакторі дасть ту ж енергію і 1,1 кг нового ядерного пального. І в тому і в іншому випадку є розширене відтворення. Але не можна забувати про економіку.
Через низку технічних причин цикл відтворення плутонію займає кілька років. Припустимо, що п'ять років. Значить, на рік кількість плутонію збільшиться лише на 2%, якщо η = 2,23, та на 12%, якщо η = 2,7! Ядерне пальне – капітал, а всякий капітал має давати, скажімо, 5% річних. У першому випадку є великі збитки, а в другому - великий прибуток. Цей примітивний приклад ілюструє «вагу» кожної десятої числа в ядерній енергетиці.
Сума багатьох технологій
Коли в результаті ядерних реакцій в урані накопичиться необхідна кількість плутонію, його необхідно відокремити не тільки від самого урану, а й від уламків поділу – як урану, так і плутонію, що вигоріли в ланцюговій ядерній реакції. Крім того, в урано-плутонієвій масі є і кілька нептуній. Найскладніше відокремити плутоній від нептунія та рідкісноземельних елементів (лантаноїдів). Плутонію як хімічному елементу певною мірою не пощастило. З погляду хіміка, головний елемент ядерної енергетики – лише один із чотирнадцяти актиноїдів. Подібно до рідкоземельних елементів, всі елементи актинієвого ряду дуже близькі між собою за хімічними властивостями, будова зовнішніх електронних оболонок атомів всіх елементів від актинія до 103-го однаково. Ще неприємніше, що хімічні властивості актиноїдів подібні до властивостей рідкісноземельних елементів, а серед уламків поділу урану і плутонію лантаноїдів хоч відбавляй. Зате 94-й елемент може бути в п'яти валентних станах, і це «підсолоджує пігулку» – допомагає відокремити плутоній і від урану, і від уламків поділу.
Валентність плутонію змінюється від трьох до семи. Хімічно найбільш стабільні (а отже, найбільш поширені та найбільш вивчені) з'єднання чотиривалентного плутонію.
Поділ близьких за хімічними властивостями актиноїдів – урану, нептунія та плутонію – може бути заснований на різниці у властивостях їх чотирьох- та шестивалентних сполук.
Немає потреби докладно описувати всі стадії хімічного поділу плутонію та урану. Зазвичай поділ їх починають з розчинення уранових брусків в азотній кислоті, після чого уран, нептуній, плутоній і осколкові елементи, що містяться в розчині, «розлучають», застосовуючи для цього вже традиційні радіохімічні методи – співосадження з носіями, екстракцію, іонний обмін та інші. Кінцеві плутонійсодержащіе продукти цієї багатостадійної технології - його двоокис PuO 2 або фториди - PuF 3 або PuF 4 . Їх відновлюють до металу парами барію, кальцію або літію. Однак отриманий у цих процесах плутоній не годиться на роль конструкційного матеріалу – тепловиділяючих елементів енергетичних ядерних реакторів із нього не зробити, заряду атомної бомби не відлити. Чому? Температура плавлення плутонію - всього 640 ° C - цілком досяжна.
При яких «ультращадних» режимах не відливали деталі з чистого плутонію, у виливках при затвердінні завжди з'являться тріщини. При 640°C плутоній, що твердіє, утворює кубічну кристалічну решітку. У міру зменшення температури густина металу поступово зростає. Але температура досягла 480°C, і тут несподівано щільність плутонію різко падає. До причин цієї аномалії докопалися досить швидко: за цієї температури атоми плутонію перебудовуються в кристалічній решітці. Вона стає тетрагональною і дуже «пухкою». Такий плутоній може плавати у своєму розплаві, як крига на воді.
Температура продовжує падати, ось вона досягла 451 ° C, і атоми знову утворили кубічні грати, але розташувалися на більшій, ніж у першому випадку, відстані один від одного. При подальшому охолодженні грати стає спочатку орторомбічним, потім моноклінним. Усього плутоній утворює шість різних кристалічних форм! Дві їх відрізняються чудовим властивістю – негативним коефіцієнтом температурного розширення: зі зростанням температури метал не розширюється, а стискається.
Коли температура досягає 122 ° C і атоми плутонію вшосте перебудовують свої ряди, щільність змінюється особливо сильно - від 17,77 до 19,82 г/см 3 . Більше, ніж на 10%! Відповідно зменшується обсяг зливка. Якщо проти напруги, що виникали на інших переходах, метал ще міг встояти, то в цей момент руйнація неминуче.
Як тоді виготовити деталі з цього дивовижного металу? Металурги легують плутоній (додають до нього незначні кількості необхідних елементів) і одержують виливки без жодної тріщини. З них і роблять плутонієві заряди ядерних бомб. Вага заряду (він визначається насамперед критичною масою ізотопу) 5...6 кг. Він легко помістився б у кубику з розміром ребра 10 див.
Важкі ізотопи
У плутонії-239 у незначній кількості містяться і вищі ізотопи цього елемента – з масовими числами 240 та 241. Ізотоп 240 Pu практично некорисний – цей баласт у плутонії. З 241-го одержують америцій – елемент №95. У чистому вигляді, без домішки інших ізотопів, длутоній-240 та плутоній-241 можна отримати при електромагнітному поділі плутонію, накопиченого в реакторі. Перед цим плутоній додатково опромінюють нейтронними потоками з певними характеристиками. Звичайно, все це дуже складно, тим більше, що плутоній не тільки радіоактивний, а й дуже токсичний. Робота з ним потребує виняткової обережності.
Один із найцікавіших ізотопів плутонію – 242 Pu можна отримати, опромінюючи тривалий час 239 Pu у потоках нейтронів. 242 Pu дуже рідко захоплює нейтрони і тому «вигоряє» в реакторі повільніше за інші ізотопи; він зберігається і після того, як інші ізотопи плутонію майже повністю перейшли в осколки або перетворилися на плутоній-242.
Плутоній-242 є важливим як «сировина» для порівняно швидкого накопичення вищих трансуранових елементів у ядерних реакторах. Якщо в звичайному реакторі опромінювати плутоній-239, то на накопичення з грамів плутонію мікрограмових кількостей, наприклад, каліфорнія-251 потрібно близько 20 років.
Можна скоротити час накопичення вищих ізотопів, збільшивши інтенсивність потоку нейтронів у реакторі. Так і роблять, але тоді не можна опромінювати велику кількість плутонію-239. Адже цей ізотоп ділиться нейтронами, і в інтенсивних потоках виділяється дуже багато енергії. Виникають додаткові складності з охолодженням контейнера та реактора. Щоб уникнути цих складнощів, довелося б зменшити кількість плутонію, що опромінюється. Отже, вихід Каліфорнію став би знову мізерним. Замкнуте коло!
Плутоній-242 тепловими нейтронами не ділиться, його і у великих кількостях можна опромінювати в інтенсивних нейтронних потоках... Тому в реакторах із цього ізотопу «роблять» і накопичують у вагових кількостях усі елементи від каліфорнію до ейнштейнію.
Не найважчий, але довгоживучий
Щоразу, коли вченими вдавалося отримати новий ізотоп плутонію, вимірювали період напіврозпаду його ядер. Періоди напіврозпаду ізотопів важких радіоактивних ядер із парними масовими числами змінюються закономірно. (Цього не можна сказати про непарні ізотопи.)
Мал. 8.
Подивіться на графік, де відбито залежність періоду напіврозпаду парних ізотопів плутонію від масового числа. Зі збільшенням маси зростає і «час життя» ізотопу. Кілька років тому найвищою точкою цього графіка був плутоній-242. А далі, як піде ця крива – з подальшим зростанням масового числа? В точку 1 , Що відповідає часу життя 30 млн, років, або в точку 2 , яка відповідає вже 300 млн. років? Відповідь на це питання була дуже важливою для наук про Землю. У першому випадку, якби 5 млрд років тому Земля повністю складалася з 244 Pu, зараз у всій масі Землі залишився б лише один атом плутонію-244. Якщо ж вірне друге припущення, то плутоній-244 може бути в Землі в таких концентраціях, які можна було б виявити. Якби пощастило знайти в Землі цей ізотоп, наука отримала б найціннішу інформацію про процеси, що відбувалися для формування нашої планети.
Декілька років тому перед вченими постало питання: чи варто намагатися знайти важкий плутоній у Землі? Для відповіді на нього потрібно було перш за все визначити період напіврозпаду плутонію-244. Теоретики було неможливо розрахувати цю величину з необхідною точністю. Вся надія була лише на експеримент.
Плутоній-244 накопичили у ядерному реакторі. Опромінювали елемент №95 – америцій (ізотоп 243 Am). Захопивши нейтрон, цей ізотоп переходив до америцій-244; америцій-244 в одному із 10 тис. випадків переходив у плутоній-244.
З суміші америцію з кюрієм виділили препарат плутонію-244. Зразок важив лише кілька мільйонних часток грама. Але їх вистачило для того, щоб визначити період напіврозпаду цього найцікавішого ізотопу. Він дорівнював 75 млн років. Пізніше інші дослідники уточнили період напіврозпаду плутонію-244, але ненабагато – 82,8 млн. років. У 1971 р. сліди цього ізотопу знайшли в рідкісноземельному мінералі бастнезиті.
Багато спроб робили вчені, щоб знайти ізотоп трансуранового елемента, що живе довше, ніж 244 Pu. Але всі спроби залишилися марними. У свій час покладали надії на кюрій-247, але після того, як цей ізотоп був накопичений в реакторі, з'ясувалося, що його період напіврозпаду всього 14 млн років. Побити рекорд плутонію-244 не вдалося, – це найбільш довгоживучий із усіх ізотопів трансуранових елементів.
Ще більш важкі ізотопи плутонію схильні до бета-розпаду, і їхній час життя лежить в інтервалі від декількох днів до кількох десятих секунди. Ми знаємо, напевно, що в термоядерних вибухах утворюються всі ізотопи плутонію, аж до 257 Pu. Але їхній час життя – десяті частки секунди, і вивчити багато короткоживучих ізотопів плутонію поки що не вдалося.
Можливості першого ізотопу
І насамкінець – про плутонію-238 – найперший із «рукотворних» ізотопів плутонію, ізотоп, який спочатку здавався безперспективним. Насправді, це дуже цікавий ізотоп. Він схильний до альфа-розпаду, тобто. його ядра мимоволі випускають альфа-частинки - ядра гелію. Альфа-частинки, породжені ядрами плутонію-238, несуть велику енергію; розсіявшись у речовині, ця енергія перетворюється на тепло. Яка велика ця енергія? Шість мільйонів електрон-вольт звільняються при розпаді одного атомного ядра плутонію-238. У хімічній реакції та ж енергія виділяється при окисленні кількох мільйонів атомів. У джерелі електрики, що містить один кілограм плутонію-238, розвивається теплова потужність 560 Вт. Максимальна потужність такого ж за масою хімічного джерела струму – 5 Вт.
Існує чимало випромінювачів із подібними енергетичними характеристиками, але одна особливість плутонію-238 робить цей ізотоп незамінним. Зазвичай альфа-розпад супроводжується сильним гамма-випромінюванням, що проникає через великі товщі речовини. 238 Pu – виняток. Енергія гамма-квантів, що супроводжують розпад його ядер, невелика, захиститися від неї нескладно: випромінювання поглинається тонкостінним контейнером. Мала й можливість мимовільного поділу ядер цього ізотопу. Тому він знайшов застосування у джерелах струму, а й у медицині. Батарейки з плутонієм-238 є джерелом енергії в спеціальних стимуляторах серцевої діяльності.
Але 238 Pu не найлегший із відомих ізотопів елемента №94, отримані ізотопи плутонію з масовими числами від 232 до 237. Період напіврозпаду найлегшого ізотопу – 36 хвилин.
Плутоній – велика тема. Тут розказано головне із найголовнішого. Адже вже стала стандартною фраза, що хімію плутонію вивчено набагато краще, ніж хімію таких «старих» елементів, як залізо. Про ядерні властивості плутонію написано цілі книги. Металургія плутонію – ще один дивовижний розділ людських знань... Тому не треба думати, що, прочитавши цю розповідь, ви по-справжньому дізналися плутоній – найважливіший метал XX ст.
