Qurolli plutoniy 239Pu izotopining kamida 93,5% ni o'z ichiga olgan ixcham metall shaklidagi plutoniydir. Yadro qurollarini yaratish uchun mo'ljallangan.
1.Nomi va xususiyatlari
Ular uni "reaktor" dan farqlash uchun "qurol" deb atashadi. Plutoniy, asosan, 238U izotopini o'z ichiga olgan tabiiy yoki past boyitilgan uranda ishlaydigan har qanday yadro reaktorida ortiqcha neytronlarni ushlaganda hosil bo'ladi. Ammo reaktor ishlaganda, qurol darajasidagi plutoniy izotopi tezda yonib ketadi, natijada reaktorda ko'p miqdorda 240Pu, 241Pu va 242Pu izotoplari to'planadi, ular bir nechta neytronlarni ketma-ket tutib olish paytida hosil bo'ladi - yonib ketganidan beri. chuqurlik odatda iqtisodiy omillar bilan belgilanadi. Yonish chuqurligi qanchalik past bo'lsa, nurlangan yadro yoqilg'isidan ajratilgan plutoniyda 240Pu, 241Pu va 242Pu izotoplari shunchalik kam bo'ladi, ammo yoqilg'ida plutoniy shunchalik kam hosil bo'ladi.
Deyarli faqat 239Pu o'z ichiga olgan qurollar uchun plutoniyning maxsus ishlab chiqarilishi talab qilinadi, asosan massa raqamlari 240 va 242 bo'lgan izotoplar yuqori neytron fonini yaratadi, bu esa samarali yadroviy qurollarni loyihalashni qiyinlashtiradi, bundan tashqari, 240Pu va 241Pu yarimparchalanish muddatini sezilarli darajada qisqartiradi. 239Pu dan yuqori, buning natijasida plutoniy qismlari qiziydi va yadroviy qurol dizayniga issiqlik qabul qiluvchi elementlarni qo'shimcha ravishda kiritish kerak. Hatto sof 239Pu ham inson tanasidan issiqroq. Bundan tashqari, og'ir izotoplarning parchalanish mahsulotlari metallning kristall panjarasiga zarar etkazadi, bu plutoniy qismlarining shakli o'zgarishiga olib kelishi mumkin, bu yadroviy portlovchi qurilmaning ishdan chiqishiga olib kelishi mumkin.
Asosan, bu barcha qiyinchiliklarni engib o'tish mumkin va "reaktor" plutoniyidan olingan yadro portlovchi qurilmalari muvaffaqiyatli sinovdan o'tkazildi, ammo ixchamligi, engilligi, ishonchliligi va chidamliligi muhim rol o'ynaydigan o'q-dorilarda faqat maxsus ishlab chiqarilgan qurol darajasidagi plutoniy. ishlatilgan. Metall 240Pu va 242Pu kritik massasi juda yuqori, 241Pu 239Pu dan biroz kattaroqdir.
2. Ishlab chiqarish
SSSRda qurolli plutoniyni ishlab chiqarish dastlab Ozerskdagi Mayak zavodida (sobiq Chelyabinsk-40, Chelyabinsk-65), keyin Severskdagi Sibir kimyo zavodida (sobiq Tomsk-7), keyinchalik Krasnoyarskda amalga oshirildi. Kon - Jeleznogorskdagi kimyo zavodi (shuningdek, Sotsgorod va Krasnoyarsk-26 nomi bilan ham tanilgan) ishga tushirildi. Rossiyada qurolli plutoniy ishlab chiqarish 1994 yilda to'xtatildi. 1999 yilda Ozersk va Severskdagi reaktorlar, 2010 yilda Jeleznogorskdagi so'nggi reaktor to'xtatildi.
Qo'shma Shtatlarda qurolli plutoniy bir necha joylarda, masalan, Vashington shtatidagi Xanford majmuasida ishlab chiqarilgan. Ishlab chiqarish 1988 yilda yopilgan.
3. Yangi elementlarning sintezi
Ayrim atomlarning boshqalarga aylanishi atom yoki subatomik zarralarning o'zaro ta'sirida sodir bo'ladi. Ulardan faqat neytronlar katta miqdorda mavjud. Gigavatt quvvatga ega yadro reaktori yil davomida taxminan 3,75 kg (yoki 4 * 1030) neytron ishlab chiqaradi.
4.Plutoniy ishlab chiqarish
Plutoniy atomlari uran-238 atomi tomonidan neytronni tutib olishdan boshlab, atom reaktsiyalari zanjiri natijasida hosil bo'ladi:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
yoki aniqrog'i:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
Doimiy nurlanish bilan ba'zi plutoniy-239 atomlari o'z navbatida neytronni ushlab, og'irroq plutoniy-240 izotopiga aylanishi mumkin:
Pu239 + n -> Pu240
Plutoniyni etarli miqdorda olish uchun eng kuchli neytron oqimlari kerak. Ular faqat yadroviy reaktorlarda yaratilgan. Aslida, har qanday reaktor neytronlarning manbai hisoblanadi, ammo plutoniyni sanoat ishlab chiqarish uchun buning uchun maxsus ishlab chiqilganidan foydalanish tabiiydir.
Dunyodagi birinchi tijoriy plutoniy ishlab chiqarish reaktori Xanforddagi B-reaktordir. 1944 yil 26 sentyabrda ishlab chiqarilgan, quvvati - 250 MVt, unumdorligi - oyiga 6 kg plutoniy. Unda 200 tonnaga yaqin uran metalli, 1200 tonna grafit bor edi va daqiqada 5 kubometr tezlikda suv bilan sovutilgan.
Xanford reaktorining uran patronlari bilan yuklash paneli:
Uning ish sxemasi. Uran-238ni nurlantirish uchun reaktorda neytronlar uran-235 yadrolarining bo'linishining statsionar zanjirli reaktsiyasi natijasida hosil bo'ladi. U-235 bo'linishida o'rtacha 2,5 neytron ishlab chiqariladi. Reaksiyani davom ettirish va bir vaqtning o'zida plutoniy ishlab chiqarish uchun o'rtacha bir yoki ikkita neytron U-238 tomonidan so'rilishi kerak va biri keyingi U-235 atomining bo'linishiga olib keladi.
Uranning bo'linishi paytida hosil bo'lgan neytronlar juda yuqori tezlikka ega. Uran atomlari shunday joylashtirilganki, U-238 va U-235 yadrolari tez neytronlarni ushlashi dargumon. Shuning uchun tez neytronlar atrofdagi atomlar bilan bir nechta to'qnashuvlarni boshdan kechirib, asta-sekin sekinlashadi. Shu bilan birga, U-238 yadrolari bunday neytronlarni (oraliq tezlikda) shunchalik kuchli o'zlashtiradiki, U-235 bo'linishi va zanjir reaktsiyasini saqlab qolish uchun hech narsa qolmaydi (U-235 sekin, termal neytronlardan bo'linadi).
Moderator bloklarni uran bilan qandaydir engil modda bilan o'rab olib, bu bilan kurashmoqda. Unda neytronlar yutilishsiz sekinlashadi, elastik to'qnashuvlarni boshdan kechiradi, ularning har birida energiyaning kichik qismi yo'qoladi. Yaxshi moderatorlar suv, ugleroddir. Shunday qilib, termal tezlikka sekinlashtirilgan neytronlar U-235 parchalanishiga olib kelguncha reaktor bo'ylab harakatlanadi (U-238 ularni juda zaif singdiradi). Moderator va uran tayoqlarining ma'lum bir konfiguratsiyasi bilan neytronlar va U-238 va U-235 ning yutilishi uchun sharoitlar yaratiladi.
Olingan plutoniyning izotopik tarkibi reaktordagi uran tayoqchalarining davomiyligiga bog'liq. Pu-240 ning sezilarli darajada to'planishi uran kassetasining uzoq muddatli nurlanishi natijasida yuzaga keladi. Uranning reaktorda qisqa turishi bilan Pu-239 unchalik katta bo'lmagan Pu-240 ni oladi.
Pu-240 quyidagi sabablarga ko'ra qurol ishlab chiqarish uchun zararli:
1. U Pu-239 ga qaraganda kamroq parchalanadi, shuning uchun qurol yaratish uchun biroz ko'proq plutoniy kerak bo'ladi.
2. Ikkinchi, ancha muhimroq sabab. Pu-240 da spontan bo'linish darajasi ancha yuqori, bu esa kuchli neytron fonini yaratadi.
Atom qurollarini yaratishning dastlabki yillarida neytron emissiyasi (kuchli neytron fon) muddatidan oldin portlash tufayli ishonchli va samarali zaryad olish yo'lida muammo edi. Kuchli neytron oqimlari bir necha kilogramm plutoniyni o'z ichiga olgan bomba yadrosini o'ta kritik holatga siqib chiqarishni qiyinlashtirdi yoki imkonsiz qildi - bundan oldin u eng kuchli tomonidan vayron qilingan, ammo baribir maksimal energiya rentabelligi emas. Tarkibida yuqori darajada boyitilgan U-235 va plutoniy (1940-yillarning oxirida) boʻlgan aralash yadrolarning paydo boʻlishi, asosan uran yadrolarida nisbatan kichik miqdordagi plutoniydan foydalanish mumkin boʻlganida bu qiyinchilikni yengib oʻtdi. Zaryadlarning keyingi avlodi, termoyadroviy quvvatga ega qurilmalar (1950-yillarning o'rtalarida) bu qiyinchilikni butunlay yo'q qildi, hatto past quvvatli boshlang'ich bo'linish zaryadlari bilan ham yuqori energiya chiqishini kafolatladi.
Maxsus reaktorlarda ishlab chiqarilgan plutoniy Pu-240 ning nisbatan kichik foizini o'z ichiga oladi (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
Maxsus maqsadli reaktorlarda uran nisbatan qisqa vaqt ichida joylashgan bo'lib, bu vaqt ichida U-235 ning hammasi ham yonib ketmaydi va U-238 hammasi ham plutoniyga o'tmaydi, balki kamroq miqdordagi Pu-240 ham hosil bo'ladi.
Pu-240 miqdori past bo'lgan plutoniy ishlab chiqarishning ikkita sababi bor:
Iqtisodiy: plutoniy maxsus reaktorlari mavjudligining yagona sababi. Plutoniyning parchalanish yo'li bilan parchalanishi yoki uni kamroq bo'linadigan Pu-240 ga aylantirish hosilni pasaytiradi va ishlab chiqarish tannarxini oshiradi (uning narxi plutoniyning kichik kontsentratsiyasi bilan nurlangan yoqilg'ini qayta ishlash xarajatlari bilan muvozanatlashguncha).
Ishlashda qiyinchilik: Neytron emissiyasi qurol dizaynerlari uchun unchalik katta muammo bo'lmasa-da, bunday zaryadni ishlab chiqarish va qayta ishlashda qiyinchiliklarga olib kelishi mumkin. Neytronlar qurollarni yig'adigan yoki saqlaydiganlarning kasbiy ta'siriga qo'shimcha hissa qo'shadi (neytronlarning o'zi ionlashtiruvchi ta'sirga ega emas, lekin ular buni amalga oshirishga qodir protonlarni yaratadilar). Darhaqiqat, Davy Crocket kabi to'g'ridan-to'g'ri odam bilan aloqa qilish uchun to'lovlar shu sababli past neytron emissiyasiga ega ultra toza plutoniyni talab qilishi mumkin.
Plutoniyni to'g'ridan-to'g'ri quyish va qayta ishlash operator uchun qo'lqopli muhrlangan kameralarda qo'lda amalga oshiriladi. Bu kabi:
Bu insonni neytron chiqaradigan plutoniydan juda kam himoya qilishni nazarda tutadi. Shuning uchun Pu-240 miqdori yuqori bo'lgan plutoniy faqat manipulyatorlar tomonidan qayta ishlanadi yoki har bir ishchi uchun u bilan ishlash vaqti qat'iy cheklangan.
Bu barcha sabablarga ko'ra (radioaktivlik, Pu-240 ning eng yomon xususiyatlari), nima uchun reaktor darajasidagi plutoniy qurol ishlab chiqarish uchun ishlatilmasligi tushuntiriladi - maxsus qurol-yarog 'plutoniysini ishlab chiqarish arzonroq. reaktorlar. Garchi, aftidan, reaktordan yadroviy portlovchi qurilma yasash ham mumkin.
plutoniy halqasi
Ushbu halqa elektrolitik tozalangan plutoniy metalldan (99,96% dan ortiq toza) qilingan. Los-Alamosda tayyorlangan va yaqinda ishlab chiqarish to'xtatilgunga qadar qurol qilish uchun Rokki Fletsga yuborilgan odatiy halqalar. Uzukning massasi 5,3 kg ni tashkil etadi, zamonaviy strategik zaryadni ishlab chiqarish uchun etarli, diametri taxminan 11 sm. Halqa shakli muhim xavfsizlikni ta'minlash uchun muhimdir.
Qurol yadrosidan olingan plutoniy galliy qotishmasi:
Manxetten loyihasi paytida plutoniy
Tarixiy jihatdan, 1944 yil 23 martda Los-Alamosda Ted Magel va Nik Dallas tomonidan ishlab chiqarilgan birinchi 520 milligramm plutoniy metali:
Plutonium-gallium qotishmasini yarim sharlar shaklida issiq presslash uchun bosing. Ushbu press Los Alamosda Nagasaki va Trinity operatsiyasi uchun plutoniy yadrolarini ishlab chiqarish uchun ishlatilgan.
Unga quyiladigan mahsulotlar:
Plutoniyning qo'shimcha qo'shimcha mahsulotlari
Neytronning bo'linish bilan birga bo'lmagan tutilishi plutoniyning yangi izotoplarini yaratadi: Pu-240, Pu-241 va Pu-242. Oxirgi ikkitasi ahamiyatsiz miqdorda to'planadi.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
Yon reaktsiyalar zanjiri ham mumkin:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6,75 kun, beta-parchalanish) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2,1 kun, beta-parchalanish) -> Pu238
Yoqilg'i xujayrasining ta'sir qilish (tushirish) umumiy o'lchovi megavatt-kun/ton (MVt-kun/t) bilan ifodalanishi mumkin. qurol darajasidagi plutoniy sifat oz miqdorda MVt-kun/t bo'lgan elementlardan olinadi, u kamroq yon mahsulot izotoplarini ishlab chiqaradi. Zamonaviy bosimli suv reaktorlarida yoqilg'i xujayralari 33 000 MVt / t darajaga etadi. Qurol ishlab chiqaruvchi reaktorda odatdagi ta'sir qilish 1000 MVt / t ni tashkil qiladi. Hanford grafiti moderatorli reaktorlaridagi plutoniy 600 MVt/t gacha nurlanadi, Savannah og‘ir suv reaktori 1000 MVt/t tezlikda bir xil sifatli plutoniy ishlab chiqaradi (ehtimol, tritiy hosil qiladigan neytronlarning bir qismi tufayli). Manxetten loyihasi davomida tabiiy uran yoqilg'isi bor-yo'g'i 100 MVt / t ni oldi, shuning uchun juda yuqori sifatli plutoniy-239 (faqat 0,9-1% Pu-240, boshqa izotoplar ham kamroq miqdorda) ishlab chiqarildi.
Shunga o'xshash ma'lumotlar.
Plutoniy 1940 yil oxirida Kaliforniya universitetida topilgan. U Makmillan, Kennedi va Uol tomonidan uran oksidini (U 3 O 8) siklotronda kuchli tezlashtirilgan deyteriy yadrolari (deytronlar) bilan bombardimon qilish orqali sintez qilingan. Keyinchalik ma'lum bo'lishicha, bu yadro reaktsiyasi dastlab qisqa muddatli neptuniy-238 izotopini va undan allaqachon yarimparchalanish davri taxminan 50 yil bo'lgan plutoniy-238ni hosil qiladi. Bir yil o'tgach, Kennedi, Siborg, Segre va Vahl siklotronda uranni yuqori tezlashtirilgan neytronlar bilan nurlantirish orqali muhimroq izotop - plutoniy-239 ni sintez qildilar. Plutoniy-239 neptuniy-239 parchalanishidan hosil bo'ladi; u alfa nurlarini chiqaradi va yarim yemirilish davri 24000 yil. Sof plutoniy birikmasi birinchi marta 1942 yilda olingan. Keyin uran rudalarida, xususan, Kongodagi rudalarda, konlarda tabiiy plutoniy borligi ma'lum bo'ldi.
Elementning nomi 1948 yilda taklif qilingan: Makmillan birinchi transuranik elementni neptuniy deb atagan, chunki Neptun sayyorasi Urandan keyingi birinchi hisoblanadi. Analogiya bo'yicha ular 94 elementni plutoniy deb atashga qaror qilishdi, chunki Pluton sayyorasi Urandan keyingi ikkinchi sayyoradir. 1930 yilda kashf etilgan Pluton o'z nomini yunon mifologiyasida yer osti dunyosining hukmdori Pluton xudosi nomidan oldi. XIX asr boshlarida. Klark bu nomni to'g'ridan-to'g'ri Pluton xudosi nomidan olgan elementni bariy plutoniy deb nomlashni taklif qildi, ammo uning taklifi qabul qilinmadi.
Bu metall qimmatbaho deb ataladi, lekin uning go'zalligi uchun emas, balki uning ajralmasligi uchun. Mendeleyev davriy sistemasida bu element 94-hujayrani egallaydi. Aynan u bilan olimlar eng katta umidlarini bog'laydilar va aynan plutoniyni insoniyat uchun eng xavfli metall deb atashadi.
Plutoniy: tavsif
Tashqi ko'rinishida kumushsimon oq metalldir. U radioaktiv bo'lib, turli yarim umrga ega bo'lgan 15 ta izotop sifatida ifodalanishi mumkin, masalan:
- Pu-238 - taxminan 90 yoshda
- Pu-239 - taxminan 24 ming yil
- Pu-240 - 6580 yil
- Pu-241 - 14 yil
- Pu-242 - 370 ming yil
- Pu-244 - taxminan 80 million yil
Bu metallni rudadan ajratib bo'lmaydi, chunki u uranning radioaktiv o'zgarishi mahsulotidir.
Plutoniy qanday olinadi?
Plutoniy ishlab chiqarish uranning bo'linishini talab qiladi, bu faqat yadro reaktorlarida amalga oshirilishi mumkin. Agar er qobig'ida Pu elementining mavjudligi haqida gapiradigan bo'lsak, unda 4 million tonna uran rudasi uchun atigi 1 gramm toza plutoniy bo'ladi. Va bu gramm neytronlarning uran yadrolari tomonidan tabiiy tutilishi natijasida hosil bo'ladi. Shunday qilib, ushbu yadro yoqilg'isini (odatda 239-Pu izotopi) bir necha kilogramm miqdorida olish uchun yadro reaktorida murakkab texnologik jarayonni amalga oshirish kerak.
plutoniyning xossalari
Radioaktiv metall plutoniy quyidagi fizik xususiyatlarga ega:
- zichligi 19,8 g / sm 3
- erish nuqtasi - 641 ° S
- qaynash nuqtasi - 3232 ° S
- issiqlik o'tkazuvchanligi (300 K da) - 6,74 Vt / (m K)
Plutoniy radioaktiv va shuning uchun teginish uchun issiq. Shu bilan birga, bu metall eng past issiqlik va elektr o'tkazuvchanligi bilan ajralib turadi. Suyuq plutoniy barcha mavjud metallar ichida eng yopishqoq hisoblanadi.
Plutoniy haroratining eng kichik o'zgarishi moddaning zichligining bir zumda o'zgarishiga olib keladi. Umuman olganda, plutoniyning massasi doimo o'zgarib turadi, chunki bu metallning yadrolari doimiy ravishda kichikroq yadrolar va neytronlarga bo'linish holatidadir. Plutoniyning kritik massasi - bu parchalanish (yadro zanjiri reaktsiyasi) mumkin bo'lgan parchalanuvchi materialning minimal massasining nomi. Masalan, qurol darajasidagi plutoniyning kritik massasi 11 kg (taqqoslash uchun, yuqori darajada boyitilgan uranning kritik massasi 52 kg).
Uran va plutoniy asosiy yadro yoqilg'isi hisoblanadi. Plutoniyni katta miqdorda olish uchun ikkita texnologiya qo'llaniladi:
- uran nurlanishi
- sarflangan yoqilg'idan olingan transuran elementlarini nurlantirish
Ikkala usul ham kimyoviy reaksiya natijasida plutoniy va uranni ajratishdir.
Sof plutoniy-238 olish uchun neptuniy-237 ning neytron nurlanishidan foydalaniladi. Xuddi shu izotop qurol darajasidagi plutoniy-239 ni yaratishda ishtirok etadi, xususan, u oraliq parchalanish mahsulotidir. 1 million dollar - 1 kg plutoniy-238 narxi.
Insoniyat doimo ko'plab muammolarni hal qila oladigan yangi energiya manbalarini izlab kelgan. Biroq, ular har doim ham xavfsiz emas. Shunday qilib, xususan, ular bugungi kunda keng qo'llanilsa-da, garchi ular hamma uchun zarur bo'lgan juda katta miqdordagi elektr energiyasini ishlab chiqarishga qodir bo'lsa-da, ular hali ham o'lim xavfini o'z ichiga oladi. Ammo, tinch maqsadlarga qo'shimcha ravishda, sayyoramizning ba'zi mamlakatlari uni harbiy sohada, ayniqsa yadroviy kallaklarni yaratishda qo'llashni o'rgandilar. Ushbu maqolada bunday halokatli qurolning asoslari muhokama qilinadi, uning nomi qurol darajasidagi plutoniydir.
Qisqacha ma'lumot
Metallning bu ixcham shakli kamida 93,5% 239Pu izotopini o'z ichiga oladi. Qurolli plutoniy uni "reaktor ukasi" dan farqlash uchun shunday nomlangan. Asosan, plutoniy har doim mutlaqo har qanday yadro reaktorida hosil bo'ladi, u o'z navbatida kam boyitilgan yoki tabiiy uranda ishlaydi, asosan 238U izotopini o'z ichiga oladi.
Harbiy sanoatda qo'llanilishi
Yadroviy qurolning asosini qurol darajasidagi plutoniy 239Pu tashkil etadi. Shu bilan birga, massa raqamlari 240 va 242 bo'lgan izotoplardan foydalanish ahamiyatsiz, chunki ular neytronlarning juda yuqori fonini yaratadi, bu oxir-oqibatda yuqori samarali yadroviy o'q-dorilarni yaratish va loyihalashni qiyinlashtiradi. Bundan tashqari, plutoniy 240Pu va 241Pu izotoplarining yarimparchalanish davri 239Pu ga qaraganda ancha qisqaroq, shuning uchun plutoniy qismlari juda qizib ketadi. Aynan shu munosabat bilan muhandislar ortiqcha issiqlikni olib tashlash uchun yadro quroliga qo'shimcha elementlar qo'shishga majbur bo'lmoqda. Aytgancha, sof 239Pu inson tanasidan issiqroq. Og'ir izotoplarning parchalanish mahsulotlari metall kristall panjarasini zararli o'zgarishlarga duchor qilishini hisobga olmaslik ham mumkin emas va bu tabiiy ravishda plutoniy qismlarining konfiguratsiyasini o'zgartiradi, bu esa oxir-oqibat to'liq ishdan chiqishiga olib kelishi mumkin. yadroviy portlovchi qurilma.
Umuman olganda, bu qiyinchiliklarning barchasini engib o'tish mumkin. Va amalda, u bir necha bor aniq "reaktor" plutoniy asosida sinovdan o'tkazildi. Ammo shuni tushunish kerakki, yadroviy o'q-dorilarda ularning ixchamligi, past og'irligi, chidamliligi va ishonchliligi oxirgi pozitsiyadan uzoqdir. Shu munosabat bilan ular faqat qurol darajasidagi plutoniydan foydalanadilar.
Ishlab chiqarish reaktorlarining konstruktiv xususiyatlari
Rossiyadagi deyarli barcha plutoniy grafit moderatori bilan jihozlangan reaktorlarda ishlab chiqarilgan. Reaktorlarning har biri silindr shaklida yig'ilgan grafit bloklari atrofida qurilgan.
Yig'ilganda, grafit bloklari azot sifatida ishlatiladigan sovutish suvining uzluksiz aylanishini ta'minlash uchun ular orasida maxsus teshiklarga ega. Yig'ilgan tuzilmada suvni sovutish va yoqilg'ining ular orqali o'tishi uchun yaratilgan vertikal joylashgan kanallar ham mavjud. Yig'ishning o'zi allaqachon nurlangan yoqilg'ini jo'natish uchun ishlatiladigan kanallar ostidagi teshiklari bo'lgan struktura tomonidan qattiq quvvatlanadi. Bundan tashqari, kanallarning har biri engil va qo'shimcha kuchli alyuminiy qotishmasidan quyilgan yupqa devorli quvurda joylashgan. Ta'riflangan kanallarning ko'pchiligida 70 ta yonilg'i tayoqchasi mavjud. Sovutish suvi to'g'ridan-to'g'ri yonilg'i novdalari atrofida oqadi, ulardan ortiqcha issiqlikni olib tashlaydi.
Ishlab chiqarish reaktorlarining quvvatini oshirish
Dastlab "Mayak" birinchi reaktori 100 MVt termal quvvat bilan ishlagan. Biroq, Sovet yadroviy qurol dasturining bosh menejeri reaktor qishda 170-190 MVt va yozda 140-150 MVt quvvatda ishlashini taklif qildi. Bunday yondashuv reaktorga kuniga qariyb 140 gramm qimmatbaho plutoniy ishlab chiqarish imkonini berdi.
1952 yilda ishlaydigan reaktorlarning ishlab chiqarish quvvatlarini quyidagi usullar bilan oshirish uchun to'liq ilmiy-tadqiqot ishlari olib borildi:
- Sovutish uchun ishlatiladigan suv oqimini oshirish va yadroviy inshootning faol zonalari orqali oqib o'tish.
- Kanallar layneri yaqinida yuzaga keladigan korroziya hodisasiga qarshilikni oshirish orqali.
- Grafit oksidlanish tezligini pasaytirish.
- Yoqilg'i xujayralari ichidagi haroratni oshirish.
Natijada, yoqilg'i va kanalning devorlari orasidagi bo'shliqni oshirgandan so'ng, aylanma suvning o'tkazuvchanligi sezilarli darajada oshdi. Biz korroziyadan ham xalos bo'ldik. Buning uchun biz eng mos alyuminiy qotishmalarini tanladik va natriy dixromatni faol ravishda qo'shishni boshladik, bu oxir-oqibat sovutish suvining yumshoqligini oshirdi (pH taxminan 6,0-6,2). Grafitning oksidlanishi uni sovutish uchun azot ishlatila boshlanganidan keyin dolzarb muammo bo'lib qoldi (bundan oldin faqat havo ishlatilgan).
1950-yillarning oxirida innovatsiyalar to'liq amaliyotga tatbiq etildi, uranning radiatsiya ta'sirida juda keraksiz ballonlanishini kamaytirdi, uran novdalarining issiqlik bilan qattiqlashishini sezilarli darajada kamaytirdi, qoplama qarshiligini oshirdi va ishlab chiqarish sifatini nazorat qilishni yaxshiladi.
Mayakda ishlab chiqarish
"Chelyabinsk-65" - bu qurol darajasidagi plutoniy yaratilgan o'ta maxfiy zavodlardan biri. Korxonada bir nechta reaktorlar mavjud edi, ularning har biri bilan yaqindan tanishamiz.
Reaktor A
O'rnatish afsonaviy N. A. Dollezhal rahbarligida ishlab chiqilgan va qurilgan. U 100 MVt quvvatda ishlagan. Reaktorda grafit blokida 1149 vertikal tartibga solingan boshqaruv va yonilg'i kanallari mavjud edi. Strukturaning umumiy massasi taxminan 1050 tonnani tashkil etdi. Deyarli barcha kanallar (25 tadan tashqari) uran bilan to'ldirilgan, ularning umumiy massasi 120-130 tonnani tashkil etgan. Nazorat tayoqlari uchun 17 ta kanal va tajribalar uchun 8 ta kanal ishlatilgan. Yoqilg'i xujayrasining maksimal dizayn issiqlik chiqishi 3,45 kVtni tashkil etdi. Dastlab, reaktor kuniga taxminan 100 gramm plutoniy ishlab chiqargan. Metall plutoniy birinchi marta 1949 yil 16 aprelda ishlab chiqarilgan.
Texnologik kamchiliklar
Deyarli darhol alyuminiy qoplamalar va yonilg'i xujayrasi qoplamalarining korroziyasidan iborat bo'lgan jiddiy muammolar aniqlandi. Uran tayoqchalari ham shishib, singan va sovutish suvi to'g'ridan-to'g'ri reaktor yadrosiga sizib ketgan. Har bir qochqindan keyin grafitni havo bilan quritish uchun reaktorni 10 soatgacha to'xtatish kerak edi. 1949 yil yanvar oyida kanal laynerlari almashtirildi. Shundan so'ng, o'rnatishni ishga tushirish 1949 yil 26 martda bo'lib o'tdi.
A reaktorida ishlab chiqarilishi har xil qiyinchiliklar bilan kechgan qurolli plutoniy 1950-1954 yillarda o'rtacha birlik quvvati 180 MVt bo'lgan ishlab chiqarilgan. Reaktorning keyingi ishlashi uni yanada intensiv ishlatish bilan birga boshlandi, bu tabiiy ravishda tez-tez yopilishlarga olib keldi (oyiga 165 martagacha). Natijada, 1963 yil oktyabr oyida reaktor to'xtatildi va faqat 1964 yil bahorida o'z ishini davom ettirdi. U o'z kampaniyasini 1987 yilda yakunladi va ko'p yillik ekspluatatsiya davrida 4,6 tonna plutoniy ishlab chiqardi.
AB reaktorlari
1948 yil kuzida Chelyabinsk-65 korxonasida uchta AB reaktorini qurishga qaror qilindi. Ularning ishlab chiqarish quvvati kuniga 200-250 gramm plutoniy edi. Loyihaning bosh dizayneri A. Savin edi. Har bir reaktorda 1996 ta kanal mavjud bo'lib, ulardan 65 tasi nazorat kanali edi. O'rnatishda texnik yangilik qo'llanildi - har bir kanal maxsus sovutish suvi oqish detektori bilan jihozlangan. Bunday harakat reaktorning ishlashini to'xtatmasdan laynerlarni o'zgartirishga imkon berdi.
Reaktorlar ishlagan birinchi yili ular kuniga 260 gramm plutoniy ishlab chiqarganini ko'rsatdi. Biroq, foydalanishning ikkinchi yilidan boshlab quvvat asta-sekin oshirildi va 1963 yilda uning ko'rsatkichi 600 MVtni tashkil etdi. Ikkinchi kapital ta'mirdan so'ng, laynerlar muammosi to'liq hal qilindi va quvvati allaqachon 1200 MVtni tashkil etdi va yiliga 270 kilogramm plutoniy ishlab chiqarildi. Bu ko'rsatkichlar reaktorlar to'liq yopilgunga qadar saqlanib qoldi.
AI-IR reaktori
Chelyabinsk korxonasi ushbu o'rnatishni 1951 yil 22 dekabrdan 1987 yil 25 maygacha ishlatgan. Reaktor urandan tashqari kobalt-60 va poloniy-210 ham ishlab chiqargan. Dastlab tritiy zavodda ishlab chiqarilgan bo‘lsa, keyinchalik plutoniy ham ishlab chiqarila boshlandi.
Shuningdek, qurolli plutoniyni qayta ishlash zavodida og'ir suvda ishlaydigan reaktorlar va yagona engil suv reaktori (uning nomi Ruslan) mavjud edi.
Sibir giganti
"Tomsk-7" - plutoniyni yaratish uchun beshta reaktor joylashgan zavodning nomi. Birliklarning har biri to'g'ri sovutishni ta'minlash uchun neytronlarni va oddiy suvni sekinlashtirish uchun grafitdan foydalangan.
I-1 reaktori sovutish tizimi bilan ishlagan, unda suv bir marta o'tgan. Shu bilan birga, qolgan to'rtta birlik issiqlik almashinuvchilari bilan jihozlangan yopiq birlamchi sxemalar bilan ta'minlangan. Ushbu dizayn qo'shimcha ravishda bug 'ishlab chiqarish imkonini berdi, bu esa o'z navbatida elektr energiyasini ishlab chiqarish va turli turar-joy binolarini isitishga yordam berdi.
Tomsk-7 da EI-2 deb nomlangan reaktor ham bor edi, u o'z navbatida ikki tomonlama maqsadga ega edi: u plutoniy ishlab chiqardi va hosil bo'lgan bug'dan 100 MVt elektr energiyasini, shuningdek, 200 MVt issiqlik energiyasini ishlab chiqardi.
Muhim ma'lumotlar
Olimlarning fikricha, qurol darajasidagi plutoniyning yarim yemirilish davri taxminan 24360 yilni tashkil qiladi. Katta raqam! Shu munosabat bilan savol ayniqsa keskinlashadi: "Ushbu elementning ishlab chiqarish chiqindilari bilan qanday to'g'ri kurashish kerak?" Eng maqbul variant - qurolli plutoniyni keyinchalik qayta ishlash uchun maxsus korxonalar qurish. Bu, bu holda elementni endi harbiy maqsadlarda ishlatish mumkin emasligi va shaxs tomonidan boshqarilishi bilan izohlanadi. Rossiyada qurol darajasidagi plutoniy shu tarzda yo'q qilinmoqda, ammo Amerika Qo'shma Shtatlari boshqa yo'ldan bordi va shu tariqa xalqaro majburiyatlarini buzdi.
Shu tariqa, AQSh hukumati yuqori darajada boyitilgan plutoniyni sanoat yo‘li bilan emas, balki plutoniyni suyultirish va 500 metr chuqurlikda maxsus idishlarda saqlash yo‘li bilan yo‘q qilishni taklif qilmoqda. O'z-o'zidan ma'lumki, bu holda material istalgan vaqtda erdan osongina olib tashlanishi va harbiy maqsadlarda qayta ishlatilishi mumkin. Rossiya prezidenti Vladimir Putinning so‘zlariga ko‘ra, dastlab davlatlar plutoniyni bu usul bilan yo‘q qilishga emas, balki sanoat korxonalarida qayta ishlashni amalga oshirishga kelishib olgan.
Qurolli plutoniyning narxi alohida e'tiborga loyiqdir. Mutaxassislarning fikriga ko'ra, ushbu elementning o'nlab tonnasi bir necha milliard dollarga tushishi mumkin. Va ba'zi ekspertlar hatto 500 tonna qurol darajasidagi plutoniyni 8 trillion dollarga baholagan. Miqdor haqiqatan ham ta'sirli. Bu qancha pul ekanligini aniqroq qilish uchun aytaylik, 20-asrning so'nggi o'n yilida Rossiyaning o'rtacha yillik yalpi ichki mahsuloti 400 milliard dollarni tashkil etdi. Ya'ni, aslida, qurol darajasidagi plutoniyning haqiqiy narxi Rossiya Federatsiyasining yigirma yillik yalpi ichki mahsulotiga teng edi.
U haqiqatan ham qadrli.
Orqa fon va tarix
Dastlab protonlar - galaktik vodorod mavjud edi. Uning siqilishi va keyingi yadro reaktsiyalari natijasida nuklonlarning eng aql bovar qilmaydigan "ingotlari" hosil bo'ldi. Ularning orasida, bu "ingotlar", aftidan, har birida 94 proton bo'lgan. Nazariychilarning hisob-kitoblari 94 ta proton va 107 dan 206 tagacha neytronni o'z ichiga olgan 100 ga yaqin nuklon shakllanishi shunchalik barqarorki, ularni № 94 element izotoplarining yadrolari deb hisoblash mumkin.
Ammo bu barcha izotoplar - faraziy va haqiqiy - quyosh tizimining elementlari shakllangan paytdan boshlab bugungi kungacha saqlanib qoladigan darajada barqaror emas. 94-elementning eng uzoq umr ko'radigan izotopining yarimparchalanish davri 75 million yil. Galaktikaning yoshi milliardlab yillar bilan o'lchanadi. Shunday qilib, "asl" plutoniyning bugungi kungacha omon qolish imkoniyati yo'q edi. Agar u koinot elementlarining buyuk sintezi paytida hosil bo'lgan bo'lsa, unda dinozavrlar va mamontlar nobud bo'lgani kabi, uning qadimgi atomlari ham ancha oldin "o'lgan".
XX asrda. yangi davr, AD, bu element qayta yaratildi. Plutoniyning 100 ta mumkin boʻlgan izotoplaridan 25 tasi sintez qilingan.Ulardan 15 tasi yadroviy xossalari boʻyicha oʻrganilgan. To'rttasi amaliy dasturlarni topdi. Va u yaqinda ochildi. 1940-yil dekabrida uranni ogʻir vodorod yadrolari bilan nurlantirish paytida Glenn T. Siborg boshchiligidagi bir guruh amerikalik radiokimyogarlar yarim yemirilish davri 90 yil boʻlgan, shu paytgacha nomaʼlum boʻlgan alfa-zarracha emitterini topdilar. Bu emitent massa soni 238 bo'lgan 94-sonli elementning izotopi bo'lib chiqdi. Xuddi shu yili, biroq bir necha oy oldin E.M. Makmillan va F.Abelson urandan og'irroq birinchi element - No93 elementni oldi. Bu element neptuniy, 94-chi element esa plutoniy deb atalgan. Tarixchi, albatta, bu nomlar Rim mifologiyasida paydo bo'lganligini aytadi, lekin aslida bu nomlarning kelib chiqishi mifologik emas, balki astronomikdir.
92 va 93-sonli elementlar quyosh tizimining uzoqdagi sayyoralari - Uran va Neptun nomi bilan atalgan, ammo Neptun quyosh tizimidagi oxirgi emas, Plutonning orbitasi bundan ham uzoqroqda joylashgan - bu sayyora haqida hozirgacha deyarli hech narsa ma'lum emas. ... Shunga o'xshash qurilishni davriy jadvalning "chap qanotida" ham kuzatamiz: uran - neptuniy - plutoniy, ammo insoniyat plutoniy haqida Plutonga qaraganda ko'proq narsani biladi. Aytgancha, astronomlar Plutonni plutoniy sintezidan atigi o'n yil oldin kashf qilishgan - deyarli bir xil vaqt oralig'ida Uran kashfiyoti - sayyora va uran - element.
Ransomware uchun topishmoqlar
94-sonli elementning birinchi izotopi plutoniy-238 bugungi kunda amaliy qo'llanilishini topdi. Ammo 1940-yillarning boshlarida ular bu haqda o‘ylashmagan. Plutoniy-238ni faqat kuchli atom sanoatiga tayangan holda amaliy ahamiyatga ega bo'lgan miqdorda olish mumkin. Bu vaqtda u endigina ish boshlagan edi. Ammo og'ir radioaktiv elementlarning yadrolarida mavjud bo'lgan energiyani chiqarish orqali misli ko'rilmagan kuchga ega qurollarni olish mumkinligi allaqachon aniq edi. Nyu-Yorkning taniqli hududi bilan umumiy nomdan boshqa hech narsaga ega bo'lmagan Manxetten loyihasi paydo bo'ldi. Bu Qo'shma Shtatlarda birinchi atom bombalarini yaratish bilan bog'liq barcha ishlarning umumiy nomi edi. Manxetten loyihasining rahbari olim emas, balki harbiy odam - general Groves edi, u o'zining oliy ma'lumotli palatalarini "mehr bilan" "singan qozonlar" deb atagan.
"Loyiha" rahbarlarini plutoniy-238 qiziqtirmadi. Uning yadrolari, haqiqatan ham massa raqamlari teng bo'lgan barcha plutoniy izotoplarining yadrolari kabi, past energiyali neytronlar * bilan bo'linmaydi, shuning uchun u yadro portlovchisi bo'lib xizmat qila olmaydi. Shunga qaramay, 93 va 94-sonli elementlar haqidagi birinchi unchalik tushunarsiz xabarlar faqat 1942 yilning bahorida nashr etilgan.
* Kam energiyali neytronlar energiyasi 10 keV dan oshmaydigan neytronlardir. Energiyasi elektron voltning fraktsiyalarida o'lchanadigan neytronlar termal deb ataladi va eng sekin neytronlar - 0,005 eV dan kam energiyaga ega - sovuq. Agar neytronning energiyasi 100 keV dan ortiq bo'lsa, unda bunday neytron allaqachon tez hisoblanadi.
Buni qanday tushuntirish mumkin? Fiziklar tushunishdi: plutoniy izotoplarini toq massa raqamlari bilan sintez qilish vaqt masalasidir va unchalik uzoq emas. G'alati izotoplar, xuddi uran-235 kabi, yadro zanjiri reaktsiyasini davom ettira olishi kutilgan edi. Ularda, hali qabul qilinmagan, ba'zi odamlar potentsial yadroviy portlovchini ko'rishgan. Va plutoniy, afsuski, bu umidlarni oqladi.
O'sha davrning shifrlarida 94-sonli element misdan boshqa narsa deb atalmagan. Va misning o'ziga (ba'zi qismlar uchun strukturaviy material sifatida) ehtiyoj paydo bo'lganda, shifrlashda "mis" bilan birga "haqiqiy mis" paydo bo'ldi.
"Yaxshilik va yomonlikni bilish daraxti"
1941 yilda plutoniyning eng muhim izotopi - massa soni 239 bo'lgan izotopi topildi. Va deyarli darhol nazariyotchilarning bashorati tasdiqlandi: plutoniy-239 yadrolari termal neytronlar bilan bo'lindi. Bundan tashqari, ularning bo'linishi jarayonida neytronlar soni uran-235 ning bo'linishiga qaraganda kamroq bo'lmagan. Ushbu izotopni ko'p miqdorda olish yo'llari darhol belgilandi ...
Yillar o'tdi. Endilikda arsenallarda saqlanayotgan yadro bombalari plutoniy-239 bilan to‘ldirilgani va bu bombalar Yerdagi barcha hayotga tuzatib bo‘lmas zarar yetkazish uchun yetarli ekanligi hech kimga sir emas.
Yadro zanjiri reaktsiyasining ochilishi bilan (muqarrar oqibati yadroviy bomba yaratilishi edi) insoniyat aniq shoshilgan deb ishoniladi. Siz boshqacha o'ylashingiz yoki o'zingizni boshqacha fikrda tutishingiz mumkin - optimist bo'lish yoqimliroq. Ammo hatto optimistlar ham muqarrar ravishda olimlarning mas'uliyati masalasiga duch kelishadi. Biz 1954 yil iyun oyidagi zafarli kunni, Obninskdagi birinchi atom elektr stansiyasi elektr energiyasini bergan kunni eslaymiz. Ammo biz 1945 yil avgust tongini - "Xirosima tongini", "Albert Eynshteynning yomg'irli kunini" unutolmaymiz. Ammo keyingi yillarda insoniyat ozgina tashvishlarga chidadimi? Qolaversa, yangi jahon urushi boshlansa, yadro quroli qo'llanilishini anglash ham bu xavotirlarni yanada oshirdi.
Bu erda siz plutoniyning kashf etilishi insoniyatning qo'rquvini oshirmaganligini, aksincha, u faqat foydali ekanligini isbotlashga harakat qilishingiz mumkin.
Aytaylik, qandaydir sabablarga ko'ra yoki ular qadimgi kunlarda aytganidek, Xudoning irodasi bilan plutoniy olimlar uchun mavjud emas edi. Shunda qo'rquv va qo'rquvlarimiz kamayadimi? Hech narsa bo'lmadi. Yadro bombalari uran-235 dan (va plutoniydan kam bo'lmagan miqdorda) ishlab chiqariladi va bu bombalar byudjetning hozirgidan ham ko'proq qismini "eb qo'yadi".
Ammo plutoniysiz atom energiyasidan keng miqyosda tinch maqsadlarda foydalanish istiqbollari bo'lmaydi. "Tinch atom" uchun uran-235 etarli emas. Atom energiyasining kashf etilishi bilan insoniyatga yetkazilgan yovuzlik “yaxshi atom” yutuqlari bilan qisman bo‘lsa ham muvozanatlashmaydi.
Qanday o'lchash kerak, nima bilan solishtirish kerak
Plutoniy-239 yadrosi neytronlar tomonidan taxminan teng massali ikkita bo'lakka bo'linganida, taxminan 200 MeV energiya ajralib chiqadi. Bu C + O 2 = CO 2 ning eng mashhur ekzotermik reaktsiyasida chiqarilgan energiyadan 50 million marta ko'pdir. Yadro reaktorida "yonish", bir gramm plutoniy 2·10 7 kkal beradi. An'analarni buzmaslik uchun (va mashhur maqolalarda yadro yoqilg'isining energiyasi odatda tizimsiz birliklarda o'lchanadi - tonna ko'mir, benzin, trinitrotoluol va boshqalar), biz shuni ham ta'kidlaymiz: bu 4 tonna yoqilg'ida mavjud bo'lgan energiya. ko'mir. Va oddiy tirgakda qirq vagon yaxshi qayin o'tiniga teng bo'lgan plutoniy miqdori joylashtiriladi.
Xuddi shu energiya uran-235 yadrolarining neytronlar tomonidan bo'linishi paytida chiqariladi. Ammo tabiiy uranning asosiy qismi (99,3%!) 238 U izotopi bo'lib, uni faqat uranni plutoniyga aylantirish orqali ishlatish mumkin ...
Tosh energiyasi
Keling, uranning tabiiy zaxiralari tarkibidagi energiya resurslarini baholaylik.
Uran tarqoq element bo'lib, u deyarli hamma joyda mavjud. Masalan, Kareliyaga tashrif buyurgan har bir kishi, albatta, granit toshlari va qirg'oq qoyalarini esladi. Ammo bir tonna granitda 25 g gacha uran borligini kam odam biladi. Granitlar er qobig'i og'irligining deyarli 20% ni tashkil qiladi. Agar faqat uran-235 ni hisoblasak, bir tonna granit tarkibida 3,5·10 5 kkal energiya mavjud. Bu juda ko'p, lekin ...
Granitni qayta ishlash va undan uran olish uchun undan ham kattaroq energiya talab qilinadi - taxminan 10 6 ...10 7 kkal/t. Endi energiya manbai sifatida nafaqat uran-235, balki uran-238 dan ham foydalanish mumkin bo‘lganida, granit hech bo‘lmaganda potentsial energiya xom ashyosi sifatida qaralishi mumkin edi. Keyin bir tonna toshdan olingan energiya allaqachon 8 · 10 7 dan 5 · 10 8 kkalgacha bo'ladi. Bu 16...100 tonna ko‘mirga teng. Va bu holda, granit odamlarga Yerdagi barcha kimyoviy yoqilg'i zahiralaridan deyarli million marta ko'proq energiya berishi mumkin.
Ammo uran-238 yadrolari neytronlar tomonidan bo'linmaydi. Yadro energiyasi uchun bu izotop foydasiz. Aniqrog‘i, plutoniy-239 ga aylantirilmasa, foydasiz bo‘lar edi. Va ayniqsa muhim: bu yadroviy transformatsiyaga energiya sarflashning deyarli hojati yo'q - aksincha, bu jarayonda energiya ishlab chiqariladi!
Keling, bu qanday sodir bo'lishini aniqlashga harakat qilaylik, lekin avval tabiiy plutoniy haqida bir necha so'z.
radiydan 400 ming marta kichik
Plutoniy izotoplari sayyoramizning shakllanishi davrida elementlar sintez qilinganidan beri saqlanib qolmaganligi allaqachon aytilgan. Ammo bu Yerda plutoniy yo‘q degani emas.
U har doim uran rudalarida hosil bo'ladi. Uran-238 yadrolarining o'z-o'zidan bo'linishi natijasida hosil bo'lgan kosmik nurlanish neytronlari va neytronlarini tutib, bu izotopning ba'zi - juda kam - atomlari uran-239 atomlariga aylanadi. Bu yadrolar juda beqaror, ular elektronlar chiqaradi va shu bilan ularning zaryadini oshiradi. Birinchi transuran elementi neptuniy hosil bo'ladi. Neptunium-239 ham juda beqaror va uning yadrolari elektronlar chiqaradi. Atigi 56 soat ichida neptuniy-239 ning yarmi plutoniy-239 ga aylanadi, uning yarimparchalanish davri allaqachon ancha uzun - 24 ming yil.
Nima uchun uran rudalaridan plutoniy qazib olinmaydi? Kichik, juda past konsentratsiya. "Bir gramm ishlab chiqarish yiliga mehnatdir" - bu radiy haqida va rudalardagi plutoniy radiydan 400 ming baravar kam. Shuning uchun, nafaqat qazib olish, balki "yerdagi" plutoniyni aniqlash juda qiyin. Bu yadro reaktorlarida olingan plutoniyning fizik-kimyoviy xossalari o‘rganilgandan keyingina amalga oshirildi.
Qachon 2.70 >> 2.23
Plutoniy yadroviy reaktorlarda to'planadi. Kuchli neytron oqimlarida xuddi uran rudalarida bo'lgani kabi reaksiya sodir bo'ladi, lekin reaktorda plutoniyning hosil bo'lish va to'planish tezligi ancha yuqori - milliard milliard marta. Balast uran-238 ni quvvatli plutoniy-239 ga aylantirish reaktsiyasi uchun optimal (qabul qilinadigan chegaralarda) sharoitlar yaratiladi.
Agar reaktor termal neytronlarda ishlayotgan bo'lsa (esda tutingki, ularning tezligi sekundiga taxminan 2000 m, energiya esa elektron voltning ulushi), u holda uran izotoplarining tabiiy aralashmasidan plutoniy miqdori, miqdoridan bir oz kamroq bo'ladi. "yonib ketgan" uran-235. Ko'p emas, balki kamroq, shuningdek, plutoniyni nurlangan urandan kimyoviy ajratish paytida muqarrar yo'qotishlar. Bundan tashqari, uran izotoplarining tabiiy aralashmasida yadro zanjiri reaktsiyasi faqat uran-235 ning kichik bir qismi ishlatilmaguncha saqlanadi. Demak, xulosa qilish mantiqan to'g'ri: tabiiy urandagi "termal" reaktor - hozirda ishlayotgan reaktorlarning asosiy turi - yadro yoqilg'isining ko'payishini ta'minlay olmaydi. Ammo keyin kelajak nima? Bu savolga javob berish uchun keling, uran-235 va plutoniy-239 dagi yadro zanjiri reaktsiyasining borishini taqqoslaylik va fikrimizga yana bir fizik tushunchani kiritamiz.
Har qanday yadro yoqilg'isining eng muhim xarakteristikasi yadro bitta neytronni tutib olgandan keyin chiqariladigan neytronlarning o'rtacha sonidir. Fiziklar uni eta raqami deb atashadi va yunoncha ē harfi bilan belgilaydilar. "Issiqlik" uran reaktorlarida quyidagi naqsh kuzatiladi: har bir neytron o'rtacha 2,08 neytron hosil qiladi (ē = 2,08). Termal neytronlar ta'sirida bunday reaktorga joylashtirilgan plutoniy ē = 2,03 ni beradi. Ammo tez neytronlarda ishlaydigan reaktorlar ham mavjud. Bunday reaktorga uran izotoplarining tabiiy aralashmasini yuklash foydasiz: zanjir reaktsiyasi boshlanmaydi. Ammo “xom ashyo” uran-235 bilan boyitilsa, u “tezkor” reaktorda rivojlanishi mumkin bo‘ladi. Bunday holda, ē allaqachon 2,23 ga teng bo'ladi. Tez neytronlar bilan olov ostida joylashgan plutoniy esa n ni 2,70 ga teng beradi. Bizning ixtiyorimizda "qo'shimcha to'liq neytron" bo'ladi. Va bu etarli emas.
Keling, olingan neytronlar nimaga sarflanishini ko'rib chiqaylik. Har qanday reaktorda zanjirli yadro reaktsiyasini saqlab turish uchun bitta neytron kerak bo'ladi. 0,1 neytron ob'ektning strukturaviy materiallari tomonidan so'riladi. "Oddiy" plutoniy-239 to'planishiga ketadi. Bir holatda "ortiqcha" 1,13, ikkinchisida - 1,60. “Tez” reaktorda bir kilogramm plutoniy “yondirilgandan” keyin ulkan energiya ajralib chiqadi va 1,6 kg plutoniy to‘planadi. Va "tezkor" reaktordagi uran bir xil energiya va 1,1 kg yangi yadro yoqilg'isini beradi. Ikkala holatda ham kengaytirilgan ko'payish aniq. Ammo biz iqtisodiyotni unutmasligimiz kerak.
Bir qator texnik sabablarga ko'ra plutoniyning naslchilik davri bir necha yil davom etadi. Besh yil deylik. Bu plutoniyning miqdori ē = 2,23 bo'lsa, yiliga atigi 2% ga, ē = 2,7 bo'lsa, 12% ga oshadi degan ma'noni anglatadi! Yadro yoqilg'isi kapitaldir va har qanday kapital yiliga 5% daromad keltirishi kerak. Birinchi holda, katta yo'qotishlar, ikkinchisida - katta foyda. Ushbu ibtidoiy misol atom energiyasidagi ē sonining har o'ndan birining "og'irligi" ni ko'rsatadi.
Ko'p texnologiyalar yig'indisi
Yadro reaktsiyalari natijasida uranda zarur miqdordagi plutoniy to'planganda, uni nafaqat uranning o'zidan, balki yadroviy zanjir reaktsiyasida yonib ketgan uran va plutoniyning bo'linish qismlaridan ham ajratish kerak. Bundan tashqari, uran-plutoniy massasida ma'lum miqdorda neptuniy mavjud. Eng qiyin narsa plutoniyni neptuniy va noyob yer elementlaridan (lantanidlar) ajratishdir. Kimyoviy element sifatida plutoniy biroz omadsizdir. Kimyogar nuqtai nazaridan, yadro energiyasining asosiy elementi o'n to'rtta aktiniddan biri hisoblanadi. Noyob tuproq elementlari singari, aktiniy qatorining barcha elementlari kimyoviy xossalari bo'yicha bir-biriga juda yaqin, aktiniydan 103 gacha bo'lgan barcha elementlar atomlarining tashqi elektron qobiqlarining tuzilishi bir xil. Aktinidlarning kimyoviy xossalari noyob yer elementlarinikiga o'xshashligi va uran va plutoniyning bo'linish bo'laklari orasida lantanidlarning etarli darajada ko'pligi yanada yoqimsiz. Ammo boshqa tomondan, 94-element beshta valentlik holatida bo'lishi mumkin va bu "hapni shirin qiladi" - bu plutoniyni ham uran, ham parchalanish bo'laklaridan ajratishga yordam beradi.
Plutoniyning valentligi uchdan ettigacha o'zgaradi. Tetravalent plutoniyning birikmalari kimyoviy jihatdan eng barqaror (va shuning uchun eng keng tarqalgan va eng ko'p o'rganilgan).
Kimyoviy xossalari bo'yicha yaqin bo'lgan aktinidlarni - uran, neptun va plutoniyni ajratish ularning tetra va olti valentli birikmalari xossalarining farqiga asoslanishi mumkin.
Plutoniy va uranni kimyoviy ajratishning barcha bosqichlarini batafsil tavsiflashning hojati yo'q. Odatda, ularning ajralishi uran barlarini nitrat kislotada eritishi bilan boshlanadi, shundan so'ng eritma tarkibidagi uran, neptun, plutoniy va parcha elementlari "ajraladi", buning uchun an'anaviy radiokimyoviy usullar - tashuvchilar bilan birgalikda cho'ktirish, ekstraksiya, ion almashinuvi va boshqalar. Ushbu ko'p bosqichli texnologiyaning oxirgi plutoniy o'z ichiga olgan mahsulotlari uning dioksidi PuO 2 yoki ftoridlar - PuF 3 yoki PuF 4 dir. Ular bariy, kaltsiy yoki litiy bug'lari bilan metallga qaytariladi. Biroq, bu jarayonlarda olingan plutoniy strukturaviy material roliga mos kelmaydi - undan atom energetikasi reaktorlarining yoqilg'i elementlarini yasash mumkin emas, atom bombasining zaryadini tashlash mumkin emas. Nega? Plutoniyning erish nuqtasi - atigi 640 ° C - juda erishish mumkin.
Sof plutoniydan qismlarni quyish uchun qanday "o'ta tejamkor" sharoitlar qo'llanilishidan qat'i nazar, qotib qolganda quymalarda doimo yoriqlar paydo bo'ladi. 640°C da qattiqlashuvchi plutoniy kubik kristall panjara hosil qiladi. Haroratning pasayishi bilan metallning zichligi asta-sekin o'sib boradi. Ammo keyin harorat 480 ° C ga yetdi va keyin birdan plutoniyning zichligi keskin pasayadi. Ushbu anomaliyaning sabablari juda tez topildi: bu haroratda plutoniy atomlari kristall panjarada qayta joylashadi. U tetragonal va juda "bo'sh" bo'ladi. Bunday plutoniy suv ustidagi muz kabi o'z eritmasida suzishi mumkin.
Harorat pasayishda davom etmoqda, endi u 451 ° C ga yetdi va atomlar yana kubik panjara hosil qildi, lekin birinchi holatdan ko'ra bir-biridan ko'proq masofada joylashgan. Keyinchalik sovutish bilan panjara birinchi navbatda ortorombik, keyin monoklinik bo'ladi. Hammasi bo'lib plutoniy olti xil kristall shakllarni hosil qiladi! Ulardan ikkitasi ajoyib xususiyatga ega - termal kengayishning salbiy koeffitsienti: harorat ortishi bilan metall kengaymaydi, balki qisqaradi.
Harorat 122 ° C ga yetganda va plutoniy atomlari oltinchi marta o'z qatorlarini o'zgartirganda, zichlik ayniqsa kuchli o'zgaradi - 17,77 dan 19,82 g / sm 3 gacha. 10% dan ortiq! Shunga ko'ra, ingotning hajmi kamayadi. Agar metall hali ham boshqa o'tishlarda paydo bo'lgan stresslarga bardosh bera olsa, hozirgi vaqtda halokat muqarrar.
Xo'sh, bu ajoyib metalldan qismlarni qanday qilish kerak? Metallurglar plutoniyni qotishtiradilar (unga oz miqdorda kerakli elementlarni qo'shing) va bitta yoriqsiz quymalarni oladi. Ular yadroviy bombalar uchun plutoniy zaryadlarini ishlab chiqarish uchun ishlatiladi. Zaryadning og'irligi (birinchi navbatda u izotopning kritik massasi bilan belgilanadi) 5 ... 6 kg. U qovurg'aning o'lchami 10 sm bo'lgan kubga osongina joylashadi.
Og'ir izotoplar
Plutoniy-239 shuningdek, ushbu elementning oz miqdordagi yuqori izotoplarini o'z ichiga oladi - massa raqamlari 240 va 241. 240 Pu izotopi deyarli foydasiz - plutoniydagi bu balast. 241-dan ameritsiy olinadi - element No 95. Sof shaklda, boshqa izotoplar qo'shilmagan holda, dlutoniy-240 va plutoniy-241 ni reaktorda to'plangan plutoniyni elektromagnit ajratish yo'li bilan olish mumkin. Bundan oldin plutoniy qo'shimcha ravishda qat'iy belgilangan xususiyatlarga ega neytron oqimlari bilan nurlanadi. Albatta, bularning barchasi juda murakkab, ayniqsa plutoniy nafaqat radioaktiv, balki juda zaharli. U bilan ishlash juda ehtiyotkorlikni talab qiladi.
Plutoniyning eng qiziqarli izotoplaridan biri 242 Pu ni 239 Pu ni uzoq vaqt davomida neytron oqimlarida nurlantirish orqali olish mumkin. 242 Pu juda kamdan-kam hollarda neytronlarni ushlaydi va shuning uchun reaktorda boshqa izotoplarga qaraganda sekinroq "yonib ketadi"; u plutoniyning qolgan izotoplari deyarli to'liq bo'laklarga o'tgandan yoki plutoniy-242 ga aylangandan keyin ham saqlanib qoladi.
Plutoniy-242 yadro reaktorlarida yuqori transuran elementlarining nisbatan tez to‘planishi uchun “xom ashyo” sifatida muhim ahamiyatga ega. Agar plutoniy-239 an'anaviy reaktorda nurlantirilsa, grammdan mikrogram plutoniyni to'plash uchun taxminan 20 yil kerak bo'ladi, masalan, kaliforniy-251.
Reaktorda neytron oqimining intensivligini oshirish orqali yuqoriroq izotoplarning to'planish vaqtini qisqartirish mumkin. Ular shunday qilishadi, lekin keyinchalik plutoniy-239 ni katta miqdorda nurlantirish mumkin emas. Axir, bu izotop neytronlarga bo'linadi va intensiv oqimlarda juda ko'p energiya chiqariladi. Konteyner va reaktorni sovutish bilan bog'liq qo'shimcha qiyinchiliklar mavjud. Ushbu asoratlarning oldini olish uchun nurlangan plutoniy miqdorini kamaytirish kerak edi. Shunday qilib, Kaliforniyaning chiqishi yana ayanchli bo'lar edi. Shafqatsiz doira!
Plutoniy-242 termal neytronlar tomonidan parchalanmaydi va u kuchli neytron oqimlarida ko'p miqdorda nurlanishi mumkin ... Shuning uchun reaktorlarda kaliforniydan eynshteyngacha bo'lgan barcha elementlar ushbu izotopdan "yaratiladi" va og'irlik miqdorida to'planadi.
Eng og'ir emas, balki eng uzoq umr ko'rgan
Qachonki olimlar plutoniyning yangi izotopini olishga muvaffaq bo'lishsa, uning yadrolarining yarimparchalanish davrini o'lchadilar. Massa sonlari teng boʻlgan ogʻir radioaktiv yadrolarning izotoplarining yarimparchalanish davri muntazam ravishda oʻzgarib turadi. (G'alati izotoplar uchun xuddi shunday deyish mumkin emas.)
Guruch. 8.
Hatto plutoniy izotoplarining yarim yemirilish davrining massa soniga bog'liqligini ko'rsatadigan grafikga qarang. Massa ortishi bilan izotopning “hayoti” ham oshadi. Bir necha yil oldin plutoniy-242 ushbu grafikdagi eng yuqori nuqta edi. Va keyin bu egri chiziq qanday o'tadi - massa sonining yanada oshishi bilan? Aynan 1 , bu 30 million yillik umrga yoki nuqtaga to'g'ri keladi 2 , 300 million yil davomida javobgar bo'lgan? Bu savolga javob geofanlar uchun juda muhim edi. Birinchi holda, agar 5 milliard yil oldin Yer butunlay 244 Pu dan iborat bo'lsa, endi Yerning butun massasida faqat bitta plutoniy-244 atomi qoladi. Agar ikkinchi taxmin to'g'ri bo'lsa, plutoniy-244 Yerda allaqachon aniqlanishi mumkin bo'lgan kontsentratsiyalarda bo'lishi mumkin. Agar bizga bu izotopni Yerda topish nasib etganida, fan sayyoramizning shakllanishi davrida sodir bo‘lgan jarayonlar haqida eng qimmatli ma’lumotlarni olardi.
Bir necha yil oldin olimlar savolga duch kelishdi: Yerda og'ir plutoniyni topishga harakat qilish kerakmi? Bunga javob berish uchun birinchi navbatda plutoniy-244 ning yarimparchalanish davrini aniqlash kerak edi. Nazariychilar bu qiymatni kerakli aniqlik bilan hisoblay olmadilar. Barcha umid faqat tajribada edi.
Plutoniy-244 yadroviy reaktorda to'plangan. 95-sonli element, amerisiy (izotop 243 Am) nurlangan. Neytronni tutib, bu izotop amerisiy-244 ga o'tdi; americium-244 10 ming holatdan birida plutoniy-244 ga o'tdi.
Amerisiy va kuriy aralashmasidan plutoniy-244 preparati ajratilgan. Namuna grammning bir necha milliondan bir qismini tashkil etdi. Ammo ular bu eng qiziqarli izotopning yarim umrini aniqlash uchun etarli edi. Bu 75 million yilga teng bo'lib chiqdi. Keyinchalik boshqa tadqiqotchilar plutoniy-244 ning yarimparchalanish davrini aniqladilar, ammo unchalik ko'p emas - 82,8 million yil. 1971 yilda bu izotopning izlari noyob tuproq minerali bastnasitida topilgan.
Olimlar 244 Pu dan uzoqroq yashaydigan transuran elementining izotopini topishga ko'p urinishgan. Ammo barcha urinishlar besamar ketdi. Bir vaqtlar kurium-247 ga umid bog'langan edi, ammo bu izotop reaktorda to'planganidan so'ng, uning yarimparchalanish davri atigi 14 million yil ekanligi ma'lum bo'ldi. Plutoniy-244 bo'yicha rekordni yangilashning iloji bo'lmadi - bu transuran elementlarining barcha izotoplari ichida eng uzoq umr ko'rgani.
Plutoniyning hatto og'irroq izotoplari ham beta-parchalanishga duchor bo'ladi va ularning umri bir necha kundan soniyaning o'ndan bir qismigacha o'zgarib turadi. Biz aniq bilamizki, plutoniyning 257 Pu gacha bo'lgan barcha izotoplari termoyadro portlashlarida hosil bo'ladi. Ammo ularning umri soniyaning o'ndan bir qismini tashkil etadi va plutoniyning ko'plab qisqa muddatli izotoplari hali o'rganilmagan.
Birinchi izotopning imkoniyatlari
Va nihoyat - plutoniy-238 haqida - plutoniyning "texnogen" izotoplarining birinchisi, dastlab umidsiz bo'lib tuyulgan izotop. Bu aslida juda qiziq izotop. U alfa parchalanishiga duchor bo'ladi, ya'ni. uning yadrolari o'z-o'zidan alfa zarralarini - geliy yadrolarini chiqaradi. Plutoniy-238 yadrolari tomonidan hosil qilingan alfa zarralari juda ko'p energiya olib yuradi; moddada tarqalib, bu energiya issiqlikka aylanadi. Bu energiya qanchalik katta? Plutoniy-238 ning bitta atom yadrosi parchalanganda olti million elektron volt chiqariladi. Kimyoviy reaksiyada bir necha million atom oksidlanganda bir xil energiya ajralib chiqadi. Bir kilogramm plutoniy-238 ni o'z ichiga olgan elektr energiyasi manbai 560 vatt issiqlik quvvatini rivojlantiradi. Bir xil massadagi kimyoviy oqim manbaining maksimal quvvati 5 vatt.
Shunga o'xshash energiya xususiyatlariga ega ko'plab emitentlar mavjud, ammo plutoniy-238 ning bir xususiyati bu izotopni ajralmas qiladi. Odatda, alfa parchalanishi materiyaning katta qalinligi orqali kuchli gamma nurlanishi bilan birga keladi. 238 Pu bundan mustasno. Uning yadrolarining yemirilishi bilan birga keladigan gamma kvantlarning energiyasi past bo'lib, undan himoyalanish qiyin emas: nurlanish yupqa devorli idish tomonidan so'riladi. Ushbu izotopning o'z-o'zidan yadroviy bo'linish ehtimoli ham kichik. Shuning uchun u nafaqat joriy manbalarda, balki tibbiyotda ham qo'llanilishini topdi. Plutonium-238 bo'lgan batareyalar maxsus yurak stimulyatorlarida energiya manbai bo'lib xizmat qiladi.
Lekin 238 Pu №94 elementning ma'lum izotoplari ichida eng yengili emas, massa raqamlari 232 dan 237 gacha bo'lgan plutoniy izotoplari olingan.Eng engil izotopning yarimparchalanish davri 36 minut.
Plutoniy - katta mavzu. Mana, eng muhimlaridan eng muhimi. Axir, plutoniyning kimyosi temir kabi "eski" elementlarning kimyosiga qaraganda ancha yaxshi o'rganilganligi allaqachon standart iboraga aylandi. Plutoniyning yadroviy xususiyatlari haqida butun kitoblar yozilgan. Plutoniy metallurgiyasi - bu inson bilimining yana bir ajoyib bo'limi... Shuning uchun, bu hikoyani o'qib chiqqandan so'ng, siz haqiqatan ham 20-asrning eng muhim metalli bo'lgan plutoniy bilan tanishib chiqdingiz deb o'ylamasligingiz kerak.
