Человечество всегда пребывало в поисках новых источников энергии, способных решить множество проблем. Однако далеко не всегда они являются безопасными. Так, в частности, широко применяемые сегодня хотя и способны выработать просто колоссальное количество такой нужной всем электрической энергии, все же несут в себе смертельную опасность. Но, помимо в мирных целях, некоторые страны нашей планеты научились использовать ее и в военных, в особенности для создания ядерных боеголовок. В данной статье пойдет речь об основе такого разрушительного оружия, название которой - оружейный плутоний.
Краткая справка
В этой компактной форме металла содержится минимум 93,5 % изотопа 239Pu. Оружейный плутоний назвали так для того, чтобы его было можно отличить от «реакторного собрата». В принципе, плутоний всегда образовывается в абсолютно любом ядерном реакторе, который, в свою очередь, работает на низкообогащённом или природном уране, содержащем, по большей части, изотоп 238U.
Применение в военной отрасли
Оружейный плутоний 239Pu - основа ядерного вооружения. При этом применение изотопов с массовыми числами 240 и 242 неактуально, поскольку они создают очень высокий фон нейтронов, что в итоге затрудняет создание и конструирование высокоэффективных ядерных боекомплектов. Помимо этого, изотопы плутония 240Pu и 241Pu обладают значительно меньшим периодом полураспада по сравнению с 239Pu, поэтому детали из плутония сильно нагреваются. Именно в связи с этим в ядерный боеприпас инженеры вынуждены дополнительно добавлять элементы для отвода лишнего тепла. Кстати, 239Pu в чистом виде теплее тела человека. Нельзя также не учитывать и факт того, что продукты процесса распада тяжелых изотопов подвергают вредоносным изменениям кристаллическую решетку металла, а это вполне закономерно изменяет конфигурацию деталей из плутония, что, в конце концов, может вызвать полный отказ ядерного взрывного устройства.
По большому счету, все перечисленные трудности можно преодолеть. И на практике уже неоднократно проходили испытания на основе именно «реакторного» плутония. Но следует понимать, что в ядерных боеприпасах далеко не последнюю позицию занимает их компактность, малая собственная масса, долговечность и надежность. В связи с этим в них применяется исключительно оружейный плутоний.
Конструктивные особенности производственных реакторов
Практически весь плутоний в России был выработан в реакторах, оборудованных графитовым замедлителем. Каждый из реакторов возведен вокруг цилиндрически собранных блоков из графита.
В собранном виде графитовые блоки имеют между собой специальные щели для обеспечения беспрерывной циркуляции охладителя, в качестве которого используется азот. В собранной конструкции имеются и вертикально расположенные каналы, созданные для прохождения по ним водяного охлаждения и топлива. Сама по себе сборка жестко опирается на структуру с отверстиями под каналами, используемыми для отгрузки уже облученного топлива. При этом каждый из каналов находится в тонкостенной трубе, отлитой из легковесного и особопрочного алюминиевого сплава. Большая часть описываемых каналов имеет 70 топливных стержней. Вода для охлаждения протекает непосредственно вокруг стержней с топливом, отводя от них излишки тепла.
Повышение мощности производственных реакторов
Изначально первый реактор «Маяк» функционировал с мощностью 100 тепловых МВт. Однако главный руководитель советской программы по разработке ядерного оружия внес предложение, которое заключалось в том, чтобы реактор в зимнее время работал с мощностью 170-190 МВт, а в летний период времени - 140-150 МВт. Такой подход позволил реактору производить почти 140 граммов драгоценного плутония в сутки.
В 1952 году были проведены полноценные научно-исследовательские работы, с целью увеличения производственной мощности функционирующих реакторов такими методами:
- Путем увеличения потока воды, используемой для охлаждения и протекающей через активные зоны ядерной установки.
- Посредством наращивания сопротивления явлению коррозии, возникающей вблизи вкладыша каналов.
- Уменьшением скорости окисления графита.
- Наращиванием температуры внутри топливных элементов.
В итоге пропускная способность циркулирующей воды значительно возросла после того, как был увеличен зазор между топливом и стенками канала. От коррозии также удалось избавиться. Для этого выбрали наиболее подходящие алюминиевые сплавы и начали активно добавлять бихромат натрия, что, в конечном счете, повысило мягкость охлаждающей воды (рН стал равен порядка 6.0-6.2). Окисление графита перестало быть актуальной проблемой после того, как для его охлаждения стали применять азот (до этого использовался исключительно воздух).
На закате 1950-х нововведения были полностью реализованы на практике, что позволило уменьшить вызываемое радиацией крайне ненужное раздувание урана, значительно снизить тепловое упрочнение стержней из урана, улучшить сопротивление оболочки и повысить контроль качества производства.
Производство на «Маяке»
"Челябинск-65" - один из тех самых секретных заводов, на котором происходило создание оружейного плутония. На предприятии было несколько реакторов, с каждым из которых мы познакомимся поближе.
Реактор А
Установка была спроектирована и создана под руководством легендарного Н. А. Доллежаля. Работала она с мощностью 100 МВт. В реакторе имелось 1149 вертикально расположенных управляющих и топливных каналов в графитовом блоке. Полная масса конструкции составляла порядка 1050 тонн. Практически все каналы (кроме 25) загружались ураном, полная масса которого составляла 120-130 тонн. 17 каналов использовались для управляющих стержней, а 8 - для проведения экспериментов. Максимальный показатель проектного тепловыделения топливного элемента равнялось 3,45 кВт. На первых порах реактор производил около 100 грамм плутония в день. Впервые металлический плутоний был произведен 16 апреля 1949 года.
Технологические недостатки
Практически сразу были выявлены довольно серьёзные проблемы, которые заключались в коррозии алюминиевых вкладышей и покрытия топливных элементов. Также разбухали и повреждались урановые стержни и вытекала охлаждающая вода непосредственно в сердцевину реактора. После каждой протечки реактор приходилось останавливать на время до 10 часов с целью осушить графит воздухом. В январе 1949 года были заменены вкладыши в каналы. После этого запуск установки произошел 26 марта 1949 года.
Оружейный плутоний, производство которого на реакторе А сопровождалось всяческими трудностями, вырабатывался в период 1950-1954 годов при средней мощности агрегата 180 МВт. Последующая работа реактора начала сопровождаться более интенсивным его использованием, что вполне закономерно привело и к более частым остановкам (до 165 раз в месяц). В итоге, в октябре 1963 года реактор был остановлен и возобновил свою работу лишь весной 1964 года. Свою кампанию он полностью закончил в 1987 году и за весь период многолетнего функционирования произвел 4,6 тонны плутония.
Реакторы АВ
На предприятии "Челябинск-65" три реактора АВ было решено построить осенью 1948 года. Их производственная мощность составляла 200-250 грамм плутония в день. Главным конструктором проекта был А. Савин. Каждый реактор насчитывал 1996 каналов, 65 из них были контрольными. В установках была использована техническая новинка - каждый канал снабдили специальным детектором утечки охлаждающей жидкости. Такой ход позволил менять вкладыши без прекращения работы самого реактора.
Первый год функционирования реакторов показал, что они вырабатывали порядка 260 граммов плутония в сутки. Однако уже со второго года работы мощность постепенно наращивали, и уже в 1963 году ее показатель составил 600 МВт. После второго капитального ремонта была полностью решена проблема с вкладышами, а мощность уже составила 1200 МВт с ежегодным производством плутония 270 килограмм. Эти показатели сохранились до полного закрытия реакторов.
Реактор АИ-ИР
Челябинское предприятие использовало данную установку в период с 22 декабря 1951 года до 25 мая 1987 года. Помимо урана, реактор также производил кобальт-60 и полоний-210. Изначально на объекте производили тритий, но позже начали получать и плутоний.
Также завод по переработке оружейного плутония имел в строю реакторы, работающие на тяжелой воде и единственный легководный реактор (имя его - «Руслан»).
Сибирский гигант
"Томск-7" - именно такое название носил завод, на котором расположились пять реакторов для создания плутония. Каждый из агрегатов применял графит с целью замедлить нейтроны и обычную воду для обеспечения надлежащего охлаждения.
Реактор И-1 работал с системой охлаждения, в которой вода проходила единожды. Однако остальные четыре установки были снабжены замкнутыми первичными контурами, оборудованными теплообменниками. Такая конструкция позволяла дополнительно вырабатывать еще и пар, который в свою очередь помогал в производстве электричества и обогрева различных жилых помещений.
"Томск-7" имел также и реактор под названием ЭИ-2, который, в свою очередь, имел двойное назначение: производил плутоний и за счет вырабатываемого пара генерировал 100 МВт электроэнергии, а также 200 МВт тепловой энергии.
Важная информация
По заверениям ученых, полураспад оружейного плутония составляет порядка 24 360 лет. Огромная цифра! В связи с этим особо острым становится вопрос: «Как же правильно обойтись с отходами производства данного элемента?» Наиболее оптимальным вариантом считается постройка специальных предприятий для последующей переработки оружейного плутония. Объясняется это тем, что в таком случае элемент уже нельзя будет использовать в военных целях и будет подконтролен человеку. Именно так проводится утилизация оружейного плутония в России, однако Соединенные Штаты Америки пошли другим путем, нарушив тем самым свои международные обязательства.
Так, американское правительство предлагает уничтожать высокообогащенное не промышленным способом, а путем разбавления плутония и хранения его в специальных емкостях на глубине равной 500 метрам. Само собой, что в таком случае материал легко можно будет в любой момент извлечь из земли и вновь пустить его на военные цели. Как утверждает президент РФ Владимир Путин, изначально страны договаривались уничтожать плутоний не таким методом, а проводить утилизацию на промышленных объектах.
Отдельного внимания заслуживает стоимость оружейного плутония. По оценкам экспертов, десятки тонн этого элемента вполне могут стоить несколько миллиардов американских долларов. А некоторые специалисты ми вовсе оценили 500 тонн оружейного плутония аж в 8 триллионов долларов. Сумма реально впечатляющая. Чтобы было понятнее, насколько это большие деньги, скажем, что в последние десять лет 20 века среднегодовой показатель ВВП России составлял 400 миллиардов долларов. То есть, по сути, реальная цена оружейного плутония равнялась двадцати годовым ВВП Российской Федерации.
| Плутоний | |
|---|---|
| Атомный номер | 94 |
| Внешний вид простого вещества | |
| Свойства атома | |
|
Атомная масса (молярная масса) |
244,0642 а. е. м. ( /моль) |
| Радиус атома | 151 пм |
|
Энергия ионизации (первый электрон) |
491,9(5,10) кДж /моль (эВ) |
| Электронная конфигурация | 5f 6 7s 2 |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | n/a пм |
| Радиус иона | (+4e) 93 (+3e) 108 пм |
|
Электроотрицательность (по Полингу) |
1,28 |
| Электродный потенциал |
Pu←Pu 4+ -1,25В Pu←Pu 3+ -2,0В Pu←Pu 2+ -1,2В |
| Степени окисления | 6, 5, 4, 3 |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность | 19,84 /см ³ |
| Молярная теплоёмкость | 32,77 Дж /( ·моль) |
| Теплопроводность | (6,7) Вт /( ·) |
| Температура плавления | 914 |
| Теплота плавления | 2,8 кДж /моль |
| Температура кипения | 3505 |
| Теплота испарения | 343,5 кДж /моль |
| Молярный объём | 12,12 см ³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | моноклинная |
| Параметры решётки | a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8 |
| Отношение c/a | — |
| Температура Дебая | 162 |
Плутоний — радиоактивный химический элемент группы актиноидов, широко использовавшийся в производстве ядерного оружия (т. н. «оружейный плутоний»), а также (экспериментально) в качестве ядерного топлива для атомных реакторов гражданского и исследовательского назначения. Первый искусственный элемент, полученный в доступных для взвешивания количествах (1942 г.).
В таблице справа приведены основные свойства α-Pu — основной аллотропной модификации плутония при комнатной температуре и нормальном давлении.
История плутония
Изотоп плутония 238 Pu был впервые искусственно получен 23 февраля 1941 года группой американских ученых во главе с Гленном Сиборгом путем облучения ядер урана дейтронами. Примечательно, что только после искусственного получения плутоний был обнаружен в природе: в ничтожно малых количествах 239 Pu обычно содержится в урановых рудах как продукт радиоактивного превращения урана.
Нахождение плутония в природе
В урановых рудах в результате захвата нейтронов (например, нейтронов из космического излучения) ядрами урана образуется нептуний (239 Np), продуктом β-распада которого и является природный плутоний-239. Однако плутоний образуется в таких микроскопических количествах (0,4—15 частей Pu на 10 12 частей U), что о его добыче из урановых руд не может быть и речи.
Происхождение названия плутоний
В 1930 году астрономический мир был взбудоражен замечательной новостью: открыта новая планета, о существовании которой давно говорил Персиваль Ловелл, астроном, математик и автор фантастических очерков о жизни на Марсе. На основе многолетних наблюдений за движениями Урана и Нептуна Ловелл пришел к заключению, что за Нептуном в солнечной системе должна быть еще одна, девятая планета, отстоящая от Солнца в сорок раз дальше, чем Земля.
Эта планета, элементы орбиты которой Ловелл рассчитал еще в 1915 году, и была обнаружена на фотографических снимках, полученных 21, 23 и 29 января 1930 г. астрономом К. Томбо в обсерватории Флагстафф (США ) . Планету назвали Плутоном . По имени этой планеты, расположенной в солнечной системе за Нептуном, был назван плутонием 94-й элемент, искусственно полученный в конце 1940 г. из ядер атомов урана группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом.
Физические свойства плутония
Существует 15 изотопов плутония — В наибольших количествах получаются изотопы с массовыми числами от 238 до 242:
238 Pu -> (период полураспада 86 лет, альфа-распад) -> 234 U,
Этот изотоп используется почти исключительно в РИТЭГ космического назначения, например, на всех аппаратах, улетавших дальше орбиты Марса.
239 Pu -> (период полураспада 24 360 лет, альфа-распад) -> 235 U,
Этот изотоп наиболее подходит для конструирования ядерного оружия и ядерных реакторов на быстрых нейтронах.
240 Pu -> (период полураспада 6580 лет, альфа-распад) -> 236 U, 241 Pu -> (период полураспада 14.0 лет, бета-распад) -> 241 Am, 242 Pu -> (период полураспада 370 000 лет, альфа-распад) -> 238 U
Эти три изотопа серьёзного промышленного значения не имеют, но получаются, как побочные продукты, при получении энергии в ядерных реакторах на уране, путём последовательного захвата нескольких нейтронов ядрами урана-238. Изотоп 242 по ядерным свойствам наиболее похож на уран-238. Америций-241, получавшийся при распаде изотопа 241, использовался в детекторах дыма.
Плутоний интересен тем, что от температуры затвердевания до комнатной претерпевает шесть фазовых переходов, больше, чем любой другой химический элемент. При последнем плотность увеличивается скачком на 11%, в результате, отливки из плутония растрескиваются. Стабильной при комнатной температуре является альфа-фаза, характеристики которой и приведены в таблице. Для применения более удобной является дельта-фаза, имеющая меньшую плотность, и кубическую объёмно-центрированную решётку. Плутоний в дельта-фазе весьма пластичен, в то время, как альфа-фаза хрупкая. Для стабилизации плутония в дельта-фазе применяется легирование трёхвалентными металлами (в первых ядерных зарядах использовался галлий).
Применение плутония
Первый ядерный заряд на основе плутония был взорван 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо (испытание под кодовым названием «Тринити»).
Биологическая роль плутония
Плутоний высокотоксичен; ПДК для 239 Pu в открытых водоемах и воздухе рабочих помещений составляет соответственно 81,4 и 3,3*10 −5 Бк/л. Большинство изотопов плутония обладают высокой величиной плотности ионизации и малой длиной пробега частиц, поэтому его токсичность обусловлена не столько его химическими свойствами (вероятно, в этом отношении плутоний токсичен не более, чем другие тяжелые металлы), сколько ионизирующим действием на окружающие ткани организма. Плутоний относится к группе элементов с особо высокой радиотоксичностью. В организме плутоний производит большие необратимые изменения в скелете, печени, селезенке, почках, вызывает рак. Максимально допустимое содержание плутония в организме не должно превышать десятых долей микрограмма.
Художественные произведения связанные с темой плутоний
— Плутоний использовался для машины De Lorean DMC-12 в фильме Назад в будущее как топливо для накопителя потока для перемещения в будущее или в прошлое.
— Из плутония состоял заряд атомной бомбы, взорванной террористами в Денвере, США, в произведении Тома Клэнси «Все страхи мира»
— Кэндзабуро Оэ «Записки пинчранера»
— В 2006 году компанией «Beacon Pictures» был выпущен фильм «Плутоний-239» («Pu-239» )
Химия
Плутоний Pu - элемент № 94 связаны очень большие надежды и очень большие опасения человечества. В наши дни это один из самых важных, стратегически важных, элементов. Это самый дорогой из технически важных металлов - он намного дороже серебра, золота и платины. Он поистине драгоценен.
Предыстория и история
Вначале были протоны - галактический водород . В результате его сжатия и последовавших затем ядерных реакций образовались самые невероятные «слитки» нуклонов. Среди них, этих «слитков», были, по-видимому, и содержащие по 94 протона. Оценки теоретиков позволяют считать, что около 100 нуклонных образований, в состав которых входят 94 протона и от 107 до 206 нейтронов, настолько стабильны, что их можно считать ядрами изотопов элемента № 94.
Но все эти изотопы - гипотетические и реальные - не настолько стабильны, чтобы сохраниться до наших дней с момента образования элементов солнечной системы. Период полураспада самого долгоживущего изотопа элемента №94 - 81 млн. лет. Возраст Галактики измеряется миллиардами лет. Следовательно, у «первородного» плутония не было шансов дожить до наших дней. Если он и образовывался при великом синтезе элементов Вселенной, то те давние его атомы давно «вымерли», подобно тому как вымерли динозавры и мамонты.
В XX в. новой эры, нашей эры, этот элемент был воссоздан. Из 100 возможных изотопов плутония синтезированы 25. У 15 из них изучены ядерные свойства. Четыре нашли практическое применение. А открыли его совсем недавно. В декабре 1940 г. при облучении урана ядрами тяжелого водорода группа американских радиохимиков во главе с Гленном Т. Сиборгом обнаружила неизвестный прежде излучатель альфа-частиц с периодом полураспада 90 лет. Этим излучателем оказался изотоп элемента № 94 с массовым числом 238. В том же году, но несколькими месяцами раньше Э.М. Макмиллан и Ф. Эйбельсон получили первый элемент, более тяжелый, чем уран, - элемент № 93. Этот элемент назвали нептунием , а 94-й - плутонием. Историк определенно скажет, что названия эти берут начало в римской мифологии, но в сущности происхождение этих названий скорее не мифологическое, а астрономическое.
Элементы № 92 и 93 названы в честь далеких планет солнечной системы - Урана и Нептуна, но и Нептун в солнечной системе - не последний, еще дальше пролегает орбита Плутона - планеты, о которой до сих пор почти ничего не известно... Подобное же построение наблюдаем и на «левом фланге» менделеевской таблицы: uranium - neptunium - plutonium, однако о плутонии человечество знает намного больше, чем о Плутоне. Кстати, Плутон астрономы открыли всего за десять лет до синтеза плутония - почти такой же отрезок времени разделял открытия Урана - планеты и урана - элемента.
Загадки для шифровальщиков
Первый изотоп элемента № 94 - плутоний-238 в наши дни нашел практическое применение. Но в начале 40-х годов об этом и не думали. Получать плутоний-238 в количествах, представляющих практический интерес, можно, только опираясь на мощную ядерную промышленность. В то время она лишь зарождалась. Но уже было ясно, что, освободив энергию, заключенную в ядрах тяжелых радиоактивных элементов, можно получить оружие невиданной прежде силы. Появился Манхэттенский проект, не имевший ничего, кроме названия, общего с известным районом Нью-Йорка. Это было общее название всех работ, связанных с созданием в США первых атомных бомб. Руководителем Манхэттенского проекта был назначен не ученый, а военный - генерал Гровс, «ласково» величавший своих высокообразованных подопечных «битыми горшками».
Руководителей «проекта» плутоний-238 не интересовал. Его ядра, как, впрочем, ядра всех изотопов плутония с четными массовыми числами, нейтронами низких энергий не делятся, поэтому он не мог служить ядерной взрывчаткой. Тем не менее первые не очень внятные сообщения об элементах № 93 и 94 попали в печать лишь весной 1942 г.
Чем это объяснить? Физики понимали: синтез изотопов плутония с нечетными массовыми числами - дело времени, и недалекого. От нечетных изотопов ждали, что, подобно урану-235, они смогут поддерживать цепную ядерную реакцию. В них, еще не полученных, кое-кому виделась потенциальная ядерная взрывчатка. И эти надежды плутоний
, к сожалению, оправдывал.
В шифровках того времени элемент № 94 именовался не иначе, как... медью . А когда возникла необходимость в самой меди (как конструкционном материале для каких-то деталей), то в шифровках наряду с «медью» появилась «подлинная медь».
«Древо познания добра и зла»
В 1941 г. был открыт важнейший изотоп плутония - изотоп с массовым числом 239. И почти сразу же подтвердилось предсказание теоретиков: ядра плутония-239 делились тепловыми нейтронами. Более того, в процессе их деления рождалось не меньшее число нейтронов, чем при делении урана-235. Тотчас же были намечены пути получения этого изотопа в больших количествах...
Прошли годы. Теперь уже ни для кого не секрет, что ядерные бомбы, хранящиеся в арсеналах, начинены плутонием-239 и что их, этих бомб, достаточно, чтобы нанести непоправимый ущерб всему живому на Земле.
Распространено мнение, что с открытием цепной ядерной реакции (неизбежным следствием которого стало создание ядерной бомбы) человечество явно поторопилось. Можно думать по-другому или делать вид, что думаешь по-другому, - приятнее быть оптимистом. Но и перед оптимистами неизбежно встает вопрос об ответственности ученых. Мы помним триумфальный июньский день 1954 г., день, когда дала ток первая атомная электростанция в Обнинске. Но мы не можем забыть и августовское утро 1945 г. - «утро Хиросимы», «черный день Альберта Эйнштейна»... Помним первые послевоенные годы и безудержный атомный шантаж - основу американской политики тех лет. А разве мало тревог пережило человечество в последующие годы? Причем эти тревоги многократно усиливались сознанием, что, если вспыхнет новая мировая война, ядерное оружие будет пущено в ход.
Здесь можно попробовать доказать, что открытие плутония не прибавило человечеству опасений, что, напротив, оно было только полезно.
Допустим, случилось так, что по какой-то причине или, как сказали бы в старину, по воле божьей, плутоний оказался недоступен ученым. Разве уменьшились бы тогда наши страхи и опасения? Ничуть не бывало. Ядерные бомбы делали бы из урана-235 (и в не меньшем количестве, чем из плутония), и эти бомбы «съедали» бы еще большие, чем сейчас, части бюджетов.
Зато без плутония не существовало бы перспективы мирного использования ядерной энергии и больших масштабах. Для «мирного атома» просто не хватило бы урана-235. Зло, нанесенное человечеству открытием ядерной энергии, не уравновешивалось бы, пусть даже частично, достижениями «доброго атома».
Как измерить, с чем сравнить
Когда ядро плутония-239 делится нейтронами на два осколка примерно равной массы, выделяется около 200 Мэв энергии. Это в 50 млн. раз больше энергии, освобождающейся в самой известной экзотермической реакции С + O 2 = СO 2 . «Сгорая» в ядерном реакторе, грамм плутония дает 2 107 ккал. Чтобы не нарушать традиции (а в популярных статьях энергию ядерного горючего принято измерять внесистемными единицами - тоннами угля, бензина, тринитротолуола и т. д.), заметим и мы: это энергия, заключенная в 4 т угля. А в обычный наперсток помещается количество плутония, энергетически эквивалентное сорока вагонам хороших березовых дров.
Такая же энергия выделяется и при делении нейтронами ядер урана-235. Но основную массу природного урана (99,3%!) составляет изотоп 238 U, который можно использовать, только превратив уран в плутоний...
Энергия камней
Оценим энергетические ресурсы, заключенные в природных запасах урана.
Уран - рассеянный элемент, и практически он есть всюду. Каждому, кто побывал, к примеру, в Карелии, наверняка запомнились гранитные валуны и прибрежные скалы. Но мало кто знает, что в тонне гранита до 25 г урана. Граниты составляют почти 20% веса земной коры. Если считать только уран-235, то в тонне гранита заключено 3,5-105 ккал энергии. Это очень много, но...
На переработку гранита и извлечение из него урана нужно затратить еще большее количество энергии - порядка 106-107 ккал/т. Вот если бы удалось в качестве источника энергии использовать не тол ко уран-235, а и уран-238, тогда гранит можно было бы рассматривать хотя бы как потенциальное энергетическое сырье. Тогда энергия, полученная из тонны камня, составила бы уже от 8-107 до 5-108 ккал. Это равноценно 16-100 т угля. И в этом случае гранит мог бы дать людям почти в миллион раз больше энергии, чем все запасы химического топлива на Земле.
Но ядра урана-238 нейтронами не делятся. Для атомной энергетики этот изотоп бесполезен. Точнее, был бы бесполезен, если бы его не удалось превратить в плутоний-239. И что особенно важно: на это ядерное превращение практически не нужно тратить энергию - напротив, в этом процессе энергия производится!
Попробуем разобраться, как это происходит, но вначале несколько слов о природном плутонии.
В 400 тысяч раз меньше, чем радия
Уже говорилось, что изотопы плутония не сохранились со времени синтеза элементов при образовании нашей планеты. Но это не означает, что плутония в Земле нет.
Он все время образуется в урановых рудах. Захватывая нейтроны космического излучения и нейтроны, образующиеся при самопроизвольном (спонтанном) делении ядер урана-238, некоторые - очень немногие - атомы этого изотопа превращаются в атомы урана-239. Эти ядра очень нестабильны, они испускают электроны и тем самым повышают свой заряд. Образуется нептуний - первый трансурановый элемент. Нептуний-239 тоже весьма неустойчив, и его ядра испускают электроны. Всего за 56 часов половина нептуния-239 превращается в плутоний-239, период полураспада которого уже достаточно велик - 24 тыс. лет.
Почему не добывают плутоний из урановых руд
? Мала, слишком мала концентрация. «В грамм добыча - в год труды» - это о радии , а плутония в рудах содержится в 400 тыс. раз меньше, чем радия. Поэтому не только добыть - даже обнаружить «земной» плутоний необыкновенно трудно. Сделать это удалось только после того, как были изучены физические и химические свойства плутония, полученного в атомных реакторах.
Накапливают плутоний в ядерных реакторах. В мощных потоках нейтронов происходит та же реакция, что и в урановых рудах, но скорость образования и накопления плутония в реакторе намного выше - в миллиард миллиардов раз. Для реакции превращения балластного урана-238 в энергетический плутоний-239 создаются оптимальные (в пределах допустимого) условия.
Если реактор работает на тепловых нейтронах (напомним, что их скорость - порядка 2000 м в секунду, а энергия - доли электронвольта), то из естественной смеси изотопов урана получают количество плутония, немногим меньшее, чем количество «выгоревшего» урана-235. Немногим, но меньшее, плюс неизбежные потери плутония при химическом выделении его из облученного урана. К тому же цепная ядерная реакция подцеживается в природной смеси изотопов урана только до тех пор, пока не израсходована незначительная доля урана-235. Отсюда закономерен вывод: «тепловой» реактор на естественном уране - основной тип ныне действующих реакторов - не может обеспечить расширенного воспроизводства ядерного горючего. Но что же тогда перспективно? Для ответа на этот вопрос сравним ход цепной ядерной реакции в уране-235 и плутонии-239 и введем в наши рассуждения еще одно физическое понятие.
Важнейшая характеристика любого ядерного горючего - среднее число нейтронов, испускаемых после того, как ядро захватило один нейтрон. Физики называют его эта-числом и обозначают греческой буквой ц. В «тепловых» реакторах на уране наблюдается такая закономерность: каждый нейтрон порождает в среднем 2,08 нейтрона (η=2,08). Помещенный в такой реактор плутоний под действием тепловых нейтронов дает η=2,03. Но есть еще реакторы, работающие на быстрых нейтронах. Естественную смесь изотопов урана в такой реактор загружать бесполезно: цепная реакция не пойдет. Но если обогатить «сырье» ураном-235, она сможет развиваться и в «быстром» реакторе. При этом ц будет равно уже 2,23. А плутоний, помещенный под обстрел быстрыми нейтронами, даст η равное 2,70. В наше распоряжение поступит «лишних полнейтрона». И это совсем не мало.
Проследим, на что тратятся полученные нейтроны. В любом реакторе один нейтрон нужен для поддержания цепной ядерной реакции. 0,1 нейтрона поглощается конструкционными материалами установки. «Избыток» идет на накопление плутония-239. В одном случае «избыток» равен 1,13, в другом - 1,60. После «сгорания» килограмма плутония в «быстром» реакторе выделяется колоссальная энергия и накапливается 1,6 кг плутония. А уран и в «быстром» реакторе даст туже энергию и 1,1 кг нового ядерного горючего. И в том и в другом случае налицо расширенное воспроизводство. Но нельзя забывать об экономике.
В силу ряда технических причин цикл воспроизводства плутония занимает несколько лет. Допустим, что пять лет. Значит, в год количество плутония увеличится только на 2%, если η=2,23, и на 12%, если η=2,7! Ядерное горючее - капитал, а всякий капитал должен давать, скажем, 5% годовых. В первом случае налицо большие убытки, а во втором - большая прибыль. Этот примитивный пример иллюстрирует «вес» каждой десятой числа в ядерной энергетике.
Важно и другое. Ядерная энергетика должна поспевать за ростом потребности в энергии. Расчеты показывают: его условие выполнимо в будущем только тогда, когда η приближается к трем. Если же развитие ядерных энергетических источников будет отставать от потребностей общества в энергии, то останется два пути: либо «затормозить прогресс», либо брать энергию из каких-то других источников. Они известны: термоядерный синтез, энергия аннигиляции вещества и антивещества, но пока еще технически недоступны. И не известно, когда они будут реальными источниками энергии для человечества. А энергия тяжелых ядер уже давно стала для нас реальностью, и сегодня у плутония как главного «поставщика» энергии атома нет серьезных конкурентов, кроме, может быть, урана-233.
Сумма многих технологий
Когда в результате ядерных реакций в уране накопится необходимое количество плутония, его необходимо отделить не только от самого урана, но и от осколков деления - как урана, так и плутония, выгоревших в цепной ядерной реакции. Кроме того, в урано-плутониевой массе есть и некоторое количество нептуния. Сложнее всего отделить плутоний от нептуния и редкоземельных элементов (лантаноидов). Плутонию как химическому элементу в какой-то мере не повезло. С точки зрения химика, главный элемент ядерной энергетики - всего лишь один из четырнадцати актиноидов. Подобно редкоземельным элементам, все элементы актиниевого ряда очень близки между собой по химическим свойствам, строение внешних электронных оболочек атомов всех элементов от актиния до 103-го одинаково. Еще неприятнее, что химические свойства актиноидов подобны свойствам редкоземельных элементов, а среди осколков деления урана и плутония лантаноидов хоть отбавляй. Но зато 94-й элемент может находиться в пяти валентных состояниях, и это «подслащивает пилюлю» - помогает отделить плутоний и от урана, и от осколков деления.
Валентность плутония меняется от трех до семи. Химически наиболее стабильны (а следовательно, наиболее распространены и наиболее изучены) соединения четырехвалентного плутония.
Разделение близких по химическим свойствам актиноидов - урана, нептуния и плутония - может быть основано на разнице в свойствах их четырех- и шестивалентных соединений.
Нет нужды подробно описывать все стадии химического разделения плутония и урана. Обычно разделение их начинают с растворения урановых брусков в азотной кислоте, после чего содержащиеся в растворе уран, нептуний, плутоний и осколочные элементы «разлучают», применяя для этого уже традиционные радиохимические методы - осаждение, экстракцию, ионный обмен и другие. Конечные плутонийсодержащие продукты этой многостадийной технологии - его двуокись PuO 2 или фториды - PuF 3 или PuF 4 . Их восстанавливают до металла парами бария , кальция или лития . Однако полученный в этих процессах плутоний не годится на роль конструкционного материала - тепловыделяющих элементов энергетических ядерных реакторов из него не сделать, заряда атомной бомбы не отлить. Почему? Температура плавления плутония - всего 640°С - вполне достижима.
При каких бы «ультращадящих» режимах ни отливали детали из чистого плутония, в отливках при затвердевании всегда появятся трещины. При 640°С твердеющий плутоний образует кубическую кристаллическую решетку. По мере уменьшения температуры плотность металла постепенно растет. Но вот температура достигла 480°С, и тут неожиданно плотность плутония резко падает. До причин этой аномалии докопались довольно быстро: при этой температуре атомы плутония перестраиваются в кристаллической решетке. Она становится тетрагональной и очень «рыхлой». Такой плутоний может плавать в собственном расплаве, как лед на воде.
Температура продолжает падать, вот она достигла 451°С, и атомы снова образовали кубическую решетку, но расположились на большем, чем в первом случае, расстоянии друг от друга. При дальнейшем охлаждении решетка становится сначала орторомбической, затем моноклинной. Всего плутоний образует шесть различных кристаллических форм! Две из них отличаются замечательным свойством - отрицательным коэффициентом температурного расширения: с ростом температуры металл не расширяется, а сжимается.
Когда температура достигает 122°С и атомы плутония в шестой раз перестраивают свои ряды, плотность меняется особенно сильно - от 17,77 до 19,82 г/см 3 . Больше, чем на 10%!
Соответственно уменьшается объем слитка. Если против напряжений, возникавших на других переходах, металл еще мог устоять, то в этот момент разрушение неизбежно.
Как же тогда изготовить детали из этого удивительного металла? Металлурги легируют плутоний (добавляют в него незначительные количества нужных элементов) и получают отливки без единой трещины. Из них и делают плутониевые заряды ядерных бомб. Вес заряда (он определяется прежде всего критической массой изотопа) 5-6 кг. Он без труда поместился бы в кубике с размером ребра 10 см.
Тяжелые изотопы плутония
В плутонии-239 в незначительном количестве содержатся и высшие изотопы этого элемента - с массовыми числами 240 и 241. Изотоп 240 Pu практически бесполезен - это балласт в плутонии. Из 241-го получают америций - элемент № 95. В чистом виде, без примеси других изотопов, плутоний-240 и плутоний-241 можно получить при электромагнитном разделении плутония, накопленного в реакторе. Перед этим плутоний дополнительно облучают нейтронными потоками со строго определенными характеристиками. Конечно, все это очень сложно, тем более что плутоний не только радиоактивен, но и весьма токсичен. Работа с ним требует исключительной осторожности.
Один из самых интересных изотопов плутония - 242 Pu можно получить, облучая длительное время 239 Pu в потоках нейтронов. 242 Pu очень редко захватывает нейтроны и потому «выгорает» в реакторе медленнее остальных изотопов; он сохраняется и после того, как остальные изотопы плутония почти полностью перешли в осколки или превратились в плутоний-242.
Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. Если в обычном реакторе облучать плутоний-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-252 потребуется около 20 лет.
Можно сократить время накопления высших изотопов, увеличив интенсивность потока нейтронов в реакторе. Так и делают, но тогда нельзя облучать большое количество плутония-239. Ведь этот изотоп делится нейтронами, и в интенсивных потоках выделяется слишком много энергии. Возникают дополнительные сложности с охлаждением реактора. Чтобы избежать этих сложностей, пришлось бы уменьшить количество облучаемого плутония. Следовательно, выход калифорния стал бы снова мизерным. Замкнутый круг!
Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках... Поэтому в реакторах из этого изотопа «делают» и накапливают в весовых количествах все элементы от америция до фермия .
Всякий раз, когда ученым удавалось получить новый изотоп плутония, измеряли период полураспада его ядер. Периоды полураспада изотопов тяжелых радиоактивных ядер с четными массовыми числами меняются закономерно. (Этого нельзя сказать о нечетных изотопах.)
С увеличением массы растет и «время жизни» изотопа. Несколько лет назад высшей точкой этого графика был плутоний-242. А дальше как пойдет эта кривая - с дальнейшим ростом массового числа? В точку 1, которая соответствует времени жизни 30 млн. лет, или в точку 2, которая отвечает уже 300 млн. лет? Ответ на этот вопрос был очень важен для наук о Земле. В первом случае, если бы 5 млрд, лет назад Земля целиком состояла из 244 Pu, сейчас во всей массе Земли остался бы только один атом плутония-244. Если же верно второе предположение, то плутоний-244 может быть в Земле в таких концентрациях, которые уже можно было бы обнаружить. Если бы посчастливилось найти в Земле этот изотоп, наука получила бы ценнейшую информацию о процессах, происходивших при формировании нашей планеты.
Периоды полураспада некоторых изотопов плутония
Несколько лет назад перед учеными встал вопрос: стоит ли пытаться найти тяжелый плутоний в Земле? Для ответа на него нужно было прежде всего определить период полураспада плутония-244. Теоретики не могли рассчитать эту величину с нужной точностью. Вся надежда была только на эксперимент.
Плутоний-244 накопили в ядерном реакторе. Облучали элемент № 95 - америций (изотоп 243 Am). Захватив нейтрон, этот изотоп переходил в америций-244; америций- 244 в одном из 10 тыс. случаев переходил в плутоний-244.
Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония-244. Образец весил всего несколько миллионных долей грамма. Но их хватило для того чтобы определить период полураспада этого интереснейшего изотопа. Он оказался равным 75 млн. лет. Позже другие исследователи уточнили период полураспада плутония-244, но ненамного - 81 млн. лет. В 1971 г. следы этого изотопа нашли в редкоземельном минерале бастнезите .
Много попыток предпринимали ученые, чтобы найти изотоп трансуранового элемента, живущий дольше, чем 244 Pu. Но все попытки остались тщетными. Одно время возлагали надежды на кюрий-247, но после того, как этот изотоп был накоплен в реакторе, выяснилось, что его период полураспада всего 16 млн. лет. Побить рекорд плутония-244 не удалось, - это самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов.
Еще более тяжелые изотопы плутония подвержены бета-распаду, и их время жизни лежит в интервале от нескольких дней до нескольких десятых секунды. Мы знаем наверное, что в термоядерных взрывах образуются все изотопы плутония, вплоть до 257 Pu. Но их время жизни - десятые доли секунды, и изучить многие короткоживущие изотопы плутония пока не удалось.
Возможности первого изотопа плутония
И напоследок - о плутонии-238 - самом первом из «рукотворных» изотопов плутония, изотопе, который вначале казался бесперспективным. В действительности это очень интересный изотоп. Он подвержен альфа-распаду, т. е. его ядра самопроизвольно испускают альфа-частицы - ядра гелия. Альфа-частицы, порожденные ядрами плутония-238, несут большую энергию; рассеявшись в веществе, эта энергия превращается в тепло. Как велика эта энергия? Шесть миллионов электронвольт освобождается при распаде одного атомного ядра плутония-238. В химической реакции та же энергия выделяется при окислении нескольких миллионов атомов. В источнике электричества, содержащем один килограмм плутония-238, развивается тепловая мощность 560 ватт. Максимальная мощность такого же по массе химического источника тока - 5 ватт.
Существует немало излучателей с подобными энергетическими характеристиками, но одна особенность плутония-238 делает этот изотоп незаменимым. Обычно альфа- распад сопровождается сильным гамма-излучением, проникающим через большие толщи вещества. 238 Pu - исключение. Энергия гамма-квантов, сопровождающих распад его ядер, невелика, защититься от нее несложно: излучение поглощается тонкостенным контейнером. Мала и вероятность самопроизвольного деления ядер этого изотопа. Поэтому он нашел применение не только в источниках тока, но и в медицине. Батарейки с плутонием-238 служат источником энергии в специальных стимуляторах сердечной деятельности.
Но 238 Pu не самый легкий из известных изотопов элемента № 94, получены изотопы плутония с массовыми числами от 232 до 237. Период полураспада самого легкого изотопа - 36 минут.
Плутоний - большая тема. Здесь рассказано главное из самого главного. Ведь уже стала стандартной фраза, что химия плутония изучена гораздо лучше, чем химия таких «старых» элементов, как железо . О ядерных свойствах плутония написаны целые книги. Металлургия плутония - еще один удивительный раздел человеческих знаний... Поэтому не нужно думать, что, прочитав этот рассказ, вы по-настоящему узнали плутоний - важнейший металл XX в.
- КАК ВОЗЯТ ПЛУТОНИЙ. Радиоактивный и токсичный плутоний требует особой осторожности при перевозке. Сконструирован контейнер специально для его транспортировки - контейнер, который не разрушается даже при авиационных катастрофах. Сделан он довольно просто: это толстостенный сосуд из нержавеющей стали, окруженный оболочкой из красного дерева. Очевидно, плутоний того стоит, но прпредставьте, какой толщины должны быть стенки, если известно, что контейнер для перевозки всего двух килограммов плутония весит 225 кг!
- ЯД И ПРОТИВОЯДИЕ. 20 октября 1977 г. агентство «Франс Пресс» сообщило: найдено химическое соединение, способное выводить из организма человека плутоний. Через несколько лет об этом соединении стало известно довольно многое. Это комплексное соединение - линейный катехинамид карбоксилазы, вещество класса хелатов (от греческого - «хела» - клешня). В эту химическую клешню и захватывается атом плутония, свободный или связанный. У лабораторных мышей с помощью этого вещества из организма выводили до 70% поглощенного плутония. Полагают, что в дальнейшем это соединение поможет извлекать плутоний и из отходов производства, и из ядерного горючего.
Что мы хотим узнать сегодня узнать? Сколько весит 1 куб плутония, вес 1 м3 плутония? Нет проблем, можно узнать количество килограмм или количество тонн сразу, масса (вес одного кубометра, вес одного куба, вес одного кубического метра, вес 1 м3) указаны в таблице 1. Если кому-то интересно, можно пробежать глазами небольшой текст ниже, прочесть некоторые пояснения. Как измеряется нужное нам количество вещества, материала, жидкости или газа? За исключением тех случаев, когда можно свести расчет нужного количества к подсчету товара, изделий, элементов в штуках (поштучный подсчет), нам проще всего определить нужное количество исходя из объема и веса (массы). В бытовом отношении самой привычной единицей измерения объема для нас является 1 литр. Однако, количество литров, пригодное для бытовых расчетов, не всегда применимый способ определения объема для хозяйственной деятельности. Кроме того, литры в нашей стране так и не стали общепринятой "производственной" и торговой единицей измерения объема. Один кубический метр или в сокращенном варианте - один куб, оказался достаточно удобной и популярной для практического использования единицей объема. Практически все вещества, жидкости, материалы и даже газы мы привыкли измерять в кубометрах. Это действительно удобно. Ведь их стоимость, цены, расценки, нормы расхода, тарифы, договора на поставку почти всегда привязаны к кубическим метрам (кубам), гораздо реже к литрам. Не менее важным для практической деятельности оказывается знание не только объема, но и веса (массы) вещества занимающего этот объем: в данном случае речь идет о том сколько весит 1 куб (1 кубометр, 1 метр кубический, 1 м3). Знание массы и объема, дают нам довольно полное представление о количестве. Посетители сайта, спрашивая сколько весит 1 куб, часто указывают конкретные единицы массы, в которых им хотелось бы узнать ответ на вопрос. Как мы заметили, чаще всего хотят узнать вес 1 куба (1 кубометра, 1 кубического метра, 1 м3) в килограммах (кг) или в тоннах (тн). По сути, нужны кг/м3 или тн/м3. Это тесно связанные единицы определяющие количество. В принципе возможен довольно простой самостоятельный пересчет веса (массы) из тонн в килограммы и обратно: из килограммов в тонны. Однако, как показала практика, для большинства посетителей сайта более удобным вариантом было бы сразу узнать сколько килограмм весит 1 куб (1 м3) плутония или сколько тонн весит 1 куб (1 м3) плутония , без пересчета килограмм в тонны или обратно - количества тонн в килограммы на один метр кубический (один кубометр, один куб, один м3). Поэтому, в таблице 1 мы указали сколько весит 1 куб (1 кубометр, 1 метр кубический) в килограммах (кг) и в тоннах (тн). Выбирайте тот столбик таблицы, который вам нужен самостоятельно. Кстати, когда мы спрашиваем сколько весит 1 куб (1 м3), мы подразумеваем количество килограмм или количество тонн. Однако, с физической точки зрения нас интересует плотность или удельный вес. Масса единицы объема или количество вещества помещающегося в единице объема - это объемная плотность или удельный вес. В данном случае объемная плотность и удельный вес плутония. Плотность и удельный вес в физике принято измерять не в кг/м3 или в тн/м3, а в граммах на кубический сантиметр: гр/см3. Поэтому в таблице 1 удельный вес и плотность (синонимы) указаны в граммах на кубический сантиметр (гр/см3)
У многих наших читателей водородная бомба ассоциируется с атомной, только гораздо более мощной. На самом деле это принципиально новое оружие, потребовавшее для своего создания несоизмеримо больших интеллектуальных усилий и работающее на принципиально других физических принципах.
Единственно, что роднит атомную и водородную бомбу, так это то, что обе высвобождают колоссальную энергию, скрытую в атомном ядре. Сделать это можно двумя путями: разделить тяжелые ядра, например, урана или плутония, на более легкие (реакция деления) или заставить слиться легчайшие изотопы водорода (реакция синтеза). В результате обеих реакций масса получившегося материала всегда меньше массы исходных атомов. Но масса не может исчезнуть бесследно - она переходит в энергию по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc 2 .
Для создания атомной бомбы необходимым и достаточным условием является получение делящегося материала в достаточном количестве. Работа довольно трудоемкая, но малоинтеллектуальная, лежащая ближе к горнорудной промышленности, чем к высокой науке. Основные ресурсы при создании такого оружия уходят на строительство гигантских урановых рудников и обогатительных комбинатов. Свидетельством простоты устройства является тот факт, что между получением необходимого для первой бомбы плутония и первым советским ядерным взрывом не прошло и месяца.
Напомним вкратце принцип работы такой бомбы, известный из курса школьной физики. В ее основе лежит свойство урана и некоторых трансурановых элементов, например, плутония, при распаде выделять более одного нейтрона. Эти элементы могут распадаться как самопроизвольно, так и под воздействием других нейтронов.
Высвободившийся нейтрон может покинуть радиоактивный материал, а может и столкнуться с другим атомом, вызвав очередную реакцию деления. При превышении определенной концентрации вещества (критической массе) количество новорожденных нейтронов, вызывающих дальнейшее деление атомного ядра, начинает превышать количество распадающихся ядер. Количество распадающихся атомов начинает расти лавинообразно, рождая новые нейтроны, то есть происходит цепная реакция. Для урана-235 критическая масса составляет около 50 кг, для плутония-239 - 5,6 кг. То есть шарик плутония массой чуть меньше 5,6 кг представляет собой просто теплый кусок металла, а массой чуть больше существует всего несколько наносекунд.
Собственно схема работы бомбы простая: берем две полусферы урана или плутония, каждая чуть меньше критической массы, располагаем их на расстоянии 45 см, обкладываем взрывчаткой и взрываем. Уран или плутоний спекается в кусок надкритической массы, и начинается ядерная реакция. Все. Существует другой способ запустить ядерную реакцию - обжать мощным взрывом кусок плутония: расстояние между атомами уменьшится, и реакция начнется при меньшей критической массе. На этом принципе работают все современные атомные детонаторы.
Проблемы атомной бомбы начинаются с того момента, когда мы хотим нарастить мощность взрыва. Простым увеличением делящегося материала не обойтись - как только его масса достигает критической, он детонирует. Придумывались разные хитроумные схемы, например, делать бомбу не из двух частей, а из множества, отчего бомба начинала напоминать распотрошенный апельсин, а потом одним взрывом собирать ее в один кусок, но все равно при мощности свыше 100 килотонн проблемы становились непреодолимыми.
А вот горючее для термоядерного синтеза критической массы не имеет. Вот Солнце, наполненное термоядерным топливом, висит над головой, внутри его уже миллиард лет идет термоядерная реакция, - и ничего, не взрывается. К тому же при реакции синтеза, например, дейтерия и трития (тяжелого и сверхтяжелого изотопа водорода) энергии выделяется в 4,2 раза больше, чем при сгорании такой же массы урана-235.
Изготовление атомной бомбы было скорее экспериментальным, чем теоретическим процессом. Создание же водородной бомбы потребовало появления совершенно новых физических дисциплин: физики высокотемпературной плазмы и сверхвысоких давлений. Прежде чем начинать конструировать бомбу, надо было досконально разобраться в природе явлений, происходящих только в ядре звезд. Никакие эксперименты тут помочь не могли - инструментами исследователей были только теоретическая физика и высшая математика. Не случайно гигантская роль в разработке термоядерного оружия принадлежит именно математикам: Уламу, Тихонову, Самарскому и т.д.
Классический супер
К концу 1945 года Эдвард Теллер предложил первую конструкцию водородной бомбы, получившую название «классический супер». Для создания чудовищного давления и температуры, необходимых для начала реакции синтеза, предполагалось использовать обычную атомную бомбу. Сам «классический супер» представлял собой длинный цилиндр, наполненный дейтерием. Предусматривалась также промежуточная «запальная» камера с дейтериевотритиевой смесью - реакция синтеза дейтерия и трития начинается при более низком давлении. По аналогии с костром, дейтерий должен был играть роль дров, смесь дейтерия с тритием - стакана бензина, а атомная бомба - спички. Такая схема получила название «труба» - своеобразная сигара с атомной зажигалкой с одного конца. По такой же схеме начали разрабатывать водородную бомбу и советские физики.
Однако математик Станислав Улам на обыкновенной логарифмической линейке доказал Теллеру, что возникновение реакции синтеза чистого дейтерия в «супере» вряд ли возможно, а для смеси потребовалось бы такое количество трития, что для его наработки нужно было бы практически заморозить производство оружейного плутония в США.
Слойка с сахаром
В середине 1946 года Теллер предложил очередную схему водородной бомбы - «будильник». Она состояла из чередующихся сферических слоев урана, дейтерия и трития. При ядерном взрыве центрального заряда плутония создавалось необходимое давление и температура для начала термоядерной реакции в других слоях бомбы. Однако для «будильника» требовался атомный инициатор большой мощности, а США (как, впрочем, и СССР) испытывали проблемы с наработкой оружейного урана и плутония.
Осенью 1948 года к аналогичной схеме пришел и Андрей Сахаров. В Советском Союзе конструкция получила название «слойка». Для СССР, который не успевал в достаточном количестве нарабатывать оружейный уран-235 и плутоний-239, сахаровская слойка была панацеей. И вот почему.
В обычной атомной бомбе природный уран-238 не только бесполезен (энергии нейтронов при распаде не хватает для инициации деления), но и вреден, поскольку жадно поглощает вторичные нейтроны, замедляя цепную реакцию. Поэтому оружейный уран на 90% состоит из изотопа уран-235. Однако нейтроны, появляющиеся в результате термоядерного синтеза, в 10 раз более энергетичные, чем нейтроны деления, и облученный такими нейтронами природный уран-238 начинает превосходно делиться. Новая бомба позволяла использовать в качестве взрывчатки уран-238, который прежде рассматривался как отходы производства.
Изюминкой сахаровской «слойки» было также применение вместо остродефицитного трития белого легкого кристаллического вещества - дейтрида лития 6 LiD.
Как упоминалось выше, смесь дейтерия и трития поджигается гораздо легче, чем чистый дейтерий. Однако на этом достоинства трития заканчиваются, а остаются одни недостатки: в нормальном состоянии тритий - газ, из-за чего возникают трудности с хранением; тритий радиоактивен и, распадаясь, превращается в стабильный гелий-3, активно пожирающий столь необходимые быстрые нейтроны, что ограничивает срок годности бомбы несколькими месяцами.
Нерадиоактивный дейтрид лития же при облучении его медленными нейтронами деления - последствиями взрыва атомного запала - превращается в тритий. Таким образом, излучение первичного атомного взрыва за мгновение вырабатывает достаточное для дальнейшей термоядерной реакции количество трития, а дейтерий в дейтриде лития присутствует изначально.
Именно такая бомба, РДС-6с, и была успешно испытана 12 августа 1953 на башне Семипалатинского полигона. Мощность взрыва составила 400 килотонн, и до сих пор не прекратились споры, был ли это настоящий термоядерный взрыв или сверхмощный атомный. Ведь на реакцию термоядерного синтеза в сахаровской слойке пришлось не более 20% суммарной мощности заряда. Основной вклад во взрыв внесла реакция распада облученного быстрыми нейтронами урана-238, благодаря которому РДС-6с и открыла эру так называемых «грязных» бомб.
Дело в том, что основное радиоактивное загрязнение дают как раз продукты распада (в частности, стронций-90 и цезий-137). По существу, сахаровская «слойка» была гигантской атомной бомбой, лишь незначительно усиленной термоядерной реакцией. Не случайно всего один взрыв «слойки» дал 82% стронция-90 и 75% цезия-137, которые попали в атмосферу за всю историю существования Семипалатинского полигона.
Американ бомб
Тем не менее, первыми водородную бомбу взорвали именно американцы. 1 ноября 1952 года на атолле Элугелаб в Тихом океане было успешно испытано термоядерное устройство «Майк» мощностью 10 мегатонн. Назвать бомбой 74-тонное американское устройство можно с большим трудом. «Майк» представлял собой громоздкое устройство размером с двухэтажный дом, заполненное жидким дейтерием при температуре, близкой к абсолютному нулю (сахаровская «слойка» была вполне транспортабельным изделием). Однако изюминкой «Майка» были не размеры, а гениальный принцип обжатия термоядерной взрывчатки.
Напомним, что основная идея водородной бомбы состоит в создании условий для синтеза (сверхвысокого давления и температуры) посредством ядерного взрыва. В схеме «слойка» ядерный заряд расположен в центре, и поэтому он не столько сжимает дейтерий, сколько разбрасывает его наружу - увеличение количества термоядерной взрывчатки не приводит к увеличению мощности - она просто не успевает детонировать. Именно этим и ограничена предельная мощность данной схемы - самая мощная в мире «слойка» Orange Herald, взорванная англичанами 31 мая 1957 года, дала только 720 килотонн.
Идеально было бы, если бы заставить взрываться атомный запал внутрь, сжимая термоядерную взрывчатку. Но как это сделать? Эдвард Теллер выдвинул гениальную идею: сжимать термоядерное горючее не механической энергией и нейтронным потоком, а излучением первичного атомного запала.
В новой конструкции Теллера инициирующий атомный узел был разнесен с термоядерным блоком. Рентгеновское излучение при срабатывании атомного заряда опережало ударную волну и распространялось вдоль стенок цилиндрического корпуса, испаряя и превращая в плазму полиэтиленовую внутреннюю облицовку корпуса бомбы. Плазма, в свою очередь, переизлучала более мягкое рентгеновское излучение, которое поглощалось внешними слоями внутреннего цилиндра из урана-238 - «пушера». Слои начинали взрывообразно испаряться (это явление называют абляция). Раскаленную урановую плазму можно сравнить со струями сверхмощного ракетного двигателя, тяга которого направлена внутрь цилиндра с дейтерием. Урановый цилиндр схлопывался, давление и температура дейтерия достигала критического уровня. Это же давление обжимало центральную плутониевую трубку до критической массы, и она детонировала. Взрыв плутониевого запала давил на дейтерий изнутри, дополнительно сжимая и нагревая термоядерную взрывчатку, которая детонировала. Интенсивный поток нейтронов расщепляет ядра урана-238 в «пушере», вызывая вторичную реакцию распада. Все это успевало произойти до того момента, когда взрывная волна от первичного ядерного взрыва достигала термоядерного блока. Расчет всех этих событий, происходящих за миллиардные доли секунды, и потребовал напряжения ума сильнейших математиков планеты. Создатели «Майка» испытывали от 10-мегатонного взрыва не ужас, а неописуемый восторг - им удалось не только разобраться в процессах, которые в реальном мире идут только в ядрах звезд, но и экспериментально проверить свои теории, устроив свою небольшую звезду на Земле.
Браво
Обойдя русских по красоте конструкции, американцы не смогли сделать свое устройство компактным: они использовали жидкий переохлажденный дейтерий вместо порошкообразного дейтрида лития у Сахарова. В Лос-Аламосе на сахаровскую «слойку» реагировали с долей зависти: «вместо огромной коровы с ведром сырого молока русские используют пакет молока сухого». Однако утаить секреты друг от друга обеим сторонам не удалось. Первого марта 1954 года у атолла Бикини американцы испытали 15-мегатонную бомбу «Браво» на дейтриде лития, а 22 ноября 1955 года над семипалатинским полигоном рванула первая советская двухступенчатая термоядерная бомба РДС-37 мощностью 1,7 мегатонн, снеся чуть ли не полполигона. С тех пор конструкция термоядерной бомбы претерпела незначительные изменения (например, появился урановый экран между инициирующей бомбой и основным зарядом) и стала канонической. А в мире не осталось больше столь масштабных загадок природы, разгадать которые можно было бы столь эффектным экспериментом. Разве что рождение сверхновой звезды.
| Немного теории
В термоядерной бомбе идут 4 реакции, и они протекают очень быстро. Первые две реакции служат источником материала для третьей и четвертой, которые при температурах термоядерного взрыва протекают в 30-100 раз быстрее и дают больший энергетический выход. Поэтому получившиеся гелий-3 и тритий сразу же расходуются. Ядра атомов заряжены положительно, и поэтому отталкиваются друг от друга. Чтобы они смогли прореагировать, их нужно столкнуть «лоб в лоб», преодолев электрическое отталкивание. Это возможно, только если они будут двигаться с большой скоростью. Скорость атомов напрямую связана с температурой, которая должна достигать 50 миллионов градусов! Но нагреть дейтерий до такой температуры мало, надо еще удержать его от разлета чудовищным давлением около миллиарда атмосфер! В природе такие температуры при такой плотности встречаются только в ядре звезд. |
Loading...