Čovječanstvo je uvijek bilo u potrazi za novim izvorima energije koji mogu riješiti mnoge probleme. Međutim, oni nisu uvijek sigurni. Dakle, posebno one koje se danas široko koriste, iako su sposobne proizvesti jednostavno kolosalne količine električne energije koja je svima potrebna, i dalje nose u sebi smrtna opasnost. Ali, osim u miroljubive svrhe, neke zemlje na našoj planeti naučile su ga koristiti u vojne svrhe, posebno za stvaranje nuklearnih bojevih glava. Ovaj članak će raspravljati o osnovama takvog destruktivnog oružja, čije je ime plutonijum za oružje.
Kratke informacije
Ovaj kompaktni oblik metala sadrži najmanje 93,5% izotopa 239Pu. Plutonijum za oružje je nazvan tako da se može razlikovati od svog "reaktorskog parnjaka". U principu, plutonij se uvijek formira u apsolutno svakom nuklearnom reaktoru, koji zauzvrat radi na nisko obogaćenom ili prirodnom uranijumu, koji uglavnom sadrži izotop 238U.
Primjena u vojnoj industriji
Oružni plutonijum 239Pu je osnova nuklearnog oružja. Istovremeno, upotreba izotopa s masenim brojevima 240 i 242 je irelevantna, jer oni stvaraju vrlo visoku neutronsku pozadinu, što u konačnici otežava stvaranje i dizajn visoko učinkovite nuklearne municije. Osim toga, izotopi plutonijuma 240Pu i 241Pu imaju znatno kraći poluživot u odnosu na 239Pu, tako da dijelovi plutonijuma postaju veoma vrući. Upravo u tom smislu inženjeri su primorani da dodatno dodaju elemente za uklanjanje viška topline u nuklearno oružje. Inače, 239Pu u svom čistom obliku je topliji od ljudskog tijela. Također je nemoguće ne uzeti u obzir činjenicu da proizvodi procesa raspada teških izotopa podvrgavaju kristalnu rešetku metala štetnim promjenama, a to sasvim prirodno mijenja konfiguraciju plutonijskih dijelova, što na kraju može uzrok potpuni neuspjeh nuklearna eksplozivna naprava.
Uglavnom, sve gore navedene poteškoće se mogu prevazići. A u praksi su već više puta vršena ispitivanja na bazi "reaktorskog" plutonijuma. Ali treba shvatiti da u nuklearnom oružju njihova kompaktnost, mala mrtva težina, izdržljivost i pouzdanost nisu ni najmanje važni. U tom smislu, oni koriste isključivo plutonijum za oružje.
Konstrukcijske karakteristike proizvodnih reaktora
Gotovo sav plutonijum u Rusiji proizveden je u reaktorima opremljenim grafitnim moderatorom. Svaki od reaktora je izgrađen oko cilindrično sklopljenih blokova grafita.
Kada su sklopljeni, grafitni blokovi imaju posebne proreze između sebe kako bi se osigurala kontinuirana cirkulacija rashladne tekućine koja koristi dušik. Sastavljena konstrukcija također ima vertikalno postavljene kanale stvorene za prolaz vodenog hlađenja i goriva kroz njih. Sam sklop je čvrsto poduprt konstrukcijom sa otvorima ispod kanala koji služe za ispuštanje već ozračenog goriva. Štaviše, svaki od kanala se nalazi u tankozidnoj cijevi izlivenoj od lagane i izuzetno čvrste legure aluminija. Večina Opisani kanali imaju 70 gorivnih šipki. Voda za hlađenje struji direktno oko gorivih šipki, uklanjajući višak topline iz njih.
Povećanje snage proizvodnih reaktora
U početku je prvi reaktor Mayak radio sa toplotnom snagom od 100 MW. Međutim, glavni vođa sovjetskog programa nuklearnog oružja dao je prijedlog, a to je da se reaktor ubaci zimsko vrijeme radio sa snagom od 170-190 MW, a ljeti - 140-150 MW. Ovaj pristup je omogućio reaktoru da proizvodi skoro 140 grama dragocjenog plutonija dnevno.
Godine 1952. obavljen je potpuni istraživački rad kako bi se povećao proizvodni kapacitet operativnih reaktora korištenjem sljedećih metoda:
- Povećanjem protoka vode koja se koristi za hlađenje i protječe kroz jezgra nuklearne elektrane.
- Povećanjem otpornosti na pojavu korozije koja se javlja u blizini obloge kanala.
- Smanjenje brzine oksidacije grafita.
- Povećanje temperature unutar gorivnih ćelija.
Kao rezultat toga, propusnost cirkulirajuće vode značajno se povećala nakon što se povećao jaz između goriva i zidova kanala. Također smo uspjeli da se riješimo korozije. Za to su odabrane najprikladnije legure aluminija i počelo se aktivno dodavati natrijev bikromat, što je u konačnici povećalo mekoću rashladne vode (pH je postao oko 6,0-6,2). Oksidacija grafita prestala je biti gorući problem nakon što je dušik korišten za njegovo hlađenje (ranije se koristio samo zrak).
Krajem 1950-ih, inovacije su u potpunosti realizovane u praksi, smanjujući krajnje nepotrebno naduvavanje uranijuma uzrokovano zračenjem, značajno smanjujući toplotno otvrdnjavanje uranijumskih šipki, poboljšavajući otpornost omotača i povećavajući kontrolu kvaliteta proizvodnje.
Proizvodnja u Mayaku
"Čeljabinsk-65" je jedna od onih vrlo tajnih fabrika u kojima je stvoren plutonijum za oružje. Preduzeće je imalo nekoliko reaktora, a mi ćemo detaljnije pogledati svaki od njih.
Reaktor A
Instalacija je dizajnirana i kreirana pod vodstvom legendarnog N. A. Dollezhala. Radio je sa snagom od 100 MW. Reaktor je imao 1149 vertikalno raspoređenih kanala za upravljanje i gorivo u grafitnom bloku. Ukupna težina konstrukcije bila je oko 1050 tona. Gotovo svi kanali (osim 25) bili su napunjeni uranijumom, čija je ukupna masa iznosila 120-130 tona. Za kontrolne šipke korišteno je 17 kanala, a za eksperimente 8 kanala. Maksimalni indikator Projektno oslobađanje topline gorivne ćelije bilo je 3,45 kW. U početku je reaktor proizvodio oko 100 grama plutonijuma dnevno. Prvi metalni plutonijum proizveden je 16. aprila 1949. godine.
Tehnološki nedostaci
Gotovo odmah su uočeni prilično ozbiljni problemi, koji su se sastojali od korozije aluminijumskih obloga i oblaganja gorivih ćelija. Uranijumske šipke su takođe nabubrile i oštetile se, uzrokujući curenje rashladne vode direktno u jezgro reaktora. Nakon svakog curenja, reaktor je morao biti zaustavljen do 10 sati kako bi se grafit osušio zrakom. Januara 1949. zamijenjene su obloge kanala. Nakon toga, instalacija je puštena u rad 26. marta 1949. godine.
Oružni plutonijum, čija je proizvodnja u reaktoru A bila praćena raznim poteškoćama, proizveden je u periodu 1950-1954 sa prosečnom jediničnom snagom od 180 MW. Naknadni rad reaktora počeo je biti praćen intenzivnijim korištenjem, što je sasvim prirodno dovelo do češćih gašenja (i do 165 puta mjesečno). Kao rezultat toga, reaktor je zatvoren u oktobru 1963. i nastavio je s radom tek u proljeće 1964. godine. Svoju kampanju je u potpunosti završio 1987. godine i tokom čitavog višegodišnjeg rada proizveo je 4,6 tona plutonijuma.
AB reaktori
Odlučeno je da se u poduzeću Čeljabinsk-65 izgrade tri AB reaktora u jesen 1948. Njihov proizvodni kapacitet je bio 200-250 grama plutonijuma dnevno. Glavni projektant projekta bio je A. Savin. Svaki reaktor se sastojao od 1996 kanala, od kojih je 65 bilo kontrolnih kanala. Instalacije su koristile tehničku inovaciju - svaki kanal je bio opremljen posebnim detektorom curenja rashladne tekućine. Ovaj potez omogućio je promjenu košuljica bez zaustavljanja rada samog reaktora.
Prva godina rada reaktora pokazala je da su proizvodili oko 260 grama plutonijuma dnevno. Međutim, već od druge godine rada, kapacitet se postepeno povećavao i već 1963. godine iznosio je 600 MW. Nakon drugog remonta, problem sa košuljicama je u potpunosti riješen, a snaga je već bila 1200 MW uz godišnju proizvodnju plutonija od 270 kilograma. Ovi pokazatelji su ostali sve dok reaktori nisu bili potpuno zatvoreni.
AI-IR reaktor
Korišćeno je preduzeće iz Čeljabinska ovu instalaciju u periodu od 22. decembra 1951. do 25. maja 1987. godine. Osim uranijuma, reaktor je proizvodio i kobalt-60 i polonijum-210. U početku je postrojenje proizvodilo tricijum, ali je kasnije počelo proizvodnju plutonijuma.
Takođe, postrojenje za preradu plutonijuma za oružje imalo je u radu reaktore koji rade na tešku vodu i jedan reaktor za laku vodu (zvao se „Ruslan“).
Sibirski gigant
"Tomsk-7" je bio naziv fabrike u kojoj je bilo pet reaktora za stvaranje plutonijuma. Svaka od jedinica koristila je grafit da uspori neutrone i običnu vodu kako bi osigurala pravilno hlađenje.
Reaktor I-1 je radio sa rashladnim sistemom u kojem je voda prošla jednom. Međutim, preostale četiri instalacije bile su opremljene zatvorenim primarnim krugovima opremljenim izmjenjivačima topline. Ovaj dizajn je omogućio dodatno stvaranje pare, što je zauzvrat pomoglo u proizvodnji električne energije i grijanju različitih životnih prostora.
Tomsk-7 je imao i reaktor pod nazivom EI-2, koji je, pak, imao dvostruku namenu: proizvodio je plutonijum i, zbog proizvedene pare, generisao 100 MW električne energije, kao i 200 MW toplotne energije.
Važna informacija
Prema naučnicima, vreme poluraspada plutonijuma za oružje je oko 24.360 godina. Ogroman broj! S tim u vezi, pitanje postaje posebno akutno: "Kako pravilno postupati s otpadom iz proizvodnje ovog elementa?" Najboljom opcijom smatra se izgradnja posebnih preduzeća za naknadnu preradu plutonijuma za oružje. To se objašnjava činjenicom da se u ovom slučaju element više ne može koristiti u vojne svrhe i bit će pod ljudskom kontrolom. Upravo na taj način se u Rusiji zbrinjava plutonijum za oružje, ali su Sjedinjene Američke Države krenule drugim putem, čime su prekršile svoje međunarodne obaveze.
Stoga američka vlada predlaže uništavanje visoko obogaćenog materijala ne industrijskim putem, već razrjeđivanjem plutonija i skladištenjem u posebnim kontejnerima na dubini od 500 metara. Podrazumijeva se da se u ovom slučaju materijal lako može ukloniti sa zemlje u bilo kojem trenutku i ponovo koristiti u vojne svrhe. Prema riječima ruskog predsjednika Vladimira Putina, u početku su se zemlje složile da unište plutonijum ne ovom metodom, već da se deponuje u industrijskim postrojenjima.
Cijena plutonijuma za oružje zaslužuje posebnu pažnju. Prema mišljenju stručnjaka, desetine tona ovog elementa mogu koštati nekoliko milijardi američkih dolara. Neki stručnjaci su čak procijenili 500 tona plutonijuma za oružje na čak 8 biliona dolara. Iznos je zaista impresivan. Da bi bilo jasnije koliko je to novca, recimo da je u poslednjih deset godina 20. veka prosečan godišnji BDP Rusije bio 400 milijardi dolara. To jest, u stvari, stvarna cijena plutonijuma za oružje bila je jednaka dvadesetom godišnjem BDP-u Ruske Federacije.
| Plutonijum | |
|---|---|
| Atomski broj | 94 |
| Izgled jednostavna supstanca | |
| Svojstva atoma | |
| Atomska masa (molarna masa) |
244.0642 a. e.m. (/mol) |
| Atomski radijus | 151 pm |
| Energija jonizacije (prvi elektron) |
491,9(5,10) kJ/mol (eV) |
| Elektronska konfiguracija | 5f 6 7s 2 |
| Hemijska svojstva | |
| Kovalentni radijus | n/a pm |
| Jonski radijus | (+4e) 93 (+3e) 108 h |
| Elektronegativnost (prema Paulingu) |
1,28 |
| Potencijal elektrode | Pu←Pu 4+ -1,25V Pu←Pu 3+ -2.0V Pu←Pu 2+ -1.2V |
| Stanja oksidacije | 6, 5, 4, 3 |
| Termodinamička svojstva jednostavne supstance | |
| Gustina | 19,84 /cm³ |
| Molarni toplotni kapacitet | 32,77 J/(mol) |
| Toplotna provodljivost | (6.7) W/( ·) |
| Temperatura topljenja | 914 |
| Toplota topljenja | 2,8 kJ/mol |
| Temperatura ključanja | 3505 |
| Toplota isparavanja | 343,5 kJ/mol |
| Molarni volumen | 12,12 cm³/mol |
| Kristalna rešetka jednostavne supstance | |
| Rešetkasta struktura | monoklinika |
| Parametri rešetke | a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8 |
| c/a odnos | — |
| Debye temperatura | 162 |
Plutonijum- radioaktivni hemijski element grupe aktinida, koji se široko koristi u proizvodnji nuklearno oružje(tzv. „plutonijum za oružje”), a takođe (eksperimentalno) kao nuklearno gorivo za nuklearne reaktore u civilne i istraživačke svrhe. Prvi umjetni element dobiven u količinama dostupnim za vaganje (1942.).
Tabela sa desne strane pokazuje glavna svojstva α-Pu, glavne alotropne modifikacije plutonijuma na sobnoj temperaturi i normalnom pritisku.
Istorija plutonijuma
Izotop plutonijuma 238 Pu je prvi put veštački proizveden 23. februara 1941. godine od strane grupe američkih naučnika predvođenih Glennom Seaborgom zračenjem jezgara. uranijum deuteroni. Važno je napomenuti da tek nakon umjetna proizvodnja plutonijum je otkriven u prirodi: 239 Pu se obično nalazi u zanemarljivim količinama u uranijumskim rudama kao proizvod radioaktivne transformacije uranijuma.
Pronalaženje plutonijuma u prirodi
U rudama urana, kao rezultat hvatanja neutrona (na primjer, neutrona iz kosmičkog zračenja) jezgrima urana, neptunijum(239 Np), čiji je proizvod β-raspada prirodni plutonijum-239. Međutim, plutonijum se formira u takvim mikroskopskim količinama (0,4-15 delova Pu na 10 12 delova U) da ne dolazi u obzir njegovo izvlačenje iz ruda uranijuma.
porijeklo imena plutonijum
Godine 1930. astronomski svijet je uzbudila divna vijest: otkrivena je nova planeta o čijem postojanju je dugo govorio Percival Lovell, astronom, matematičar i autor fantastičnih eseja o životu na Marsu. Na osnovu višegodišnjih zapažanja kretanja Uran I Neptun Lovell je došao do zaključka da iza Neptuna u Solarni sistem mora postojati još jedna, deveta planeta, četrdeset puta udaljenija od Sunca od Zemlje.
Ovu planetu, čije je orbitalne elemente Lovell izračunao još 1915. godine, otkrio je na fotografijama koje je 21., 23. i 29. januara 1930. godine napravio astronom K. Tombaugh u opservatoriji Flagstaff ( SAD) . Planeta je dobila ime Pluton. 94. element, veštački dobijen krajem 1940. godine iz jezgara, dobio je ime po ovoj planeti koja se nalazi u Sunčevom sistemu iza Neptuna. atomi uranijum grupa američkih naučnika predvođena G. Seaborgom.
Fizička svojstva plutonijum
Postoji 15 izotopa plutonijuma - B najveće količine dobijaju se izotopi masenih brojeva od 238 do 242:
238 Pu -> (poluživot 86 godina, alfa raspad) -> 234 U,
Ovaj izotop se koristi gotovo isključivo u RTG-ovima u svemirske svrhe, na primjer, na svim vozilima koja su letjela izvan orbite Marsa.
239 Pu -> (poluživot 24,360 godina, alfa raspad) -> 235 U,
Ovaj izotop je najpogodniji za izgradnju nuklearnog oružja i nuklearnih reaktora na brzim neutronima.
240 Pu -> (poluživot 6580 godina, alfa raspad) -> 236 U, 241 Pu -> (poluživot 14,0 godina, beta raspad) -> 241 Am, 242 Pu -> (poluživot 370 000 godina, alfa -raspad) -> 238 U
Ova tri izotopa nemaju ozbiljan industrijski značaj, ali se dobijaju kao nusproizvodi kada se energija proizvodi u nuklearnim reaktorima koji koriste uranijum, kroz sekvencijalno hvatanje nekoliko neutrona jezgrima urana-238. Izotop 242 je po nuklearnim svojstvima najsličniji uranijum-238. Americij-241, nastao raspadom izotopa 241, korišten je u detektorima dima.
Plutonijum je zanimljiv jer prolazi kroz šest faznih prelaza od temperature očvršćavanja do sobne temperature, više nego bilo koji drugi hemijski element. Kod potonjeg, gustoća se naglo povećava za 11%, kao rezultat toga, plutonijski odljevci pucaju. Alfa faza je stabilna na sobnoj temperaturi, čije su karakteristike date u tabeli. Za primjenu je prikladnija delta faza, koja ima manju gustoću, i kubičnu tijelo centriranu rešetku. Plutonijum u delta fazi je veoma duktilan, dok je alfa faza krhka. Za stabilizaciju plutonija u delta fazi koristi se dopiranje trovalentnim metalima (galijum je korišten u prvim nuklearnim nabojima).
Primjena plutonijuma
Prvo nuklearno punjenje na bazi plutonijuma detonirano je 16. jula 1945. na poligonu Alamogordo (ispituje se). kodno ime Trojstva).
Biološka uloga plutonijuma
Plutonijum je veoma toksičan; Maksimalna dozvoljena koncentracija za 239 Pu u otvorenim vodnim tijelima i zraku radnih prostorija je 81,4 odnosno 3,3 * 10 −5 Bq/l. Većina izotopa plutonijuma ima visoku gustinu jonizacije i kratku dužinu putanje čestica, tako da je njegova toksičnost posledica ne toliko njegovih hemijskih svojstava (plutonijum verovatno nije toksičniji u tom pogledu od drugih teških metala), već pre zbog jonizujućeg efekta. na okolna tjelesna tkiva. Plutonijum spada u grupu elemenata sa posebno visokom radiotoksičnošću. U tijelu, plutonij proizvodi velike ireverzibilne promjene na kosturu, jetri, slezeni, bubrezima i uzrokuje rak. Maksimalni dozvoljeni sadržaj plutonijuma u organizmu ne bi trebalo da prelazi desetinke mikrograma.
Umjetnička djela vezana za temu plutonijum
- Plutonijum je korišten za mašinu De Lorean DMC-12 u filmu Povratak u budućnost kao gorivo za akumulator fluksa za putovanje u budućnost ili prošlost.
— Naboj atomske bombe koju su teroristi detonirali u Denveru, SAD, u Tom Clancyjevom filmu "Svi strahovi svijeta" napravljen je od plutonijuma.
— Kenzaburo Oe “Notes of a Pinch Runner”
— 2006. godine, Beacon Pictures je objavio film Plutonijum-239 ( "Pu-239")
hemija
Plutonijum Pu - element br. 94 povezan je sa veoma velikim nadama i velikim strahovima čovečanstva. Danas je to jedan od najvažnijih, strateški važnih elemenata. To je najskuplji od tehnički važnih metala - mnogo je skuplji od srebra, zlata i platine. On je zaista dragocen.
Pozadina i istorija
U početku su postojali protoni - galaktički vodonik. Kao rezultat njegove kompresije i naknadnih nuklearnih reakcija, formirani su najnevjerovatniji "ingoti" nukleona. Među njima, ovim "ingotima", očigledno je bilo onih koji sadrže 94 protona. Procjene teoretičara sugeriraju da je oko 100 nukleonskih formacija, koje uključuju 94 protona i od 107 do 206 neutrona, toliko stabilne da se mogu smatrati jezgrima izotopa elementa br. 94.
Ali svi ovi izotopi - hipotetički i stvarni - nisu toliko stabilni da prežive do danas od nastanka elemenata Sunčevog sistema. Poluživot najdugovječnijeg izotopa elementa br. 94 je 81 milion godina. Starost Galaksije mjeri se milijardama godina. Shodno tome, "primordijalni" plutonijum nije imao šanse da preživi do danas. Ako je nastao tokom velike sinteze elemenata Univerzuma, onda su ti njegovi drevni atomi "izumrli" davno, kao što su izumrli dinosaurusi i mamuti.
U 20. veku nova era, AD, ovaj element je ponovo kreiran. Od 100 mogućih izotopa plutonijuma, sintetizovano je 25. Proučena su nuklearna svojstva 15 od njih. Četiri pronađena praktična upotreba. A otvoren je sasvim nedavno. U decembru 1940. godine, kada je uranijum bio ozračen teškim jezgrama vodika, grupa američkih radiohemičara predvođena Glennom T. Seaborgom otkrila je ranije nepoznati emiter alfa čestica s poluživotom od 90 godina. Ispostavilo se da je ovaj emiter izotop elementa br. 94 sa masenim brojem 238. Iste godine, ali nekoliko mjeseci ranije, E.M. McMillan i F. Abelson su dobili prvi element teži od uranijuma, element broj 93. Ovaj element je nazvan neptunijum, a element 94 je nazvan plutonijum. Istoričar će definitivno reći da ova imena potiču iz rimske mitologije, ali u suštini porijeklo ovih imena nije mitološko, već astronomsko.
Elementi broj 92 i 93 nazvani su po udaljenim planetama Sunčevog sistema - Uranu i Neptunu, ali Neptun nije poslednji u Sunčevom sistemu, čak dalje leži orbita Plutona - planete o kojoj se još uvek gotovo ništa ne zna. .. Sličnu konstrukciju vidimo i na „lijevom boku“ periodnog sistema: uranijum – neptunijum – plutonijum, međutim, čovečanstvo zna mnogo više o plutonijumu nego o Plutonu. Inače, astronomi su otkrili Pluton samo deset godina prije sinteze plutonijuma - gotovo isti vremenski period razdvajao je otkriće Urana - planete i uranijuma - elementa.
Zagonetke za kriptografe
Prvi izotop elementa br. 94, plutonijum-238, našao je praktičnu primenu ovih dana. Ali ranih 40-ih o tome nisu ni razmišljali. Moguće je dobiti plutonijum-238 u količinama od praktičnog interesa samo oslanjajući se na moćnu nuklearnu industriju. Tada je to bilo tek u povojima. Ali već je bilo jasno da je oslobađanjem energije sadržane u jezgrima teških radioaktivnih elemenata moguće dobiti oružje neviđene snage. Pojavio se projekat Manhattan, koji nije imao ništa više od zajedničkog imena sa čuvenim područjem New Yorka. Ovo je bio opći naziv za sav rad vezan za stvaranje prvih atomskih bombi u Sjedinjenim Državama. Nije naučnik, već vojni čovjek, general Groves, koji je imenovan za šefa Manhattan projekta, “s ljubavlju” nazvao svoje visoko obrazovane štićenike “razbijenim loncima”.
Vođe "projekta" nisu bili zainteresovani za plutonijum-238. Njegove jezgre, kao i jezgra svih izotopa plutonijuma s parnim masenim brojem, nisu fisijske na niskoenergetske neutrone, tako da ne može poslužiti kao nuklearni eksploziv. Ipak, prvi ne baš jasni izvještaji o elementima br. 93 i 94 pojavili su se u štampi tek u proljeće 1942. godine.
Kako to možemo objasniti? Fizičari su shvatili: sinteza izotopa plutonijuma sa neparnim masenim brojevima bila je pitanje vremena, i to ne predugo. Očekivalo se da će čudni izotopi, poput urana-235, moći podržati nuklearnu lančanu reakciju. Neki su ih vidjeli kao potencijalni nuklearni eksploziv, koji još nije primljen. I ove nade plutonijum, nažalost, opravdao je.
U šifriranju tog vremena, element broj 94 nije se zvao ništa drugo do... bakar. A kada se pojavila potreba za samim bakrom (kao konstrukcijskim materijalom za neke dijelove), tada se u kodovima, uz "bakar", pojavio i "pravi bakar".
"Drvo poznanja dobra i zla"
Godine 1941. otkriven je najvažniji izotop plutonijuma - izotop masenog broja 239. I skoro odmah je potvrđeno predviđanje teoretičara: jezgra plutonijuma-239 su se delila toplotnim neutronima. Štaviše, tokom njihove fisije nije proizveden ništa manji broj neutrona nego tokom fisije uranijuma-235. Odmah su navedeni načini za dobijanje ovog izotopa u velikim količinama...
Prošle su godine. Sada nikome nije tajna da su nuklearne bombe pohranjene u arsenalima napunjene plutonijumom-239 i da su te bombe dovoljne da izazovu nepopravljivu štetu cijelom životu na Zemlji.
Rašireno je uvjerenje da je čovječanstvo očito žurilo s otkrićem nuklearne lančane reakcije (čija je neizbježna posljedica bilo stvaranje nuklearne bombe). Možete razmišljati drugačije ili se pretvarati da mislite drugačije - ugodnije je biti optimista. Ali čak se i optimisti neizbježno suočavaju s pitanjem odgovornosti naučnika. Pamtimo trijumfalni junski dan 1954. godine, dan kada je prvi nuklearna elektrana Obninsk. Ali ne možemo zaboraviti avgustovsko jutro 1945. - "jutro Hirošime", "crni dan Alberta Ajnštajna"... Sjećamo se prvih poslijeratnih godina i divlje atomske ucjene - osnove američke politike tih godina. . Ali zar čovječanstvo nije iskusilo mnogo nevolja u narednim godinama? Štaviše, ove strepnje su višestruko pojačane svešću da ako izbije nova epidemija Svjetski rat, biće lansirano nuklearno oružje.
Ovdje možete pokušati dokazati da otkriće plutonijuma nije unijelo strah čovječanstvu, da je, naprotiv, bilo samo korisno.
Recimo, desilo se da je iz nekog razloga ili, kako bi se to nekada reklo, voljom Božjom, plutonijum bio nedostupan naučnicima. Da li bi se onda naši strahovi i brige smanjili? Ništa se nije dogodilo. Nuklearne bombe bi se pravile od uranijuma-235 (i to u ne manjoj količini nego od plutonijuma), a te bi bombe „pojele“ i veći deo budžeta nego sada.
Ali bez plutonija ne bi bilo izgleda za mirno korištenje nuklearne energije u velikim razmjerima. Jednostavno ne bi bilo dovoljno uranijuma-235 za „mirni atom“. Zlo koje je naneseno čovječanstvu otkrićem nuklearne energije ne bi bilo uravnoteženo, čak ni djelomično, dostignućima „dobrog atoma“.
Kako izmjeriti, sa čime uporediti
Kada se jezgro plutonijum-239 neutronima podijeli na dva fragmenta približno jednake mase, oslobađa se oko 200 MeV energije. To je 50 miliona puta više energije koja se oslobađa u najpoznatijoj egzotermnoj reakciji C + O 2 = CO 2. "Sagorevanjem" u nuklearnom reaktoru, gram plutonijuma daje 2.107 kcal. Kako ne bismo narušili tradiciju (a u popularnim člancima energija nuklearnog goriva se obično mjeri u nesistemskim jedinicama - tonama uglja, benzina, trinitrotoluena itd.), također napominjemo: ovo je energija sadržana u 4 tone uglja. A običan naprstak sadrži količinu plutonijuma energetski ekvivalentnu četrdeset vagona dobrog brezovog ogreva.
Ista energija se oslobađa tokom fisije jezgara uranijuma-235 neutronima. Ali najveći deo prirodnog uranijuma (99,3%!) je izotop 238 U, koji se može iskoristiti samo pretvaranjem uranijuma u plutonijum...
Energija kamenja
Procijenimo energetske resurse sadržane u prirodnim rezervama uranijuma.
Uranijum je element u tragovima i nalazi se skoro svuda. Svako ko je posetio, na primer, Kareliju, verovatno će se setiti granitnih gromada i obalnih litica. Ali malo ljudi zna da tona granita sadrži do 25 g uranijuma. Graniti čine skoro 20% težine zemljine kore. Ako računamo samo uranijum-235, onda tona granita sadrži 3,5-105 kcal energije. Mnogo je, ali...
Prerada granita i vađenje uranijuma iz njega zahtijevaju još veću količinu energije - oko 106-107 kcal/t. Sada, kada bi bilo moguće koristiti ne samo uranijum-235, već i uranijum-238 kao izvor energije, onda bi se granit mogao smatrati barem potencijalnom energetskom sirovinom. Tada bi energija dobijena iz tone kamena bila od 8-107 do 5-108 kcal. To je ekvivalentno 16-100 tona uglja. I u ovom slučaju, granit bi ljudima mogao pružiti gotovo milion puta više energije od svih rezervi hemijskog goriva na Zemlji.
Ali jezgra uranijuma-238 se ne cijepaju neutronima. Za Nuklearna energija ovaj izotop je beskoristan. Tačnije, bilo bi beskorisno da se ne može pretvoriti u plutonijum-239. I što je posebno važno: praktički ne treba trošiti energiju na ovu nuklearnu transformaciju – naprotiv, energija se proizvodi u tom procesu!
Pokušajmo shvatiti kako se to događa, ali prvo nekoliko riječi o prirodnom plutoniju.
400 hiljada puta manje od radijuma
Već je rečeno da izotopi plutonijuma nisu sačuvani od sinteze elemenata tokom formiranja naše planete. Ali to ne znači da na Zemlji nema plutonijuma.
Stalno se formira u rudama uranijuma. Hvatanjem neutrona iz kosmičkog zračenja i neutrona proizvedenih spontanom fisijom jezgri uranijuma-238, neki - vrlo mali - atomi ovog izotopa pretvaraju se u atome uranijuma-239. Ova jezgra su vrlo nestabilna; emituju elektrone i time povećavaju njihov naboj. Formira se neptunijum, prvi transuranski element. Neptunijum-239 je takođe veoma nestabilan, a njegova jezgra emituju elektrone. Za samo 56 sati polovina neptunija-239 pretvara se u plutonijum-239, čiji je poluživot već prilično dug - 24 hiljade godina.
Zašto se plutonijum ne izdvaja iz ruda uranijuma?? Niska, preniska koncentracija. "Proizvodnja po gramu - rad godišnje" - radi se o radijumu, a plutonijum u rudama je 400 hiljada puta manji od radijuma. Stoga je izuzetno teško ne samo eksploatirati, već čak i otkriti „kopneni“ plutonijum. To je učinjeno tek nakon što su proučavana fizička i kemijska svojstva plutonija proizvedenog u nuklearnim reaktorima.
Plutonijum se akumulira u nuklearnim reaktorima. U snažnim tokovima neutrona dešava se ista reakcija kao i u uranijumskim rudama, ali je stopa formiranja i akumulacije plutonija u reaktoru mnogo veća - milijardu milijardi puta. Za reakciju pretvaranja balastnog uranijuma-238 u energetski plutonijum-239 stvaraju se optimalni (u okviru prihvatljivih) uslovi.
Ako reaktor radi na toplinskim neutronima (sjetimo se da je njihova brzina oko 2000 m u sekundi, a njihova energija je djelić elektronvolta), tada se iz prirodne mješavine izotopa uranijuma dobiva količina plutonijuma koja je nešto manja od količina „sagorenog“ uranijuma-235. Malo, ali manje, plus neizbežni gubici plutonijuma tokom njegovog hemijskog odvajanja od ozračenog uranijuma. Osim toga, nuklearna lančana reakcija održava se u prirodnoj mješavini izotopa uranijuma samo dok se mali dio uranijuma-235 ne potroši. Otuda logičan zaključak: “termalni” reaktor koji koristi prirodni uran – glavni tip reaktora koji trenutno rade – ne može osigurati proširenu reprodukciju nuklearnog goriva. Ali šta onda obećava? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, uporedimo tok nuklearne lančane reakcije u uranijumu-235 i plutonijumu-239 i uvedemo još jedan fizički koncept u naše rasprave.
Najvažnija karakteristika svakog nuklearnog goriva je prosječan broj neutrona koji se emituju nakon što je jezgro uhvatilo jedan neutron. Fizičari ga nazivaju eta brojem i označavaju ga grčkim slovom q. U „termalnim“ reaktorima na uranijumu, primećuje se sledeći obrazac: svaki neutron generiše u proseku 2,08 neutrona (η = 2,08). Plutonijum smešten u takav reaktor pod uticajem termičkih neutrona daje η = 2,03. Ali postoje i reaktori koji rade na brzim neutronima. Beskorisno je ubacivati prirodnu mješavinu izotopa uranijuma u takav reaktor: neće doći do lančane reakcije. Ali ako je „sirov materijal“ obogaćen uranijumom-235, može se razviti u „brzim“ reaktoru. U ovom slučaju, c će već biti jednako 2,23. A plutonijum, izložen vatri brzih neutrona, daće η jednako 2,70. Imat ćemo na raspolaganju “dodatnih pola neutrona”. A ovo nije nimalo malo.
Hajde da vidimo na šta se troše dobijeni neutroni. U svakom reaktoru potreban je jedan neutron za održavanje nuklearne lančane reakcije. Konstrukcijski materijali instalacije apsorbuju 0,1 neutrona. “Višak” se koristi za akumulaciju plutonijuma-239. U jednom slučaju “višak” je 1,13, au drugom 1,60. Nakon "sagorevanja" kilograma plutonija u "brzim" reaktoru, oslobađa se kolosalna energija i akumulira se 1,6 kg plutonija. A uranijum u "brzim" reaktoru će dati istu energiju i 1,1 kg novog nuklearnog goriva. U oba slučaja evidentna je proširena reprodukcija. Ali ne smijemo zaboraviti na ekonomiju.
Zbog serije tehnički razlozi Ciklus uzgoja plutonijuma traje nekoliko godina. Recimo pet godina. To znači da će se količina plutonijuma godišnje povećati za samo 2% ako je η=2,23, odnosno za 12% ako je η=2,7! Nuklearno gorivo je kapital i svaki kapital treba da daje, recimo, 5% godišnje. U prvom slučaju postoje veliki gubici, au drugom veliki profit. Ovaj primitivni primjer ilustruje “težinu” svake desetine broja u nuklearnoj energiji.
Još nešto je takođe važno. Nuklearna energija mora držati korak sa rastućom potražnjom za energijom. Proračuni pokazuju da je njegov uslov u budućnosti ispunjen tek kada se η približi tri. Ako razvoj nuklearnih izvora energije zaostaje za energetskim potrebama društva, preostaju dvije opcije: ili „usporiti napredak“ ili uzimati energiju iz nekih drugih izvora. One su poznate: termonuklearna fuzija, energija anihilacije materije i antimaterije, ali još nisu tehnički dostupne. I ne zna se kada će postati pravi izvori energije za čovječanstvo. A energija teških jezgara odavno je postala stvarnost za nas, a danas plutonij, kao glavni "snabdjevač" atomske energije, nema ozbiljnih konkurenata, osim, možda, uranijuma-233.
Zbir mnogih tehnologija
Kada se kao rezultat nuklearnih reakcija nakupi potrebna količina plutonija u uranijumu, on se mora odvojiti ne samo od samog uranijuma, već i od fisijskih fragmenata - i urana i plutonija, koji su izgorjeli u nuklearnoj lančanoj reakciji. Osim toga, uranijum-plutonijumska masa sadrži i određenu količinu neptunija. Najteže je odvojiti plutonijum od neptunija i retkozemnih elemenata (lantanida). Plutonijum kao hemijski element do neke mere nesrećni. Sa kemičarske tačke gledišta, glavni element nuklearne energije je samo jedan od četrnaest aktinida. Poput elemenata rijetkih zemalja, svi elementi aktinijumske serije su vrlo blizu jedan drugom hemijska svojstva, struktura vanjskih elektronskih omotača atoma svih elemenata od aktinija do 103 je ista. Ono što je još neugodnije je da su hemijska svojstva aktinida slična svojstvima rijetkih zemnih elemenata, a među fisionim fragmentima uranijuma i plutonija ima više nego dovoljno lantanida. Ali tada element 94 može biti u pet valentnih stanja, a to "slađuje pilulu" - pomaže da se plutonijum odvoji i od uranijuma i od fisijskih fragmenata.
Valencija plutonijuma varira od tri do sedam. Hemijski, najstabilnija (a samim tim i najčešća i najviše proučavana) jedinjenja su četvorovalentni plutonijum.
Razdvajanje aktinida sličnih hemijskih svojstava - uranijuma, neptunijuma i plutonijuma - može se zasnivati na razlici u svojstvima njihovih tetra- i heksavalentnih jedinjenja.
Nema potrebe detaljno opisivati sve faze hemijskog odvajanja plutonijuma i uranijuma. Obično njihovo odvajanje počinje otapanjem uranijumskih poluga azotne kiseline, nakon čega se uranijum, neptunijum, plutonijum i fragmentacioni elementi sadržani u rastvoru "odvajaju" tradicionalnim radiohemijskim metodama - taloženjem, ekstrakcijom, jonskom izmjenom i drugim. Konačni proizvodi ove višestepene tehnologije koji sadrže plutonij su njegov dioksid PuO 2 ili fluoridi - PuF 3 ili PuF 4. One se redukuju u metal sa parom barijuma, kalcijuma ili litijuma. Međutim, plutonijum dobijen u ovim procesima nije prikladan za ulogu konstrukcijskog materijala - od njega se ne mogu napraviti gorivi elementi nuklearnih energetskih reaktora, a ne može se baciti naboj atomske bombe. Zašto? Tačka topljenja plutonijuma - samo 640°C - je sasvim dostižna.
Bez obzira na to koji se "ultra-blagi" uslovi koriste za livenje delova od čistog plutonijuma, tokom skrućivanja uvek će se pojaviti pukotine na odlivcima. Na 640°C, plutonijum koji se skrućuje formira kubičnu kristalnu rešetku. Kako temperatura pada, gustoća metala se postepeno povećava. Ali tada je temperatura dostigla 480°C, a onda odjednom gustina plutonijuma naglo opada. Razlozi ove anomalije otkriveni su prilično brzo: na ovoj temperaturi atomi plutonijuma su preuređeni u kristalnoj rešetki. Postaje tetragonalno i vrlo „labavo“. Takav plutonijum može plutati u sopstvenom topljenju, poput leda na vodi.
Temperatura nastavlja da pada, sada je dostigla 451°C, a atomi su ponovo formirali kubičnu rešetku, ali se nalaze na većoj udaljenosti jedan od drugog nego u prvom slučaju. Daljnjim hlađenjem, rešetka prvo postaje ortorombna, a zatim monoklinska. Ukupno, plutonijum formira šest različitih kristalnih oblika! Dva od njih odlikuju se izvanrednim svojstvom - negativnim koeficijentom toplinskog širenja: s povećanjem temperature, metal se ne širi, već skuplja.
Kada temperatura dostigne 122°C i atomi plutonijuma po šesti put preurede svoje redove, gustina se posebno dramatično menja - sa 17,77 na 19,82 g/cm 3 . Više od 10%!
Shodno tome, volumen ingota se smanjuje. Ako je metal još uvijek mogao odoljeti naprezanjima koja su nastala na drugim prijelazima, tada je u ovom trenutku uništenje neizbježno.
Kako onda napraviti dijelove od ovog nevjerovatnog metala? Metalurzi legiraju plutonijum (dodajući mu male količine potrebnih elemenata) i dobijaju odlivke bez ijedne pukotine. Koriste se za pravljenje plutonijumskih punjenja za nuklearne bombe. Težina naboja (određena je prvenstveno kritičnom masom izotopa) je 5-6 kg. Lako se može uklopiti u kocku sa ivicom veličine 10 cm.
Teški izotopi plutonijuma
Plutonijum-239 takođe sadrži u malim količinama više izotope ovog elementa - sa masenim brojevima 240 i 241. Izotop 240 Pu je praktično beskoristan - balast je u plutonijumu. Od 241 se dobija americij - element br. 95. U svom čistom obliku, bez primjesa drugih izotopa, plutonijum-240 i plutonijum-241 se mogu dobiti elektromagnetnim odvajanjem plutonijuma nakupljenog u reaktoru. Prije toga plutonij se dodatno ozrači neutronskim tokovima sa strogo određenim karakteristikama. Naravno, sve je to vrlo komplikovano, pogotovo što plutonijum nije samo radioaktivan, već i veoma toksičan. Rad s njim zahtijeva izuzetan oprez.
Jedan od najzanimljivijih izotopa plutonijuma, 242 Pu, može se dobiti dugotrajnim zračenjem 239 Pu u neutronskim fluksovima. 242 Pu vrlo rijetko hvata neutrone i stoga „sagorijeva“ u reaktoru sporije od drugih izotopa; opstaje čak i nakon što su se preostali izotopi plutonijuma gotovo u potpunosti pretvorili u fragmente ili pretvorili u plutonijum-242.
Plutonijum-242 je važan kao "sirovina" za relativno brzo nakupljanje viših transuranijumskih elemenata u nuklearnim reaktorima. Ako se plutonijum-239 ozrači u konvencionalnom reaktoru, tada će biti potrebno oko 20 godina da se akumuliraju mikrogramske količine, na primjer, California-252 iz grama plutonijuma.
Moguće je smanjiti vrijeme akumulacije viših izotopa povećanjem intenziteta neutronskog fluksa u reaktoru. To je ono što oni rade, ali tada ne možete ozračiti velike količine plutonijuma-239. Uostalom, ovaj izotop je podijeljen neutronima, a previše energije se oslobađa u intenzivnim tokovima. Dodatne poteškoće nastaju kod hlađenja reaktora. Da bi se izbjegle ove poteškoće, bilo bi potrebno smanjiti količinu ozračenog plutonija. Posljedično, prinos kalifornija bi opet postao oskudan. Začarani krug!
Plutonijum-242 se ne deli na termičke neutrone, može se u velikim količinama ozračiti u intenzivnim neutronskim fluksovima... Stoga se u reaktorima svi elementi od americijuma do fermijuma „prave“ od ovog izotopa i akumuliraju u težinskim količinama.
Svaki put kada bi naučnici uspeli da dobiju novi izotop plutonijuma, mereno je vreme poluraspada njegovih jezgara. Period poluraspada izotopa teških radioaktivnih jezgara s parnim masenim brojevima se redovno mijenja. (To se ne može reći za čudne izotope.)
Kako se masa povećava, tako se povećava i "životni vijek" izotopa. Prije nekoliko godina najviša tačka Ovaj grafikon je bio plutonijum-242. I kako će onda ići ova kriva - sa daljim povećanjem masenog broja? Do tačke 1, koja odgovara životnom veku od 30 miliona godina, ili do tačke 2, koja odgovara 300 miliona godina? Odgovor na ovo pitanje bio je veoma važan za geonauke. U prvom slučaju, da se prije 5 milijardi godina Zemlja sastojala u potpunosti od 244 Pu, sada bi u cijeloj masi Zemlje ostao samo jedan atom plutonijuma-244. Ako je druga pretpostavka tačna, tada bi plutonijum-244 mogao biti u Zemlji u koncentracijama koje bi se već mogle detektovati. Ako bismo imali sreće da pronađemo ovaj izotop u Zemlji, nauka bi dobila najvrednije informacije o procesima koji su se odvijali tokom formiranja naše planete.
Poluživot nekih izotopa plutonijuma
Prije nekoliko godina, naučnici su se suočili s pitanjem: vrijedi li pokušati pronaći teški plutonijum u Zemlji? Da bi se odgovorilo, bilo je potrebno prije svega odrediti vrijeme poluraspada plutonijuma-244. Teoretičari nisu mogli izračunati ovu vrijednost sa potrebnom tačnošću. Sva nada bila je samo za eksperiment.
Plutonijum-244 akumuliran u nuklearnom reaktoru. Ozračen je element br. 95 - americij (izotop 243 Am). Nakon što je uhvatio neutron, ovaj izotop se pretvorio u americij-244; americij-244 se u jednom od 10 hiljada slučajeva pretvorio u plutonijum-244.
Preparat plutonijum-244 izolovan je iz mešavine americijuma i kurijuma. Uzorak je težio samo nekoliko milionitih delova grama. Ali oni su bili dovoljni da odrede vrijeme poluraspada ovog zanimljivog izotopa. Ispostavilo se da je jednako 75 miliona godina. Kasnije su drugi istraživači razjasnili vreme poluraspada plutonijuma-244, ali ne mnogo - 81 milion godina. Godine 1971. pronađeni su tragovi ovog izotopa u mineralu rijetke zemlje bastnäsite.
Naučnici su činili mnogo pokušaja da pronađu izotop elementa transuranija koji živi duže od 244 Pu. Ali svi pokušaji su ostali uzaludni. Svojevremeno su se nade polagale na kurijum-247, ali nakon što se ovaj izotop nakupio u reaktoru, pokazalo se da je njegovo vrijeme poluraspada samo 16 miliona godina. Nije bilo moguće oboriti rekord plutonijuma-244 - on je najdugovječniji od svih izotopa transuranijumskih elemenata.
Čak i teži izotopi plutonijuma prolaze kroz beta raspad, a njihov životni vek se kreće od nekoliko dana do nekoliko desetinki sekunde. Pouzdano znamo da svi izotopi plutonijuma nastaju u termonuklearnim eksplozijama, do 257 Pu. Ali njihov životni vijek je desetinki sekunde, a mnogi kratkotrajni izotopi plutonijuma još nisu proučavani.
Mogućnosti prvog izotopa plutonijuma
I na kraju - o plutonijumu-238 - prvom od "ljudskih" izotopa plutonijuma, izotopa koji se u početku činio neperspektivnim. To je zapravo vrlo zanimljiv izotop. Podložan je alfa raspadu, odnosno njegova jezgra spontano emituju alfa čestice - jezgra helijuma. Alfa čestice koje stvaraju jezgra plutonijum-238 nose visoku energiju; raspršena u materiji, ova energija se pretvara u toplotu. Koliko je velika ova energija? Šest miliona elektron-volti oslobađa se raspadom jednog atomsko jezgro plutonijum-238. U hemijskoj reakciji, ista energija se oslobađa kada se nekoliko miliona atoma oksidira. Izvor električne energije koji sadrži jedan kilogram plutonijuma-238 razvija toplotnu snagu od 560 vati. Maksimalna snaga hemijskog izvora struje iste mase je 5 vati.
Postoji mnogo emitera sa sličnim energetske karakteristike, ali jedna karakteristika plutonijuma-238 čini ovaj izotop nezamjenjivim. Alfa raspad je obično praćen jakim gama zračenjem koje prodire kroz velike slojeve materije. 238 Pu je izuzetak. Energija gama zraka koja prati raspad njegovih jezgara je niska i nije teško zaštititi se od nje: zračenje se apsorbira tankosidnim spremnikom. Vjerovatnoća spontane fisije jezgara ovog izotopa je također niska. Stoga je pronašao primjenu ne samo u trenutnim izvorima, već iu medicini. Baterije koje sadrže plutonijum-238 služe kao izvor energije u posebnim srčanim stimulatorima.
Ali 238 Pu nije najlakši poznati izotop elementa br. 94; dobijeni su izotopi plutonijuma sa masenim brojevima od 232 do 237. Poluživot najlakšeg izotopa je 36 minuta.
Plutonijum je velika tema. Ovdje su ispričane najvažnije stvari. Uostalom, već je postala standardna fraza da je hemija plutonijuma proučavana mnogo bolje od hemije takvih „starih“ elemenata kao što je gvožđe. O nuklearnim svojstvima plutonijuma napisane su čitave knjige. Metalurgija plutonijuma je još jedan neverovatan deo ljudskog znanja... Zato ne treba da mislite da ste nakon čitanja ove priče zaista naučili plutonijum - najvažniji metal 20. veka.
- KAKO NOSITI PLUTONIJUM. Radioaktivni i otrovni plutonijum zahteva posebnu pažnju tokom transporta. Kontejner je dizajniran posebno za njegov transport - kontejner koji se ne uništava ni u avionskim nesrećama. Napravljen je sasvim jednostavno: to je posuda debelih zidova od od nerđajućeg čelika, okružena školjkom od mahagonija. Očigledno, plutonijum se isplati, ali zamislite koliko zidovi moraju biti debeli ako znate da je kontejner za transport samo dva kilograma plutonijuma težak 225 kg!
- OTROV I ANTIDOT. 20. oktobra 1977. godine agencija Frans pres je izvestila: pronađeno hemijsko jedinjenje, sposoban da ukloni plutonijum iz ljudskog tela. Nekoliko godina kasnije, dosta se saznalo o ovom spoju. Ovo složeno jedinjenje je linearni katehinamid karboksilaze, supstanca klase helata (od grčkog "chela" - kandža). Atom plutonijuma, slobodan ili vezan, je zarobljen u ovoj hemijskoj kandži. Kod laboratorijskih miševa ova supstanca je korištena za uklanjanje do 70% apsorbiranog plutonija iz tijela. Vjeruje se da će u budućnosti ovo jedinjenje pomoći ekstrahiranju plutonijuma i iz proizvodnog otpada i iz nuklearnog goriva.
Šta danas želimo naučiti? Koliko je teška 1 kocka plutonijuma, težina 1 m3 plutonijuma? Nema problema, možete saznati broj kilograma ili broj tona odjednom, masu (težina jednog kubnog metra, težina jedne kocke, težina jedne kubni metar, težine 1 m3) prikazani su u tabeli 1. Ako je neko zainteresovan, može preletjeti mali tekst ispod i pročitati neka objašnjenja. Kako se mjeri količina tvari, materijala, tekućine ili plina koja nam je potrebna? Osim onih slučajeva kada je moguće svesti obračun potrebne količine na prebrojavanje robe, proizvoda, elemenata u komadima (komadno brojanje), najlakše nam je odrediti potrebnu količinu na osnovu zapremine i težine (mase) . U svakodnevnom životu najčešća jedinica za mjerenje zapremine za nas je 1 litar. Međutim, broj litara pogodan za proračune u domaćinstvu nije uvijek primjenjiv način za određivanje zapremine za poslovne aktivnosti. Osim toga, litri u našoj zemlji nisu postali opšteprihvaćena „proizvodna“ i trgovačka jedinica za merenje zapremine. Jedan kubni metar, ili u njegovoj skraćenoj verziji - jedna kocka, pokazao se prilično zgodnom i popularnom jedinicom volumena za praktičnu upotrebu. Navikli smo mjeriti gotovo sve tvari, tekućine, materijale, pa čak i plinove u kubnim metrima. Zaista je zgodno. Uostalom, njihovi troškovi, cijene, stope, stope potrošnje, tarife, ugovori o snabdijevanju gotovo su uvijek vezani za kubne metre (kocke), a mnogo rjeđe za litre. Ništa manje važno za praktične aktivnosti je poznavanje ne samo zapremine, već i težine (mase) supstance koja zauzima ovu zapreminu: u ovom slučaju govorimo o tome koliko teži 1 kubni metar (1 kubični metar, 1 kubni metar, 1 m3). Poznavanje mase i zapremine daje nam prilično potpunu predstavu o količini. Posetioci sajta, kada pitaju koliko je teška 1 kocka, često ukazuju na određene jedinice mase u kojima bi želeli da znaju odgovor na pitanje. Kao što smo primijetili, najčešće žele znati težinu 1 kocke (1 kubni metar, 1 kubni metar, 1 m3) u kilogramima (kg) ili tonama (t). U suštini, trebate kg/m3 ili t/m3. To su usko povezane jedinice koje definiraju količinu. U principu, moguća je prilično jednostavna nezavisna konverzija težine (mase) iz tona u kilograme i obrnuto: iz kilograma u tone. Međutim, kao što je praksa pokazala, za većinu posjetitelja stranice prikladnija opcija bi bila saznajte odmah koliko kilograma teži 1 kubik (1 m3) plutonijuma ili koliko tona teži 1 kubik (1 m3) plutonijuma, bez pretvaranja kilograma u tone ili obrnuto - broj tona u kilograme po kubnom metru (jedan kubni metar, jedan kubni metar, jedan m3). Stoga smo u tabeli 1 naveli koliko je 1 kubni metar (1 kubni metar, 1 kubni metar) težak u kilogramima (kg) i tonama (t). Odaberite kolonu tabele koja vam je potrebna. Inače, kada pitamo koliko teži 1 kubni metar (1 m3), mislimo na broj kilograma ili broj tona. Međutim, sa fizičke tačke gledišta, zanima nas gustoća ili specifična težina. Masa jedinice zapremine ili količina supstance sadržane u jedinici zapremine je nasipna gustina ili specifična težina. U ovom slučaju nasipnu gustinu i specifičnu težinu plutonijuma. Gustina i specifična težina u fizici se obično ne mjere u kg/m3 ili tonama/m3, već u gramima po kubnom centimetru: g/cm3. Stoga su u tabeli 1 specifična težina i gustina (sinonimi) naznačeni u gramima po kubnom centimetru (g/cm3)
Mnogi naši čitaoci povezuju hidrogensku bombu sa atomskom, samo mnogo snažnijom. Zapravo, ovo je fundamentalno novo oružje, koje je zahtijevalo nesrazmjerno velike intelektualne napore za njegovo stvaranje i radi na fundamentalno drugačijim fizičkim principima.
Jedina stvar koja je zajednička atomskoj i hidrogenskoj bombi je da obje oslobađaju kolosalnu energiju skrivenu u atomskom jezgru. To se može učiniti na dva načina: podijeliti teške jezgre, na primjer, uranijum ili plutonijum, na lakše (reakcija fisije) ili prisiliti najlakše izotope vodika da se spoje (reakcija fuzije). Kao rezultat obje reakcije, masa rezultirajućeg materijala uvijek je manja od mase originalnih atoma. Ali masa ne može nestati bez traga - ona se pretvara u energiju prema poznatoj Einsteinovoj formuli E=mc 2.
Za stvaranje atomske bombe neophodan i dovoljan uslov je da se fisijski materijal dobije u dovoljnim količinama. Posao je dosta radno intenzivan, ali niskointelektualan, bliži je rudarskoj industriji nego visokoj nauci. Glavni resursi za stvaranje takvog oružja troše se na izgradnju ogromnih rudnika uranijuma i postrojenja za obogaćivanje. Dokaz jednostavnosti uređaja je činjenica da je između proizvodnje plutonija potrebnog za prvu bombu i prve sovjetske nuklearne eksplozije prošlo manje od mjesec dana.
Prisjetimo se ukratko principa rada takve bombe, poznatog iz školskih kurseva fizike. Zasnovan je na svojstvu uranijuma i nekih transuranijumskih elemenata, na primjer plutonijuma, da oslobađaju više od jednog neutrona tokom raspada. Ovi elementi se mogu raspasti spontano ili pod uticajem drugih neutrona.
Oslobođeni neutron može napustiti radioaktivni materijal, ili se može sudariti s drugim atomom, uzrokujući drugu reakciju fisije. Kada je određena koncentracija supstance (kritična masa) prekoračena, broj novorođenih neutrona, uzrokujući dalju fisiju atomskog jezgra, počinje da premašuje broj raspadajućih jezgara. Broj raspadajućih atoma počinje rasti poput lavine, rađajući nove neutrone, odnosno dolazi do lančane reakcije. Za uranijum-235 kritična masa je oko 50 kg, za plutonijum-239 - 5,6 kg. Odnosno, lopta plutonijuma teška nešto manje od 5,6 kg je samo topli komad metala, a masa nešto veća traje samo nekoliko nanosekundi.
Stvarno djelovanje bombe je jednostavno: uzmemo dvije hemisfere uranijuma ili plutonijuma, svaka nešto manja od kritične mase, postavimo ih na udaljenosti od 45 cm, prekrijemo eksplozivom i detoniramo. Uranijum ili plutonijum se sinteruju u komad superkritične mase i počinje nuklearna reakcija. Sve. Postoji još jedan način da se pokrene nuklearna reakcija - da se komad plutonija sabije snažnom eksplozijom: udaljenost između atoma će se smanjiti, a reakcija će započeti pri nižoj kritičnoj masi. Svi moderni atomski detonatori rade na ovom principu.
Problemi sa atomskom bombom počinju od trenutka kada želimo da povećamo snagu eksplozije. Jednostavno povećanje fisijskog materijala nije dovoljno – čim njegova masa dosegne kritičnu masu, on detonira. Izmišljene su razne domišljate sheme, na primjer, da se bomba napravi ne iz dva dijela, već iz više, zbog čega je bomba počela da liči na narandžu bez crijeva, a zatim je sastavila u jedan komad jednom eksplozijom, ali ipak, snagom. od preko 100 kilotona, problemi su postali nepremostivi.
Ali gorivo za termonuklearnu fuziju nema kritičnu masu. Ovdje Sunce, ispunjeno termonuklearnim gorivom, visi iznad glave, termonuklearna reakcija se u njemu odvija milijardu godina - i ništa ne eksplodira. Osim toga, tokom reakcije sinteze, na primjer, deuterijuma i tricijuma (teški i superteški izotop vodonika), energija se oslobađa 4,2 puta više nego prilikom sagorijevanja iste mase uranijuma-235.
Izrada atomske bombe bila je više eksperimentalna nego teorijski proces. Stvaranje hidrogenske bombe zahtijevalo je pojavu potpuno novih fizičkih disciplina: fizike visokotemperaturne plazme i ultravisokih pritisaka. Prije nego što se počne sa konstruiranjem bombe, bilo je potrebno temeljno razumjeti prirodu fenomena koji se dešavaju samo u jezgru zvijezda. Tu nikakvi eksperimenti nisu mogli pomoći - bili su samo alati istraživača teorijske fizike I višu matematiku. Nije slučajno da gigantska uloga u razvoju termonuklearnog oružja pripada matematičarima: Ulamu, Tihonovu, Samarskom itd.
Classic super
Do kraja 1945. Edward Teller je predložio prvi dizajn hidrogenske bombe, nazvan "klasični super". Da bi se stvorio monstruozan pritisak i temperatura neophodni za pokretanje reakcije fuzije, trebalo je da se koristi konvencionalna atomska bomba. Sam "klasični super" bio je dugačak cilindar napunjen deuterijumom. Predviđena je i međukomora za "paljenje" sa smjesom deuterijuma i tricijuma - reakcija sinteze deuterijuma i tricijuma počinje pri nižem tlaku. Po analogiji s vatrom, deuterijum je trebao igrati ulogu drva za ogrjev, mješavina deuterijuma i tricijuma - čaša benzina, i atomska bomba - šibica. Ova shema se zvala "lula" - vrsta cigara s atomskim upaljačem na jednom kraju. Sovjetski fizičari su počeli da razvijaju hidrogensku bombu koristeći istu šemu.
Međutim, matematičar Stanislav Ulam je, koristeći običan klizač, dokazao Telleru da je pojava reakcije fuzije čistog deuterija u „superu“ teško moguća, a mješavina bi zahtijevala toliku količinu tricijuma da bi se proizvela biti neophodno da se praktično zamrzne proizvodnja plutonija za oružje u Sjedinjenim Državama.
Puf sa šećerom
Sredinom 1946. Teller je predložio još jedan dizajn hidrogenske bombe - "budilnik". Sastojao se od naizmjeničnih sfernih slojeva uranijuma, deuterijuma i tricijuma. Tokom nuklearne eksplozije centralnog naboja plutonijuma stvoreni su potrebni pritisak i temperatura za početak termonuklearne reakcije u drugim slojevima bombe. Međutim, “budilnik” je zahtijevao atomski pokretač velike snage, a Sjedinjene Države (kao i SSSR) su imale problema s proizvodnjom uranijuma i plutonijuma za oružje.
U jesen 1948. Andrej Saharov došao je do slične šeme. U Sovjetskom Savezu dizajn se zvao "sloyka". Za SSSR, koji nije imao vremena da proizvodi uranijum-235 i plutonijum-239 za oružje u dovoljnim količinama, Saharovljeva lisnata pasta bila je panaceja. I zato.
U konvencionalnoj atomskoj bombi, prirodni uranijum-238 nije samo beskoristan (energija neutrona tokom raspada nije dovoljna za pokretanje fisije), već je i štetan jer željno apsorbuje sekundarne neutrone, usporavajući lančanu reakciju. Stoga se 90% uranijuma za oružje sastoji od izotopa uranijuma-235. Međutim, neutroni koji nastaju termonuklearnom fuzijom su 10 puta energičniji od fisijskih neutrona, a prirodni uran-238 ozračen takvim neutronima počinje odlično da se fisije. Nova bomba je omogućila da se uranijum-238, koji se ranije smatrao otpadnim proizvodom, koristi kao eksploziv.
Vrhunac Saharovljevog "lisnatog tijesta" bila je i upotreba bijele svijetle kristalne supstance - litijum deuterida 6 LiD - umjesto akutnog deficita tricijuma.
Kao što je već spomenuto, mješavina deuterija i tricijuma se zapali mnogo lakše od čistog deuterija. Međutim, tu prestaju prednosti tritijuma, a ostaju samo nedostaci: u dobrom stanju tricijum je gas, koji uzrokuje poteškoće u skladištenju; tricijum je radioaktivan i raspada se u stabilan helijum-3, koji aktivno troši prijeko potrebne brze neutrone, ograničavajući vijek trajanja bombe na nekoliko mjeseci.
Neradioaktivni litijum deutrid, kada je zračen neutronima spore fisije - posledice eksplozije atomskog fitilja - pretvara se u tricijum. Dakle, zračenje primarne atomske eksplozije trenutno proizvodi dovoljnu količinu tritijuma za dalju termonuklearnu reakciju, a deuterijum je u početku prisutan u litijum deutridu.
Upravo takva bomba, RDS-6s, uspješno je testirana 12. avgusta 1953. na tornju Semipalatinskog poligona. Snaga eksplozije bila je 400 kilotona, a još uvijek se vodi debata o tome da li je to bila prava termonuklearna eksplozija ili super-snažna atomska. Uostalom, reakcija termonuklearne fuzije u Saharovoj lisnatoj pasti nije činila više od 20% ukupne snage punjenja. Glavni doprinos eksploziji dala je reakcija raspada uranijuma-238 ozračenog brzim neutronima, zahvaljujući čemu su RDS-6 započele eru takozvanih „prljavih“ bombi.
Činjenica je da glavna radioaktivna kontaminacija dolazi od proizvoda raspadanja (posebno stroncijum-90 i cezij-137). U suštini, Saharovljevo "lisnato tijesto" bilo je ogromna atomska bomba, samo malo poboljšana termonuklearna reakcija. Nije slučajno da je samo jedna eksplozija "lisnatog tijesta" proizvela 82% stroncijuma-90 i 75% cezijuma-137, koji je ušao u atmosferu tokom čitave istorije Semipalatinskog poligona.
američke bombe
Međutim, Amerikanci su bili ti koji su prvi detonirali hidrogensku bombu. 1. novembra 1952. na atolu Elugelab u pacifik Termonuklearni uređaj Mike snage 10 megatona uspješno je testiran. Teško bi bilo nazvati američki uređaj od 74 tone bombom. “Majk” je bio glomazan uređaj veličine dvospratne kuće, napunjen tekućim deuterijumom na temperaturi blizu apsolutne nule (Saharovljevo “lisnato tijesto” bilo je potpuno prenosiv proizvod). Međutim, vrhunac “Mikea” nije bila njegova veličina, već genijalan princip kompresije termonuklearnog eksploziva.
Podsjetimo da je glavna ideja hidrogenske bombe stvaranje uvjeta za fuziju (ultra-visoki tlak i temperatura) kroz nuklearnu eksploziju. U shemi "puff", nuklearni naboj se nalazi u središtu, pa stoga ne komprimira deuterij koliko ga raspršuje prema van - povećanje količine termonuklearnog eksploziva ne dovodi do povećanja snage - jednostavno ne imati vremena da detonira. Upravo to ograničava maksimalnu snagu ove sheme - najmoćniji "puf" na svijetu, Orange Herald, koji su Britanci digli u zrak 31. maja 1957., dao je samo 720 kilotona.
Bilo bi idealno kada bismo mogli da napravimo da atomski fitilj eksplodira unutra, komprimujući termonuklearni eksploziv. Ali kako to učiniti? Edward Teller iznio je briljantnu ideju: komprimirati termonuklearno gorivo ne mehaničkom energijom i neutronskim fluksom, već zračenjem primarnog atomskog fitilja.
U Tellerovom novom dizajnu, početna atomska jedinica je odvojena od termonuklearne jedinice. Kada se atomsko naelektrisanje aktiviralo, rendgensko zračenje je prethodilo udarnom talasu i širilo se duž zidova cilindričnog tela, isparavajući i pretvarajući polietilensku unutrašnju oblogu tela bombe u plazmu. Plazma je, zauzvrat, ponovo emitovala mekše rendgenske zrake, koje su apsorbovali spoljni slojevi unutrašnjeg cilindra uranijuma-238 - „gurača“. Slojevi su počeli eksplozivno isparavati (ovaj fenomen se naziva ablacija). Vruća plazma uranijuma može se uporediti sa mlazovima super-moćnog raketnog motora čiji je potisak usmjeren u cilindar s deuterijumom. Uranijumski cilindar se srušio, dostigli su pritisak i temperatura deuterijuma kritičnom nivou. Isti pritisak komprimirao je centralnu plutonijumsku cijev do kritične mase i ona je detonirala. Eksplozija plutonijumskog fitilja pritisnula je deuterijum iznutra, dodatno sabijajući i zagrevajući termonuklearni eksploziv, koji je detonirao. Intenzivan tok neutrona cepa jezgra uranijuma-238 u "guraču", uzrokujući sekundarnu reakciju raspada. Sve se to uspjelo dogoditi prije trenutka kada je udarni val iz primarne nuklearne eksplozije stigao do termonuklearne jedinice. Izračunavanje svih ovih događaja, koji se dešavaju u milijardnim delovima sekunde, zahtevalo je moć mozga najjačih matematičara na planeti. Kreatori “Majka” nisu doživjeli užas od eksplozije od 10 megatona, već neopisivo oduševljenje – uspjeli su ne samo da shvate procese koji se u stvarnom svijetu odvijaju samo u jezgri zvijezda, već i da eksperimentalno testiraju svoje teorije postavljanjem do svoje male zvijezde na Zemlji.
Bravo
Pošto su nadmašili Ruse u ljepoti dizajna, Amerikanci nisu uspjeli učiniti svoj uređaj kompaktnim: koristili su tekući superohlađeni deuterij umjesto Saharovljevog litijum deuterida u prahu. U Los Alamosu su na Saharovljevo "lisnato testo" reagovali sa malo zavisti: "umesto ogromne krave sa kantom sirovog mleka, Rusi koriste kesu mleka u prahu". Međutim, obje strane nisu uspjele sakriti tajne jedna od druge. 1. marta 1954. u blizini atola Bikini Amerikanci su testirali bombu od 15 megatona “Bravo” koristeći litijum deuterid, a 22. novembra 1955. prvu sovjetsku dvostepenu termonuklearnu bombu RDS-37 snage 1,7 megatona eksplodirao iznad Semipalatinskog poligona, srušivši skoro polovinu poligona. Od tada je dizajn termonuklearne bombe pretrpio manje promjene (na primjer, pojavio se uranijumski štit između inicijalne bombe i glavnog punjenja) i postao je kanonski. I na svijetu više nema velikih misterija prirode koje bi se mogle riješiti ovako spektakularnim eksperimentom. Možda rođenje supernove.
| Malo teorije U termonuklearnoj bombi postoje 4 reakcije, koje se odvijaju vrlo brzo. Prve dvije reakcije služe kao izvor materijala za treću i četvrtu, koje se na temperaturama termonuklearne eksplozije odvijaju 30-100 puta brže i daju veći energetski prinos. Zbog toga se nastali helijum-3 i tricijum odmah troše. Jezgra atoma su pozitivno nabijena i stoga se međusobno odbijaju. Da bi reagovali, potrebno ih je gurnuti u glavu, savladavajući električni odboj. To je moguće samo ako se kreću velikom brzinom. Brzina atoma je direktno povezana sa temperaturom koja bi trebala dostići 50 miliona stepeni! Ali zagrijavanje deuterijuma na takvu temperaturu nije dovoljno; potrebno ga je zaštititi od raspršivanja monstruoznim pritiskom od oko milijardu atmosfera! U prirodi se takve temperature pri takvim gustoćama nalaze samo u jezgri zvijezda. |
Učitavanje...