Pourquoi le plutonium est-il dangereux ? Physique nucléaire divertissante (13 photos). Rôle biologique du plutonium

L’humanité a toujours été à la recherche de nouvelles sources d’énergie capables de résoudre de nombreux problèmes. Cependant, ils ne sont pas toujours en sécurité. Ainsi, en particulier, ceux largement utilisés aujourd'hui, bien qu'ils soient capables de générer des quantités tout simplement colossales d'énergie électrique dont tout le monde a besoin, portent toujours en eux danger mortel. Mais, outre ses objectifs pacifiques, certains pays de notre planète ont appris à l'utiliser à des fins militaires, notamment pour créer des ogives nucléaires. Cet article abordera la base de ces armes destructrices, dont le nom est plutonium de qualité militaire.

Information brève

Cette forme compacte du métal contient au moins 93,5 % de l’isotope 239Pu. Le plutonium de qualité militaire a été nommé de manière à pouvoir être distingué de son « homologue de réacteur ». En principe, le plutonium est toujours formé dans absolument n'importe quel réacteur nucléaire, qui, à son tour, fonctionne avec de l'uranium faiblement enrichi ou naturel, contenant, pour la plupart, l'isotope 238U.

Application dans l'industrie militaire

Le plutonium 239Pu de qualité militaire constitue la base des armes nucléaires. Dans le même temps, l'utilisation d'isotopes de numéros de masse 240 et 242 n'est pas pertinente, car ils créent un fond de neutrons très élevé, ce qui complique finalement la création et la conception de munitions nucléaires très efficaces. De plus, les isotopes du plutonium 240Pu et 241Pu ont une demi-vie nettement plus courte que celle du 239Pu, de sorte que les parties du plutonium deviennent très chaudes. C'est à cet égard que les ingénieurs sont obligés d'ajouter des éléments supplémentaires pour éliminer l'excès de chaleur des armes nucléaires. À propos, le 239Pu sous sa forme pure est plus chaud que le corps humain. Il est également impossible de ne pas prendre en compte le fait que les produits du processus de désintégration des isotopes lourds soumettent le réseau cristallin du métal à des modifications néfastes, ce qui modifie tout naturellement la configuration des pièces de plutonium, qui, en fin de compte, peuvent cause échec complet engin explosif nucléaire.

Dans l’ensemble, toutes les difficultés ci-dessus peuvent être surmontées. Et en pratique, des tests ont déjà été effectués plus d'une fois sur la base du plutonium « réacteur ». Mais il faut comprendre que dans le domaine des armes nucléaires, leur compacité, leur faible poids mort, leur durabilité et leur fiabilité ne sont en aucun cas les moins importants. À cet égard, ils utilisent exclusivement du plutonium de qualité militaire.

Caractéristiques de conception des réacteurs de production

Presque tout le plutonium en Russie était produit dans des réacteurs équipés d'un modérateur en graphite. Chacun des réacteurs est construit autour de blocs de graphite assemblés cylindriquement.

Une fois assemblés, les blocs de graphite comportent des fentes spéciales entre eux pour assurer une circulation continue du liquide de refroidissement, qui utilise de l'azote. La structure assemblée comporte également des canaux situés verticalement créés pour le passage de l'eau de refroidissement et du carburant à travers eux. L'ensemble lui-même est supporté rigidement par une structure percée d'ouvertures sous les canaux permettant d'évacuer le combustible déjà irradié. De plus, chacun des canaux est situé dans un tube à paroi mince moulé à partir d'un alliage d'aluminium léger et extrêmement résistant. La plupart de Les canaux décrits comportent 70 crayons de combustible. L'eau de refroidissement s'écoule directement autour des barres de combustible, éliminant ainsi l'excès de chaleur.

Augmenter la puissance des réacteurs de production

Initialement, le premier réacteur Mayak fonctionnait avec une puissance thermique de 100 MW. Cependant, le principal responsable du programme d'armes nucléaires soviétique a fait une proposition selon laquelle le réacteur en heure d'hiver travaillé avec une puissance de 170 à 190 MW et en été de 140 à 150 MW. Cette approche a permis au réacteur de produire près de 140 grammes de précieux plutonium par jour.

En 1952, de nombreux travaux de recherche sont menés afin d'augmenter la capacité de production des réacteurs en fonctionnement selon les méthodes suivantes :

• En augmentant le débit d’eau utilisé pour le refroidissement et circulant dans les cœurs d’une centrale nucléaire.
• En augmentant la résistance au phénomène de corrosion qui se produit à proximité du revêtement du canal.
• Réduire le taux d'oxydation du graphite.
• Augmentation de la température à l’intérieur des piles à combustible.

En conséquence, le débit d’eau en circulation a augmenté de manière significative après l’augmentation de l’écart entre le combustible et les parois du canal. Nous avons également réussi à nous débarrasser de la corrosion. Pour cela, les alliages d'aluminium les plus appropriés ont été sélectionnés et du bichromate de sodium a commencé à être activement ajouté, ce qui a finalement augmenté la douceur de l'eau de refroidissement (le pH est devenu d'environ 6,0 à 6,2). L'oxydation du graphite a cessé d'être un problème urgent après que l'azote ait été utilisé pour le refroidir (auparavant, seul l'air était utilisé).

À la fin des années 1950, les innovations ont été pleinement mises en pratique, réduisant le gonflement très inutile de l'uranium provoqué par les radiations, réduisant considérablement le durcissement thermique des barres d'uranium, améliorant la résistance des gaines et augmentant le contrôle de la qualité de la production.

Production chez Mayak

"Chelyabinsk-65" est l'une de ces usines très secrètes où du plutonium de qualité militaire a été créé. L'entreprise possédait plusieurs réacteurs et nous examinerons chacun d'eux de plus près.

Réacteur A

L'installation a été conçue et réalisée sous la direction du légendaire N. A. Dollezhal. Elle fonctionnait avec une puissance de 100 MW. Le réacteur avait 1 149 canaux de commande et de combustible disposés verticalement dans un bloc de graphite. Le poids total de la structure était d'environ 1 050 tonnes. Presque tous les canaux (sauf 25) étaient chargés d'uranium dont la masse totale était de 120 à 130 tonnes. 17 canaux ont été utilisés pour les barres de contrôle et 8 pour les expériences. Indicateur maximum Le dégagement de chaleur nominal de la pile à combustible était de 3,45 kW. Au début, le réacteur produisait environ 100 grammes de plutonium par jour. Le premier plutonium métallique a été produit le 16 avril 1949.

Inconvénients technologiques

Presque immédiatement, des problèmes assez graves ont été identifiés, notamment la corrosion des revêtements en aluminium et le revêtement des piles à combustible. Les barres d'uranium ont également gonflé et ont été endommagées, provoquant une fuite d'eau de refroidissement directement dans le cœur du réacteur. Après chaque fuite, le réacteur devait être arrêté jusqu'à 10 heures afin de sécher le graphite à l'air. En janvier 1949, les revêtements du canal sont remplacés. L'installation fut ensuite lancée le 26 mars 1949.

Le plutonium de qualité militaire, dont la production dans le réacteur A s'est accompagné de toutes sortes de difficultés, a été produit dans la période 1950-1954 avec une puissance unitaire moyenne de 180 MW. L'exploitation ultérieure du réacteur s'accompagne d'une utilisation plus intensive, qui conduit tout naturellement à des arrêts plus fréquents (jusqu'à 165 fois par mois). En conséquence, le réacteur fut arrêté en octobre 1963 et ne reprit ses activités qu'au printemps 1964. Il a complètement achevé sa campagne en 1987 et, pendant toutes ses années d'exploitation, il a produit 4,6 tonnes de plutonium.

Réacteurs AB

Il fut décidé de construire trois réacteurs AB dans l'entreprise Chelyabinsk-65 à l'automne 1948. Leur capacité de production était de 200 à 250 grammes de plutonium par jour. Le concepteur en chef du projet était A. Savin. Chaque réacteur était constitué de 1 996 canaux, dont 65 canaux de contrôle. Les installations utilisaient une innovation technique : chaque canal était équipé d'un détecteur spécial de fuite de liquide de refroidissement. Ce déménagement a permis de changer les revêtements sans arrêter le fonctionnement du réacteur lui-même.

La première année de fonctionnement des réacteurs a montré qu'ils produisaient environ 260 grammes de plutonium par jour. Cependant, dès la deuxième année d'exploitation, la capacité a été progressivement augmentée et déjà en 1963, son chiffre était de 600 MW. Après la deuxième révision, le problème des doublures a été complètement résolu et la puissance était déjà de 1 200 MW avec une production annuelle de plutonium de 270 kilogrammes. Ces indicateurs sont restés jusqu'à la fermeture complète des réacteurs.

Réacteur AI-IR

L'entreprise de Tcheliabinsk a utilisé cette installation pendant la période du 22 décembre 1951 au 25 mai 1987. Outre l'uranium, le réacteur a également produit du cobalt 60 et du polonium 210. Initialement, l’installation produisait du tritium, mais a ensuite commencé à produire du plutonium.

En outre, l'usine de traitement du plutonium de qualité militaire disposait de réacteurs fonctionnant à l'eau lourde et d'un seul réacteur à eau légère (son nom était « Ruslan »).

Géant sibérien

"Tomsk-7" était le nom de l'usine, qui abritait cinq réacteurs pour la création de plutonium. Chacune des unités utilisait du graphite pour ralentir les neutrons et de l'eau ordinaire pour assurer un refroidissement adéquat.

Le réacteur I-1 fonctionnait avec un système de refroidissement dans lequel l'eau passait une seule fois. Cependant, les quatre installations restantes étaient équipées de circuits primaires fermés équipés d'échangeurs de chaleur. Cette conception permettait de générer en plus de la vapeur, ce qui à son tour contribuait à la production d'électricité et au chauffage de divers espaces de vie.

Tomsk-7 possédait également un réacteur appelé EI-2, qui, à son tour, avait un double objectif : produire du plutonium et, grâce à la vapeur générée, générer 100 MW d'électricité, ainsi que 200 MW d'énergie thermique.

Une information important

Selon les scientifiques, la demi-vie du plutonium de qualité militaire est d’environ 24 360 ans. Un chiffre énorme ! À cet égard, la question devient particulièrement aiguë : « Comment gérer correctement les déchets issus de la production de cet élément ? La meilleure option est considérée comme la construction d’entreprises spéciales pour le traitement ultérieur du plutonium de qualité militaire. Cela s'explique par le fait que dans ce cas, l'élément ne pourra plus être utilisé à des fins militaires et sera sous contrôle humain. C’est exactement de cette manière que le plutonium de qualité militaire est éliminé en Russie, mais les États-Unis d’Amérique ont emprunté une voie différente, violant ainsi leurs obligations internationales.

Ainsi, le gouvernement américain propose de détruire les matières hautement enrichies non pas par des moyens industriels, mais en diluant le plutonium et en le stockant dans des conteneurs spéciaux à une profondeur de 500 mètres. Il va sans dire que dans ce cas, le matériel peut être facilement retiré du sol à tout moment et réutilisé à des fins militaires. Selon le président russe Vladimir Poutine, les pays ont initialement convenu de détruire le plutonium non pas par cette méthode, mais de le stocker dans des installations industrielles.

Le coût du plutonium de qualité militaire mérite une attention particulière. Selon les experts, des dizaines de tonnes de cet élément pourraient coûter plusieurs milliards de dollars américains. Et certains experts ont même estimé que 500 tonnes de plutonium de qualité militaire pourraient atteindre 8 000 milliards de dollars. Le montant est vraiment impressionnant. Pour que cela soit plus clair, disons qu’au cours des dix dernières années du XXe siècle, le PIB annuel moyen de la Russie était de 400 milliards de dollars. Autrement dit, le prix réel du plutonium de qualité militaire était égal à vingt ans du PIB de la Fédération de Russie.

Plutonium
Numéro atomique	94
Apparence substance simple
Propriétés de l'atome
Masse atomique (masse molaire)	244.0642a. em (/mol)
Rayon atomique	151h
Énergie d'ionisation (premier électron)	491,9(5,10) kJ/mol (eV)
Configuration électronique	5f 6 7s 2
Propriétés chimiques
Rayon covalent	s/o pm
Rayon ionique	(+4e) 93 (+3e) 228h
Électronégativité (d'après Pauling)	1,28
Le potentiel de l'électrode	Pu←Pu 4+ -1,25 V Pu←Pu 3+ -2,0 V Pu←Pu 2+ -1,2 V
États d'oxydation	6, 5, 4, 3
Propriétés thermodynamiques d'une substance simple
Densité	19,84 /cm³
Capacité thermique molaire	32,77 J/(mole)
Conductivité thermique	(6.7) AVEC( ·)
Température de fusion	914
Chaleur de fonte	2,8 kJ/mol
Température d'ébullition	3505
Chaleur de vaporisation	343,5 kJ/mole
Volume molaire	12,12 cm³/mole
Réseau cristallin d'une substance simple
La structure en treillis	monoclinique
Paramètres de réseau	a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8
rapport c/a	—
Débye température	162

Plutonium- un élément chimique radioactif du groupe des actinides, largement utilisé en production armes nucléaires(le soi-disant « plutonium de qualité militaire »), et également (à titre expérimental) comme combustible nucléaire pour les réacteurs nucléaires à des fins civiles et de recherche. Le premier élément artificiel obtenu en quantités disponibles pour la pesée (1942).

Le tableau de droite présente les principales propriétés de l'α-Pu, la principale modification allotropique du plutonium à température ambiante et pression normale.

Histoire du plutonium

L'isotope du plutonium 238 Pu a été produit artificiellement pour la première fois le 23 février 1941 par un groupe de scientifiques américains dirigé par Glenn Seaborg en irradiant des noyaux. uranium deutons. Il est à noter que ce n'est qu'après production artificielle le plutonium a été découvert dans la nature : le 239 Pu se trouve généralement en quantités négligeables dans les minerais d'uranium en tant que produit de la transformation radioactive de l'uranium.

Trouver du plutonium dans la nature

Dans les minerais d'uranium, du fait de la capture de neutrons (par exemple, les neutrons issus du rayonnement cosmique) par les noyaux d'uranium, neptunium(239 Np), dont le produit de désintégration β est le plutonium 239 naturel. Cependant, le plutonium se forme en quantités tellement microscopiques (0,4 à 15 parties de Pu pour 10 12 parties d'U) que son extraction des minerais d'uranium est hors de question.

origine du nom plutonium

En 1930, le monde astronomique était enthousiasmé par une merveilleuse nouvelle : une nouvelle planète avait été découverte, dont Percival Lovell, astronome, mathématicien et auteur d'essais fantastiques sur la vie sur Mars, parlait depuis longtemps de l'existence. Basé sur de nombreuses années d’observations de mouvements Uranus Et Neptune Lovell est arrivé à la conclusion qu'au-delà de Neptune dans système solaire il doit y avoir une autre, neuvième planète, quarante fois plus éloignée du Soleil que la Terre.

Cette planète, dont Lovell a calculé les éléments orbitaux en 1915, a été découverte sur des photographies prises les 21, 23 et 29 janvier 1930 par l'astronome K. Tombaugh à l'observatoire de Flagstaff ( Etats-Unis) . La planète a été nommée Pluton. Le 94ème élément, obtenu artificiellement fin 1940 à partir de noyaux, doit son nom à cette planète, située dans le système solaire au-delà de Neptune. atomes uranium un groupe de scientifiques américains dirigé par G. Seaborg.

Propriétés physiques plutonium

Il existe 15 isotopes du plutonium - B les plus grandes quantités des isotopes avec des nombres de masse de 238 à 242 sont obtenus :

238 Pu -> (demi-vie 86 ans, désintégration alpha) -> 234 U,

Cet isotope est utilisé presque exclusivement dans les RTG à des fins spatiales, par exemple sur tous les véhicules qui ont survolé l'orbite de Mars.

239 Pu -> (demi-vie 24 360 ans, désintégration alpha) -> 235 U,

Cet isotope est particulièrement adapté à la construction d’armes nucléaires et de réacteurs nucléaires à neutrons rapides.

240 Pu -> (demi-vie 6 580 ans, désintégration alpha) -> 236 U, 241 Pu -> (demi-vie 14,0 ans, désintégration bêta) -> 241 Am, 242 Pu -> (demi-vie 370 000 ans, alpha -désintégration) -> 238 U

Ces trois isotopes n'ont pas d'importance industrielle majeure, mais sont obtenus comme sous-produits lors de la production d'énergie dans des réacteurs nucléaires utilisant de l'uranium, grâce à la capture séquentielle de plusieurs neutrons par des noyaux d'uranium 238. L'isotope 242 présente des propriétés nucléaires très similaires à celles de l'uranium 238. L'américium 241, produit par la désintégration de l'isotope 241, était utilisé dans les détecteurs de fumée.

Le plutonium est intéressant car il subit six transitions de phase depuis sa température de solidification jusqu’à la température ambiante, plus que tout autre élément chimique. Avec ce dernier, la densité augmente brusquement de 11 %, ce qui entraîne des fissures dans les coulées de plutonium. La phase alpha est stable à température ambiante dont les caractéristiques sont données dans le tableau. Pour l'application, la phase delta, qui a une densité plus faible, et un réseau cubique centré sur le corps sont plus pratiques. Le plutonium en phase delta est très ductile, tandis que la phase alpha est fragile. Pour stabiliser le plutonium en phase delta, un dopage avec des métaux trivalents est utilisé (le gallium a été utilisé dans les premières charges nucléaires).

Applications du plutonium

La première charge nucléaire à base de plutonium a explosé le 16 juillet 1945 sur le site d'essai d'Alamogordo (en cours de test). nom de code Trinité).

Rôle biologique du plutonium

Le plutonium est hautement toxique ; La concentration maximale admissible de 239 Pu dans les plans d'eau libres et dans l'air des locaux de travail est respectivement de 81,4 et 3,3 * 10 −5 Bq/l. La plupart des isotopes du plutonium ont une densité d'ionisation élevée et un trajet de particules court, de sorte que sa toxicité n'est pas tant due à ses propriétés chimiques (le plutonium n'est probablement pas plus toxique à cet égard que les autres métaux lourds), mais plutôt à l'effet ionisant. sur les tissus corporels environnants. Le plutonium appartient à un groupe d’éléments particulièrement radiotoxiques. Dans l’organisme, le plutonium produit d’importantes modifications irréversibles au niveau du squelette, du foie, de la rate, des reins et provoque le cancer. La teneur maximale autorisée en plutonium dans le corps ne doit pas dépasser les dixièmes de microgramme.

Oeuvres en rapport avec le thème plutonium

- Le plutonium a été utilisé pour la machine De Lorean DMC-12 dans le film Retour vers le futur comme combustible pour un accumulateur de flux permettant de voyager vers le futur ou le passé.

— La charge de la bombe atomique déclenchée par des terroristes à Denver, aux États-Unis, dans « Toutes les peurs du monde » de Tom Clancy, était composée de plutonium.

— Kenzaburo Oe « Notes d'un coureur de pincement »

— En 2006, Beacon Pictures a sorti le film Plutonium-239 ( "Pu-239")

Chimie

Plutonium Pu - élément n°94 est associé à de très grands espoirs et de très grandes craintes de l'humanité. De nos jours, c’est l’un des éléments les plus importants et stratégiquement importants. C'est le plus cher des métaux techniquement importants - il est beaucoup plus cher que l'argent, l'or et le platine. Il est vraiment précieux.

Contexte et histoire

Au début, il y avait des protons – l’hydrogène galactique. À la suite de sa compression et des réactions nucléaires ultérieures, les « lingots » de nucléons les plus incroyables se sont formés. Parmi eux, ces « lingots », il y avait apparemment ceux contenant 94 protons. Les estimations des théoriciens suggèrent qu'environ 100 formations de nucléons, qui comprennent 94 protons et de 107 à 206 neutrons, sont si stables qu'elles peuvent être considérées comme les noyaux des isotopes de l'élément n° 94.
Mais tous ces isotopes – hypothétiques et réels – ne sont pas assez stables pour survivre jusqu’à nos jours depuis la formation des éléments du système solaire. La demi-vie de l'isotope à vie la plus longue de l'élément n° 94 est de 81 millions d'années. L'âge de la Galaxie se mesure en milliards d'années. Par conséquent, le plutonium « primordial » n’avait aucune chance de survivre jusqu’à ce jour. S'il s'est formé lors de la grande synthèse des éléments de l'Univers, alors ses anciens atomes ont « disparu » depuis longtemps, tout comme les dinosaures et les mammouths ont disparu.
Au 20ème siècle nouvelle ère, après JC, cet élément a été recréé. Sur les 100 isotopes possibles du plutonium, 25 ont été synthétisés et les propriétés nucléaires de 15 d'entre eux ont été étudiées. Quatre trouvés utilisation pratique. Et il a été ouvert assez récemment. En décembre 1940, lorsque l'uranium fut irradié avec des noyaux d'hydrogène lourds, un groupe de radiochimistes américains dirigé par Glenn T. Seaborg découvrit un émetteur de particules alpha jusqu'alors inconnu avec une demi-vie de 90 ans. Cet émetteur s'est avéré être l'isotope de l'élément n°94 avec un nombre de masse de 238. La même année, mais quelques mois plus tôt, E.M. McMillan et F. Abelson ont obtenu le premier élément plus lourd que l'uranium, l'élément numéro 93. Cet élément s'appelait neptunium et l'élément 94 était appelé plutonium. L'historien dira certainement que ces noms proviennent de la mythologie romaine, mais en substance, l'origine de ces noms n'est pas mythologique, mais astronomique.
Les éléments n° 92 et 93 portent le nom des planètes lointaines du système solaire - Uranus et Neptune, mais Neptune n'est pas la dernière du système solaire, et encore plus loin se trouve l'orbite de Pluton - une planète dont on ne sait encore presque rien. .. Une construction similaire On voit aussi sur le « flanc gauche » du tableau périodique : uranium - neptunium - plutonium, cependant, l'humanité en sait beaucoup plus sur le plutonium que sur Pluton. À propos, les astronomes ont découvert Pluton dix ans seulement avant la synthèse du plutonium - presque le même laps de temps séparait les découvertes d'Uranus - la planète et de l'uranium - l'élément.

Des énigmes pour les cryptographes

Le premier isotope de l'élément n° 94, le plutonium-238, a trouvé aujourd'hui une application pratique. Mais au début des années 40, ils n’y pensaient même pas. Il n’est possible d’obtenir du plutonium 238 en quantités pratiques qu’en s’appuyant sur la puissante industrie nucléaire. A cette époque, elle n’en était qu’à ses balbutiements. Mais il était déjà clair qu'en libérant l'énergie contenue dans les noyaux d'éléments radioactifs lourds, il était possible d'obtenir des armes d'une puissance sans précédent. Le projet Manhattan est apparu, qui n'avait rien d'autre qu'un nom commun avec la célèbre région de New York. C'était le nom général de tous les travaux liés à la création des premières bombes atomiques aux États-Unis. Ce n’est pas un scientifique, mais un militaire, le général Groves, qui fut nommé chef du projet Manhattan, qui qualifia « affectueusement » ses protégés hautement instruits de « pots cassés ».
Les dirigeants du « projet » n’étaient pas intéressés par le plutonium-238. Ses noyaux, comme les noyaux de tous les isotopes du plutonium ayant des nombres de masse pairs, ne sont pas fissiles par les neutrons de basse énergie, ils ne pourraient donc pas servir d'explosif nucléaire. Néanmoins, les premiers rapports peu clairs sur les éléments n° 93 et ​​94 ne parurent sous forme imprimée qu'au printemps 1942.
Comment pouvons-nous expliquer cela ? Les physiciens l’ont compris : la synthèse d’isotopes du plutonium de masse impaire n’était qu’une question de temps, et pas trop longtemps. On s’attendait à ce que des isotopes impairs, comme l’uranium 235, soient capables de soutenir une réaction nucléaire en chaîne. Certains y voyaient des explosifs nucléaires potentiels, qui n'avaient pas encore été reçus. Et ces espoirs plutonium, malheureusement, il l'a justifié.
Dans le cryptage de l'époque, l'élément n°94 s'appelait rien de moins que... cuivre. Et lorsque le besoin de cuivre lui-même s'est fait sentir (en tant que matériau de structure pour certaines pièces), alors dans les codes, à côté du « cuivre », le « cuivre véritable » est apparu.

"L'arbre de la connaissance du bien et du mal"

En 1941, l'isotope le plus important du plutonium a été découvert - un isotope de numéro de masse 239. Et presque immédiatement, la prédiction des théoriciens s'est confirmée : les noyaux de plutonium 239 ont été fissurés par des neutrons thermiques. De plus, lors de leur fission, pas moins de neutrons n'ont été produits que lors de la fission de l'uranium 235. Les moyens d’obtenir cet isotope en grande quantité ont immédiatement été évoqués…
Des années ont passé. Désormais, ce n’est un secret pour personne que les bombes nucléaires stockées dans les arsenaux sont remplies de plutonium 239 et que ces bombes sont suffisantes pour causer des dommages irréparables à toute vie sur Terre.
Il existe une croyance largement répandue selon laquelle l'humanité était clairement pressée par la découverte de la réaction nucléaire en chaîne (dont la conséquence inévitable était la création d'une bombe nucléaire). Vous pouvez penser différemment ou faire semblant de penser différemment – ​​c’est plus agréable d’être optimiste. Mais même les optimistes se posent inévitablement la question de la responsabilité des scientifiques. Nous nous souvenons du jour triomphal de juin 1954, le jour où le premier centrale nucléaireà Obninsk. Mais nous ne pouvons pas oublier le matin d'août 1945 - « le matin d'Hiroshima », « le jour noir d'Albert Einstein »... Nous nous souvenons des premières années d'après-guerre et du chantage atomique généralisé - la base de la politique américaine de ces années-là. . Mais l’humanité n’a-t-elle pas connu beaucoup de problèmes au cours des années suivantes ? De plus, ces inquiétudes étaient maintes fois intensifiées par la conscience que si une nouvelle épidémie éclatait Guerre mondiale, des armes nucléaires seront lancées.
Ici, vous pouvez essayer de prouver que la découverte du plutonium n’a pas fait peur à l’humanité, mais qu’elle n’a au contraire été qu’utile.
Disons qu'il arrivait que pour une raison quelconque ou, comme on disait autrefois, par la volonté de Dieu, le plutonium soit inaccessible aux scientifiques. Nos peurs et nos inquiétudes seraient-elles alors réduites ? Rien ne s'est passé. Les bombes nucléaires seraient fabriquées à partir d’uranium 235 (et en quantité au moins égale à celle du plutonium), et ces bombes « engloutiraient » des parts de budget encore plus importantes qu’aujourd’hui.
Mais sans plutonium, il n’y aurait aucune perspective d’utilisation pacifique de l’énergie nucléaire à grande échelle. Il n’y aurait tout simplement pas assez d’uranium 235 pour un « atome pacifique ». Le mal infligé à l’humanité par la découverte de l’énergie nucléaire ne serait pas compensé, même partiellement, par les réalisations du « bon atome ».

Comment mesurer, avec quoi comparer

Lorsqu'un noyau de plutonium 239 est divisé par des neutrons en deux fragments de masse approximativement égale, environ 200 MeV d'énergie est libérée. Cela représente 50 millions de fois plus d'énergie libérée dans la réaction exothermique la plus célèbre C + O 2 = CO 2. « Brûlant » dans un réacteur nucléaire, un gramme de plutonium donne 2 107 kcal. Afin de ne pas rompre la tradition (et dans les articles populaires, l'énergie du combustible nucléaire est généralement mesurée en unités non systémiques - tonnes de charbon, essence, trinitrotoluène, etc.), notons également : c'est l'énergie contenue dans 4 tonnes de charbon. Et un dé à coudre ordinaire contient une quantité de plutonium équivalente énergétiquement à quarante wagons de bon bois de bouleau.
La même énergie est libérée lors de la fission des noyaux d'uranium 235 par les neutrons. Mais la majeure partie de l'uranium naturel (99,3 % !) est l'isotope 238 U, qui ne peut être utilisé qu'en transformant l'uranium en plutonium...

L'énergie des pierres

Évaluons les ressources énergétiques contenues dans les réserves naturelles d'uranium.
L'uranium est un oligoélément et on le trouve presque partout. Quiconque a visité la Carélie, par exemple, se souviendra probablement des rochers de granit et des falaises côtières. Mais peu de gens savent qu'une tonne de granit contient jusqu'à 25 g d'uranium. Les granites représentent près de 20 % du poids la croûte terrestre. Si l'on ne compte que l'uranium 235, alors une tonne de granit contient 3,5 à 105 kcal d'énergie. C'est beaucoup, mais...
Le traitement du granit et l'extraction de l'uranium nécessitent une dépense d'énergie encore plus importante - environ 106 à 107 kcal/t. Or, s’il était possible d’utiliser non seulement l’uranium 235, mais aussi l’uranium 238 comme source d’énergie, alors le granit pourrait être considéré au moins comme une matière première énergétique potentielle. L'énergie obtenue à partir d'une tonne de pierre serait alors de 8-107 à 5-108 kcal. Cela équivaut à 16 à 100 tonnes de charbon. Et dans ce cas, le granit pourrait fournir aux humains près d’un million de fois plus d’énergie que toutes les réserves de combustibles chimiques sur Terre.
Mais les noyaux d’uranium 238 ne se divisent pas par les neutrons. Pour énergie nucléaire cet isotope est inutile. Plus précisément, il serait inutile s’il ne pouvait être converti en plutonium 239. Et ce qui est particulièrement important : pratiquement aucune énergie ne doit être dépensée pour cette transformation nucléaire - au contraire, de l'énergie est produite dans ce processus !
Essayons de comprendre comment cela se produit, mais d'abord quelques mots sur le plutonium naturel.

400 mille fois moins que le radium

On a déjà dit que les isotopes du plutonium n'ont pas été conservés depuis la synthèse des éléments lors de la formation de notre planète. Mais cela ne veut pas dire qu’il n’y a pas de plutonium sur Terre.
Il se forme en permanence dans les minerais d’uranium. En capturant les neutrons issus du rayonnement cosmique et les neutrons produits par la fission spontanée des noyaux d'uranium 238, certains - très rares - atomes de cet isotope se transforment en atomes d'uranium 239. Ces noyaux sont très instables : ils émettent des électrons et augmentent ainsi leur charge. Le Neptunium, premier élément transuranien, est formé. Le Neptunium-239 est également très instable et ses noyaux émettent des électrons. En seulement 56 heures, la moitié du neptunium-239 se transforme en plutonium-239, dont la demi-vie est déjà assez longue - 24 000 ans.
Pourquoi le plutonium n’est-il pas extrait des minerais d’uranium ?? Concentration faible, trop faible. "Production par gramme - travail par an" - il s'agit de radium, et le plutonium présent dans les minerais est 400 000 fois inférieur au radium. Par conséquent, il est extrêmement difficile non seulement d’exploiter, mais même de détecter le plutonium « terrestre ». Cela n'a été fait qu'après avoir étudié les propriétés physiques et chimiques du plutonium produit dans les réacteurs nucléaires.
Le plutonium est accumulé dans les réacteurs nucléaires. Dans les flux de neutrons puissants, la même réaction se produit que dans les minerais d'uranium, mais le taux de formation et d'accumulation de plutonium dans le réacteur est beaucoup plus élevé - un milliard de milliards de fois. Pour la réaction de conversion de l'uranium 238 de ballast en plutonium 239 de qualité énergétique, des conditions optimales (dans les limites acceptables) sont créées.
Si le réacteur fonctionne aux neutrons thermiques (rappelons que leur vitesse est d'environ 2 000 m par seconde et leur énergie est d'une fraction d'électronvolt), alors à partir d'un mélange naturel d'isotopes de l'uranium, on obtient une quantité de plutonium légèrement inférieure à la quantité d’uranium 235 « brûlé ». Un peu, mais moins, sans compter les inévitables pertes de plutonium lors de sa séparation chimique de l'uranium irradié. De plus, la réaction nucléaire en chaîne n'est maintenue dans le mélange naturel d'isotopes de l'uranium que jusqu'à ce qu'une petite fraction de l'uranium 235 soit consommée. D'où la conclusion logique : un réacteur « thermique » utilisant de l'uranium naturel - le principal type de réacteurs actuellement en exploitation - ne peut pas assurer la reproduction élargie du combustible nucléaire. Mais qu’est-ce qui est prometteur alors ? Pour répondre à cette question, comparons le déroulement de la réaction nucléaire en chaîne de l’uranium 235 et du plutonium 239 et introduisons un autre concept physique dans nos discussions.
La caractéristique la plus importante de tout combustible nucléaire est le nombre moyen de neutrons émis après que le noyau a capturé un neutron. Les physiciens l'appellent le nombre eta et le désignent par la lettre grecque q. Dans les réacteurs « thermiques » sur uranium, on observe le schéma suivant : chaque neutron génère en moyenne 2,08 neutrons (η = 2,08). Le plutonium placé dans un tel réacteur sous l'influence de neutrons thermiques donne η = 2,03. Mais il existe aussi des réacteurs fonctionnant aux neutrons rapides. Il est inutile de charger un mélange naturel d'isotopes de l'uranium dans un tel réacteur : une réaction en chaîne ne se produira pas. Mais si la « matière première » est enrichie en uranium 235, elle peut être développée dans un réacteur « rapide ». Dans ce cas, c sera déjà égal à 2,23. Et le plutonium, exposé à un tir de neutrons rapides, donnera η égal à 2,70. Nous aurons à notre disposition « un demi-neutron supplémentaire ». Et ce n’est pas du tout peu.

Voyons à quoi servent les neutrons résultants. Dans tout réacteur, un neutron est nécessaire pour entretenir une réaction nucléaire en chaîne. 0,1 neutron est absorbé par les matériaux de construction de l'installation. L’« excédent » est utilisé pour accumuler du plutonium 239. Dans un cas, le « dépassement » est de 1,13, dans l’autre il est de 1,60. Après la « combustion » d'un kilogramme de plutonium dans un réacteur « rapide », une énergie colossale est libérée et 1,6 kg de plutonium sont accumulés. Et l'uranium dans un réacteur « rapide » fournira la même énergie et 1,1 kg de nouveau combustible nucléaire. Dans les deux cas, une reproduction élargie est évidente. Mais il ne faut pas oublier l'économie.
En raison de la série raisons techniques Le cycle de reproduction du plutonium prend plusieurs années. Disons cinq ans. Cela signifie que la quantité de plutonium par an n’augmentera que de 2 % si η=2,23, et de 12 % si η=2,7 ! Le combustible nucléaire est un capital, et tout capital devrait rapporter, disons, 5 % par an. Dans le premier cas, les pertes sont importantes et dans le second, les bénéfices sont importants. Cet exemple primitif illustre le « poids » d’un dixième de nombre dans l’énergie nucléaire.
Autre chose est également important. L’énergie nucléaire doit suivre le rythme de la demande énergétique croissante. Les calculs montrent que sa condition n'est remplie dans le futur que lorsque η s'approche de trois. Si le développement des sources d’énergie nucléaire est en retard par rapport aux besoins énergétiques de la société, il restera alors deux options : soit « ralentir les progrès », soit puiser de l’énergie à partir d’autres sources. Elles sont connues : fusion thermonucléaire, énergie d'annihilation de la matière et de l'antimatière, mais ne sont pas encore techniquement accessibles. Et on ne sait pas quand ils deviendront de véritables sources d’énergie pour l’humanité. Et l'énergie des noyaux lourds est depuis longtemps devenue une réalité pour nous, et aujourd'hui le plutonium, en tant que principal « fournisseur » d'énergie atomique, n'a pas de concurrents sérieux, à l'exception peut-être de l'uranium 233.

Somme de nombreuses technologies

Lorsque, à la suite de réactions nucléaires, la quantité requise de plutonium s'est accumulée dans l'uranium, elle doit être séparée non seulement de l'uranium lui-même, mais également des fragments de fission - à la fois l'uranium et le plutonium, brûlés dans la réaction nucléaire en chaîne. De plus, la masse d'uranium-plutonium contient également une certaine quantité de neptunium. Les éléments les plus difficiles à séparer sont le plutonium du neptunium et des éléments des terres rares (lanthanides). Plutonium comme élément chimique pas de chance dans une certaine mesure. Du point de vue d'un chimiste, l'élément principal de l'énergie nucléaire n'est qu'un des quatorze actinides. Comme les éléments des terres rares, tous les éléments de la série des actiniums sont très proches les uns des autres. propriétés chimiques, la structure des couches électroniques externes des atomes de tous les éléments, de l'actinium à 103, est la même. Ce qui est encore plus désagréable, c'est que les propriétés chimiques des actinides sont similaires à celles des éléments des terres rares, et parmi les fragments de fission de l'uranium et du plutonium, il y a plus qu'assez de lanthanides. Mais l’élément 94 peut alors se trouver dans cinq états de valence, ce qui « adoucit la pilule » : il aide à séparer le plutonium de l’uranium et des fragments de fission.
La valence du plutonium varie de trois à sept. Chimiquement, les composés les plus stables (et donc les plus courants et les plus étudiés) sont le plutonium tétravalent.
La séparation d'actinides ayant des propriétés chimiques similaires - uranium, neptunium et plutonium - peut être basée sur la différence de propriétés de leurs composés tétravalents et hexavalents.

Il n'est pas nécessaire de décrire en détail toutes les étapes de la séparation chimique du plutonium et de l'uranium. Habituellement, leur séparation commence par la dissolution des barres d'uranium dans acide nitrique, après quoi l'uranium, le neptunium, le plutonium et les éléments de fragmentation contenus dans la solution sont « séparés » à l'aide de méthodes radiochimiques traditionnelles - précipitation, extraction, échange d'ions et autres. Les produits finaux contenant du plutonium de cette technologie à plusieurs étages sont son dioxyde PuO 2 ou ses fluorures - PuF 3 ou PuF 4. Ils sont réduits en métal par des vapeurs de baryum, de calcium ou de lithium. Cependant, le plutonium obtenu dans ces processus ne convient pas au rôle de matériau structurel - il ne permet pas de fabriquer des éléments combustibles de réacteurs nucléaires et de lancer la charge d'une bombe atomique. Pourquoi? Le point de fusion du plutonium – seulement 640°C – est tout à fait réalisable.
Quelles que soient les conditions « ultra-douces » utilisées pour couler des pièces à partir de plutonium pur, des fissures apparaîtront toujours dans les pièces moulées lors de la solidification. À 640°C, le plutonium en solidification forme un réseau cristallin cubique. À mesure que la température diminue, la densité du métal augmente progressivement. Mais ensuite la température atteint 480°C, et soudain la densité du plutonium chute brusquement. Les raisons de cette anomalie ont été découvertes assez rapidement : à cette température, les atomes de plutonium se réorganisent dans le réseau cristallin. Cela devient tétragonal et très « lâche ». Ce plutonium peut flotter dans sa propre fonte, comme la glace sur l'eau.
La température continue de baisser, elle atteint maintenant 451°C, et les atomes forment à nouveau un réseau cubique, mais situés à une plus grande distance les uns des autres que dans le premier cas. Avec un refroidissement supplémentaire, le réseau devient d'abord orthorhombique, puis monoclinique. Au total, le plutonium forme six formes cristallines différentes ! Deux d'entre eux se distinguent par une propriété remarquable : un coefficient de dilatation thermique négatif : avec l'augmentation de la température, le métal ne se dilate pas, mais se contracte.
Lorsque la température atteint 122°C et que les atomes de plutonium réorganisent leurs rangées pour la sixième fois, la densité change de manière particulièrement spectaculaire - de 17,77 à 19,82 g/cm 3 . Plus que 10%!
En conséquence, le volume du lingot diminue. Si le métal pouvait encore résister aux contraintes apparues lors d'autres transitions, alors à ce moment-là, la destruction est inévitable.
Comment alors fabriquer des pièces à partir de ce métal étonnant ? Les métallurgistes allient le plutonium (en y ajoutant de petites quantités des éléments requis) et obtiennent des pièces coulées sans une seule fissure. Ils sont utilisés pour fabriquer des charges de plutonium pour les bombes nucléaires. Le poids de la charge (il est déterminé principalement par la masse critique de l'isotope) est de 5 à 6 kg. Il pourrait facilement s'insérer dans un cube avec un bord de 10 cm.

Isotopes lourds du plutonium

Le plutonium-239 contient également en petites quantités des isotopes plus élevés de cet élément - avec des numéros de masse 240 et 241. L'isotope 240 Pu est pratiquement inutile - c'est un ballast en plutonium. A partir du 241, on obtient l'américium - élément n°95. Sous sa forme pure, sans mélange d'autres isotopes, le plutonium-240 et le plutonium-241 peuvent être obtenus par séparation électromagnétique du plutonium accumulé dans le réacteur. Avant cela, le plutonium est en outre irradié avec des flux de neutrons aux caractéristiques strictement définies. Bien entendu, tout cela est très compliqué, d’autant plus que le plutonium est non seulement radioactif, mais aussi très toxique. Travailler avec lui nécessite une extrême prudence.
L'un des isotopes les plus intéressants du plutonium, le 242 Pu, peut être obtenu en irradiant longtemps le 239 Pu dans des flux de neutrons. Le 242 Pu capte très rarement les neutrons et « brûle » donc dans le réacteur plus lentement que les autres isotopes ; il persiste même après que les isotopes restants du plutonium se soient presque complètement transformés en fragments ou transformés en plutonium-242.
Le plutonium 242 est important en tant que « matière première » pour l’accumulation relativement rapide d’éléments transuraniens supérieurs dans les réacteurs nucléaires. Si le plutonium-239 est irradié dans un réacteur conventionnel, il faudra environ 20 ans pour accumuler des quantités de microgrammes, par exemple, de California-252 à partir de grammes de plutonium.
Il est possible de réduire le temps d'accumulation des isotopes supérieurs en augmentant l'intensité du flux de neutrons dans le réacteur. C’est ce qu’ils font, mais il est alors impossible d’irradier de grandes quantités de plutonium 239. Après tout, cet isotope est divisé par les neutrons et trop d’énergie est libérée sous forme de flux intenses. Des difficultés supplémentaires surviennent avec le refroidissement du réacteur. Pour éviter ces difficultés, il faudrait réduire la quantité de plutonium irradié. Par conséquent, la production de californium redeviendrait maigre. Cercle vicieux!
Le plutonium-242 n'est pas fissile par les neutrons thermiques, il peut être irradié en grande quantité dans des flux de neutrons intenses... Ainsi, dans les réacteurs, tous les éléments, de l'américium au fermium, sont « fabriqués » à partir de cet isotope et accumulés en quantités pondérales.
Chaque fois que les scientifiques parvenaient à obtenir un nouvel isotope du plutonium, la demi-vie de ses noyaux était mesurée. Les demi-vies des isotopes des noyaux radioactifs lourds de masse paire changent régulièrement. (Cela ne peut pas être dit pour les isotopes impairs.)
À mesure que la masse augmente, la « durée de vie » de l’isotope augmente également. Il y a quelques années Le point le plus élevé Cette carte était du plutonium-242. Et puis, comment évoluera cette courbe - avec une nouvelle augmentation du nombre de masse ? Au point 1, qui correspond à une durée de vie de 30 millions d'années, ou au point 2, qui correspond à 300 millions d'années ? La réponse à cette question était très importante pour les géosciences. Dans le premier cas, s'il y a 5 milliards d'années la Terre était entièrement composée de 244 Pu, il ne resterait plus qu'un seul atome de plutonium 244 dans toute la masse de la Terre. Si la deuxième hypothèse est vraie, alors le plutonium 244 pourrait se trouver sur Terre à des concentrations qui pourraient déjà être détectées. Si nous avions la chance de trouver cet isotope sur Terre, la science recevrait les informations les plus précieuses sur les processus qui ont eu lieu lors de la formation de notre planète.

Demi-vies de certains isotopes du plutonium

Il y a quelques années, les scientifiques étaient confrontés à la question suivante : vaut-il la peine d'essayer de trouver du plutonium lourd sur Terre ? Pour y répondre, il fallait tout d’abord déterminer la demi-vie du plutonium-244. Les théoriciens n’ont pas pu calculer cette valeur avec la précision requise. Tout espoir n’était que l’expérimentation.
Plutonium-244 accumulé dans un réacteur nucléaire. L'élément n° 95 - américium (isotope 243 Am) a été irradié. Après avoir capturé un neutron, cet isotope s'est transformé en américium-244 ; l'américium-244 dans un cas sur 10 000 s'est transformé en plutonium-244.
La préparation de plutonium-244 a été isolée d'un mélange d'américium et de curium. L’échantillon ne pesait que quelques millionièmes de gramme. Mais ils étaient suffisants pour déterminer la demi-vie de cet isotope intéressant. Cela s'est avéré égal à 75 millions d'années. Plus tard, d'autres chercheurs ont clarifié la demi-vie du plutonium-244, mais pas beaucoup - 81 millions d'années. En 1971, des traces de cet isotope ont été trouvées dans la bastnäsite, un minéral de terres rares.
De nombreuses tentatives ont été faites par les scientifiques pour trouver un isotope de l'élément transuranien qui vit plus longtemps que 244 Pu. Mais toutes les tentatives sont restées vaines. À une certaine époque, des espoirs étaient placés dans le curium 247, mais après que cet isotope se soit accumulé dans le réacteur, il s'est avéré que sa demi-vie n'était que de 16 millions d'années. Il n'a pas été possible de battre le record du plutonium-244 - c'est l'isotope des éléments transuraniens à la durée de vie la plus longue.
Même les isotopes les plus lourds du plutonium subissent une désintégration bêta et leur durée de vie varie de quelques jours à quelques dixièmes de seconde. Nous savons avec certitude que tous les isotopes du plutonium se forment lors d'explosions thermonucléaires, jusqu'à 257 Pu. Mais leur durée de vie est de quelques dixièmes de seconde et de nombreux isotopes à vie courte du plutonium n'ont pas encore été étudiés.

Possibilités du premier isotope du plutonium

Et enfin - à propos du plutonium-238 - le tout premier des isotopes « artificiels » du plutonium, un isotope qui semblait au premier abord peu prometteur. C'est en fait un isotope très intéressant. Il est sujet à la désintégration alpha, c'est-à-dire que ses noyaux émettent spontanément des particules alpha - les noyaux d'hélium. Les particules alpha générées par les noyaux de plutonium 238 sont porteuses d'une haute énergie ; dissipée dans la matière, cette énergie se transforme en chaleur. Quelle est la taille de cette énergie ? Six millions d'électrons-volts sont libérés par la désintégration d'un noyau atomique plutonium-238. Dans une réaction chimique, la même énergie est libérée lorsque plusieurs millions d’atomes sont oxydés. Une source d'électricité contenant un kilogramme de plutonium 238 développe une puissance thermique de 560 watts. La puissance maximale d'une source de courant chimique de même masse est de 5 watts.
Il existe de nombreux émetteurs avec des caractéristiques similaires caractéristiques énergétiques, mais une caractéristique du plutonium 238 rend cet isotope irremplaçable. La désintégration alpha s'accompagne généralement d'un fort rayonnement gamma, pénétrant à travers de grandes couches de matière. 238 Pu est une exception. L'énergie des rayons gamma accompagnant la désintégration de ses noyaux est faible, et il n'est pas difficile de s'en protéger : le rayonnement est absorbé par un récipient à paroi mince. La probabilité de fission spontanée des noyaux de cet isotope est également faible. Par conséquent, il a trouvé une application non seulement dans les sources actuelles, mais également en médecine. Les batteries contenant du plutonium-238 servent de source d'énergie dans des stimulants cardiaques spéciaux.
Mais le 238 Pu n'est pas l'isotope connu le plus léger de l'élément n° 94 : des isotopes du plutonium ont été obtenus avec des nombres de masse compris entre 232 et 237. La demi-vie de l'isotope le plus léger est de 36 minutes.

Le plutonium est un sujet important. Les choses les plus importantes sont racontées ici. Après tout, il est déjà devenu courant de dire que la chimie du plutonium a été bien mieux étudiée que la chimie d’éléments « anciens » comme le fer. Des livres entiers ont été écrits sur les propriétés nucléaires du plutonium. La métallurgie du plutonium est une autre section étonnante de la connaissance humaine... Par conséquent, vous ne devriez pas penser qu'après avoir lu cette histoire, vous avez vraiment appris le plutonium - le métal le plus important du 20e siècle.

• COMMENT TRANSPORTER DU PLUTONIUM. Le plutonium radioactif et toxique nécessite des précautions particulières lors du transport. Un conteneur a été conçu spécifiquement pour son transport – un conteneur qui n'est pas détruit même en cas d'accident d'avion. C'est fait tout simplement : c'est un récipient à paroi épaisse fait de en acier inoxydable, entouré d'une coque en acajou. Évidemment, le plutonium en vaut la peine, mais imaginez l'épaisseur des parois si vous savez qu'un conteneur destiné à transporter seulement deux kilogrammes de plutonium pèse 225 kg !
• POISON ET ANTIDOTE. Le 20 octobre 1977, l'Agence France Presse rapportait : trouvé composé chimique, capable d'éliminer le plutonium du corps humain. Quelques années plus tard, on en savait beaucoup sur ce composé. Ce composé complexe est une catéchinamide carboxylase linéaire, une substance de la classe des chélates (du grec « chela » – griffe). L'atome de plutonium, libre ou lié, est capturé dans cette griffe chimique. Chez des souris de laboratoire, cette substance a été utilisée pour éliminer jusqu'à 70 % du plutonium absorbé du corps. On pense qu'à l'avenir, ce composé aidera à extraire le plutonium des déchets de production et du combustible nucléaire.

Combien pèse 1 cube de plutonium, le poids de 1 m3 de plutonium. Le nombre de kilogrammes dans 1 mètre cube, le nombre de tonnes dans 1 mètre cube, kg dans 1 m3. Densité apparente de la gravité spécifique du plutonium.

Que voulons-nous apprendre aujourd’hui ? Combien pèse 1 cube de plutonium, le poids de 1 m3 de plutonium ? Pas de problème, vous pouvez connaître le nombre de kilogrammes ou le nombre de tonnes à la fois, la masse (poids d'un mètre cube, poids d'un cube, poids d'un mètre cube, poids 1 m3) sont indiqués dans le tableau 1. Si quelqu'un est intéressé, vous pouvez parcourir le petit texte ci-dessous et lire quelques explications. Comment mesure-t-on la quantité de substance, de matériau, de liquide ou de gaz dont nous avons besoin ? Sauf dans les cas où il est possible de réduire le calcul de la quantité requise au comptage de marchandises, produits, éléments en pièces (comptage de pièces), il nous est plus simple de déterminer la quantité requise en fonction du volume et du poids (masse). . Dans la vie de tous les jours, l'unité de mesure de volume la plus courante chez nous est 1 litre. Cependant, le nombre de litres adapté aux calculs des ménages n'est pas toujours un moyen applicable pour déterminer le volume destiné aux activités commerciales. De plus, les litres dans notre pays ne sont pas devenus une unité de « production » et de commerce généralement acceptée pour mesurer le volume. Un mètre cube, ou dans sa version abrégée - un cube, s'est avéré être une unité de volume assez pratique et populaire pour une utilisation pratique. Nous sommes habitués à mesurer presque toutes les substances, liquides, matériaux et même gaz en mètres cubes. C'est vraiment pratique. Après tout, leurs coûts, prix, tarifs, taux de consommation, tarifs, contrats de fourniture sont presque toujours liés aux mètres cubes (cubes), et beaucoup moins souvent aux litres. Non moins importante pour les activités pratiques est la connaissance non seulement du volume, mais aussi du poids (masse) de la substance occupant ce volume : dans ce cas, nous parlons du poids de 1 mètre cube (1 mètre cube, 1 mètre cube, 1m3). Connaître la masse et le volume nous donne une idée assez complète de la quantité. Les visiteurs du site, lorsqu'ils demandent combien pèse 1 cube, indiquent souvent des unités de masse spécifiques dans lesquelles ils aimeraient connaître la réponse à la question. Comme nous l'avons remarqué, ils souhaitent le plus souvent connaître le poids de 1 cube (1 mètre cube, 1 mètre cube, 1 m3) en kilogrammes (kg) ou en tonnes (t). Essentiellement, vous avez besoin de kg/m3 ou de t/m3. Ce sont des unités étroitement liées qui définissent la quantité. En principe, une conversion indépendante assez simple du poids (masse) de tonnes en kilogrammes et vice versa est possible : de kilogrammes en tonnes. Cependant, comme le montre la pratique, pour la plupart des visiteurs du site, une option plus pratique serait découvrez immédiatement combien de kilogrammes pèse 1 cube (1 m3) de plutonium ou combien de tonnes pèse 1 cube (1 m3) de plutonium, sans convertir les kilogrammes en tonnes ou vice versa - le nombre de tonnes en kilogrammes par mètre cube (un mètre cube, un mètre cube, un m3). Par conséquent, dans le tableau 1, nous avons indiqué combien pèse 1 mètre cube (1 mètre cube, 1 mètre cube) en kilogrammes (kg) et en tonnes (t). Choisissez vous-même la colonne du tableau dont vous avez besoin. D’ailleurs, lorsque nous demandons combien pèse 1 mètre cube (1 m3), nous entendons le nombre de kilogrammes ou le nombre de tonnes. Cependant, d’un point de vue physique, nous nous intéressons à la densité ou à la densité. La masse d'une unité de volume ou la quantité de substance contenue dans une unité de volume est la densité apparente ou la gravité spécifique. Dans ce cas densité apparente et densité spécifique du plutonium. En physique, la densité et la densité spécifique ne sont généralement pas mesurées en kg/m3 ou en tonnes/m3, mais en grammes par centimètre cube : g/cm3. Par conséquent, dans le tableau 1, la densité et la densité (synonymes) sont indiquées en grammes par centimètre cube (g/cm3).

Beaucoup de nos lecteurs associent la bombe à hydrogène à une bombe atomique, mais beaucoup plus puissante. En fait, il s’agit d’une arme fondamentalement nouvelle, qui a nécessité des efforts intellectuels disproportionnés pour sa création et qui fonctionne sur des principes physiques fondamentalement différents.

La seule chose que les bombes atomiques et à hydrogène ont en commun est qu’elles libèrent toutes deux une énergie colossale cachée dans le noyau atomique. Cela peut se faire de deux manières : diviser les noyaux lourds, par exemple l'uranium ou le plutonium, en noyaux plus légers (réaction de fission) ou forcer la fusion des isotopes les plus légers de l'hydrogène (réaction de fusion). À la suite de ces deux réactions, la masse du matériau résultant est toujours inférieure à la masse des atomes d’origine. Mais la masse ne peut pas disparaître sans laisser de trace : elle se transforme en énergie selon la célèbre formule d'Einstein E=mc 2.

Pour créer une bombe atomique, une condition nécessaire et suffisante est d’obtenir de la matière fissile en quantité suffisante. Le travail est assez exigeant en main-d'œuvre, mais peu intellectuel, plus proche de l'industrie minière que de la haute science. Les principales ressources nécessaires à la création de telles armes sont consacrées à la construction de mines géantes d'uranium et d'usines d'enrichissement. La preuve de la simplicité de l'appareil est le fait qu'il s'est écoulé moins d'un mois entre la production du plutonium nécessaire à la première bombe et la première explosion nucléaire soviétique.

Rappelons brièvement le principe de fonctionnement d'une telle bombe, connu des cours de physique scolaire. Il est basé sur la propriété de l'uranium et de certains éléments transuraniens, par exemple le plutonium, de libérer plus d'un neutron lors de la désintégration. Ces éléments peuvent se désintégrer spontanément ou sous l'influence d'autres neutrons.

Le neutron libéré peut quitter la matière radioactive ou entrer en collision avec un autre atome, provoquant une autre réaction de fission. Lorsqu'une certaine concentration d'une substance (masse critique) est dépassée, le nombre de neutrons nouveau-nés, provoquant une nouvelle fission du noyau atomique, commence à dépasser le nombre de noyaux en décomposition. Le nombre d'atomes en décomposition commence à croître comme une avalanche, donnant naissance à de nouveaux neutrons, c'est-à-dire qu'une réaction en chaîne se produit. Pour l'uranium 235, la masse critique est d'environ 50 kg, pour le plutonium 239 - 5,6 kg. Autrement dit, une boule de plutonium pesant un peu moins de 5,6 kg n'est qu'un morceau de métal chaud, et une masse légèrement supérieure ne dure que quelques nanosecondes.

Le fonctionnement réel de la bombe est simple : on prend deux hémisphères d'uranium ou de plutonium, chacun légèrement inférieur à la masse critique, on les place à une distance de 45 cm, on les recouvre d'explosifs et on fait exploser. L'uranium ou le plutonium est fritté en un morceau de masse supercritique et une réaction nucléaire commence. Tous. Il existe une autre façon de démarrer une réaction nucléaire : comprimer un morceau de plutonium avec une puissante explosion : la distance entre les atomes diminuera et la réaction commencera à une masse critique inférieure. Tous les détonateurs atomiques modernes fonctionnent selon ce principe.

Les problèmes de la bombe atomique commencent à partir du moment où l’on veut augmenter la puissance de l’explosion. Il ne suffit pas d’augmenter simplement la quantité de matière fissile : dès que sa masse atteint une masse critique, elle explose. Divers schémas ingénieux ont été inventés, par exemple, pour fabriquer une bombe non pas à partir de deux parties, mais à partir de plusieurs, ce qui faisait que la bombe commençait à ressembler à une orange éviscérée, puis à l'assembler en un seul morceau avec une seule explosion, mais toujours avec une puissance. de plus de 100 kilotonnes, les problèmes devenaient insurmontables.

Mais le combustible pour la fusion thermonucléaire n’a pas de masse critique. Ici, le Soleil, rempli de combustible thermonucléaire, est suspendu au-dessus de nous, une réaction thermonucléaire s'y déroule depuis un milliard d'années - et rien n'explose. De plus, lors de la réaction de synthèse, par exemple, du deutérium et du tritium (isotope lourd et superlourd de l'hydrogène), l'énergie est libérée 4,2 fois plus que lors de la combustion de la même masse d'uranium 235.

La fabrication de la bombe atomique était plus expérimentale que processus théorique. La création d’une bombe à hydrogène a nécessité l’émergence de disciplines physiques totalement nouvelles : la physique des plasmas à haute température et des ultra-hautes pressions. Avant de commencer à construire une bombe, il était nécessaire de bien comprendre la nature des phénomènes qui se produisent uniquement au cœur des étoiles. Aucune expérience ne pouvait aider ici - les outils des chercheurs n'étaient que physique théorique Et mathématiques supérieures. Ce n'est pas un hasard si un rôle gigantesque dans le développement des armes thermonucléaires appartient aux mathématiciens : Ulam, Tikhonov, Samarsky, etc.

Super classique

À la fin de 1945, Edward Teller proposa la première conception de bombe à hydrogène, appelée « super classique ». Pour créer la pression et la température monstrueuses nécessaires au démarrage de la réaction de fusion, il était censé utiliser une bombe atomique conventionnelle. Le « super classique » lui-même était un long cylindre rempli de deutérium. Une chambre « d'allumage » intermédiaire avec un mélange deutérium-tritium a également été prévue - la réaction de synthèse du deutérium et du tritium commence à une pression plus basse. Par analogie avec un incendie, le deutérium était censé jouer le rôle de bois de chauffage, un mélange de deutérium et de tritium - un verre d'essence, et une bombe atomique - une allumette. Ce schéma s'appelait une « pipe » - une sorte de cigare avec un briquet atomique à une extrémité. Les physiciens soviétiques ont commencé à développer la bombe à hydrogène en utilisant le même schéma.

Cependant, le mathématicien Stanislav Ulam, à l'aide d'une règle à calcul ordinaire, a prouvé à Teller que l'apparition d'une réaction de fusion de deutérium pur dans un « super » est difficilement possible, et que le mélange nécessiterait une telle quantité de tritium que pour le produire, il faudrait Il serait nécessaire de geler pratiquement la production de plutonium de qualité militaire aux États-Unis.

Feuilletée au sucre

Au milieu de 1946, Teller proposa un autre modèle de bombe à hydrogène : un « réveil ». Il s'agissait d'une alternance de couches sphériques d'uranium, de deutérium et de tritium. Lors de l'explosion nucléaire de la charge centrale de plutonium, la pression et la température nécessaires ont été créées pour déclencher une réaction thermonucléaire dans d'autres couches de la bombe. Cependant, le « réveil » nécessitait un initiateur atomique de grande puissance, et les États-Unis (ainsi que l’URSS) avaient des problèmes pour produire de l’uranium et du plutonium de qualité militaire.

À l'automne 1948, Andrei Sakharov a adopté un projet similaire. En Union soviétique, le modèle s’appelait « sloyka ». Pour l’URSS, qui n’a pas eu le temps de produire en quantités suffisantes de l’uranium 235 et du plutonium 239 de qualité militaire, la pâte feuilletée de Sakharov était une panacée. Et c'est pourquoi.

Dans une bombe atomique conventionnelle, l’uranium 238 naturel est non seulement inutile (l’énergie des neutrons lors de la désintégration n’est pas suffisante pour déclencher la fission), mais également nocif car il absorbe avidement les neutrons secondaires, ralentissant ainsi la réaction en chaîne. Par conséquent, 90 % de l’uranium de qualité militaire est constitué de l’isotope uranium 235. Cependant, les neutrons résultant de la fusion thermonucléaire sont 10 fois plus énergétiques que les neutrons de fission, et l'uranium 238 naturel irradié par de tels neutrons commence à se fission de manière excellente. La nouvelle bombe a permis d'utiliser comme explosif l'uranium 238, auparavant considéré comme un déchet.

Le point culminant de la « pâte feuilletée » de Sakharov était également l’utilisation d’une substance cristalline de lumière blanche – le deutéride de lithium 6 LiD – au lieu du tritium gravement déficient.

Comme mentionné ci-dessus, un mélange de deutérium et de tritium s’enflamme beaucoup plus facilement que le deutérium pur. Cependant, c'est là que s'arrêtent les avantages du tritium, et seuls les inconvénients subsistent : en bonne condition le tritium est un gaz, ce qui entraîne des difficultés de stockage ; le tritium est radioactif et se désintègre en hélium-3 stable, qui consomme activement les neutrons rapides indispensables, limitant la durée de conservation de la bombe à quelques mois.

Le deutride de lithium non radioactif, lorsqu'il est irradié par des neutrons de fission lente - conséquences de l'explosion d'un fusible atomique - se transforme en tritium. Ainsi, le rayonnement de l'explosion atomique primaire produit instantanément une quantité suffisante de tritium pour une nouvelle réaction thermonucléaire, et le deutérium est initialement présent dans le deutride de lithium.

C'est précisément une telle bombe, la RDS-6, qui a été testée avec succès le 12 août 1953 sur la tour du site d'essai de Semipalatinsk. La puissance de l'explosion était de 400 kilotonnes, et il y a encore un débat pour savoir s'il s'agissait d'une véritable explosion thermonucléaire ou d'une explosion atomique surpuissante. Après tout, la réaction de fusion thermonucléaire dans la pâte feuilletée de Sakharov ne représentait pas plus de 20 % de la puissance totale de la charge. La principale contribution à l'explosion a été apportée par la réaction de désintégration de l'uranium 238 irradié par des neutrons rapides, grâce à laquelle les RDS-6 ont inauguré l'ère des bombes dites « sales ».

Le fait est que la principale contamination radioactive provient des produits de désintégration (notamment le strontium 90 et le césium 137). Essentiellement, la « pâte feuilletée » de Sakharov était une bombe atomique géante, à peine améliorée. réaction thermonucléaire. Ce n'est pas un hasard si une seule explosion de « pâte feuilletée » a produit 82 % de strontium 90 et 75 % de césium 137, qui sont entrés dans l'atmosphère tout au long de l'histoire du site d'essai de Semipalatinsk.

bombes américaines

Cependant, ce sont les Américains qui ont été les premiers à faire exploser la bombe à hydrogène. 1er novembre 1952 à l'atoll d'Elugelab en Océan Pacifique Le dispositif thermonucléaire Mike d'une puissance de 10 mégatonnes a été testé avec succès. Il serait difficile de qualifier de bombe un engin américain de 74 tonnes. "Mike" était un appareil volumineux de la taille d'une maison à deux étages, rempli de deutérium liquide à une température proche du zéro absolu (la "pâte feuilletée" de Sakharov était un produit entièrement transportable). Cependant, le point fort de « Mike » n’était pas sa taille, mais le principe ingénieux de compression des explosifs thermonucléaires.

Rappelons que l'idée principale d'une bombe à hydrogène est de créer les conditions de fusion (ultra-haute pression et température) grâce à une explosion nucléaire. Dans le schéma "bouffée", la charge nucléaire est située au centre et, par conséquent, elle ne comprime pas tant le deutérium qu'elle le disperse vers l'extérieur - l'augmentation de la quantité d'explosif thermonucléaire n'entraîne pas une augmentation de la puissance - cela ne le fait tout simplement pas. avoir le temps d'exploser. C'est précisément ce qui limite la puissance maximale de ce projet : la « bouffée » la plus puissante du monde, l'Orange Herald, détruite par les Britanniques le 31 mai 1957, ne produisait que 720 kilotonnes.

L’idéal serait de pouvoir faire exploser le fusible atomique à l’intérieur, comprimant ainsi l’explosif thermonucléaire. Mais comment faire ça ? Edward Teller a avancé une idée brillante : comprimer le combustible thermonucléaire non pas avec de l'énergie mécanique et un flux de neutrons, mais avec le rayonnement du fusible atomique primaire.

Dans la nouvelle conception de Teller, l'unité atomique initiale était séparée de l'unité thermonucléaire. Lorsque la charge atomique a été déclenchée, le rayonnement X a précédé l'onde de choc et s'est propagé le long des parois du corps cylindrique, s'évaporant et transformant le revêtement intérieur en polyéthylène du corps de la bombe en plasma. Le plasma, à son tour, réémettait des rayons X plus doux, qui étaient absorbés par les couches externes du cylindre interne d'uranium 238 - le « poussoir ». Les couches ont commencé à s'évaporer de manière explosive (ce phénomène est appelé ablation). Le plasma d'uranium chaud peut être comparé aux jets d'un moteur-fusée surpuissant, dont la poussée est dirigée dans un cylindre contenant du deutérium. Le cylindre d'uranium s'est effondré, la pression et la température du deutérium ont atteint niveau critique. La même pression a comprimé le tube central de plutonium jusqu'à une masse critique et il a explosé. L'explosion de la mèche au plutonium a appuyé sur le deutérium de l'intérieur, comprimant et chauffant davantage l'explosif thermonucléaire, qui a explosé. Un flux intense de neutrons divise les noyaux d'uranium 238 dans le « poussoir », provoquant une réaction de désintégration secondaire. Tout cela a réussi à se produire avant le moment où l'onde de choc de l'explosion nucléaire primaire a atteint l'unité thermonucléaire. Le calcul de tous ces événements, se produisant en milliardièmes de seconde, nécessitait l’intelligence des mathématiciens les plus puissants de la planète. Les créateurs de "Mike" n'ont pas ressenti l'horreur de l'explosion de 10 mégatonnes, mais un plaisir indescriptible - ils ont réussi non seulement à comprendre les processus qui, dans le monde réel, ne se produisent que dans le noyau des étoiles, mais aussi à tester expérimentalement leurs théories en mettant en place créer leur propre petite étoile sur Terre.

Bravo

Ayant surpassé les Russes en termes de beauté de conception, les Américains n’ont pas réussi à rendre leur appareil compact : ils ont utilisé du deutérium liquide surfondu au lieu du deutérium de lithium en poudre de Sakharov. À Los Alamos, on a réagi avec un peu d’envie à la « pâte feuilletée » de Sakharov : « au lieu d’une énorme vache avec un seau de lait cru, les Russes utilisent un sac de lait en poudre ». Cependant, les deux parties n’ont pas réussi à se cacher des secrets. Le 1er mars 1954, près de l'atoll de Bikini, les Américains testèrent une bombe « Bravo » de 15 mégatonnes utilisant du deutérure de lithium, et le 22 novembre 1955, la première bombe thermonucléaire soviétique à deux étages RDS-37 d'une puissance de 1,7 mégatonne. a explosé au-dessus du site d'essai de Semipalatinsk, démolissant près de la moitié du site d'essai. Depuis lors, la conception de la bombe thermonucléaire a subi des modifications mineures (par exemple, un bouclier d'uranium est apparu entre la bombe initiateur et la charge principale) et est devenue canonique. Et il n’existe plus dans le monde de mystères naturels à grande échelle qui pourraient être résolus par une expérience aussi spectaculaire. Peut-être la naissance d'une supernova.

Un peu de théorie Il y a 4 réactions dans une bombe thermonucléaire, et elles se déroulent très rapidement. Les deux premières réactions servent de source de matière pour les troisième et quatrième, qui, aux températures d'une explosion thermonucléaire, se déroulent 30 à 100 fois plus rapidement et donnent un rendement énergétique plus important. Par conséquent, l’hélium-3 et le tritium qui en résultent sont immédiatement consommés. Les noyaux des atomes sont chargés positivement et se repoussent donc. Pour qu’ils réagissent, il faut les pousser de front, surmontant la répulsion électrique. Cela n'est possible que s'ils se déplacent à grande vitesse. La vitesse des atomes est directement liée à la température, qui devrait atteindre 50 millions de degrés ! Mais chauffer le deutérium à une telle température ne suffit pas : il faut aussi l’empêcher d’être diffusé par la monstrueuse pression d’environ un milliard d’atmosphères ! Dans la nature, de telles températures et de telles densités ne se trouvent qu’au cœur des étoiles.