Az emberiség mindig is olyan új energiaforrásokat keresett, amelyek számos problémát megoldhatnak. Ezek azonban nem mindig biztonságosak. Így különösen a manapság széles körben használtak, bár egyszerűen kolosszális mennyiségű elektromos energiát képesek előállítani, amire mindenkinek szüksége van, még mindig magukban hordozzák halálos veszély. De a békés célok mellett bolygónk egyes országai megtanulták katonai célokra használni, különösen nukleáris robbanófejek létrehozására. Ez a cikk az ilyen pusztító fegyverek alapjait tárgyalja, amelyek neve fegyverminőségű plutónium.
Rövid információ
A fémnek ez a kompakt formája a 239Pu izotóp legalább 93,5%-át tartalmazza. A fegyvertisztaságú plutóniumot azért nevezték el, hogy meg lehessen különböztetni „reaktor megfelelőjétől”. Elvileg plutónium mindig abszolút bármely atomreaktorban képződik, amely viszont alacsony dúsítású vagy természetes uránnal működik, amely többnyire a 238U izotópot tartalmazza.
Alkalmazás a hadiiparban
A nukleáris fegyverek alapja a fegyverminőségű plutónium 239Pu. Ugyanakkor a 240-es és 242-es tömegszámú izotópok alkalmazása irreleváns, mivel ezek nagyon magas neutronhátteret hoznak létre, ami végső soron megnehezíti a rendkívül hatékony nukleáris lőszerek létrehozását és tervezését. Ráadásul a 240Pu és 241Pu plutónium izotópok felezési ideje lényegesen rövidebb a 239Pu-hoz képest, így a plutónium részek nagyon felforrósodnak. Ebben a tekintetben a mérnökök kénytelenek további elemeket hozzáadni a felesleges hő eltávolításához a nukleáris fegyverekbe. Egyébként a 239Pu tiszta formájában melegebb, mint az emberi test. Nem lehet figyelmen kívül hagyni azt a tényt sem, hogy a nehéz izotópok bomlási folyamatának termékei káros változásoknak teszik ki a fém kristályrácsát, és ez teljesen természetes módon megváltoztatja a plutónium részek konfigurációját, ami végül ok teljes kudarc nukleáris robbanószerkezet.
Általában véve a fenti nehézségek mindegyike leküzdhető. A gyakorlatban pedig már többször végeztek teszteket a „reaktoros” plutónium alapján. De meg kell érteni, hogy az atomfegyvereknél a kompaktság, az alacsony önsúly, a tartósság és a megbízhatóság egyáltalán nem a legkevésbé fontos. Ebben a tekintetben kizárólag fegyverminőségű plutóniumot használnak.
Termelő reaktorok tervezési jellemzői
Oroszországban szinte az összes plutóniumot grafit moderátorral felszerelt reaktorokban állították elő. A reaktorok mindegyike hengeresen összeállított grafittömbök köré épül.
Összeszereléskor a grafitblokkok között speciális rések vannak, amelyek biztosítják a nitrogént használó hűtőfolyadék folyamatos keringését. Az összeszerelt szerkezet függőlegesen elhelyezett csatornákkal is rendelkezik, amelyek a vízhűtés és az üzemanyag áthaladására szolgálnak. Magát a szerelvényt mereven támasztja alá egy olyan szerkezet, amelynek csatornái alatt nyílások vannak, amelyek a már besugárzott üzemanyag kiürítésére szolgálnak. Sőt, mindegyik csatorna egy vékony falú csőben található, amely könnyű és rendkívül erős alumíniumötvözetből van öntve. A legtöbb A leírt csatornák 70 üzemanyagrúddal rendelkeznek. A hűtővíz közvetlenül a tüzelőanyag-rudak körül áramlik, és eltávolítja belőlük a felesleges hőt.
Termelő reaktorok teljesítményének növelése
Kezdetben az első Mayak reaktor 100 MW hőteljesítménnyel működött. A szovjet atomfegyver-program fő vezetője azonban javaslatot tett, amely szerint a reaktor be téli idő 170-190 MW, nyáron pedig 140-150 MW teljesítménnyel dolgozott. Ez a megközelítés lehetővé tette a reaktor számára, hogy napi 140 gramm értékes plutóniumot állítson elő.
1952-ben teljes körű kutatómunka folyt az üzemelő reaktorok termelési kapacitásának növelésére az alábbi módszerekkel:
- A hűtésre használt és az atomerőmű magjain átáramló víz áramlásának növelésével.
- A csatornabélés közelében fellépő korrózióval szembeni ellenállás növelésével.
- A grafit oxidációjának sebességének csökkentése.
- Növekvő hőmérséklet az üzemanyagcellák belsejében.
Ennek eredményeként a keringető víz áteresztőképessége jelentősen megnőtt, miután a tüzelőanyag és a csatornafalak közötti rés megnőtt. A korróziótól is sikerült megszabadulnunk. Ehhez kiválasztották a legmegfelelőbb alumíniumötvözeteket, és elkezdték aktívan hozzáadni a nátrium-bikromátot, ami végül növelte a hűtővíz lágyságát (a pH körülbelül 6,0-6,2 lett). A grafit oxidációja megszűnt a sürgős probléma, miután nitrogént használtak a hűtésére (korábban csak levegőt használtak).
Az 1950-es évek végén az újítások a gyakorlatban is teljes mértékben megvalósultak, csökkentve az urán sugárzás okozta rendkívül szükségtelen felfúvódását, jelentősen csökkentve az uránrudak hőkeménységét, javítva a burkolat ellenállását, fokozva a gyártás minőségi ellenőrzését.
Gyártás a Mayaknál
A "Cseljabinszk-65" egyike azoknak a nagyon titkos üzemeknek, ahol fegyveres minőségű plutóniumot hoztak létre. A vállalkozásnak több reaktora volt, és mindegyiket közelebbről megvizsgáljuk.
A reaktor
Az installációt a legendás N. A. Dollezhal tervezte és készítette. 100 MW teljesítménnyel üzemelt. A reaktorban 1149 függőlegesen elhelyezett vezérlő- és üzemanyagcsatorna volt egy grafitblokkban. A szerkezet össztömege körülbelül 1050 tonna volt. Szinte minden csatorna (25 kivételével) uránnal volt megterhelve, amelynek össztömege 120-130 tonna volt. A kontrollrudakhoz 17, a kísérletekhez 8 csatornát használtunk. Maximum mutató Az üzemanyagcella tervezési hőleadása 3,45 kW volt. Eleinte a reaktor körülbelül 100 gramm plutóniumot termelt naponta. Az első fémes plutóniumot 1949. április 16-án állították elő.
Technológiai hátrányok
Szinte azonnal komoly problémákat azonosítottak, amelyek az alumínium betétek korróziójából és az üzemanyagcellák bevonatából álltak. Az uránrudak is megduzzadtak és megsérültek, így a hűtővíz közvetlenül a reaktor zónájába szivárgott. Minden egyes szivárgás után a reaktort legfeljebb 10 órára le kellett állítani, hogy a grafitot levegővel megszárítsák. 1949 januárjában a csatornabetéteket kicserélték. Ezt követően 1949. március 26-án indult a telepítés.
Fegyverminőségű plutónium, amelynek előállítása az A reaktorban mindenféle nehézséggel járt, az 1950-1954 közötti időszakban 180 MW átlagos egységteljesítménnyel készült. A reaktor ezt követő működését intenzívebb használat kezdte kísérni, ami természetes módon gyakoribb (akár havi 165) leálláshoz vezetett. Ennek eredményeként a reaktort 1963 októberében leállították, és csak 1964 tavaszán indult újra. 1987-ben teljesen befejezte kampányát, és több éves működése alatt 4,6 tonna plutóniumot állított elő.
AB reaktorok
1948 őszén elhatározták, hogy három AB reaktort építenek a Cseljabinszk-65 vállalatnál. Termelési kapacitásuk napi 200-250 gramm plutónium volt. A projekt főtervezője A. Savin volt. Mindegyik reaktor 1996 csatornából állt, ebből 65 vezérlőcsatorna. A telepítések technikai innovációt alkalmaztak - minden csatornát speciális hűtőfolyadék-szivárgás-érzékelővel szereltek fel. Ez a lépés lehetővé tette a béléscserét anélkül, hogy magának a reaktornak a működése leállna.
A reaktorok működésének első éve azt mutatta, hogy körülbelül 260 gramm plutóniumot termeltek naponta. Azonban már a második üzemévtől fokozatosan növelték a kapacitást, és már 1963-ban 600 MW volt. A második nagyjavítás után a bélésekkel kapcsolatos probléma teljesen megoldódott, a teljesítmény már 1200 MW volt, évi 270 kilogramm plutóniumtermelés mellett. Ezek a mutatók a reaktorok teljes bezárásáig megmaradtak.
AI-IR reaktor
A cseljabinszki vállalkozás használt ezt a telepítést 1951. december 22-től 1987. május 25-ig terjedő időszakban. A reaktorban az urán mellett kobalt-60-at és polónium-210-et is gyártottak. A létesítmény kezdetben tríciumot állított elő, de később plutóniumot is gyártottak.
Ezenkívül a fegyveres minőségű plutónium feldolgozására szolgáló üzemben nehézvízzel működő reaktorok és egyetlen könnyűvizes reaktor (a neve „Ruslan”) volt.
Szibériai óriás
"Tomsk-7" volt a neve annak az erőműnek, amelyben öt reaktor kapott helyet a plutónium előállítására. Mindegyik egység grafitot használt a neutronok lelassítására, a közönséges vizet pedig a megfelelő hűtés biztosítása érdekében.
Az I-1 reaktor olyan hűtőrendszerrel működött, amelyen egyszer áthaladt a víz. A fennmaradó négy létesítmény azonban zárt primer körrel volt felszerelve, hőcserélővel. Ez a kialakítás lehetővé tette a gőztermelést, ami viszont segített a villamosenergia-termelésben és a különböző lakóterek fűtésében.
A Tomszk-7-nek volt egy EI-2 nevű reaktora is, aminek viszont kettős célja volt: plutóniumot termelt, és a keletkező gőznek köszönhetően 100 MW villamos energiát, valamint 200 MW hőenergiát termelt.
Fontos információ
A tudósok szerint a fegyveres minőségű plutónium felezési ideje körülbelül 24 360 év. Hatalmas szám! Ebben a tekintetben különösen élessé válik a kérdés: "Hogyan kell megfelelően kezelni az elem előállításából származó hulladékot?" A legjobb megoldás a fegyveres minőségű plutónium későbbi feldolgozására szolgáló speciális vállalkozások felépítése. Ez azzal magyarázható, hogy ebben az esetben az elem katonai célokra már nem használható, és emberi ellenőrzés alá kerül. Oroszországban pontosan így ártalmatlanítják a fegyveres minőségű plutóniumot, de az Amerikai Egyesült Államok más utat választott, és ezzel megszegte nemzetközi kötelezettségeit.
Így az amerikai kormány azt javasolja, hogy a nagymértékben dúsított anyagokat ne ipari eszközökkel semmisítsék meg, hanem a plutónium hígításával és speciális tartályokban, 500 méteres mélységben történő tárolásával. Magától értetődik, hogy ebben az esetben az anyag bármikor könnyen eltávolítható a talajból, és újra felhasználható katonai célokra. Vlagyimir Putyin orosz elnök szerint az országok kezdetben abban állapodtak meg, hogy nem ezzel a módszerrel semmisítik meg a plutóniumot, hanem az ipari létesítményekben való elhelyezésben.
Külön figyelmet érdemel a fegyveres minőségű plutónium ára. Szakértők szerint ennek az elemnek több tíz tonnája akár több milliárd dollárba is kerülhet. És egyes szakértők 500 tonna fegyveres minőségű plutóniumot is 8 billió dollárra becsültek. Az összeg valóban lenyűgöző. Hogy világosabb legyen, mennyi pénzről van szó, tegyük fel, hogy a 20. század utolsó tíz évében Oroszország átlagos éves GDP-je 400 milliárd dollár volt. Valójában a fegyveres plutónium valós ára megegyezett az Orosz Föderáció húsz éves GDP-jével.
| Plutónium | |
|---|---|
| Atomszám | 94 |
| Kinézet egyszerű anyag | |
| Az atom tulajdonságai | |
| Atomtömeg (móltömeg) |
244.0642 a. e.m. (/mol) |
| Atomsugár | 151 óra |
| Ionizációs energia (első elektron) |
491,9 (5,10) kJ/mol (eV) |
| Elektronikus konfiguráció | 5f 6 7s 2 |
| Kémiai tulajdonságok | |
| Kovalens sugár | n/a pm |
| Ion sugara | (+4e) 93 (+3e) 108 óra |
| Elektronegativitás (Pauling szerint) |
1,28 |
| Elektróda potenciál | Pu←Pu 4+ -1,25V Pu←Pu 3+ -2.0V Pu←Pu 2+ -1,2V |
| Oxidációs állapotok | 6, 5, 4, 3 |
| Egy egyszerű anyag termodinamikai tulajdonságai | |
| Sűrűség | 19,84 /cm³ |
| Moláris hőkapacitás | 32,77 J/(mol) |
| Hővezető | (6,7) W/( ·) |
| Olvadási hőmérséklet | 914 |
| Olvadáshő | 2,8 kJ/mol |
| Forráshőmérséklet | 3505 |
| Párolgási hő | 343,5 kJ/mol |
| Moláris térfogat | 12,12 cm³/mol |
| Egyszerű anyag kristályrácsa | |
| Rácsszerkezet | monoklinika |
| Rács paraméterei | a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8 |
| c/a arány | — |
| Debye hőmérséklet | 162 |
Plutónium- az aktinid csoport radioaktív kémiai eleme, amelyet széles körben használnak a gyártásban nukleáris fegyverek(az úgynevezett „fegyverminőségű plutónium”), valamint (kísérletileg) nukleáris üzemanyagként nukleáris reaktorok számára polgári és kutatási célokra. Az első olyan mesterséges elem, amelyet mérhető mennyiségben nyertek (1942).
A jobb oldali táblázat az α-Pu, a plutónium fő allotróp módosulatának fő tulajdonságait mutatja szobahőmérsékleten és normál nyomáson.
A plutónium története
A 238 Pu plutónium izotópot először 1941. február 23-án állította elő mesterségesen egy amerikai tudóscsoport Glenn Seaborg vezetésével atommagok besugárzásával. uránium deuteronok. Figyelemre méltó, hogy csak azután mesterséges előállítás plutóniumot fedeztek fel a természetben: a 239 Pu rendszerint elhanyagolható mennyiségben található meg az uránércekben, mint az urán radioaktív átalakulásának terméke.
Plutónium megtalálása a természetben
Az uránércekben a neutronok (például a kozmikus sugárzásból származó neutronok) uránmagok általi befogása következtében, neptunium(239 Np), melynek β-bomlási terméke a természetes plutónium-239. A plutónium azonban olyan mikroszkopikus mennyiségben képződik (0,4-15 rész Pu/10 12 rész U), hogy uránércekből való kinyerése szóba sem jöhet.
név eredete plutónium
1930-ban csodálatos hír izgatta a csillagászati világot: új bolygót fedeztek fel, amelynek létezéséről régóta beszélt Percival Lovell csillagász, matematikus, fantasztikus esszék írója a Mars életéről. Sok éves mozgási megfigyelések alapján UránuszÉs Neptun Lovell arra a következtetésre jutott, hogy a Neptunon túl be Naprendszer kell lennie egy másik, kilencedik bolygónak, amely negyvenszer távolabb van a Naptól, mint a Föld.
Ezt a bolygót, amelynek keringési elemeit Lovell még 1915-ben kiszámította, K. Tombaugh csillagász 1930. január 21-én, 23-án és 29-én a Flagstaff Obszervatóriumban készített fényképeken fedezte fel ( Egyesült Államok) . A bolygót elnevezték Plútó. A 94. elemet, amelyet 1940 végén mesterségesen nyertek magokból, erről a bolygóról nevezték el, amely a Neptunuszon túli Naprendszerben található. atomok uránium amerikai tudósok csoportja G. Seaborg vezetésével.
Fizikai tulajdonságok plutónium
A plutóniumnak 15 izotópja van - B a legnagyobb mennyiségeket 238-242 tömegszámú izotópokat kapunk:
238 Pu -> (felezési idő 86 év, alfa-bomlás) -> 234 U,
Ezt az izotópot szinte kizárólag az űrkutatási célú RTG-kben használják, például minden olyan járművön, amely a Mars pályáján túlra repült.
239 Pu -> (felezési idő 24 360 év, alfa-bomlás) -> 235 U,
Ez az izotóp a legalkalmasabb nukleáris fegyverek és gyorsneutronos atomreaktorok építésére.
240 Pu -> (felezési idő 6580 év, alfa-bomlás) -> 236 U, 241 Pu -> (felezési idő 14,0 év, béta-bomlás) -> 241 Am, 242 Pu -> (felezési idő 370 000 év, alfa) -bomlás) -> 238 U
Ennek a három izotópnak nincs komoly ipari jelentősége, hanem melléktermékként keletkezik, amikor uránt használó atomreaktorokban állítanak elő energiát, több neutron urán-238 atommagok általi egymás utáni befogásával. A 242-es izotóp nukleáris tulajdonságaiban hasonlít leginkább az urán-238-hoz. A 241-es izotóp bomlásával keletkező americium-241-et füstérzékelőkben használták.
A plutónium azért érdekes, mert hat fázisátmeneten megy keresztül a megszilárdulási hőmérsékletéről a szobahőmérsékletre, jobban, mint bármely más kémiai elem. Ez utóbbinál a sűrűség ugrásszerűen, 11%-kal nő, ennek következtében a plutóniumöntvények megrepednek. Az alfa fázis szobahőmérsékleten stabil, ennek jellemzőit a táblázat tartalmazza. Alkalmazáshoz kényelmesebb a delta fázis, amely kisebb sűrűségű, és egy köbös testközpontú rács. A delta fázisban lévő plutónium nagyon képlékeny, míg az alfa fázis rideg. A plutónium delta fázisban való stabilizálására háromértékű fémekkel való adalékolást alkalmaznak (az első nukleáris töltéseknél galliumot használtak).
A plutónium alkalmazásai
Az első plutónium alapú nukleáris töltetet 1945. július 16-án robbantották fel az alamogordói kísérleti helyszínen (tesztelés alatt). kód név Szentháromság).
A plutónium biológiai szerepe
A plutónium erősen mérgező; A 239 Pu megengedett legnagyobb koncentrációja a nyílt víztestekben és a munkatermek levegőjében 81,4, illetve 3,3 * 10 −5 Bq/l. A plutónium legtöbb izotópjának nagy az ionizációs sűrűsége és rövid a részecskeúthossza, így toxicitása nem annyira kémiai tulajdonságainak köszönhető (a plutónium valószínűleg nem mérgezőbb ebből a szempontból, mint más nehézfémek), hanem inkább az ionizáló hatásnak. a környező testszöveteken. A plutónium a különösen nagy radiotoxicitású elemek csoportjába tartozik. A szervezetben a plutónium nagy visszafordíthatatlan változásokat idéz elő a csontvázban, a májban, a lépben és a vesékben, és rákot okoz. A szervezetben megengedett legnagyobb plutóniumtartalom nem haladhatja meg a tized mikrogrammot.
A témához kapcsolódó alkotások plutónium
- A plutóniumot a De Lorean DMC-12 géphez használták a Vissza a jövőbe című filmben, üzemanyagként egy fluxus-akkumulátorhoz, amely a jövőbe vagy a múltba utazhat.
- Plutóniumból készült a terroristák által az amerikai Denverben felrobbantott atombomba töltete Tom Clancy „A világ minden félelme” című művében.
- Kenzaburo Oe „Egy csipetnyi futó jegyzetei”
— 2006-ban a Beacon Pictures kiadta a Plutónium-239 című filmet ( "Pu-239")
Kémia
A Plutónium Pu – a 94-es számú elem az emberiség nagyon nagy reményeivel és nagyon nagy félelmeivel kapcsolatos. Manapság ez az egyik legfontosabb, stratégiailag fontos elem. A műszakilag fontos fémek közül ez a legdrágább – sokkal drágább, mint az ezüst, az arany és a platina. Ő igazán értékes.
Háttér és történelem
Kezdetben protonok voltak - galaktikus hidrogén. Összenyomódása és az azt követő magreakciók eredményeként a nukleonok leghihetetlenebb „ingotjai” keletkeztek. Ezek között az „öntvények” között nyilván voltak olyanok is, amelyek 94 protont tartalmaztak. A teoretikusok becslései szerint körülbelül 100 nukleonképződmény, amelyek 94 protont és 107-206 neutront tartalmaznak, annyira stabilak, hogy a 94-es számú elem izotópjainak magjainak tekinthetők.
De mindezek az izotópok - feltételezett és valós - nem olyan stabilak, hogy a mai napig fennmaradjanak a Naprendszer elemeinek kialakulása óta. A 94-es számú elem leghosszabb élettartamú izotópjának felezési ideje 81 millió év. A Galaxis korát évmilliárdokban mérik. Következésképpen az „ős” plutóniumnak a mai napig esélye sem volt a túlélésre. Ha az Univerzum elemeinek nagy szintézise során keletkezett, akkor ezek az ősi atomjai már régen „kihaltak”, ahogyan a dinoszauruszok és a mamutok is kihaltak.
A 20. században új korszak, Kr. u., ezt az elemet újrateremtették. A 100 lehetséges plutónium izotópból 25-öt szintetizáltak, közülük 15 nukleáris tulajdonságait tanulmányozták. Négyet találtak gyakorlati használat. És nemrég nyitották meg. 1940 decemberében, amikor az uránt nehézhidrogén atommagokkal sugározták be, egy amerikai radiokémikus csoport Glenn T. Seaborg vezetésével felfedezett egy korábban ismeretlen alfa-részecske-kibocsátót, amelynek felezési ideje 90 év. Ez az emitter a 94-es számú elem 238 tömegszámú izotópjának bizonyult. Ugyanebben az évben, de néhány hónappal korábban az E.M. McMillan és F. Abelson megszerezte az első, az uránnál nehezebb elemet, a 93-as elemet. Ezt az elemet neptuniumnak, a 94-es elemet pedig plutóniumnak nevezték. A történész határozottan azt fogja mondani, hogy ezek a nevek a római mitológiából származnak, de a nevek eredete lényegében nem mitológiai, hanem csillagászati.
A 92. és 93. számú elem a Naprendszer távoli bolygóiról - az Uránuszról és a Neptunuszról - kapta a nevét, de a Neptunusz nem az utolsó a Naprendszerben, még távolabb fekszik a Plútó pályája - amely bolygóról még szinte semmit sem tudni. .. Hasonló konstrukció A periódusos rendszer „bal szélén” is látható: urán - neptunium - plutónium, azonban az emberiség sokkal többet tud a plutóniumról, mint a Plutóról. A csillagászok egyébként alig tíz évvel a plutónium szintézise előtt fedezték fel a Plutót – majdnem ugyanennyi idő választotta el az Uránusz – a bolygó és az urán – elem felfedezését.
Találós kérdések kriptográfusoknak
A 94-es számú elem első izotópja, a plutónium-238 manapság gyakorlati alkalmazásra talált. De a 40-es évek elején még csak nem is gondoltak rá. A plutónium-238 gyakorlati jelentőségű mennyiségben való beszerzése csak az erős nukleáris iparra támaszkodva lehetséges. Akkor még csak gyerekcipőben járt. De az már világos volt, hogy a nehéz radioaktív elemek magjaiban rejlő energia felszabadításával példátlan erejű fegyverekhez lehet jutni. Megjelent a Manhattan Project, amelynek nem volt más, mint egy közös neve a híres New York-i területtel. Ez volt az összes olyan munka általános neve, amely az Egyesült Államokban az első atombombák létrehozásával kapcsolatos. Nem tudós, hanem egy katona, Groves tábornok nevezték ki a Manhattan Project élére, aki „szeretettel” „törött edényeknek” nevezte magasan képzett vádjait.
A „projekt” vezetőit nem érdekelte a plutónium-238. A magjai, mint minden páros tömegszámú plutónium izotóp atommagjai, nem hasadóak az alacsony energiájú neutronoktól, így nem szolgálhatna nukleáris robbanóanyagként. Ennek ellenére csak 1942 tavaszán jelentek meg nyomtatásban az első nem túl egyértelmű jelentések a 93. és 94. számú elemről.
Hogyan magyarázhatjuk ezt? A fizikusok megértették: a páratlan tömegszámú plutónium izotópok szintézise idő kérdése, és nem túl hosszú. A furcsa izotópoktól azt várták, hogy az urán-235-höz hasonlóan képesek legyenek támogatni a nukleáris láncreakciót. Néhányan potenciális nukleáris robbanóanyagnak tekintették őket, amelyeket még nem kaptak meg. És ezek a remények plutónium, sajnos megindokolta.
Az akkori titkosításban a 94-es elemet nem kevesebbel hívták, mint... réznek. És amikor magára a rézre volt szükség (egyes alkatrészek szerkezeti anyagaként), akkor a kódokban a „réz” mellett megjelent az „igazi réz”.
"A jó és rossz tudás fája"
1941-ben felfedezték a plutónium legfontosabb izotópját - egy 239-es tömegszámú izotópot. És szinte azonnal beigazolódott a teoretikusok jóslata: a plutónium-239 atommagokat termikus neutronok hasadták fel. Ráadásul hasadásuk során nem kevesebb neutron keletkezett, mint az urán-235 hasadása során. Azonnal körvonalazták az izotóp nagy mennyiségben történő előállításának módjait...
Évek teltek el. Ma már senki előtt nem titok, hogy az arzenálban tárolt nukleáris bombák tele vannak plutónium-239-cel, és ezek a bombák elegendőek ahhoz, hogy helyrehozhatatlan károkat okozzanak minden földi életben.
Széles körben elterjedt az a hiedelem, hogy az emberiség egyértelműen sietett a nukleáris láncreakció felfedezésével (aminek elkerülhetetlen következménye egy atombomba létrehozása volt). Gondolkodhat másként, vagy úgy tesz, mintha másként gondolkodna - kellemesebb optimistának lenni. De még az optimisták is elkerülhetetlenül szembesülnek a tudósok felelősségének kérdésével. Emlékszünk 1954 diadalmas júniusi napjára, arra a napra, amikor az első atomerőmű Obninszkben. De nem feledkezhetünk meg 1945 augusztusának reggeléről sem – „Hirosima reggeléről”, „Albert Einstein fekete napjáról”... Emlékszünk a háború utáni első évekre és a burjánzó atomzsarolásra – az amerikai politika alapja ezekben az években . De az emberiségnek nem volt sok baja a következő években? Ráadásul ezeket a szorongásokat sokszorosára fokozta az a tudat, hogy ha új járvány tör ki Világháború, atomfegyvereket bocsátanak ki.
Itt megpróbálhatja bebizonyítani, hogy a plutónium felfedezése nem keltette félelmet az emberiségben, ellenkezőleg, csak hasznos volt.
Mondjuk megtörtént, hogy valamiért, vagy ahogy régen mondták, Isten akaratából a plutónium hozzáférhetetlen volt a tudósok számára. Csökkennének akkor félelmeink és aggodalmaink? Nem történt semmi. Atombombákat gyártanának urán-235-ből (és nem kevesebb mennyiségben, mint plutóniumból), és ezek a bombák a költségvetésnek a jelenleginél is nagyobb részét „emésztik fel”.
Plutónium nélkül azonban nem lenne kilátás az atomenergia békés célú, nagyszabású felhasználására. Egyszerűen nem lenne elég urán-235 egy „békés atomhoz”. A nukleáris energia felfedezése által az emberiségre sújtott gonoszságot még részben sem ellensúlyozná a „jó atom” vívmányai.
Hogyan mérjük, mihez hasonlítsuk
Amikor egy plutónium-239 atommagot a neutronok két, megközelítőleg azonos tömegű fragmentumra hasítanak, körülbelül 200 MeV energia szabadul fel. Ez 50 milliószor több energia szabadul fel a leghíresebb exoterm C + O 2 = CO 2 reakció során. Atomreaktorban „égetve” egy gramm plutónium 2107 kcal-t ad. Annak érdekében, hogy ne törjük meg a hagyományokat (és a népszerű cikkekben a nukleáris üzemanyag energiáját általában nem rendszerszintű mértékegységekben mérik - szén, benzin, trinitrotoluol tonna stb.), azt is megjegyezzük: ez az energia, amelyet 4 tonna tartalmaz. szénből. Egy közönséges gyűszű pedig olyan mennyiségű plutóniumot tartalmaz, amely energetikailag negyven autónyi jó nyírfa tűzifának felel meg.
Ugyanez az energia szabadul fel az urán-235 atommagok neutronok általi hasadása során. De a természetes urán zöme (99,3%) a 238 U izotóp, amelyet csak az urán plutóniummá alakításával lehet felhasználni...
A kövek energiája
Értékeljük a természetes uránkészletekben rejlő energiaforrásokat!
Az urán nyomelem, és szinte mindenhol megtalálható. Aki járt például Karéliában, az valószínűleg emlékezni fog a gránitsziklákra és a tengerparti sziklákra. De kevesen tudják, hogy egy tonna gránit legfeljebb 25 g uránt tartalmaz. A gránit a tömeg közel 20%-át teszi ki földkéreg. Ha csak urán-235-öt számolunk, akkor egy tonna gránit 3,5-105 kcal energiát tartalmaz. Sok, de...
A gránit feldolgozása és belőle az urán kinyerése még nagyobb mennyiségű energiát igényel - körülbelül 106-107 kcal/t. Mármost, ha nem csak urán-235-öt, hanem urán-238-at is lehetne energiaforrásként használni, akkor a gránit legalább potenciális energianyersanyagnak tekinthető. Ekkor egy tonna kőből nyert energia 8-107 kcal és 5-108 kcal között lenne. Ez 16-100 tonna szénnek felel meg. És ebben az esetben a gránit csaknem milliószor több energiát biztosíthat az embereknek, mint a Föld összes kémiai üzemanyag-tartaléka.
Az urán-238 atommagok azonban nem hasadnak neutronokkal. Mert nukleáris energia ez az izotóp használhatatlan. Pontosabban hiába lenne, ha nem lehetne plutónium-239-re alakítani. És ami különösen fontos: erre a nukleáris átalakításra gyakorlatilag nem kell energiát fordítani – éppen ellenkezőleg, ebben a folyamatban energia keletkezik!
Próbáljuk meg kitalálni, hogyan történik ez, de először néhány szót a természetes plutóniumról.
400 ezerszer kevesebb, mint a rádium
Már elhangzott, hogy a plutónium izotópjai nem maradtak meg a bolygónk kialakulása során bekövetkezett elemek szintézise óta. De ez nem jelenti azt, hogy nincs plutónium a Földön.
Az uránércekben folyamatosan képződik. A kozmikus sugárzásból származó neutronok és az urán-238 atommagok spontán hasadásából származó neutronok befogásával ennek az izotópnak néhány - nagyon kevés - atomja urán-239 atomokká alakul. Ezek az atommagok nagyon instabilok, elektronokat bocsátanak ki, és ezáltal növelik töltésüket. Megalakul a neptunium, az első transzurán elem. A Neptunium-239 szintén nagyon instabil, és atommagjai elektronokat bocsátanak ki. Mindössze 56 óra alatt a neptunium-239 fele plutónium-239-vé alakul, amelynek felezési ideje már meglehetősen hosszú - 24 ezer év.
Miért nem nyerik ki a plutóniumot az uránércekből?? Alacsony, túl alacsony koncentráció. „Gramonkénti termelés - évi munka” - ez a rádiumról szól, és az ércekben lévő plutónium 400 ezerszer kevesebb, mint a rádium. Ezért rendkívül nehéz nemcsak bányászni, de még kimutatni is a „földi” plutóniumot. Erre csak azután került sor, hogy az atomreaktorokban előállított plutónium fizikai és kémiai tulajdonságait tanulmányozták.
A plutónium az atomreaktorokban halmozódik fel. Erőteljes neutronáramokban ugyanaz a reakció megy végbe, mint az uránércekben, de a plutónium képződésének és felhalmozódásának sebessége a reaktorban sokkal magasabb - milliárd milliárdszor. A ballaszt urán-238 energiaminőségű plutónium-239-lé történő átalakításához optimális (elfogadható) feltételek jönnek létre.
Ha a reaktor termikus neutronokon működik (emlékezzünk rá, hogy sebességük kb. 2000 m/s, energiájuk pedig egy elektronvolt töredéke), akkor az uránizotópok természetes keverékéből a plutónium mennyisége valamivel kisebb, mint a mennyiségű „kiégett” urán-235. Egy kicsit, de kevesebb, plusz a plutónium elkerülhetetlen veszteségei a besugárzott urántól való kémiai elválasztása során. Ezenkívül a nukleáris láncreakció az uránizotópok természetes keverékében csak addig tart fenn, amíg az urán-235 kis része el nem fogy. Ebből következik a logikus következtetés: egy természetes uránt használó „termikus” reaktor - a jelenleg működő reaktorok fő típusa - nem tudja biztosítani a nukleáris üzemanyag kiterjesztett újratermelését. De akkor mi az ígéretes? Ennek a kérdésnek a megválaszolásához hasonlítsuk össze az urán-235-ben és a plutónium-239-ben zajló nukleáris láncreakció lefolyását, és vezessünk be egy másik fizikai fogalmat a beszélgetéseinkbe.
Bármely nukleáris üzemanyag legfontosabb jellemzője a neutronok átlagos száma, amelyet azután bocsátanak ki, hogy az atommag egy neutront befogott. A fizikusok eta számnak nevezik, és a görög q betűvel jelölik. Az uránnal működő „termikus” reaktorokban a következő minta figyelhető meg: minden neutron átlagosan 2,08 neutront generál (η = 2,08). Az ilyen reaktorba termikus neutronok hatására elhelyezett plutónium η = 2,03. De vannak olyan reaktorok is, amelyek gyors neutronokon működnek. Felesleges uránizotópok természetes keverékét betölteni egy ilyen reaktorba: láncreakció nem megy végbe. De ha az „alapanyagot” urán-235-tel dúsítják, akkor „gyors” reaktorban fejleszthető. Ebben az esetben c már egyenlő lesz 2,23-mal. A gyors neutrontűznek kitett plutónium η értéke 2,70. Rendelkezésünkre áll majd egy „felesleges neutron”. És ez egyáltalán nem kevés.
Nézzük, mire költik a keletkező neutronokat. Minden reaktorban egy neutronra van szükség a nukleáris láncreakció fenntartásához. 0,1 neutront nyelnek el a létesítmény építőanyagai. A „felesleget” a plutónium-239 felhalmozására használják. Az egyik esetben a „többlet” 1,13, a másik esetben 1,60. Egy kilogramm plutónium „gyors” reaktorban való „elégetése” után kolosszális energia szabadul fel, és 1,6 kg plutónium halmozódik fel. Az urán pedig egy „gyors” reaktorban ugyanazt az energiát és 1,1 kg új nukleáris üzemanyagot biztosít. Mindkét esetben nyilvánvaló a kiterjesztett szaporodás. De nem szabad megfeledkeznünk a gazdaságról sem.
A sorozat miatt technikai okokból A plutónium szaporodási ciklusa több évig tart. Mondjuk öt év. Ez azt jelenti, hogy az évi plutónium mennyisége mindössze 2%-kal nő, ha η=2,23, és 12%-kal, ha η=2,7! A nukleáris üzemanyag tőke, és minden tőkének, mondjuk, évi 5%-ot kell hoznia. Az első esetben nagy veszteségek, a másodikban pedig nagy nyereségek. Ez a primitív példa szemlélteti minden tizedik szám „súlyát” az atomenergiában.
Valami más is fontos. Az atomenergiának lépést kell tartania a növekvő energiaigénnyel. A számítások azt mutatják, hogy feltétele a jövőben csak akkor teljesül, ha η a háromhoz közelít. Ha az atomenergia-források fejlesztése elmarad a társadalom energiaigényétől, akkor két lehetőség marad: vagy „lelassítjuk a fejlődést”, vagy más forrásból veszünk el energiát. Ismeretesek: termonukleáris fúzió, anyag és antianyag annihilációs energiája, de technikailag még nem hozzáférhetők. És nem tudni, mikor válnak az emberiség valódi energiaforrásaivá. A nehéz atommagok energiája pedig már régóta valósággá vált számunkra, és ma a plutóniumnak, mint az atomenergia fő „szállítójának”, nincs komoly versenytársa, kivéve talán az urán-233-at.
Sok technológia összessége
Amikor a nukleáris reakciók következtében a szükséges mennyiségű plutónium felhalmozódott az uránban, akkor azt nemcsak magától az urántól kell elválasztani, hanem a magláncreakcióban elégetett hasadási töredékektől is - mind az urántól, mind a plutóniumtól. Ezenkívül az urán-plutónium tömeg bizonyos mennyiségű neptúniumot is tartalmaz. A legnehezebben elkülöníthető dolgok a plutónium a neptuniumtól és a ritkaföldfém elemek (lantanidok). Plutónium mint kémiai elem bizonyos mértékig szerencsétlen. Vegyész szempontból az atomenergia fő eleme csak egy a tizennégy aktinidából. A ritkaföldfémekhez hasonlóan az aktinium sorozat minden eleme nagyon közel van egymáshoz kémiai tulajdonságok, az aktiniumtól a 103-ig minden elem atomja külső elektronhéjának szerkezete azonos. Ami még kellemetlen, hogy az aktinidák kémiai tulajdonságai hasonlóak a ritkaföldfémek tulajdonságaihoz, az urán és a plutónium hasadási töredékei között pedig bőven van lantanidok. De ekkor a 94-es elem öt vegyértékállapotban lehet, és ez „megédesíti a pirulát” - segít elválasztani a plutóniumot az urántól és a hasadási töredékektől.
A plutónium vegyértéke három és hét között változik. Kémiailag a legstabilabb (és ezért a leggyakoribb és legtöbbet vizsgált) vegyületek a négy vegyértékű plutónium.
A hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkező aktinidák - az urán, a neptunium és a plutónium - szétválasztása a tetra- és hat vegyértékű vegyületeik tulajdonságainak különbségén alapulhat.
Nem szükséges részletesen ismertetni a plutónium és az urán kémiai szétválasztásának minden szakaszát. Elválasztásuk általában az uránrudak feloldásával kezdődik salétromsav, majd az oldatban lévő uránt, neptuniumot, plutóniumot és a fragmentációs elemeket hagyományos radiokémiai módszerekkel - kicsapással, extrakcióval, ioncserével és egyebekkel - „leválasztják”. Ennek a többlépcsős technológiának a végső plutóniumtartalmú termékei a PuO 2 dioxid vagy fluoridok - PuF 3 vagy PuF 4. Bárium-, kalcium- vagy lítiumgőzzel fémmé redukálják. Az ezekben a folyamatokban nyert plutónium azonban nem alkalmas szerkezeti anyag szerepére - atomreaktorok fűtőelemei nem készíthetők belőle, és atombomba töltete sem önthető el. Miért? A plutónium olvadáspontja - mindössze 640 °C - meglehetősen elérhető.
Nem számít, milyen „ultrakímélő” körülményeket alkalmaznak a tiszta plutóniumból készült alkatrészek öntésére, a megszilárdulás során mindig repedések jelennek meg az öntvényeken. 640°C-on a megszilárduló plutónium köbös kristályrácsot képez. A hőmérséklet csökkenésével a fém sűrűsége fokozatosan növekszik. Ekkor azonban a hőmérséklet elérte a 480°C-ot, majd hirtelen a plutónium sűrűsége meredeken csökken. Ennek az anomáliának az okait meglehetősen gyorsan felfedezték: ezen a hőmérsékleten a plutónium atomok átrendeződnek a kristályrácsban. Tetragonálissá válik és nagyon „laza”. Az ilyen plutónium saját olvadékában lebeghet, mint a jég a vízen.
A hőmérséklet tovább csökken, mára elérte a 451 °C-ot, és az atomok ismét köbös rácsot alkottak, de egymástól nagyobb távolságra helyezkedtek el, mint az első esetben. További hűtéssel a rács először ortorombikussá, majd monoklinikussá válik. A plutónium összesen hat különböző kristályformát alkot! Ezek közül kettőt egy figyelemre méltó tulajdonság - a negatív hőtágulási együttható - különböztet meg: a hőmérséklet emelkedésével a fém nem tágul, hanem összehúzódik.
Amikor a hőmérséklet eléri a 122 °C-ot, és a plutónium atomok hatodszor rendezik át soraikat, a sűrűség különösen drámaian változik - 17,77-ről 19,82 g/cm 3 -re. Több mint 10%!
Ennek megfelelően a tuskó térfogata csökken. Ha a fém még képes ellenállni a más átmeneteknél fellépő feszültségeknek, akkor ebben a pillanatban a pusztulás elkerülhetetlen.
Hogyan készítsünk alkatrészeket ebből a csodálatos fémből? A kohászok a plutóniumot ötvözik (kis mennyiségű szükséges elemet adnak hozzá), és egyetlen repedés nélkül kapják az öntvényeket. Ezeket atombombákhoz plutónium töltetek készítésére használják. A töltés tömege (elsősorban az izotóp kritikus tömege határozza meg) 5-6 kg. Könnyen belefért egy 10 cm-es élméretû kockába.
A plutónium nehéz izotópjai
A Plutónium-239 kis mennyiségben ennek az elemnek a magasabb izotópjait is tartalmazza - 240 és 241 tömegszámmal. A 240 Pu izotóp gyakorlatilag használhatatlan - ballaszt a plutóniumban. A 241-ből ameríciumot nyernek - a 95. számú elemet. A plutónium-240 és a plutónium-241 tiszta formában, más izotópok keverése nélkül állítható elő a reaktorban felhalmozódott plutónium elektromágneses elválasztásával. Ezt megelőzően a plutóniumot szigorúan meghatározott jellemzőkkel rendelkező neutronáramokkal is besugározzák. Persze mindez nagyon bonyolult, főleg, hogy a plutónium nemcsak radioaktív, hanem nagyon mérgező is. A vele való munkavégzés rendkívüli körültekintést igényel.
A plutónium egyik legérdekesebb izotópja, a 242 Pu 239 Pu neutronáramokban történő hosszú távú besugárzásával nyerhető. A 242 Pu nagyon ritkán köt be neutronokat, ezért lassabban „ég ki” a reaktorban, mint más izotópok; még azután is fennmarad, hogy a megmaradt plutónium izotópok szinte teljesen töredékekké vagy plutónium-242-vé alakultak.
A plutónium-242 „nyersanyagként” fontos a magasabb transzurán elemek viszonylag gyors felhalmozódásához az atomreaktorokban. Ha a plutónium-239-et egy hagyományos reaktorban sugározzák be, akkor körülbelül 20 évbe telik, hogy gramm plutóniumból mikrogramm mennyiséget halmozzon fel például Kalifornia-252.
A magasabb izotópok akkumulációs idejét csökkenteni lehet a reaktorban a neutronfluxus intenzitásának növelésével. Ezt teszik, de akkor nem lehet nagy mennyiségű plutónium-239-et besugározni. Végül is ezt az izotópot neutronok osztják fel, és túl sok energia szabadul fel intenzív áramlásokban. További nehézségek merülnek fel a reaktor hűtésével kapcsolatban. E nehézségek elkerülése érdekében csökkenteni kellene a besugárzott plutónium mennyiségét. Következésképpen a kalifornium hozama ismét csekély lesz. Ördögi kör!
A plutónium-242 nem hasadó a termikus neutronok hatására, nagy mennyiségben besugározható intenzív neutronáramban... Ezért a reaktorokban az americiumtól a fermiumig minden elem ebből az izotópból „készül”, és tömegmennyiségben halmozódik fel.
Minden alkalommal, amikor a tudósoknak sikerült megszerezniük a plutónium új izotópját, megmérték annak magjainak felezési idejét. A páros tömegű nehéz radioaktív magok izotópjainak felezési ideje rendszeresen változik. (Ez nem mondható el a páratlan izotópokról.)
A tömeg növekedésével az izotóp „élettartama” is növekszik. Néhány évvel ezelőtt legmagasabb pont Ez a diagram plutónium-242 volt. És akkor hogyan fog haladni ez a görbe - a tömegszám további növekedésével? Az 1. ponthoz, ami 30 millió éves élettartamnak felel meg, vagy a 2. ponthoz, ami 300 millió évnek felel meg? A kérdésre adott válasz nagyon fontos volt a geotudományok számára. Az első esetben, ha 5 milliárd évvel ezelőtt a Föld teljes egészében 244 Pu-ból állt, most már csak egy plutónium-244 atom maradna a Föld teljes tömegében. Ha a második feltevés igaz, akkor a plutónium-244 már kimutatható koncentrációban lehet a Földön. Ha lenne szerencsénk megtalálni ezt az izotópot a Földön, a tudomány megkapná a legértékesebb információkat a bolygónk kialakulása során lezajlott folyamatokról.
A plutónium egyes izotópjainak felezési ideje
Néhány évvel ezelőtt a tudósok azzal a kérdéssel szembesültek: érdemes-e nehéz plutóniumot találni a Földön? Ennek megválaszolásához először is meg kellett határozni a plutónium-244 felezési idejét. A teoretikusok ezt az értéket nem tudták a szükséges pontossággal kiszámítani. Minden remény csak a kísérleté volt.
A Plutónium-244 egy atomreaktorban halmozódott fel. 95. számú elem - americium (243 Am izotóp) besugárzott. Miután befogott egy neutront, ez az izotóp amerícium-244-té alakult; Az americium-244 10 ezer esetből egyben plutónium-244-té alakult.
A plutónium-244 készítményt americium és kúrium keverékéből izolálták. A minta mindössze néhány milliomod grammot nyomott. De ezek elegendőek voltak ennek az érdekes izotópnak a felezési idejének meghatározásához. Kiderült, hogy 75 millió évnek felel meg. Később más kutatók tisztázták a plutónium-244 felezési idejét, de nem sokkal - 81 millió év. 1971-ben ennek az izotópnak a nyomait találták a ritkaföldfém ásványban, a bastnäsitben.
A tudósok számos kísérletet tettek a transzurán elem olyan izotópjának megtalálására, amely tovább él 244 Pu-nál. De minden próbálkozás hiábavaló maradt. Egy időben a curium-247-hez fűztek reményeket, de miután ez az izotóp felhalmozódott a reaktorban, kiderült, hogy felezési ideje mindössze 16 millió év. Nem sikerült megdönteni a plutónium-244 rekordját - ez a transzurán elemek leghosszabb élettartamú izotópja.
A plutónium még nehezebb izotópjai is béta-bomláson mennek keresztül, és élettartamuk néhány naptól néhány tizedmásodpercig terjed. Biztosan tudjuk, hogy a plutónium összes izotópja termonukleáris robbanások során keletkezik, 257 Pu-ig. De élettartamuk tizedmásodperc, és a plutónium számos rövid élettartamú izotópját még nem tanulmányozták.
Az első plutónium izotóp lehetőségei
És végül – a plutónium-238-ról – a plutónium „ember által alkotott” izotópjai közül a legelső, egy olyan izotóp, amely eleinte kilátástalannak tűnt. Valójában ez egy nagyon érdekes izotóp. Alfa-bomlásnak van kitéve, vagyis magjai spontán alfa-részecskéket - héliummagokat - bocsátanak ki. A plutónium-238 atommagok által generált alfa-részecskék nagy energiát hordoznak; anyagban szétszóródva ez az energia hővé alakul. Mekkora ez az energia? Hatmillió elektronvolt szabadul fel egy bomlásából atommag plutónium-238. Egy kémiai reakció során több millió atom oxidálásakor ugyanaz az energia szabadul fel. Egy kilogramm plutónium-238-at tartalmazó áramforrás 560 watt hőteljesítményt fejleszt. Az azonos tömegű kémiai áramforrás maximális teljesítménye 5 watt.
Sok hasonló sugárzó létezik energetikai jellemzők, de a plutónium-238 egyik jellemzője pótolhatatlanná teszi ezt az izotópot. Az alfa-bomlást általában erős gamma-sugárzás kíséri, amely nagy anyagrétegeken áthatol. A 238 Pu kivétel. A magjainak bomlását kísérő gamma-sugarak energiája alacsony, ellene nem nehéz védekezni: a sugárzást egy vékony falú tartály nyeli el. Ennek az izotópnak a magvak spontán hasadásának valószínűsége is alacsony. Ezért nemcsak a jelenlegi forrásokban, hanem az orvostudományban is alkalmazásra talált. A plutónium-238-at tartalmazó akkumulátorok energiaforrásként szolgálnak speciális szívstimulánsokban.
De a 238 Pu nem a 94-es számú elem legkönnyebb ismert izotópja, a plutónium izotópjait 232 és 237 közötti tömegszámmal kapták. A legkönnyebb izotóp felezési ideje 36 perc.
A plutónium nagy téma. A legfontosabb dolgok itt vannak elmondva. Végtére is, már általános kifejezéssé vált, hogy a plutónium kémiáját sokkal jobban tanulmányozták, mint az olyan „régi” elemek kémiáját, mint a vas. Egész könyveket írtak a plutónium nukleáris tulajdonságairól. A plutónium kohászata az emberi tudás egy másik csodálatos része... Ezért ne gondolja, hogy a történet elolvasása után valóban megtanulta a plutóniumot - a 20. század legfontosabb fémét.
- A PLUTÓNIUM SZÁLLÍTÁSA. A radioaktív és mérgező plutónium különös gondosságot igényel a szállítás során. Egy konténert kifejezetten a szállítására terveztek - egy olyan konténert, amely még repülőgép-balesetben sem pusztul el. Egészen egyszerűen készült: vastag falú edény, amelyből készült rozsdamentes acélból, mahagóni héjjal körülvéve. Nyilvánvalóan megéri a plutónium, de képzelje el, milyen vastagnak kell lennie a falaknak, ha tudja, hogy egy mindössze két kilogramm plutónium szállítására alkalmas konténer 225 kg-ot nyom!
- MÉREG ÉS ELLENSZER. 1977. október 20-án az Agence France Presse közölte: talált kémiai vegyület, amely képes eltávolítani a plutóniumot az emberi szervezetből. Néhány évvel később elég sok ismertté vált erről a vegyületről. Ez az összetett vegyület egy lineáris karboxiláz katechinamid, a kelát osztályba tartozó anyag (a görög „chela” szóból - karom). A szabad vagy kötött plutónium atom ebben a kémiai karomban rögzítődik. Laboratóriumi egerekben ezt az anyagot használták a felszívódott plutónium 70%-ának eltávolítására a szervezetből. Úgy gondolják, hogy a jövőben ez a vegyület elősegíti a plutónium kinyerését mind a termelési hulladékból, mind a nukleáris üzemanyagból.
Mit akarunk ma megtanulni? Mennyi 1 kocka plutónium, 1 m3 plutónium tömege? Nem probléma, megtudhatja egyszerre a kilogrammok számát vagy a tonnák számát, tömegét (egy köbméter súlya, egy kocka súlya, egy súlya köbméter, tömeg 1 m3) az 1. táblázatban vannak feltüntetve. Ha valakit érdekel, átfuthatja az alábbi kis szöveget, és elolvashat néhány magyarázatot. Hogyan mérik meg a szükséges anyag, anyag, folyadék vagy gáz mennyiségét? Azon esetek kivételével, amikor a szükséges mennyiség számítását le lehet redukálni áruk, termékek, elemek darabszámba vételére (darabszámlálás), a mennyiség és tömeg (tömeg) alapján a legkönnyebb meghatározni a szükséges mennyiséget. . A mindennapi életben nálunk a legelterjedtebb térfogatmértékegység az 1 liter. A háztartási számításokra alkalmas literszám azonban nem mindig alkalmazható az üzleti tevékenység mennyiségének meghatározására. Ráadásul a liter hazánkban nem vált általánosan elfogadott „termelési” és kereskedelmi egységgé a mennyiség mérésére. Egy köbméter, vagy rövidített változata - egy kocka, meglehetősen kényelmes és népszerű térfogategységnek bizonyult a gyakorlati használatra. Megszoktuk, hogy szinte minden anyagot, folyadékot, anyagot, sőt gázt is köbméterben mérünk. Tényleg kényelmes. Hiszen költségeik, áraik, tarifáik, fogyasztási díjaik, tarifáik, szállítási szerződéseik szinte mindig köbméterhez (kockához), jóval ritkábban literhez kötődnek. A gyakorlati tevékenységekhez nem kevésbé fontos az ezt a térfogatot elfoglaló anyag térfogatának, hanem tömegének (tömegének) ismerete is: ebben az esetben arról beszélünk, hogy mennyi a súlya 1 köbméter (1 köbméter, 1 köbméter, 1 m3). A tömeg és a térfogat ismerete meglehetősen teljes képet ad a mennyiségről. Az oldal látogatói, amikor azt kérdezik, hogy 1 kocka mennyit nyom, gyakran konkrét tömegegységeket jeleznek, amelyekben szeretnék tudni a választ a kérdésre. Ahogy észrevettük, leggyakrabban 1 kocka (1 köbméter, 1 köbméter, 1 m3) tömegét akarják tudni kilogrammban (kg) vagy tonnában (t). Lényegében kg/m3 vagy t/m3 kell. Ezek egymással szorosan összefüggő egységek, amelyek meghatározzák a mennyiséget. Elvileg a tömeg (tömeg) meglehetősen egyszerű független átalakítása tonnáról kilogrammra és fordítva lehetséges: kilogrammról tonnára. A gyakorlat azonban azt mutatja, hogy a legtöbb látogató számára kényelmesebb megoldás lenne azonnal megtudja, hány kilogrammot nyom 1 köb (1 m3) plutónium vagy hány tonna 1 köb (1 m3) plutónium, a kilogramm tonnára váltása nélkül vagy fordítva - a tonnák száma kilogrammra köbméterenként (egy köbméter, egy köbméter, egy m3). Ezért az 1. táblázatban feltüntettük, hogy mennyi 1 köbméter (1 köbméter, 1 köbméter) kilogrammban (kg) és tonnában (t). Válassza ki magának azt a táblázatoszlopot, amelyre szüksége van. Egyébként, amikor azt kérdezzük, hogy mennyi 1 köbméter (1 m3), akkor a kilogramm vagy a tonnaszám alatt értünk. Fizikai szempontból azonban minket a sűrűség vagy a fajsúly érdekel. Az egységnyi térfogat tömege vagy az egységnyi térfogatban lévő anyag mennyisége a térfogatsűrűség vagy a fajsúly. Ebben az esetben a plutónium térfogatsűrűsége és fajsúlya. A sűrűséget és a fajsúlyt a fizikában általában nem kg/m3-ben vagy tonna/m3-ben mérik, hanem gramm/köbcentiméterben: g/cm3. Ezért az 1. táblázatban a fajsúly és a sűrűség (szinonimák) gramm per köbcentiméterben (g/cm3) vannak megadva.
Sok olvasónk a hidrogénbombát egy atombombával társítja, csak sokkal erősebb. Valójában ez egy alapvetően új fegyver, amelynek megalkotása aránytalanul nagy szellemi erőfeszítést igényelt, és alapvetően eltérő fizikai elveken működik.
Az egyetlen közös az atombombában és a hidrogénbombában, hogy mindkettő kolosszális energiát szabadít fel az atommagban rejtve. Ezt kétféleképpen lehet megtenni: nehéz atommagokat, például uránt vagy plutóniumot könnyebbekre osztani (hasadási reakció), vagy a hidrogén legkönnyebb izotópjait összeolvadni (fúziós reakció). Mindkét reakció eredményeként a keletkező anyag tömege mindig kisebb, mint az eredeti atomok tömege. De a tömeg nem tűnhet el nyomtalanul - Einstein híres E=mc 2 képlete szerint energiává alakul.
Az atombomba létrehozásához szükséges és elégséges feltétel a hasadóanyag beszerzése elegendő mennyiségben. A munka meglehetősen munkaigényes, de alacsony intellektuális, és közelebb áll a bányászathoz, mint a magas tudományhoz. Az ilyen fegyverek létrehozásának fő forrásait óriási uránbányák és dúsító üzemek építésére fordítják. Az eszköz egyszerűségét bizonyítja, hogy egy hónap sem telt el az első bombához szükséges plutónium előállítása és az első szovjet atomrobbanás között.
Idézzük fel röviden egy ilyen bomba működési elvét, amely az iskolai fizikatanfolyamokból ismert. Az urán és egyes transzurán elemek, például a plutónium azon tulajdonságán alapul, hogy a bomlás során egynél több neutront szabadítanak fel. Ezek az elemek spontán módon vagy más neutronok hatására bomlhatnak le.
A felszabaduló neutron elhagyhatja a radioaktív anyagot, vagy egy másik atommal ütközhet, ami újabb hasadási reakciót válthat ki. Ha egy anyag bizonyos koncentrációját (kritikus tömegét) túllépik, az újszülött neutronok száma, ami az atommag további hasadását okozza, elkezdi meghaladni a bomló atommagok számát. A bomló atomok száma lavinaszerűen növekedni kezd, új neutronokat szülve, vagyis láncreakció lép fel. Az urán-235 esetében a kritikus tömeg körülbelül 50 kg, a plutónium-239 esetében - 5,6 kg. Vagyis egy 5,6 kg-nál valamivel kisebb tömegű plutóniumgolyó csak egy meleg fémdarab, és a valamivel nagyobb tömeg csak néhány nanomásodpercig tart.
A bomba tényleges működése egyszerű: veszünk két, a kritikus tömegnél valamivel kisebb urán vagy plutónium félgömböt, 45 cm-es távolságra helyezzük el, fedjük le robbanóanyaggal és robbantjuk fel. Az uránt vagy plutóniumot szuperkritikus tömeggé szinterelik, és megindul a nukleáris reakció. Minden. Van egy másik módja a nukleáris reakció elindításának - egy darab plutónium összenyomása erőteljes robbanással: az atomok közötti távolság csökken, és a reakció alacsonyabb kritikus tömeggel kezdődik. Minden modern atomdetonátor ezen az elven működik.
Az atombombával kapcsolatos problémák attól a pillanattól kezdődnek, amikor növelni akarjuk a robbanás erejét. A hasadóanyag mennyiségének pusztán növelése nem elég – amint tömege eléri a kritikus tömeget, felrobban. Különféle zseniális sémákat találtak ki például arra, hogy ne két részből, hanem sok részből bombát készítsenek, amitől a bomba egy kibelezett narancsra kezdett hasonlítani, majd egyetlen robbanással, de mégis erővel összerakják egy darabba. 100 kilotonnát meghaladó tömeggel a problémák leküzdhetetlenné váltak.
De a termonukleáris fúzióhoz használt üzemanyagnak nincs kritikus tömege. Itt lóg a fejünk fölött a termonukleáris üzemanyaggal feltöltött Nap, egymilliárd éve termonukleáris reakció zajlik benne - és semmi sem robban fel. Ezenkívül például a deutérium és a trícium (a hidrogén nehéz és szupernehéz izotópja) szintézisreakciója során 4,2-szer több energia szabadul fel, mint azonos tömegű urán-235 elégetésekor.
Az atombomba elkészítése inkább kísérleti jellegű volt, mint elméleti folyamat. A hidrogénbomba megalkotása teljesen új fizikai tudományágak megjelenését követelte meg: a magas hőmérsékletű plazma és az ultramagas nyomások fizikáját. Mielőtt elkezdtünk volna bombát építeni, alaposan meg kellett érteni a csak a csillagok magjában előforduló jelenségek természetét. Itt semmilyen kísérlet nem segíthet – csak a kutatók eszközei voltak elméleti fizikaÉs felsőbb matematika. Nem véletlen, hogy a termonukleáris fegyverek fejlesztésében óriási szerep hárul a matematikusokra: Ulamra, Tikhonovra, Szamarszkijra stb.
Klasszikus szuper
1945 végére Edward Teller javasolta az első hidrogénbomba-tervet, amelyet "klasszikus szupernek" neveztek. A fúziós reakció elindításához szükséges szörnyű nyomás és hőmérséklet megteremtéséhez hagyományos atombombát kellett volna használni. Maga a „klasszikus szuper” egy hosszú, deutériummal töltött henger volt. Egy közbenső „gyújtó” kamrát is biztosítottak deutérium-trícium keverékkel - a deutérium és a trícium szintézisreakciója alacsonyabb nyomáson kezdődik. A tűzzel analóg módon a deutériumnak tűzifa, deutérium és trícium keveréke - egy pohár benzin és atombomba - gyufa szerepét kellett volna játszani. Ezt a sémát „csőnek” nevezték - egyfajta szivarnak, amelynek egyik végén atomgyújtó van. A szovjet fizikusok ugyanezzel a sémával kezdték el fejleszteni a hidrogénbombát.
Stanislav Ulam matematikus azonban egy közönséges csúsztatási szabály segítségével bebizonyította Tellernek, hogy a tiszta deutérium fúziós reakciója „szuperben” aligha lehetséges, és a keverékhez akkora mennyiségű tríciumra lenne szükség, hogy előállítsák. szükségessé válik a fegyveres minőségű plutónium előállításának az Egyesült Államokban történő gyakorlatilag befagyasztásához.
Felfújjuk cukorral
1946 közepén Teller egy másik hidrogénbomba-tervet javasolt - egy „ébresztőórát”. Váltakozó gömb alakú urán-, deutérium- és tríciumrétegekből állt. A központi plutónium töltet nukleáris robbanása során a bomba más rétegeiben létrejött a szükséges nyomás és hőmérséklet a termonukleáris reakció megindulásához. Az „ébresztőórához” azonban nagy teljesítményű atomi iniciátorra volt szükség, és az Egyesült Államoknak (valamint a Szovjetuniónak) gondjai voltak a fegyveres minőségű urán és plutónium előállításával.
1948 őszén Andrej Szaharov hasonló tervhez lépett. A Szovjetunióban a mintát „sloyka”-nak hívták. A Szovjetunió számára, amelynek nem volt ideje elegendő mennyiségben fegyveres minőségű urán-235-öt és plutónium-239-et gyártani, Szaharov puffadt pasztája csodaszer volt. És ezért.
Egy hagyományos atombombában a természetes urán-238 nemcsak használhatatlan (a bomlás során keletkező neutronenergiája nem elegendő a hasadás megindításához), hanem káros is, mert szívesen elnyeli a másodlagos neutronokat, lelassítva a láncreakciót. Ezért a fegyveres minőségű urán 90%-a az urán-235 izotópból áll. A termonukleáris fúzióból származó neutronok azonban 10-szer energikusabbak, mint a hasadási neutronok, és az ilyen neutronokkal besugárzott természetes urán-238 kiválóan kezd hasadni. Az új bomba lehetővé tette a korábban hulladéknak számító urán-238 robbanóanyagként való felhasználását.
Szaharov „leveles tésztájának” fénypontja az is, hogy az akut hiányos trícium helyett fehér, világos kristályos anyagot - lítium-deuterid 6 LiD-t használtak.
Mint fentebb említettük, a deutérium és trícium keveréke sokkal könnyebben meggyullad, mint a tiszta deutérium. Itt azonban véget érnek a trícium előnyei, és csak a hátrányai maradnak: jó állapotban a trícium gáz, ami tárolási nehézségeket okoz; A trícium radioaktív, és stabil hélium-3-ra bomlik, amely aktívan fogyasztja a nagyon szükséges gyors neutronokat, így a bomba eltarthatósága néhány hónapra korlátozódik.
A nem radioaktív lítium-deutrid lassú hasadású neutronokkal besugározva tríciummal alakul – ami egy atombiztosíték robbanásának következménye. Így az elsődleges atomrobbanásból származó sugárzás azonnal elegendő mennyiségű tríciumot termel egy további termonukleáris reakcióhoz, és kezdetben deutérium van jelen a lítium-deutridban.
Éppen egy ilyen bombát, az RDS-6-osokat tesztelték sikeresen 1953. augusztus 12-én a szemipalatyinszki tesztterület tornyában. A robbanás ereje 400 kilotonna volt, és még mindig vita folyik arról, hogy valódi termonukleáris robbanásról vagy szupererős atomrobbanásról volt szó. Végül is a Szaharov puffadt pasztájában a termonukleáris fúziós reakció a teljes töltési teljesítmény legfeljebb 20%-át tette ki. A robbanáshoz főként a gyors neutronokkal besugárzott urán-238 bomlási reakciója járult hozzá, aminek köszönhetően az RDS-6-ok bevezették az úgynevezett „piszkos” bombák korszakát.
A tény az, hogy a fő radioaktív szennyeződés a bomlástermékekből származik (különösen a stroncium-90 és a cézium-137). Lényegében Szaharov leveles tésztája egy óriási atombomba volt, csak kissé javítva termonukleáris reakció. Nem véletlen, hogy egyetlen „leveles tészta”-robbanás során a stroncium-90 82%-a és a cézium-137 75%-a keletkezett, amelyek a szemipalatyinszki kísérleti helyszín teljes története során a légkörbe kerültek.
amerikai bombák
A hidrogénbombát azonban elsőként az amerikaiak robbantották fel. 1952. november 1-jén az Elugelab Atollban Csendes-óceán Sikeresen tesztelték a 10 megatonnás hozamú Mike termonukleáris berendezést. Egy 74 tonnás amerikai eszközt nehéz lenne bombának nevezni. A „Mike” egy kétemeletes ház méretű, terjedelmes eszköz volt, folyékony deutériummal töltött abszolút nullához közeli hőmérsékleten (Szaharov „leveles tésztája” teljesen szállítható termék volt). A „Mike” csúcspontja azonban nem a mérete, hanem a termonukleáris robbanóanyagok összenyomásának ötletes elve volt.
Emlékezzünk vissza, hogy a hidrogénbomba fő gondolata az, hogy egy nukleáris robbanás révén megteremtse a fúzió feltételeit (ultramagas nyomás és hőmérséklet). A „puff” sémában a nukleáris töltés a központban helyezkedik el, ezért nem annyira összenyomja a deutériumot, mint inkább szétszórja kifelé - a termonukleáris robbanóanyag mennyiségének növelése nem vezet teljesítménynövekedéshez - egyszerűen nem van ideje robbantani. Pontosan ez korlátozza ennek a rendszernek a maximális teljesítményét – a világ legerősebb „puffa”, az Orange Herald, amelyet a britek 1957. május 31-én robbantottak fel, mindössze 720 kilotonnát adott.
Ideális lenne, ha az atombiztosítékot belül felrobbannánk, összenyomva a termonukleáris robbanóanyagot. De hogyan kell ezt csinálni? Edward Teller zseniális ötletet terjesztett elő: a termonukleáris üzemanyagot nem mechanikai energiával és neutronfluxussal kell összenyomni, hanem az elsődleges atombiztosíték sugárzásával.
Teller új kialakításában az iniciáló atomegységet leválasztották a termonukleáris egységről. Amikor az atomtöltés kiváltott, a röntgensugárzás megelőzte a lökéshullámot, és szétterjedt a hengeres test falai mentén, elpárologva és plazmává változtatva a bombatest polietilén belső burkolatát. A plazma viszont lágyabb röntgensugarakat bocsátott ki, amelyeket az urán-238 belső hengerének külső rétegei abszorbeáltak - a „toló”. A rétegek robbanásszerűen párologni kezdtek (ezt a jelenséget ablációnak nevezik). A forró uránplazma egy szupererős rakétahajtómű sugárhajtásaihoz hasonlítható, amelynek tolóerejét deutériummal irányítják a hengerbe. Az uránhenger összeomlott, a deutérium nyomása és hőmérséklete elérte kritikus szint. Ugyanez a nyomás kritikus tömegre préselte össze a központi plutónium csövet, és az felrobbant. A plutónium gyújtózsinór robbanása belülről nyomta a deutériumot, tovább tömörítette és felmelegítette a termonukleáris robbanóanyagot, amely felrobbant. A neutronok intenzív áramlása felhasítja az urán-238 atommagokat a „tolóban”, ami másodlagos bomlási reakciót vált ki. Mindez még azelőtt megtörténhetett, hogy az elsődleges nukleáris robbanásból származó robbanáshullám elérte a termonukleáris egységet. Mindezen, a másodperc milliárdod részében bekövetkező események kiszámításához a bolygó legerősebb matematikusainak agyereje volt szükséges. A „Mike” készítői nem horrort éltek át a 10 megatonnás robbanásból, hanem leírhatatlan gyönyört – nemcsak megértették azokat a folyamatokat, amelyek a való világban csak a csillagok magjában fordulnak elő, hanem kísérletileg is tesztelték elméleteiket. saját kis csillagukat a Földön.
Bravó
Mivel a forma szépségében felülmúlta az oroszokat, az amerikaiak nem tudták kompaktra tenni készüléküket: Szaharov porított lítium-deuteridja helyett folyékony túlhűtött deutériumot használtak. Los Alamosban némi irigységgel reagáltak Szaharov „leveles tésztájára”: „az oroszok egy vödör nyerstejes hatalmas tehén helyett egy zacskó tejport használnak”. A titkokat azonban mindkét félnek nem sikerült eltitkolnia egymás elől. 1954. március 1-jén, a Bikini Atoll közelében az amerikaiak egy 15 megatonnás „Bravo” bombát teszteltek lítium-deuterid felhasználásával, 1955. november 22-én pedig az első szovjet kétlépcsős termonukleáris bombát, az RDS-37-et, amelynek teljesítménye 1,7 megatonna. felrobbant a szemipalatyinszki tesztterület felett, lebontva a tesztterület csaknem felét. Azóta a termonukleáris bomba kialakítása kisebb változtatásokon ment keresztül (például uránpajzs jelent meg az indítóbomba és a főtöltet között), és kanonikussá vált. És nem maradtak már a világon olyan nagyszabású természeti rejtélyek, amelyeket egy ilyen látványos kísérlettel meg lehetne oldani. Talán egy szupernóva születése.
| Egy kis elmélet Egy termonukleáris bombában 4 reakció van, és ezek nagyon gyorsan lezajlanak. Az első két reakció anyagforrásul szolgál a harmadik és negyedik reakcióhoz, amelyek egy termonukleáris robbanás hőmérsékletén 30-100-szor gyorsabban mennek végbe és nagyobb energiahozamot adnak. Ezért a kapott hélium-3 és trícium azonnal elfogy. Az atommagok pozitív töltésűek, ezért taszítják egymást. Ahhoz, hogy reagáljanak, fejjel kell őket lökni, leküzdve az elektromos taszítást. Ez csak akkor lehetséges, ha nagy sebességgel mozognak. Az atomok sebessége közvetlenül összefügg a hőmérséklettel, aminek el kell érnie az 50 millió fokot! De a deutériumot ilyen hőmérsékletre melegíteni nem elég, azt is meg kell akadályozni, hogy szétszóródjon a mintegy egymilliárd atmoszférájú szörnyű nyomással! A természetben ilyen hőmérséklet ilyen sűrűség mellett csak a csillagok magjában található. |
Betöltés...