Žmonija visada ieškojo naujų energijos šaltinių, galinčių išspręsti daugybę problemų. Tačiau jie ne visada yra saugūs. Taigi, ypač tie, kurie plačiai naudojami šiandien, nors ir gali generuoti tiesiog milžiniškus kiekius visiems reikalingos elektros energijos, vis dar turi savyje. mirtinas pavojus. Tačiau, be taikių tikslų, kai kurios mūsų planetos šalys išmoko jį panaudoti kariniams tikslams, ypač branduolinėms galvutėms kurti. Šiame straipsnyje bus aptartas tokių destruktyvių ginklų, kurių pavadinimas yra ginklų klasės plutonis, pagrindas.
Trumpa informacija
Šioje kompaktiškoje metalo formoje yra mažiausiai 93,5 % 239Pu izotopo. Ginklams tinkamas plutonis buvo pavadintas taip, kad jį būtų galima atskirti nuo „reaktoriaus atitikmens“. Iš esmės plutonis visada susidaro absoliučiai bet kuriame branduoliniame reaktoriuje, kuris, savo ruožtu, veikia su mažai prisodrintu arba natūraliu uranu, kurio didžioji dalis yra 238U izotopas.
Taikymas karinėje pramonėje
Ginklų klasės plutonis 239Pu yra branduolinių ginklų pagrindas. Tuo pačiu metu izotopų, kurių masės skaičiai yra 240 ir 242, naudojimas nėra svarbus, nes jie sukuria labai aukštą neutronų foną, o tai galiausiai apsunkina labai efektyvios branduolinės amunicijos kūrimą ir projektavimą. Be to, plutonio izotopų 240Pu ir 241Pu pusinės eliminacijos laikas yra žymiai trumpesnis, palyginti su 239Pu, todėl plutonio dalys labai įkaista. Būtent šiuo atžvilgiu inžinieriai yra priversti papildomai pridėti elementų, kad pašalintų šilumos perteklių į branduolinius ginklus. Beje, 239Pu gryna forma yra šiltesnis nei žmogaus kūnas. Taip pat negalima neatsižvelgti į tai, kad sunkiųjų izotopų skilimo produktai paveikia metalo kristalinę gardelę žalingiems pokyčiams, o tai visiškai natūraliai keičia plutonio dalių konfigūraciją, kuri galiausiai gali priežastis visiška nesėkmė branduolinis sprogstamasis įtaisas.
Apskritai visus aukščiau išvardintus sunkumus galima įveikti. Ir praktiškai bandymai jau ne kartą buvo atlikti su „reaktoriaus“ plutoniu. Tačiau reikia suprasti, kad branduoliniuose ginkluose jų kompaktiškumas, mažas dedukas, ilgaamžiškumas ir patikimumas jokiu būdu nėra mažiausiai svarbūs. Šiuo atžvilgiu jie naudoja tik ginklams skirtą plutonį.
Gamybinių reaktorių projektavimo ypatumai
Beveik visas plutonis Rusijoje buvo gaminamas reaktoriuose su grafito reguliatoriumi. Kiekvienas iš reaktorių yra pastatytas aplink cilindriškai surinktus grafito blokus.
Surinkus grafito blokelius tarp jų yra specialios plyšelės, užtikrinančios nuolatinę aušinimo skysčio, kuris naudoja azotą, cirkuliaciją. Surinktoje konstrukcijoje taip pat yra vertikaliai išdėstyti kanalai, sukurti vandens aušinimui ir kurui praleisti per juos. Pats mazgas yra tvirtai paremtas konstrukcija su angomis po kanalais, skirtais jau apšvitintam kurui išleisti. Be to, kiekvienas kanalas yra plonasieniame vamzdyje, išlietame iš lengvo ir itin tvirto aliuminio lydinio. Dauguma Aprašytuose kanaluose yra 70 kuro strypų. Aušinamasis vanduo teka tiesiai aplink kuro strypus, pašalindamas iš jų šilumos perteklių.
Gamybos reaktorių galios didinimas
Iš pradžių pirmasis Mayak reaktorius veikė 100 MW šilumine galia. Tačiau pagrindinis sovietų branduolinių ginklų programos vadovas pateikė pasiūlymą, kad reaktorius būtų įjungtas žiemos laikas dirbo 170-190 MW, o vasarą - 140-150 MW galia. Šis metodas leido reaktoriui pagaminti beveik 140 gramų brangaus plutonio per dieną.
1952 m. buvo atliktas visavertis tiriamasis darbas, siekiant padidinti veikiančių reaktorių gamybos pajėgumus šiais metodais:
- Didinant vandens, naudojamo aušinimui ir tekėjimo per branduolinės elektrinės šerdis, srautą.
- Didinant atsparumą korozijos reiškiniui, atsirandančiam šalia kanalo įdėklo.
- Grafito oksidacijos greičio mažinimas.
- Padidėjusi temperatūra kuro elementų viduje.
Dėl to, padidinus tarpą tarp kuro ir kanalo sienelių, cirkuliuojančio vandens pralaidumas žymiai padidėjo. Taip pat pavyko atsikratyti korozijos. Tam buvo parinkti tinkamiausi aliuminio lydiniai ir pradėtas aktyviai dėti natrio bichromatas, kuris galiausiai padidino aušinimo vandens minkštumą (pH tapo apie 6,0-6,2). Grafito oksidacija nustojo būti aktuali problema po to, kai jam aušinti buvo naudojamas azotas (anksčiau buvo naudojamas tik oras).
XX amžiaus šeštojo dešimtmečio pabaigoje naujovės buvo visiškai įgyvendintos praktiškai, sumažindamos labai nereikalingą radiacijos sukeltą urano infliaciją, žymiai sumažindamos urano strypų kietėjimą karščiu, pagerindamos apvalkalo atsparumą ir padidindamos gamybos kokybės kontrolę.
Gamyba Mayak
„Čeliabinskas-65“ yra viena iš tų labai slaptų gamyklų, kuriose buvo sukurtas ginklams tinkamas plutonis. Įmonė turėjo kelis reaktorius, kiekvieną iš jų panagrinėsime atidžiau.
Reaktorius A
Instaliacija buvo sukurta ir sukurta vadovaujant legendiniam N. A. Dollezhalui. Jis veikė 100 MW galia. Reaktorius turėjo 1149 vertikaliai išdėstytus valdymo ir kuro kanalus grafito bloke. Bendras konstrukcijos svoris buvo apie 1050 tonų. Beveik visi kanalai (išskyrus 25) buvo apkrauti uranu, kurio bendra masė siekė 120-130 tonų. Kontroliniams strypams buvo panaudota 17 kanalų, eksperimentams – 8. Maksimalus indikatorius Projektinis kuro elemento šilumos išsiskyrimas buvo 3,45 kW. Iš pradžių reaktorius pagamino apie 100 gramų plutonio per dieną. Pirmasis metalinis plutonis buvo pagamintas 1949 m. balandžio 16 d.
Technologiniai trūkumai
Beveik iš karto buvo nustatytos gana rimtos problemos, kurias sudarė aliuminio įdėklų korozija ir kuro elementų dengimas. Urano strypai taip pat išsipūtė ir buvo pažeisti, todėl aušinimo vanduo nutekėjo tiesiai į reaktoriaus aktyvią zoną. Po kiekvieno nuotėkio reaktorius turėjo būti sustabdytas iki 10 valandų, kad grafitas būtų išdžiovintas oru. 1949 m. sausio mėn. kanalų įdėklai buvo pakeisti. Po to instaliacija buvo paleista 1949 m. kovo 26 d.
Ginklinis plutonis, kurio gamyba A reaktoriuje buvo lydimas visokių sunkumų, buvo gaminamas 1950–1954 m., kai vidutinė vieneto galia buvo 180 MW. Vėlesnis reaktoriaus eksploatavimas ėmė būti kartu su intensyvesniu naudojimu, kas visiškai natūraliai lėmė dažnesnius išjungimus (iki 165 kartų per mėnesį). Dėl to reaktorius buvo sustabdytas 1963 metų spalį ir atnaujintas tik 1964 metų pavasarį. Jis visiškai baigė savo kampaniją 1987 m. ir per daugelį veiklos metų pagamino 4,6 tonos plutonio.
AB reaktoriai
1948 metų rudenį įmonėje Čeliabinskas-65 buvo nuspręsta pastatyti tris AB reaktorius. Jų gamybos pajėgumai siekė 200-250 gramų plutonio per dieną. Projekto vyriausiasis dizaineris buvo A. Savinas. Kiekviename reaktoriuje buvo 1996 kanalai, iš kurių 65 buvo valdymo kanalai. Instaliacijose panaudota techninė naujovė – kiekviename kanale buvo įrengtas specialus aušinimo skysčio nuotėkio detektorius. Šis žingsnis leido pakeisti įdėklus nestabdant paties reaktoriaus darbo.
Pirmieji reaktorių veikimo metai parodė, kad per dieną jie pagamindavo apie 260 gramų plutonio. Tačiau jau nuo antrųjų eksploatavimo metų galia buvo palaipsniui didinama ir jau 1963 metais jos rodiklis siekė 600 MW. Po antrojo kapitalinio remonto įdėklų problema buvo visiškai išspręsta, o galia jau buvo 1200 MW, o per metus pagaminama 270 kilogramų plutonio. Šie rodikliai išliko iki visiško reaktorių uždarymo.
AI-IR reaktorius
Naudojo Čeliabinsko įmonė ši instaliacija laikotarpiu nuo 1951-12-22 iki 1987-05-25. Be urano, reaktoriuje taip pat buvo gaminamas kobaltas-60 ir polonis-210. Iš pradžių gamykla gamino tritį, bet vėliau pradėjo gaminti plutonį.
Ginklinio plutonio perdirbimo gamykloje taip pat veikė sunkiojo vandens reaktoriai ir vienas lengvojo vandens reaktorius (jo pavadinimas buvo „Ruslanas“).
Sibiro milžinas
„Tomskas-7“ – taip vadinosi gamykla, kurioje buvo penki reaktoriai plutoniui gaminti. Kiekvienas blokas naudojo grafitą neutronams sulėtinti ir įprastą vandenį, kad būtų užtikrintas tinkamas aušinimas.
I-1 reaktorius veikė su aušinimo sistema, kurioje vanduo praeidavo vieną kartą. Tačiau likusiuose keturiuose įrenginiuose buvo įrengtos uždaros pirminės grandinės su šilumokaičiais. Ši konstrukcija leido papildomai generuoti garą, o tai savo ruožtu padėjo gaminti elektrą ir šildyti įvairias gyvenamąsias patalpas.
Tomskas-7 taip pat turėjo reaktorių pavadinimu EI-2, kuris savo ruožtu turėjo dvejopą paskirtį: gamino plutonį ir dėl susidarančių garų pagamino 100 MW elektros energijos, taip pat 200 MW šiluminės energijos.
Svarbi informacija
Mokslininkų teigimu, ginklų klasės plutonio pusinės eliminacijos laikas yra apie 24 360 metų. Didžiulis skaičius! Šiuo atžvilgiu ypač aktualus tampa klausimas: „Kaip tinkamai elgtis su šio elemento gamybos atliekomis? Geriausiu variantu laikomas specialių įmonių, skirtų tolesniam ginklų klasės plutonio perdirbimui, statyba. Tai paaiškinama tuo, kad tokiu atveju elementas nebegali būti naudojamas kariniams tikslams ir jį valdys žmogus. Ginkliniam naudojimui tinkamas plutonis būtent taip šalinamas Rusijoje, tačiau Jungtinės Amerikos Valstijos pasuko kitu keliu, taip pažeisdamos savo tarptautinius įsipareigojimus.
Taigi Amerikos vyriausybė siūlo labai prisodrintą medžiagą naikinti ne pramoninėmis priemonėmis, o skiedžiant plutonį ir sandėliuojant specialiuose konteineriuose 500 metrų gylyje. Savaime suprantama, kad tokiu atveju medžiagą bet kada galima lengvai nuimti nuo žemės ir vėl panaudoti kariniams tikslams. Pasak Rusijos prezidento Vladimiro Putino, iš pradžių šalys susitarė plutonį naikinti ne šiuo metodu, o šalinti pramoniniuose objektuose.
Ginklinio plutonio kaina nusipelno ypatingo dėmesio. Pasak ekspertų, dešimtys tonų šio elemento gali kainuoti kelis milijardus JAV dolerių. O kai kurie ekspertai net apskaičiavo, kad 500 tonų ginklams tinkamo plutonio kainuoja net 8 trilijonus dolerių. Suma tikrai įspūdinga. Kad būtų aiškiau, kiek tai yra pinigai, tarkime, kad per pastaruosius dešimt XX amžiaus metų Rusijos vidutinis metinis BVP siekė 400 mlrd. Tai yra, tikroji ginklų klasės plutonio kaina buvo lygi dvidešimt metinių Rusijos Federacijos BVP.
| Plutonis | |
|---|---|
| Atominis skaičius | 94 |
| Išvaizda paprasta medžiaga | |
| Atomo savybės | |
| Atominė masė (molinė masė) |
244.0642 a. e.m. (/mol) |
| Atominis spindulys | 151 val |
| Jonizacijos energija (pirmasis elektronas) |
491,9 (5,10) kJ/mol (eV) |
| Elektroninė konfigūracija | 5f 6 7s 2 |
| Cheminės savybės | |
| Kovalentinis spindulys | n/a pm |
| Jonų spindulys | (+4e) 93 (+3e) 108 val |
| Elektronegatyvumas (pagal Paulingą) |
1,28 |
| Elektrodo potencialas | Pu←Pu 4+ -1,25V Pu←Pu 3+ -2,0V Pu←Pu 2+ -1,2V |
| Oksidacijos būsenos | 6, 5, 4, 3 |
| Paprastos medžiagos termodinaminės savybės | |
| Tankis | 19,84 / cm³ |
| Molinė šiluminė talpa | 32,77 J/(mol) |
| Šilumos laidumas | (6,7) W/( ·) |
| Lydymosi temperatūra | 914 |
| Lydymosi šiluma | 2,8 kJ/mol |
| Virimo temperatūra | 3505 |
| Garavimo šiluma | 343,5 kJ/mol |
| Molinis tūris | 12,12 cm³/mol |
| Paprastos medžiagos kristalinė gardelė | |
| Grotelių struktūra | monoklinika |
| Grotelių parametrai | a = 6,183 b = 4,822 c = 10,963 β = 101,8 |
| c/a santykis | — |
| Debye temperatūra | 162 |
Plutonis- radioaktyvus cheminis aktinidų grupės elementas, plačiai naudojamas gamyboje atominiai ginklai(vadinamasis „ginklų klasės plutonis“), taip pat (eksperimentiniu būdu) kaip branduolinis kuras branduoliniams reaktoriams civiliniams ir mokslinių tyrimų tikslams. Pirmasis dirbtinis elementas, gautas tokiais kiekiais, kuriuos galima sverti (1942 m.).
Lentelėje dešinėje parodytos pagrindinės α-Pu, pagrindinės alotropinės plutonio modifikacijos, savybės kambario temperatūroje ir normaliame slėgyje.
Plutonio istorija
Plutonio izotopas 238 Pu pirmą kartą dirbtinai pagamino 1941 m. vasario 23 d. Amerikos mokslininkų grupė, vadovaujama Glenno Seaborgo, apšvitinant branduolius. uranas deuteronai. Pažymėtina, kad tik po dirbtinė gamyba plutonis buvo aptiktas gamtoje: 239 Pu urano rūdose paprastai randama nežymiai kaip radioaktyvaus urano virsmo produktas.
Plutonio radimas gamtoje
Urano rūdose dėl urano branduolių gaudymo neutronų (pavyzdžiui, neutronų iš kosminės spinduliuotės), neptūnas(239 Np), kurio β skilimo produktas yra natūralus plutonis-239. Tačiau plutonis susidaro tokiais mikroskopiniais kiekiais (0,4-15 dalių Pu 10 12 dalių U), kad jo gavyba iš urano rūdų nebegalima.
vardo kilmė plutonis
1930 metais astronominį pasaulį sujaudino nuostabi žinia: buvo atrasta nauja planeta, apie kurios egzistavimą jau seniai kalbėjo astronomas, matematikas ir fantastinių esė apie Marso gyvenimą autorius Percivalis Lovellas. Remiantis daugelio metų judėjimo stebėjimais Uranas Ir Neptūnas Lovellas padarė išvadą, kad už Neptūno saulės sistema turi būti kita, devinta planeta, keturiasdešimt kartų toliau nuo Saulės nei Žemė.
Šią planetą, kurios orbitinius elementus Lovell apskaičiavo dar 1915 m., astronomas K. Tombaugh Flagstaff observatorijoje 1930 m. sausio 21, 23 ir 29 dienomis aptiko nuotraukose ( JAV) . Planeta buvo pavadinta Plutonas. 94-asis elementas, dirbtinai gautas 1940 metų pabaigoje iš branduolių, buvo pavadintas šios planetos, esančios Saulės sistemoje už Neptūno, vardu. atomai uranas amerikiečių mokslininkų grupė, vadovaujama G. Seaborgo.
Fizinės savybės plutonis
Yra 15 plutonio izotopų – B didžiausi kiekiai Gaunami izotopai, kurių masės skaičius yra nuo 238 iki 242:
238 Pu -> (pusėjimo laikas 86 metai, alfa skilimas) -> 234 U,
Šis izotopas beveik išimtinai naudojamas kosmoso tikslams skirtuose RTG, pavyzdžiui, visose transporto priemonėse, kurios skrido už Marso orbitos.
239 Pu -> (pusėjimo laikas 24 360 metų, alfa skilimas) -> 235 U,
Šis izotopas labiausiai tinka branduolinių ginklų ir greitųjų neutroninių branduolinių reaktorių statybai.
240 Pu -> (pusinės eliminacijos laikas 6580 metų, alfa skilimas) -> 236 U, 241 Pu -> (pusėjimo laikas 14,0 metų, beta skilimas) -> 241 Am, 242 Pu -> (pusinės eliminacijos laikas 370 000 metų, alfa -skilimas) -> 238 U
Šie trys izotopai neturi rimtos pramoninės reikšmės, bet yra gaunami kaip šalutiniai produktai, kai energija gaminama branduoliniuose reaktoriuose naudojant uraną, nuosekliai sugaunant kelis neutronus urano-238 branduoliais. Izotopas 242 savo branduolinėmis savybėmis labiausiai panašus į uraną-238. Dūmų detektoriuose buvo naudojamas americis-241, susidarantis irstant izotopui 241.
Plutonis yra įdomus tuo, kad jame vyksta šeši fazių perėjimai iš kietėjimo temperatūros į kambario temperatūrą, daugiau nei bet kuris kitas cheminis elementas. Su pastaruoju tankis staigiai padidėja 11%, todėl plutonio liejiniai trūkinėja. Alfa fazė yra stabili kambario temperatūroje, kurios charakteristikos pateiktos lentelėje. Taikymui patogesnė delta fazė, kurios tankis yra mažesnis, ir kubinė kūno centre esanti grotelė. Plutonis delta fazėje yra labai plastiškas, o alfa fazė yra trapus. Plutoniui stabilizuoti delta fazėje naudojamas trivalenčių metalų dopingas (pirmuose branduoliniuose užtaisuose buvo naudojamas galis).
Plutonio panaudojimas
Pirmasis plutonio pagrindu pagamintas branduolinis užtaisas buvo susprogdintas 1945 metų liepos 16 dieną Alamogordo bandymų poligone (bandomas). Kodinis pavadinimas Trejybė).
Biologinis plutonio vaidmuo
Plutonis yra labai toksiškas; Didžiausia leistina 239 Pu koncentracija atviruose vandens telkiniuose ir darbo patalpų ore yra atitinkamai 81,4 ir 3,3 * 10 −5 Bq/l. Dauguma plutonio izotopų turi didelį jonizacijos tankį ir trumpą dalelių kelio ilgį, todėl jo toksiškumą lemia ne tiek jo cheminės savybės (plutonis tikriausiai nėra toksiškesnis nei kiti sunkieji metalai), kiek jonizuojantis poveikis. ant aplinkinių kūno audinių. Plutonis priklauso elementų grupei, pasižyminčiai ypač dideliu radiotoksiškumu. Organizme plutonis sukelia didelius negrįžtamus skeleto, kepenų, blužnies, inkstų pokyčius ir sukelia vėžį. Didžiausias leistinas plutonio kiekis organizme neturėtų viršyti dešimtųjų mikrogramų.
Su tema susiję meno kūriniai plutonis
- Plutonis buvo naudojamas De Lorean DMC-12 aparatui filme „Atgal į ateitį“ kaip kuras srauto akumuliatoriui keliauti į ateitį ar praeitį.
— Denveryje (JAV) teroristų susprogdintos atominės bombos užtaisas Tomo Clancy filme „Visos pasaulio baimės“ buvo pagamintas iš plutonio.
- Kenzaburo Oe „Žiupsnio bėgiko užrašai“
— 2006 m. Beacon Pictures išleido filmą Plutonis-239 ( "Pu-239")
Chemija
Plutonis Pu – elementas Nr.94 siejamas su labai didelėmis žmonijos viltimis ir labai didelėmis baimėmis. Šiais laikais tai vienas svarbiausių, strategiškai svarbiausių elementų. Tai brangiausias iš techniškai svarbių metalų – jis daug brangesnis už sidabrą, auksą ir platiną. Jis tikrai brangus.
Fonas ir istorija
Pradžioje buvo protonai – galaktinis vandenilis. Dėl jo suspaudimo ir vėlesnių branduolinių reakcijų susidarė neįtikėtiniausi nukleonų „luitai“. Tarp šių „luitų“, matyt, buvo 94 protonai. Teoretikų skaičiavimais, apie 100 nukleonų darinių, kuriuose yra 94 protonai ir nuo 107 iki 206 neutronai, yra tokie stabilūs, kad juos galima laikyti elemento Nr.94 izotopų branduoliais.
Tačiau visi šie izotopai – hipotetiniai ir realūs – nėra tokie stabilūs, kad išliktų iki šių dienų nuo Saulės sistemos elementų susidarymo. Ilgiausiai gyvuojančio elemento Nr.94 izotopo pusinės eliminacijos laikas yra 81 milijonas metų. Galaktikos amžius matuojamas milijardais metų. Vadinasi, „pirminis“ plutonis neturėjo šansų išgyventi iki šių dienų. Jei jis susidarė per didžiąją Visatos elementų sintezę, tai tie senoviniai jos atomai „išnyko“ seniai, kaip išnyko dinozaurai ir mamutai.
XX amžiuje Naujoji era, po Kr., šis elementas buvo atkurtas. Iš 100 galimų plutonio izotopų susintetinti 25. Ištirtos 15 iš jų branduolinės savybės. Rastos keturios praktinis naudojimas. Ir jis buvo atidarytas visai neseniai. 1940 m. gruodį, kai uranas buvo apšvitintas sunkiaisiais vandenilio branduoliais, amerikiečių radiochemikų grupė, vadovaujama Glenno T. Seaborgo, atrado anksčiau nežinomą alfa dalelių skleidėją, kurio pusinės eliminacijos laikas buvo 90 metų. Paaiškėjo, kad šis skleidėjas yra elemento Nr.94 izotopas, kurio masės skaičius yra 238. Tais pačiais metais, bet prieš kelis mėnesius E.M. McMillanas ir F. Abelsonas gavo pirmąjį elementą, sunkesnį už uraną, elemento numerį 93. Šis elementas buvo vadinamas neptūnu, o elementas 94 – plutoniu. Istorikas tikrai pasakys, kad šie vardai kilę iš romėnų mitologijos, tačiau iš esmės šių vardų kilmė veikiau ne mitologinė, o astronominė.
Elementai Nr.92 ir 93 pavadinti tolimų Saulės sistemos planetų – Urano ir Neptūno – vardais, tačiau Neptūnas Saulės sistemoje nėra paskutinis, dar toliau slypi Plutono – planetos, apie kurią dar beveik nieko nežinoma, orbita. .. Panaši konstrukcija Mes taip pat matome periodinės lentelės „kairėje pusėje“: uranas - neptūnas - plutonis, tačiau apie plutonį žmonija žino daug daugiau nei apie Plutoną. Beje, astronomai Plutoną atrado likus vos dešimčiai metų iki plutonio sintezės – beveik tiek pat laiko skyrė Urano – planetos ir urano – elemento atradimai.
Mįslės kriptografams
Pirmasis elemento Nr. 94 izotopas plutonis-238 šiomis dienomis buvo praktiškai pritaikytas. Tačiau 40-ųjų pradžioje jie apie tai net negalvojo. Praktiškai svarbiais kiekiais plutonio-238 galima gauti tik pasikliaujant galinga branduoline pramone. Tuo metu tai buvo tik pradinėje stadijoje. Tačiau jau buvo aišku, kad išleidžiant energiją, esančią sunkiųjų radioaktyviųjų elementų branduoliuose, buvo galima gauti precedento neturinčios galios ginklų. Pasirodė Manheteno projektas, kuris turėjo tik pavadinimą, bendrą su garsiąja Niujorko vietove. Tai buvo bendras visų darbų, susijusių su pirmųjų atominių bombų kūrimu JAV, pavadinimas. Manheteno projekto vadovu buvo paskirtas ne mokslininkas, o kariškis generolas Grovesas, kuris savo aukšto išsilavinimo kaltinimus „sudaužytais puodais“ pavadino „sudaužytais puodais“.
„Projekto“ vadovai nesidomėjo plutoniu-238. Jo branduoliai, kaip ir visų plutonio izotopų, turinčių lygų masės skaičių, branduoliai nėra dalijami mažos energijos neutronų, todėl jis negalėtų tarnauti kaip branduolinis sprogmuo. Nepaisant to, pirmieji nelabai aiškūs pranešimai apie elementus Nr.93 ir 94 spaudoje pasirodė tik 1942 metų pavasarį.
Kaip mes galime tai paaiškinti? Fizikai suprato: plutonio izotopų su nelyginiais masės skaičiais sintezė buvo laiko klausimas, o ne per ilgai. Buvo tikimasi, kad nelyginiai izotopai, kaip ir uranas-235, galės palaikyti branduolinę grandininę reakciją. Kai kurie žmonės juos vertino kaip potencialius branduolinius sprogmenis, kurie dar nebuvo gauti. Ir šios viltys plutonis, deja, jis tai pateisino.
To meto šifravime elementas Nr.94 buvo vadinamas tik... variu. Ir kai atsirado poreikis pačiam variui (kaip kai kurių dalių konstrukcinei medžiagai), tada koduose kartu su „variu“ atsirado „tikrasis varis“.
"Gėrio ir blogio pažinimo medis"
1941 metais buvo aptiktas svarbiausias plutonio izotopas – izotopas, kurio masės skaičius 239. Ir beveik iš karto pasitvirtino teoretikų prognozė: plutonio-239 branduoliai buvo suskaidyti terminių neutronų. Be to, jų dalijimosi metu susidarė ne mažiau neutronų nei dalijantis uranui-235. Iš karto buvo aprašyti būdai gauti šį izotopą dideliais kiekiais...
Praėjo metai. Dabar niekam ne paslaptis, kad arsenaluose saugomos branduolinės bombos pripildytos plutonio-239 ir kad šių bombų pakanka padaryti nepataisomą žalą visai gyvybei Žemėje.
Plačiai paplitęs įsitikinimas, kad žmonija aiškiai paskubėjo atrasti branduolinę grandininę reakciją (kurios neišvengiama pasekmė buvo branduolinės bombos sukūrimas). Galite galvoti kitaip arba apsimesti, kad galvojate kitaip - maloniau būti optimistu. Tačiau net optimistai neišvengiamai susiduria su mokslininkų atsakomybės klausimu. Prisimename pergalingą 1954-ųjų birželio dieną, dieną, kai pirmoji atominė jėgainė Obninske. Tačiau negalime pamiršti 1945 m. rugpjūčio ryto – „Hirošimos ryto“, „juodosios Alberto Einšteino dienos“... Prisimename pirmuosius pokario metus ir siautėjantį atominį šantažą – tais metais Amerikos politikos pagrindą. . Bet ar žmonija vėlesniais metais nepatyrė daug rūpesčių? Be to, šį nerimą daug kartų sustiprino sąmonė, kad jei prasidėtų naujas protrūkis Pasaulinis karas, bus paleistas branduolinis ginklas.
Čia galite pabandyti įrodyti, kad plutonio atradimas nepridėjo žmonijai baimės, o atvirkščiai – buvo tik naudingas.
Tarkime, atsitiko taip, kad dėl kažkokių priežasčių arba, kaip senais laikais sakydavo, Dievo valia, plutonis mokslininkams buvo nepasiekiamas. Ar tada mūsų baimės ir rūpesčiai sumažėtų? Nieko neatsitiko. Branduolinės bombos būtų gaminamos iš urano-235 (ir ne mažiau nei iš plutonio), o šios bombos „suvalgytų“ dar didesnę biudžeto dalį nei dabar.
Tačiau be plutonio nebūtų perspektyvų taikiam branduolinės energijos naudojimui dideliu mastu. Urano-235 tiesiog neužtektų „taikiam atomui“. Blogis, kurį žmonijai padarė atradus branduolinę energiją, net iš dalies nebūtų subalansuotas „gerojo atomo“ pasiekimais.
Kaip išmatuoti, su kuo palyginti
Kai plutonio-239 branduolys neutronais padalijamas į du maždaug vienodos masės fragmentus, išsiskiria apie 200 MeV energijos. Tai yra 50 milijonų kartų daugiau energijos, išsiskiriančios garsiausioje egzoterminėje reakcijoje C + O 2 = CO 2. „Sudeginus“ branduoliniame reaktoriuje vienas gramas plutonio duoda 2107 kcal. Kad nebūtų pažeistos tradicijos (o populiariuose straipsniuose branduolinio kuro energija dažniausiai matuojama nesisteminiais vienetais – tonomis anglies, benzino, trinitrotolueno ir kt.), taip pat atkreipiame dėmesį: tai energija, esanti 4 tonose. anglies. O paprastoje antpirštyje yra toks plutonio kiekis, kuris energetiškai prilygsta keturiasdešimčiai automobilių krovinių gerų beržinių malkų.
Ta pati energija išsiskiria neutronams dalijantis urano-235 branduoliams. Tačiau didžioji natūralaus urano dalis (99,3 proc.!) yra izotopas 238 U, kuris gali būti panaudotas tik uraną paverčiant plutoniu...
Akmenų energija
Įvertinkime gamtinių urano atsargų esančius energijos išteklius.
Uranas yra mikroelementas ir randamas beveik visur. Kas lankėsi, pavyzdžiui, Karelijoje, tikriausiai prisimins granitinius riedulius ir pakrantės skardžius. Tačiau nedaugelis žino, kad tonoje granito yra iki 25 g urano. Granitas sudaro beveik 20% masės Žemės pluta. Jei skaičiuotume tik uraną-235, tai tonoje granito yra 3,5-105 kcal energijos. Tai daug, bet...
Apdorojant granitą ir iš jo išgaunant uraną, reikia išleisti dar didesnį energijos kiekį – apie 106-107 kcal/t. Dabar, jei būtų galima kaip energijos šaltinį naudoti ne tik uraną-235, bet ir uraną-238, tai granitą būtų galima laikyti bent jau potencialia energetine žaliava. Tuomet iš tonos akmens gaunama energija būtų nuo 8-107 iki 5-108 kcal. Tai prilygsta 16–100 tonų anglies. Ir šiuo atveju granitas galėtų suteikti žmonėms beveik milijoną kartų daugiau energijos nei visos cheminio kuro atsargos Žemėje.
Tačiau urano-238 branduoliai neskilsta neutronais. Dėl atominė energijašis izotopas yra nenaudingas. Tiksliau, būtų nenaudinga, jei jo nepavyktų paversti plutoniu-239. Ir kas ypač svarbu: šiai branduolinei transformacijai energijos išleisti praktiškai nereikia – atvirkščiai, šiame procese energija gaminama!
Pabandykime išsiaiškinti, kaip tai vyksta, bet pirmiausia keli žodžiai apie natūralų plutonį.
400 tūkstančių kartų mažiau nei radžio
Jau buvo pasakyta, kad plutonio izotopai nebuvo išsaugoti nuo elementų sintezės mūsų planetos formavimosi metu. Bet tai nereiškia, kad Žemėje nėra plutonio.
Jis visą laiką susidaro urano rūdose. Užfiksuojant neutronus iš kosminės spinduliuotės ir neutronus, susidarančius savaiminio urano-238 branduolių dalijimosi metu, kai kurie – labai nedaug – šio izotopo atomų virsta urano-239 atomais. Šie branduoliai yra labai nestabilūs, skleidžia elektronus ir taip padidina jų krūvį. Susidaro neptūnas, pirmasis transurano elementas. Neptūnas-239 taip pat yra labai nestabilus, o jo branduoliai išskiria elektronus. Vos per 56 valandas pusė neptūno-239 virsta plutoniu-239, kurio pusinės eliminacijos laikas jau gana ilgas – 24 tūkst.
Kodėl plutonis nėra išgaunamas iš urano rūdų?? Maža, per maža koncentracija. „Gamyba grame – darbas per metus“ – tai maždaug radis, o plutonis rūdose yra 400 tūkstančių kartų mažesnis nei radžio. Todėl labai sunku ne tik išgauti, bet net ir aptikti „sausumos“ plutonį. Tai buvo padaryta tik po to, kai buvo ištirtos branduoliniuose reaktoriuose gaminamo plutonio fizinės ir cheminės savybės.
Plutonis kaupiamas branduoliniuose reaktoriuose. Galinguose neutronų srautuose vyksta ta pati reakcija kaip ir urano rūdose, tačiau plutonio susidarymo ir kaupimosi greitis reaktoriuje yra daug didesnis – milijardą milijardų kartų. Balastinio urano-238 konvertavimo į energetinį plutonį-239 reakcijai sudaromos optimalios (priimtinos) sąlygos.
Jei reaktorius veikia šiluminiais neutronais (prisiminkime, kad jų greitis yra apie 2000 m per sekundę, o jų energija yra elektronvolto dalis), tai iš natūralaus urano izotopų mišinio gaunamas plutonio kiekis, kuris yra šiek tiek mažesnis nei „sudegusio“ urano-235 kiekis. Šiek tiek, bet mažiau, plius neišvengiami plutonio nuostoliai cheminiu būdu atskiriant jį nuo apšvitinto urano. Be to, branduolinė grandininė reakcija natūraliame urano izotopų mišinyje palaikoma tik tol, kol sunaudojama nedidelė urano-235 dalis. Taigi logiška išvada: „terminis“ reaktorius, kuriame naudojamas natūralus uranas – pagrindinė šiuo metu veikiančių reaktorių rūšis – negali užtikrinti išplėstinio branduolinio kuro atgaminimo. Bet kas tada yra perspektyvus? Norėdami atsakyti į šį klausimą, palyginkime branduolinės grandininės reakcijos eigą urane-235 ir plutonyje-239 ir į mūsų diskusijas įtrauksime kitą fizikinę koncepciją.
Svarbiausia bet kurio branduolinio kuro charakteristika yra vidutinis neutronų, išmetamų po to, kai branduolys užfiksavo vieną neutroną, skaičius. Fizikai jį vadina eta skaičiumi ir žymi graikiška raide q. „Šiluminiuose“ urano reaktoriuose stebimas toks modelis: kiekvienas neutronas generuoja vidutiniškai 2,08 neutrono (η = 2,08). Plutonis, patalpintas į tokį reaktorių, veikiamas šiluminių neutronų, duoda η = 2,03. Tačiau yra ir reaktorių, kurie veikia greitais neutronais. Nenaudinga į tokį reaktorių krauti natūralų urano izotopų mišinį: grandininė reakcija neįvyks. Bet jei „žaliava“ yra praturtinta uranu-235, ją galima sukurti „greitame“ reaktoriuje. Šiuo atveju c jau bus lygus 2,23. O plutonis, veikiamas greitos neutronų ugnies, duos η lygų 2,70. Turėsime „papildomą pusę neutrono“. Ir tai visai nėra mažai.
Pažiūrėkime, kam išleidžiami susidarę neutronai. Bet kuriame reaktoriuje branduolinei grandininei reakcijai palaikyti reikia vieno neutrono. Įrenginio statybinės medžiagos sugeria 0,1 neutrono. „Perteklius“ naudojamas plutoniui-239 kaupti. Vienu atveju „perteklius“ yra 1,13, kitu – 1,60. „Sudeginus“ kilogramą plutonio „greitame“ reaktoriuje išsiskiria kolosali energija ir susikaupia 1,6 kg plutonio. O uranas „greitame“ reaktoriuje suteiks tiek pat energijos ir 1,1 kg naujo branduolinio kuro. Abiem atvejais pastebimas išplėstas dauginimasis. Tačiau mes neturime pamiršti apie ekonomiką.
Dėl serijos techninių priežasčių Plutonio veisimosi ciklas trunka keletą metų. Tarkime, penkeri metai. Tai reiškia, kad plutonio kiekis per metus padidės tik 2%, jei η=2,23, ir 12%, jei η=2,7! Branduolinis kuras yra kapitalas, ir bet koks kapitalas turėtų duoti, tarkime, 5% per metus. Pirmuoju atveju patiriami dideli nuostoliai, o antruoju – didelis pelnas. Šis primityvus pavyzdys iliustruoja kiekvieno dešimtosios skaičiaus „svorį“ branduolinėje energetikoje.
Svarbu ir dar kai kas. Branduolinė energija turi neatsilikti nuo augančio energijos poreikio. Skaičiavimai rodo, kad jo sąlyga ateityje bus įvykdyta tik tada, kai η artėja prie trijų. Jei branduolinės energijos šaltinių plėtra atsiliks nuo visuomenės energijos poreikių, tada liks dvi galimybės: arba „sulėtinti pažangą“, arba paimti energiją iš kitų šaltinių. Jie žinomi: termobranduolinė sintezė, materijos ir antimaterijos anihiliacijos energija, tačiau dar nėra techniškai prieinamos. Ir nežinia, kada jie taps tikrais žmonijos energijos šaltiniais. O sunkiųjų branduolių energija mums jau seniai tapo realybe, ir šiandien plutonis, kaip pagrindinis atominės energijos „tiekėjas“, neturi rimtų konkurentų, išskyrus galbūt uraną-233.
Daugelio technologijų suma
Kai dėl branduolinių reakcijų urane susikaupia reikiamas kiekis plutonio, jis turi būti atskirtas ne tik nuo paties urano, bet ir nuo skilimo fragmentų – tiek urano, tiek plutonio, sudegusių vykstant branduolinei grandininei reakcijai. Be to, urano-plutonio masėje taip pat yra tam tikras neptūno kiekis. Sunkiausia atskirti plutonį nuo neptūno ir retųjų žemių elementus (lantanidus). Plutonis kaip cheminis elementas tam tikru mastu nepasisekė. Chemiko požiūriu, pagrindinis branduolinės energijos elementas yra tik vienas iš keturiolikos aktinidų. Kaip ir retųjų žemių elementai, visi aktinio serijos elementai yra labai arti vienas kito cheminės savybės, visų elementų nuo aktinio iki 103 atomų išorinių elektronų apvalkalų struktūra yra vienoda. Dar nemalonu yra tai, kad aktinidų cheminės savybės yra panašios į retųjų žemių elementų savybes, o tarp urano ir plutonio dalijimosi fragmentų yra daugiau nei pakankamai lantanidų. Bet tada elementas 94 gali būti penkių valentinių būsenų, ir tai „pasaldina piliulę“ - padeda atskirti plutonį ir nuo urano, ir nuo dalijimosi fragmentų.
Plutonio valentingumas svyruoja nuo trijų iki septynių. Cheminiu požiūriu stabiliausi (taigi ir labiausiai paplitę bei labiausiai ištirti) junginiai yra keturiavalentis plutonis.
Panašių cheminių savybių aktinidų – urano, neptūno ir plutonio – atskyrimas gali būti pagrįstas jų tetra- ir šešiavalenčių junginių savybių skirtumais.
Nereikia detaliai aprašyti visų plutonio ir urano cheminio atskyrimo etapų. Paprastai jų atskyrimas prasideda nuo urano strypų ištirpinimo azoto rūgštis, po to tirpale esantys uranas, neptūnas, plutonis ir fragmentacijos elementai „atskiriami“ naudojant tradicinius radiocheminius metodus – nusodinimą, ekstrakciją, jonų mainus ir kt. Galutiniai plutonio turintys šios daugiapakopės technologijos produktai yra jo dioksidas PuO 2 arba fluoridai – PuF 3 arba PuF 4. Jie redukuojami į metalą bario, kalcio ar ličio garais. Tačiau šiuose procesuose gautas plutonis netinka konstrukcinės medžiagos vaidmeniui – iš jo negalima pagaminti branduolinių reaktorių kuro elementų, negalima išlieti atominės bombos užtaiso. Kodėl? Plutonio lydymosi temperatūra – tik 640°C – yra gana pasiekiama.
Kad ir kokiomis „ypač švelniomis“ sąlygomis būtų liejamos dalys iš gryno plutonio, kietėjimo metu liejiniuose visada atsiras įtrūkimų. 640°C temperatūroje kietėjantis plutonis sudaro kubinę kristalinę gardelę. Temperatūrai mažėjant, metalo tankis palaipsniui didėja. Tačiau tada temperatūra pasiekė 480°C, o tada staiga plutonio tankis smarkiai sumažėja. Šios anomalijos priežastys buvo atrastos gana greitai: tokioje temperatūroje plutonio atomai persitvarko kristalinėje gardelėje. Jis tampa tetragoniškas ir labai „laisvas“. Toks plutonis gali plūduriuoti savo tirpale, kaip ledas ant vandens.
Temperatūra ir toliau mažėja, dabar ji pasiekė 451 ° C, o atomai vėl sudarė kubinę gardelę, tačiau išsidėstę didesniu atstumu vienas nuo kito nei pirmuoju atveju. Toliau aušinant, grotelės pirmiausia tampa ortorombinės, tada monoklininės. Iš viso plutonis sudaro šešias skirtingas kristalines formas! Du iš jų išsiskiria nepaprasta savybe – neigiamu šiluminio plėtimosi koeficientu: kylant temperatūrai metalas nesiplečia, o susitraukia.
Temperatūrai pasiekus 122°C ir plutonio atomams šeštą kartą pertvarkius eiles, tankis pasikeičia ypač dramatiškai – nuo 17,77 iki 19,82 g/cm 3 . Daugiau nei 10%!
Atitinkamai mažėja luito tūris. Jei metalas vis dar galėtų atsispirti įtempiams, kurie atsirado kitų perėjimų metu, tai šiuo metu sunaikinimas yra neišvengiamas.
Kaip tada pagaminti dalis iš šio nuostabaus metalo? Metalurgai legiruoja plutonį (į jį prideda nedidelį kiekį reikalingų elementų) ir išgauna liejinius be nė vieno įtrūkimo. Jie naudojami plutonio užtaisams gaminti branduolinėms bomboms. Krūvio svoris (jis pirmiausia nustatomas pagal kritinę izotopo masę) yra 5-6 kg. Jis gali lengvai tilpti į kubą, kurio krašto dydis yra 10 cm.
Sunkieji plutonio izotopai
Plutonio-239 nedideliais kiekiais yra ir didesnių šio elemento izotopų – kurių masės skaičiai 240 ir 241. Izotopas 240 Pu praktiškai nenaudingas – jis yra plutonio balastas. Iš 241 gaunamas americis - elementas Nr.95. Grynas, neprimaišant kitų izotopų, plutonį-240 ir plutonį-241 galima gauti elektromagnetiniu būdu atskiriant reaktoriuje susikaupusį plutonį. Prieš tai plutonis papildomai apšvitinamas neutronų srautais, turinčiais griežtai apibrėžtas charakteristikas. Žinoma, visa tai labai sudėtinga, juolab kad plutonis yra ne tik radioaktyvus, bet ir labai toksiškas. Darbas su juo reikalauja ypatingo atsargumo.
Vieną įdomiausių plutonio izotopų – 242 Pu – galima gauti ilgai apšvitinant 239 Pu neutronų srautais. 242 Pu labai retai fiksuoja neutronus, todėl reaktoriuje „perdega“ lėčiau nei kiti izotopai; jis išlieka net po to, kai likę plutonio izotopai beveik visiškai pavirto fragmentais arba pavirto į plutoniu-242.
Plutonis-242 yra svarbus kaip „žaliava“ santykinai greitam aukštesniųjų transurano elementų kaupimui branduoliniuose reaktoriuose. Jei plutonis-239 apšvitinamas įprastame reaktoriuje, prireiks maždaug 20 metų, kad iš plutonio gramų būtų sukauptas mikrogramų kiekis, pavyzdžiui, Kalifornijos-252.
Didinant neutronų srauto intensyvumą reaktoriuje, galima sumažinti aukštesnių izotopų kaupimosi laiką. Tai jie daro, bet tada jūs negalite apšvitinti daug plutonio-239. Juk šis izotopas dalijasi neutronais, o intensyviuose srautuose išsiskiria per daug energijos. Papildomų sunkumų kyla dėl reaktoriaus aušinimo. Norint išvengti šių sunkumų, reikėtų sumažinti apšvitinto plutonio kiekį. Todėl kalifornijos derlius vėl taptų menkas. Užburtas ratas!
Plutonis-242 neskyla šiluminiais neutronais, gali būti apšvitintas dideliais kiekiais intensyviais neutronų srautais... Todėl reaktoriuose iš šio izotopo „gaminami“ visi elementai nuo americio iki fermio ir kaupiami svoriais.
Kiekvieną kartą, kai mokslininkams pavyko gauti naują plutonio izotopą, buvo matuojamas jo branduolių pusinės eliminacijos laikas. Sunkiųjų radioaktyviųjų branduolių, kurių masės skaičius yra lygus, izotopų pusinės eliminacijos laikas nuolat keičiasi. (To negalima pasakyti apie nelyginius izotopus.)
Didėjant masei, ilgėja ir izotopo „gyvenimo laikas“. Prieš keletą metų aukščiausias taškasŠioje diagramoje buvo plutonis-242. Ir kaip tada bus ši kreivė – toliau didėjant masės skaičiui? Į tašką 1, kuris atitinka 30 milijonų metų, arba į 2 tašką, kuris atitinka 300 milijonų metų? Atsakymas į šį klausimą buvo labai svarbus geomokslams. Pirmuoju atveju, jei prieš 5 milijardus metų Žemę sudarė tik 244 Pu, tai dabar visoje Žemės masėje liktų tik vienas plutonio-244 atomas. Jei antroji prielaida yra teisinga, plutonio-244 gali būti Žemėje tokiomis koncentracijomis, kurias jau būtų galima aptikti. Jei pasisektų Žemėje rasti šį izotopą, mokslas gautų vertingiausios informacijos apie procesus, vykusius formuojantis mūsų planetai.
Kai kurių plutonio izotopų pusinės eliminacijos laikas
Prieš kelerius metus mokslininkai susidūrė su klausimu: ar verta bandyti Žemėje rasti sunkaus plutonio? Norint atsakyti į jį, pirmiausia reikėjo nustatyti plutonio-244 pusėjimo trukmę. Teoretikai negalėjo apskaičiuoti šios vertės reikiamu tikslumu. Visa viltis buvo tik eksperimentui.
Branduoliniame reaktoriuje sukauptas plutonis-244. Elementas Nr.95 – americis (izotopas 243 Am) buvo apšvitintas. Užfiksavęs neutroną, šis izotopas virto americiu-244; americis-244 vienu iš 10 tūkstančių atvejų virto plutoniu-244.
Plutonio-244 preparatas buvo išskirtas iš americio ir kurio mišinio. Mėginys svėrė tik kelias milijonines gramo dalis. Tačiau jų pakako, kad būtų nustatytas šio įdomaus izotopo pusinės eliminacijos laikas. Paaiškėjo, kad tai lygu 75 milijonams metų. Vėliau kiti tyrinėtojai išaiškino plutonio-244 pusėjimo trukmę, bet nedaug – 81 milijoną metų. 1971 metais šio izotopo pėdsakų buvo rasta retųjų žemių mineraliniame bastnäsite.
Mokslininkai daug bandė rasti transurano elemento izotopą, kuris gyvena ilgiau nei 244 Pu. Tačiau visi bandymai liko veltui. Vienu metu viltys buvo dedamos į curium-247, tačiau reaktoriuje susikaupus šiam izotopui paaiškėjo, kad jo pusinės eliminacijos laikas yra tik 16 milijonų metų. Sumušti plutonio-244 rekordo nepavyko – tai ilgiausiai iš visų transurano elementų izotopų.
Net sunkesni plutonio izotopai patiria beta skilimą, o jų gyvavimo trukmė svyruoja nuo kelių dienų iki kelių dešimtųjų sekundės dalių. Tikrai žinome, kad visi plutonio izotopai susidaro termobranduoliniuose sprogimuose, iki 257 Pu. Tačiau jų gyvavimo trukmė yra dešimtosios sekundės, o daugelis trumpalaikių plutonio izotopų dar nebuvo ištirti.
Pirmojo plutonio izotopo galimybės
Ir galiausiai – apie plutonį-238 – patį pirmąjį iš „žmogaus sukurtų“ plutonio izotopų – izotopą, kuris iš pradžių atrodė neperspektyvus. Iš tikrųjų tai labai įdomus izotopas. Jis yra veikiamas alfa skilimo, tai yra, jo branduoliai spontaniškai išskiria alfa daleles - helio branduolius. Plutonio-238 branduolių generuojamos alfa dalelės turi didelę energiją; išsklaidyta materijoje, ši energija virsta šiluma. Kokio dydžio ši energija? Šeši milijonai elektronų voltų išsiskiria skilus vienam atomo branduolys plutonis-238. Cheminėje reakcijoje ta pati energija išsiskiria, kai oksiduojasi keli milijonai atomų. Elektros šaltinis, kuriame yra vienas kilogramas plutonio-238, sukuria 560 vatų šiluminę galią. Didžiausia tos pačios masės cheminio srovės šaltinio galia yra 5 vatai.
Yra daug panašių emiterių energetines charakteristikas, tačiau viena plutonio-238 savybė daro šį izotopą nepakeičiamu. Alfa irimą dažniausiai lydi stipri gama spinduliuotė, prasiskverbianti per didelius medžiagos sluoksnius. 238 Pu yra išimtis. Jos branduolių irimą lydinčių gama spindulių energija yra maža, nuo jos apsisaugoti nesunku: spinduliuotę sugeria plonasienis indas. Savaiminio šio izotopo branduolių dalijimosi tikimybė taip pat maža. Todėl jis rado pritaikymą ne tik dabartiniuose šaltiniuose, bet ir medicinoje. Baterijos, kuriose yra plutonio-238, yra specialių širdies stimuliatorių energijos šaltinis.
Tačiau 238 Pu nėra lengviausias žinomas elemento Nr. 94 izotopas; buvo gauti plutonio izotopai, kurių masės skaičius nuo 232 iki 237. Lengviausio izotopo pusinės eliminacijos laikas yra 36 minutės.
Plutonis yra didelė tema. Čia pasakojama apie svarbiausius dalykus. Juk jau tapo standartine fraze, kad plutonio chemija ištirta daug geriau nei tokių „senų“ elementų kaip geležies chemija. Apie plutonio branduolines savybes parašyta ištisos knygos. Plutonio metalurgija – dar viena nuostabi žmogaus žinių dalis... Todėl nereikėtų manyti, kad perskaitę šią istoriją tikrai sužinojote plutonio – svarbiausio XX amžiaus metalo.
- KAIP VEŽTI PLUTONIĄ. Radioaktyviam ir toksiškam plutoniui transportuojant reikia ypatingos priežiūros. Specialiai jo transportavimui buvo sukurtas konteineris – konteineris, kuris nesunaikinamas net lėktuvo avarijose. Jis pagamintas gana paprastai: tai storasienis indas iš iš nerūdijančio plieno, apsuptas raudonmedžio lukšto. Akivaizdu, kad plutonis to vertas, tačiau įsivaizduokite, kokio storio turi būti sienos, jei žinote, kad konteineris, skirtas gabenti tik du kilogramus plutonio, sveria 225 kg!
- NUODAI IR PRIEŠNUOTAS. 1977 m. spalio 20 d. Agence France Presse pranešė: rasta cheminis junginys, galintis pašalinti plutonį iš žmogaus kūno. Po kelerių metų apie šį junginį sužinojo gana daug. Šis sudėtingas junginys yra linijinis karboksilazės katechinamidas, chelatų klasės medžiaga (iš graikų kalbos „chela“ - letena). Laisvas arba surištas plutonio atomas yra užfiksuotas šioje cheminėje letenoje. Laboratorinėse pelėse ši medžiaga buvo naudojama iki 70% absorbuoto plutonio pašalinimui iš organizmo. Manoma, kad ateityje šis junginys padės išgauti plutonį tiek iš gamybos atliekų, tiek iš branduolinio kuro.
Ko norime išmokti šiandien? Kiek sveria 1 kubas plutonio, 1 m3 plutonio? Jokių problemų, galite sužinoti kilogramų skaičių arba tonų skaičių iš karto, masę (vieno kubinio metro svoris, vieno kubo svoris, vieno svoris kubinis metras, svoris 1 m3) nurodytos 1 lentelėje. Jei kam įdomu, galite perskaityti žemiau esantį nedidelį tekstą ir perskaityti paaiškinimus. Kaip išmatuojamas mums reikalingas medžiagos, medžiagos, skysčio ar dujų kiekis? Išskyrus tuos atvejus, kai reikiamo kiekio apskaičiavimą galima sumažinti iki prekių, gaminių, elementų skaičiavimo vienetais (vienetų skaičiavimas), mums lengviausia nustatyti reikiamą kiekį pagal tūrį ir svorį (masę) . Kasdieniame gyvenime mums labiausiai paplitęs tūrio matavimo vienetas yra 1 litras. Tačiau buitiniams skaičiavimams tinkamas litrų skaičius ne visada yra tinkamas būdas nustatyti verslo veiklos apimtį. Be to, litrai mūsų šalyje netapo visuotinai priimtu „gamybos“ ir prekybos vienetu tūriui matuoti. Vienas kubinis metras arba sutrumpinta versija - vienas kubas pasirodė esąs gana patogus ir populiarus praktiniam naudojimui skirtas tūrio vienetas. Beveik visas medžiagas, skysčius, medžiagas ir net dujas esame įpratę matuoti kubiniais metrais. Tai tikrai patogu. Juk jų sąnaudos, kainos, įkainiai, vartojimo normos, tarifai, tiekimo sutartys beveik visada susietos su kubiniais metrais (kubais), kur kas rečiau – su litrais. Praktinei veiklai ne mažiau svarbu žinoti ne tik šį tūrį užimančios medžiagos tūrį, bet ir svorį (masę): šiuo atveju kalbame apie tai, kiek sveria 1 kubinis metras (1 kubinis metras, 1 kubinis metras, 1 m3). Žinant masę ir tūrį, gauname gana išsamų supratimą apie kiekį. Svetainės lankytojai, klausdami, kiek sveria 1 kubas, dažnai nurodo konkrečius masės vienetus, kuriais norėtų sužinoti atsakymą į klausimą. Kaip pastebėjome, dažniausiai jie nori sužinoti 1 kubo (1 kubinio metro, 1 kubinio metro, 1 m3) svorį kilogramais (kg) arba tonomis (t). Iš esmės jums reikia kg/m3 arba t/m3. Tai yra glaudžiai susiję vienetai, apibrėžiantys kiekį. Iš esmės galimas gana paprastas nepriklausomas svorio (masės) perskaičiavimas iš tonų į kilogramus ir atvirkščiai: iš kilogramų į tonas. Tačiau, kaip parodė praktika, daugumai svetainės lankytojų būtų patogesnis pasirinkimas nedelsdami sužinokite, kiek kilogramų sveria 1 kubinis (1 m3) plutonio arba kiek tonų sveria 1 kubinis (1 m3) plutonio, nekeičiant kilogramų į tonas ar atvirkščiai – tonų skaičius į kilogramus kubiniame metre (vienas kubinis metras, vienas kubinis metras, vienas m3). Todėl 1 lentelėje nurodėme, kiek kilogramais (kg) ir tonomis (t) sveria 1 kubinis metras (1 kubinis metras, 1 kubinis metras). Pasirinkite jums reikalingą lentelės stulpelį. Beje, kai klausiame, kiek sveria 1 kubinis metras (1 m3), turime omenyje kilogramų arba tonų skaičių. Tačiau fizikiniu požiūriu mus domina tankis arba savitasis svoris. Tūrio vieneto masė arba tūrio vienete esančios medžiagos kiekis yra tūrinis tankis arba savitasis svoris. Tokiu atveju plutonio tūrinis tankis ir savitasis svoris. Tankis ir savitasis svoris fizikoje dažniausiai matuojami ne kg/m3 ar tonomis/m3, o gramais kubiniame centimetre: g/cm3. Todėl 1 lentelėje savitasis svoris ir tankis (sinonimai) nurodyti gramais kubiniame centimetre (g/cm3)
Daugelis mūsų skaitytojų vandenilinę bombą sieja su atomine, tik daug galingesne. Tiesą sakant, tai iš esmės naujas ginklas, kurio sukūrimas pareikalavo neproporcingai didelių intelektinių pastangų ir veikia iš esmės skirtingais fiziniais principais.
Vienintelis dalykas, kurį turi atominės ir vandenilinės bombos, yra tai, kad abi išskiria milžinišką energiją, paslėptą atomo branduolyje. Tai galima padaryti dviem būdais: padalinti sunkiuosius branduolius, pavyzdžiui, uraną ar plutonį, į lengvesnius (skilimo reakcija) arba priversti susijungti lengviausius vandenilio izotopus (sintezės reakcija). Dėl abiejų reakcijų gautos medžiagos masė visada yra mažesnė už pradinių atomų masę. Tačiau masė negali išnykti be pėdsakų – ji virsta energija pagal garsiąją Einšteino formulę E=mc 2.
Norint sukurti atominę bombą, būtina ir pakankama sąlyga yra gauti pakankamą kiekį skiliosios medžiagos. Darbas gana daug darbo reikalaujantis, bet mažai intelektualus, glūdintis arčiau kalnakasybos nei aukštojo mokslo. Pagrindiniai ištekliai tokiems ginklams sukurti išleidžiami milžiniškų urano kasyklų ir sodrinimo gamyklų statybai. Prietaiso paprastumą liudija faktas, kad nuo plutonio, reikalingo pirmajai bombai, pagaminimo iki pirmojo sovietinio branduolinio sprogimo praėjo mažiau nei mėnuo.
Trumpai prisiminkime tokios bombos veikimo principą, žinomą iš mokyklinių fizikos kursų. Jis pagrįstas urano ir kai kurių transurano elementų, pavyzdžiui, plutonio, savybe skilimo metu išskirti daugiau nei vieną neutroną. Šie elementai gali irti arba spontaniškai, arba veikiami kitų neutronų.
Išsiskyręs neutronas gali palikti radioaktyviąją medžiagą arba gali susidurti su kitu atomu, sukeldamas kitą dalijimosi reakciją. Viršijus tam tikrą medžiagos koncentraciją (kritinę masę), naujagimių neutronų skaičius, sukeliantis tolesnį atomo branduolio skilimą, pradeda viršyti irstančių branduolių skaičių. Skilusių atomų skaičius pradeda augti kaip lavina, gimdant naujus neutronus, tai yra, vyksta grandininė reakcija. Urano-235 kritinė masė yra apie 50 kg, plutonio-239 - 5,6 kg. Tai yra, šiek tiek mažiau nei 5,6 kg sveriantis plutonio rutulys yra tik šiltas metalo gabalas, o šiek tiek didesnė masė trunka tik kelias nanosekundes.
Tikrasis bombos veikimas paprastas: paimame du urano arba plutonio pusrutulius, kurių kiekvienas yra šiek tiek mažesnis už kritinę masę, pastatome juos 45 cm atstumu, uždengiame sprogmenimis ir detonuojame. Uranas arba plutonis sukepinamas į superkritinės masės gabalėlį ir prasideda branduolinė reakcija. Visi. Yra ir kitas būdas pradėti branduolinę reakciją – suspausti plutonio gabalėlį galingu sprogimu: atstumas tarp atomų sumažės, o reakcija prasidės esant mažesnei kritinei masei. Šiuo principu veikia visi šiuolaikiniai atominiai detonatoriai.
Atominės bombos problemos prasideda nuo to momento, kai norime padidinti sprogimo galią. Nepakanka vien padidinti skiliosios medžiagos kiekį – vos tik jos masė pasiekia kritinę masę, ji detonuoja. Buvo išrastos įvairios išradingos schemos, pavyzdžiui, pagaminti bombą ne iš dviejų dalių, o iš daugelio, dėl kurių bomba pradėjo priminti išdarinėtą apelsiną, o tada vienu sprogimu surinkti į vieną gabalą, bet vis tiek su galia. virš 100 kilotonų, problemos tapo neįveikiamos.
Tačiau termobranduolinės sintezės kuras neturi kritinės masės. Čia Saulė, pripildyta termobranduolinio kuro, kabo virš galvos, jos viduje jau milijardą metų vyksta termobranduolinė reakcija – ir niekas nesprogsta. Be to, vykstant, pavyzdžiui, deuterio ir tričio (sunkusis ir supersunkusis vandenilio izotopas) sintezės reakcijai, energijos išsiskiria 4,2 karto daugiau nei deginant tokią pat masę urano-235.
Atominės bombos kūrimas buvo labiau eksperimentinis nei teorinis procesas. Vandenilinės bombos sukūrimas pareikalavo visiškai naujų fizinių disciplinų atsiradimo: aukštos temperatūros plazmos ir itin aukšto slėgio fizikos. Prieš pradedant konstruoti bombą, reikėjo gerai suprasti reiškinių, vykstančių tik žvaigždžių šerdyje, prigimtį. Jokie eksperimentai čia negalėjo padėti – buvo tik tyrėjų įrankiai teorinė fizika Ir aukštoji matematika. Neatsitiktinai milžiniškas vaidmuo kuriant termobranduolinius ginklus tenka matematikams: Ulamui, Tichonovui, Samarskiui ir kt.
Klasika super
1945 m. pabaigoje Edwardas Telleris pasiūlė pirmąją vandenilinės bombos konstrukciją, pavadintą „klasikine super“. Norint sukurti siaubingą slėgį ir temperatūrą, reikalingą sintezės reakcijai pradėti, buvo numatyta naudoti įprastą atominę bombą. Pats „klasikinis super“ buvo ilgas cilindras, pripildytas deuterio. Taip pat buvo numatyta tarpinė „uždegimo“ kamera su deuterio-tričio mišiniu - deuterio ir tričio sintezės reakcija prasideda esant mažesniam slėgiui. Pagal analogiją su ugnimi, deuteris turėjo atlikti malkų vaidmenį, deuterio ir tričio mišinys - stiklinė benzino, o atominė bomba - degtukas. Ši schema buvo vadinama „vamzdžiu“ - savotišku cigaru su atominiu žiebtuvėliu viename gale. Sovietų fizikai pradėjo kurti vandenilinę bombą pagal tą pačią schemą.
Tačiau matematikas Stanislavas Ulamas, naudodamas įprastą skaidres taisyklę, Telleriui įrodė, kad gryno deuterio sintezės reakcija „super“ vargu ar įmanoma, o mišiniui reikės tokio kiekio tričio, kad jį pagaminti. būtinybė praktiškai sustabdyti ginklams tinkamo plutonio gamybą Jungtinėse Valstijose.
Pabarstykite cukrumi
1946 m. viduryje Telleris pasiūlė kitą vandenilinės bombos dizainą - „žadintuvą“. Jį sudarė kintantys sferiniai urano, deuterio ir tričio sluoksniai. Centrinio plutonio užtaiso branduolinio sprogimo metu buvo sukurtas reikiamas slėgis ir temperatūra termobranduolinės reakcijos pradžiai kituose bombos sluoksniuose. Tačiau „žadintuvui“ reikėjo didelės galios atominio iniciatoriaus, o JAV (taip pat ir SSRS) turėjo problemų gaminant ginklams skirtą uraną ir plutonį.
1948 m. rudenį Andrejus Sacharovas priėjo prie panašios schemos. Sovietų Sąjungoje dizainas buvo vadinamas „sloyka“. SSRS, kuri neturėjo laiko pakankamais kiekiais pagaminti ginklams skirto urano-235 ir plutonio-239, A. Sacharovo putojanti pasta buvo panacėja. Ir todėl.
Įprastoje atominėje bomboje natūralus uranas-238 yra ne tik nenaudingas (skilimo metu neutronų energijos nepakanka dalijimuisi inicijuoti), bet ir kenksmingas, nes noriai sugeria antrinius neutronus, sulėtindamas grandininę reakciją. Todėl 90% ginklams skirto urano sudaro izotopas uranas-235. Tačiau termobranduolinės sintezės metu susidarantys neutronai yra 10 kartų energingesni už dalijimosi neutronus, o tokiais neutronais apšvitintas natūralus uranas-238 pradeda puikiai dalytis. Naujoji bomba leido panaudoti uraną-238, kuris anksčiau buvo laikomas atliekomis, kaip sprogmenį.
A. Sacharovo „sluoksniuotosios tešlos“ akcentas taip pat buvo baltos šviesios kristalinės medžiagos – ličio deuterido 6 LiD – naudojimas vietoj didelio tričio trūkumo.
Kaip minėta aukščiau, deuterio ir tričio mišinys užsidega daug lengviau nei grynas deuteris. Tačiau čia baigiasi tričio privalumai ir lieka tik trūkumai: geros būklės tritis yra dujos, sukeliančios saugojimo sunkumus; tritis yra radioaktyvus ir skyla į stabilų helią-3, kuris aktyviai suvartoja taip reikalingus greituosius neutronus, todėl bombos galiojimo laikas ribojamas iki kelių mėnesių.
Neradioaktyvus ličio deutridas, apšvitintas lėto dalijimosi neutronais – atominio saugiklio sprogimo pasekmėmis – virsta tričiu. Taigi pirminio atominio sprogimo spinduliuotė akimirksniu sukuria pakankamą tričio kiekį tolimesnei termobranduolinei reakcijai, o deuterio iš pradžių yra ličio deutride.
Kaip tik tokia bomba RDS-6 buvo sėkmingai išbandyta 1953 metų rugpjūčio 12 dieną Semipalatinsko poligono bokšte. Sprogimo galia siekė 400 kilotonų ir vis dar diskutuojama, ar tai buvo tikras termobranduolinis sprogimas, ar itin galingas atominis. Galų gale, termobranduolinės sintezės reakcija Sacharovo pūstoje pastoje sudarė ne daugiau kaip 20% visos įkrovos galios. Pagrindinį indėlį į sprogimą įnešė greitaisiais neutronais apšvitinto urano-238 skilimo reakcija, kurios dėka RDS-6 pradėjo vadinamųjų „nešvarių“ bombų erą.
Faktas yra tas, kad pagrindinė radioaktyvioji tarša kyla dėl skilimo produktų (ypač stroncio-90 ir cezio-137). Iš esmės Sacharovo „sluoksniuota tešla“ buvo milžiniška atominė bomba, tik šiek tiek patobulinta termobranduolinė reakcija. Neatsitiktinai per vieną „sluoksniuotosios tešlos“ sprogimą susidarė 82% stroncio-90 ir 75% cezio-137, kuris pateko į atmosferą per visą Semipalatinsko bandymų poligono istoriją.
Amerikos bombos
Tačiau būtent amerikiečiai pirmieji susprogdino vandenilinę bombą. 1952 m. lapkričio 1 d. Elugelab atole Ramusis vandenynas 10 megatonų galios termobranduolinis prietaisas Mike buvo sėkmingai išbandytas. Sunku būtų 74 tonas sveriantį amerikietišką įrenginį pavadinti bomba. „Mike“ buvo stambus dviejų aukštų namo dydžio prietaisas, pripildytas skysto deuterio, kurio temperatūra artima absoliučiam nuliui (Sacharovo „sluoksniuota tešla“ buvo visiškai transportuojamas gaminys). Tačiau „Mike“ akcentas buvo ne jo dydis, o išradingas termobranduolinių sprogmenų suspaudimo principas.
Prisiminkime, kad pagrindinė vandenilinės bombos idėja yra sudaryti sąlygas sintezei (ypač aukštam slėgiui ir temperatūrai) per branduolinį sprogimą. „Pūpimo“ schemoje branduolinis užtaisas yra centre, todėl jis ne tiek suspaudžia deuterį, kiek išsklaido jį į išorę - padidinus termobranduolinio sprogmens kiekį, galia nepadidėja - tai tiesiog ne. turi laiko detonuoti. Būtent tai ir riboja maksimalią šios schemos galią – galingiausias pasaulyje „pūtelis“ „Orange Herald“, kurį britai susprogdino 1957 m. gegužės 31 d., davė tik 720 kilotonų.
Būtų idealu, jei galėtume priversti atominį saugiklį sprogti viduje ir suspausti termobranduolinį sprogmenį. Bet kaip tai padaryti? Edvardas Telleris iškėlė puikią idėją: termobranduolinį kurą suspausti ne mechanine energija ir neutronų srautu, o pirminio atominio saugiklio spinduliuote.
Pagal naują Tellerio dizainą inicijuojantis atominis blokas buvo atskirtas nuo termobranduolinio bloko. Suaktyvinus atominį krūvį, rentgeno spinduliuotė buvo prieš smūgio bangą ir pasklido palei cilindrinio korpuso sienas, išgaruodama ir paversdama bombos korpuso polietileninį vidinį pamušalą plazma. Plazma savo ruožtu vėl skleidė minkštesnius rentgeno spindulius, kuriuos sugėrė išoriniai urano-238 cilindro - „stūmiklio“ – sluoksniai. Sluoksniai pradėjo sprogstamai garuoti (šis reiškinys vadinamas abliacija). Karšto urano plazmą galima palyginti su itin galingo raketinio variklio čiurkšlėmis, kurių trauka nukreipiama į cilindrą su deuteriu. Sugriuvo urano cilindras, pasiekė deuterio slėgį ir temperatūrą kritinis lygis. Tas pats slėgis suspaudė centrinį plutonio vamzdį iki kritinės masės, ir jis detonavo. Plutonio saugiklio sprogimas iš vidaus prispaudė deuterį, toliau suspaudęs ir įkaitindamas termobranduolinį sprogmenį, kuris detonavo. Intensyvus neutronų srautas suskaido urano-238 branduolius „stūmiklyje“, sukeldamas antrinę skilimo reakciją. Visa tai spėjo įvykti iki to momento, kai pirminio branduolinio sprogimo sprogimo banga pasiekė termobranduolinį bloką. Apskaičiuojant visus šiuos įvykius, vykstančius milijardinėmis sekundės dalimis, reikėjo stipriausių planetos matematikų smegenų. „Mike“ kūrėjai patyrė ne siaubą nuo 10 megatonų galios sprogimo, o neapsakomą malonumą – jiems pavyko ne tik suprasti procesus, kurie realiame pasaulyje vyksta tik žvaigždžių šerdyje, bet ir eksperimentiškai išbandyti savo teorijas nustatant. savo mažą žvaigždę Žemėje.
Bravo
Savo dizaino grožiu pralenkę rusus amerikiečiai nesugebėjo savo prietaiso padaryti kompaktiško: vietoj Sacharovo miltelių pavidalo ličio deuterido jie naudojo skystą peršaldytą deuterį. Los Alamose į Sacharovo „sluoksniuotą tešlą“ jie reagavo su pavydu: „vietoje didžiulės karvės su kibiru žalio pieno rusai naudoja maišelį pieno miltelių“. Tačiau abiem pusėms nepavyko viena nuo kitos nuslėpti paslapčių. 1954 m. kovo 1 d. prie Bikini atolo amerikiečiai išbandė 15 megatonų bombą „Bravo“, naudodami ličio deuteridą, o 1955 m. lapkričio 22 d. – pirmąją sovietų dviejų pakopų termobranduolinę bombą RDS-37, kurios galia siekė 1,7 megatonų. sprogo virš Semipalatinsko poligono, nugriovus beveik pusę poligono. Nuo to laiko termobranduolinės bombos konstrukcija buvo šiek tiek pakeista (pavyzdžiui, tarp inicijuojančios bombos ir pagrindinio užtaiso atsirado urano skydas) ir tapo kanonine. Ir pasaulyje nebeliko didelio masto gamtos paslapčių, kurias būtų galima įminti tokiu įspūdingu eksperimentu. Galbūt supernovos gimimas.
| Šiek tiek teorijos Termobranduolinėje bomboje vyksta 4 reakcijos ir jos vyksta labai greitai. Pirmosios dvi reakcijos yra medžiagos šaltinis trečiajai ir ketvirtajai, kurios termobranduolinio sprogimo temperatūroje vyksta 30–100 kartų greičiau ir suteikia daugiau energijos. Todėl gautas helis-3 ir tritis iš karto sunaudojami. Atomų branduoliai yra teigiamai įkrauti, todėl vienas kitą atstumia. Kad jie sureaguotų, juos reikia stumti į priekį, įveikiant elektrinį atstūmimą. Tai įmanoma tik tuo atveju, jei jie juda dideliu greičiu. Atomų greitis yra tiesiogiai susijęs su temperatūra, kuri turėtų siekti 50 milijonų laipsnių! Tačiau deuterio pašildyti iki tokios temperatūros nepakanka, jis taip pat turi būti apsaugotas nuo išsklaidymo dėl didžiulio maždaug milijardo atmosferų slėgio! Gamtoje tokia temperatūra esant tokiam tankiui yra tik žvaigždžių šerdyje. |
Įkeliama...