Menneskeheten har alltid vært på jakt etter nye energikilder som kan løse mange problemer. Imidlertid er de ikke alltid trygge. Så spesielt de som er mye brukt i dag, selv om de er i stand til å generere bare kolossale mengder elektrisk energi som alle trenger, har de fortsatt i seg dødelig fare. Men i tillegg til fredelige formål, har noen land på planeten vår lært å bruke den til militære formål, spesielt for å lage atomstridshoder. Denne artikkelen vil diskutere grunnlaget for slike destruktive våpen, hvis navn er plutonium av våpenkvalitet.
Kort informasjon
Denne kompakte formen av metallet inneholder minimum 93,5 % av 239Pu-isotopen. Plutonium av våpenkvalitet ble navngitt slik at det kunne skilles fra "reaktormotstykket". I prinsippet dannes plutonium alltid i absolutt enhver atomreaktor, som igjen opererer på lavanriket eller naturlig uran, som for det meste inneholder 238U-isotopen.
Søknad i militærindustrien
Plutonium 239Pu av våpenkvalitet er grunnlaget for atomvåpen. Samtidig er bruken av isotoper med massetall 240 og 242 irrelevant, siden de skaper en veldig høy nøytronbakgrunn, noe som til slutt kompliserer opprettelsen og utformingen av svært effektiv kjernefysisk ammunisjon. I tillegg har plutoniumisotopene 240Pu og 241Pu en betydelig kortere halveringstid sammenlignet med 239Pu, så plutoniumdeler blir veldig varme. Det er i denne forbindelse at ingeniører blir tvunget til å i tillegg legge til elementer for å fjerne overflødig varme inn i atomvåpen. Forresten, 239Pu i sin rene form er varmere enn menneskekroppen. Det er også umulig å ikke ta hensyn til det faktum at produktene fra nedbrytningsprosessen til tunge isotoper utsetter metallets krystallgitter for skadelige endringer, og dette endrer ganske naturlig konfigurasjonen av plutoniumdeler, som til slutt kan årsaken fullstendig fiasko kjernefysisk eksplosiv enhet.
I det store og hele kan alle de ovennevnte vanskelighetene overvinnes. Og i praksis har tester allerede blitt utført mer enn én gang på grunnlag av "reaktor"-plutonium. Men det skal forstås at i atomvåpen er deres kompakthet, lave egenvekt, holdbarhet og pålitelighet på ingen måte de minst viktige. I denne forbindelse bruker de utelukkende plutonium av våpenkvalitet.
Designfunksjoner for produksjonsreaktorer
Nesten alt plutonium i Russland ble produsert i reaktorer utstyrt med en grafittmoderator. Hver av reaktorene er bygget rundt sylindrisk sammensatte blokker av grafitt.
Når de er montert, har grafittblokkene spesielle slisser mellom seg for å sikre kontinuerlig sirkulasjon av kjølevæsken, som bruker nitrogen. Den sammensatte strukturen har også vertikalt plasserte kanaler laget for passasje av vannkjøling og drivstoff gjennom dem. Selve enheten er stivt støttet av en struktur med åpninger under kanalene som brukes til å slippe ut allerede bestrålt drivstoff. Dessuten er hver av kanalene plassert i et tynnvegget rør støpt av en lett og ekstremt sterk aluminiumslegering. Mest av De beskrevne kanalene har 70 drivstoffstaver. Kjølevann strømmer direkte rundt drivstoffstavene, og fjerner overflødig varme fra dem.
Øke kraften til produksjonsreaktorer
Opprinnelig opererte den første Mayak-reaktoren med en termisk effekt på 100 MW. Hovedlederen for det sovjetiske atomvåpenprogrammet kom imidlertid med et forslag, som gikk ut på at reaktoren i vintertid jobbet med en effekt på 170-190 MW, og om sommeren - 140-150 MW. Denne tilnærmingen tillot reaktoren å produsere nesten 140 gram edelt plutonium per dag.
I 1952 ble det utført et fullverdig forskningsarbeid for å øke produksjonskapasiteten til driftsreaktorer ved å bruke følgende metoder:
- Ved å øke strømmen av vann som brukes til kjøling og strømme gjennom kjernene til et atomkraftverk.
- Ved å øke motstanden mot fenomenet korrosjon som oppstår nær kanalforingen.
- Reduserer hastigheten på grafittoksidasjon.
- Økende temperatur inne i brenselceller.
Som et resultat økte gjennomstrømningen av sirkulerende vann betydelig etter at gapet mellom drivstoffet og kanalveggene ble økt. Vi klarte også å kvitte oss med korrosjon. For dette ble de best egnede aluminiumslegeringene valgt, og natriumbikromat begynte å bli aktivt tilsatt, noe som til slutt økte mykheten til kjølevannet (pH ble ca. 6,0-6,2). Oksydasjonen av grafitt sluttet å være et presserende problem etter at nitrogen ble brukt til å avkjøle det (tidligere ble det bare brukt luft).
På slutten av 1950-tallet ble innovasjonene fullt ut realisert i praksis, og reduserte den svært unødvendige oppblåsningen av uran forårsaket av stråling, reduserte varmeherdingen av uranstaver betydelig, forbedret kledningsmotstanden og økt produksjonskvalitetskontrollen.
Produksjon hos Mayak
"Chelyabinsk-65" er en av de veldig hemmelige plantene der plutonium av våpenkvalitet ble opprettet. Bedriften hadde flere reaktorer, og vi skal se nærmere på hver av dem.
Reaktor A
Installasjonen ble designet og laget under ledelse av den legendariske N. A. Dollezhal. Den opererte med en effekt på 100 MW. Reaktoren hadde 1149 vertikalt anordnede kontroll- og brenselkanaler i en grafittblokk. Den totale vekten av strukturen var omtrent 1050 tonn. Nesten alle kanaler (unntatt 25) var lastet med uran, hvis totale masse var 120-130 tonn. 17 kanaler ble brukt til kontrollstaver, og 8 til eksperimenter. Maksimal indikator Designet varmeavgivelse av brenselcellen var 3,45 kW. Til å begynne med produserte reaktoren omtrent 100 gram plutonium per dag. Det første metalliske plutoniumet ble produsert 16. april 1949.
Teknologiske ulemper
Nesten umiddelbart ble det identifisert ganske alvorlige problemer, som besto av korrosjon av aluminiumsforinger og belegg av brenselceller. Uranstavene svulmet også opp og ble skadet, noe som førte til at kjølevann lekket direkte inn i reaktorkjernen. Etter hver lekkasje måtte reaktoren stoppes i opptil 10 timer for å tørke grafitten med luft. I januar 1949 ble kanalforingene skiftet ut. Etter dette ble installasjonen lansert 26. mars 1949.
Plutonium av våpenkvalitet, hvis produksjon ved reaktor A ble ledsaget av alle slags vanskeligheter, ble produsert i perioden 1950-1954 med en gjennomsnittlig enhetseffekt på 180 MW. Etterfølgende drift av reaktoren begynte å bli ledsaget av mer intensiv bruk, noe som ganske naturlig førte til hyppigere stans (opptil 165 ganger i måneden). Som et resultat ble reaktoren stengt i oktober 1963 og gjenopptatt driften først våren 1964. Den fullførte kampanjen fullstendig i 1987 og produserte 4,6 tonn plutonium over hele perioden med mange års drift.
AB-reaktorer
Det ble besluttet å bygge tre AB-reaktorer ved Chelyabinsk-65-bedriften høsten 1948. Produksjonskapasiteten deres var 200-250 gram plutonium per dag. Hoveddesigneren for prosjektet var A. Savin. Hver reaktor besto av 1996 kanaler, hvorav 65 var kontrollkanaler. Installasjonene brukte en teknisk innovasjon - hver kanal var utstyrt med en spesiell kjølevæskelekkasjedetektor. Dette grepet gjorde det mulig å skifte foringene uten å stoppe driften av selve reaktoren.
Det første driftsåret til reaktorene viste at de produserte rundt 260 gram plutonium per dag. Allerede fra det andre driftsåret ble imidlertid kapasiteten gradvis økt, og allerede i 1963 var tallet 600 MW. Etter den andre overhalingen var problemet med foringene fullstendig løst, og effekten var allerede 1200 MW med en årlig produksjon av plutonium på 270 kilo. Disse indikatorene ble stående til reaktorene var helt lukket.
AI-IR reaktor
Chelyabinsk-bedriften brukte denne installasjonen i perioden fra 22. desember 1951 til 25. mai 1987. I tillegg til uran produserte reaktoren også kobolt-60 og polonium-210. Opprinnelig produserte anlegget tritium, men begynte senere å produsere plutonium.
Anlegget for prosessering av plutonium av våpenkvalitet hadde også reaktorer som opererer på tungtvann og en enkelt lettvannsreaktor (navnet var "Ruslan").
Sibirsk gigant
"Tomsk-7" var navnet på anlegget, som huset fem reaktorer for å lage plutonium. Hver av enhetene brukte grafitt for å bremse nøytronene og vanlig vann for å sikre riktig kjøling.
I-1-reaktoren opererte med et kjølesystem der vann passerte én gang. De resterende fire installasjonene var imidlertid utstyrt med lukkede primærkretser utstyrt med varmevekslere. Denne utformingen gjorde det mulig å i tillegg generere damp, som igjen bidro til produksjon av elektrisitet og oppvarming av ulike oppholdsrom.
Tomsk-7 hadde også en reaktor kalt EI-2, som igjen hadde et dobbelt formål: den produserte plutonium og, på grunn av dampen som ble generert, genererte 100 MW elektrisitet, samt 200 MW termisk energi.
Viktig informasjon
Ifølge forskere er halveringstiden til plutonium av våpenkvalitet omtrent 24 360 år. Stort antall! I denne forbindelse blir spørsmålet spesielt akutt: "Hvordan håndtere avfallet fra produksjonen av dette elementet på riktig måte?" Det beste alternativet anses å være bygging av spesielle bedrifter for påfølgende behandling av våpenplutonium. Dette forklares med det faktum at elementet i dette tilfellet ikke lenger kan brukes til militære formål og vil være under menneskelig kontroll. Dette er nøyaktig hvordan våpenkvalitetsplutonium avhendes i Russland, men USA har tatt en annen vei, og dermed brutt sine internasjonale forpliktelser.
Derfor foreslår den amerikanske regjeringen å ødelegge høyt anriket materiale ikke med industrielle midler, men ved å fortynne plutonium og lagre det i spesielle beholdere på en dybde på 500 meter. Det sier seg selv at i dette tilfellet kan materialet enkelt fjernes fra bakken når som helst og brukes igjen til militære formål. I følge Russlands president Vladimir Putin ble landene i utgangspunktet enige om å ødelegge plutonium ikke ved denne metoden, men å utføre deponering ved industrianlegg.
Prisen på plutonium av våpenkvalitet fortjener spesiell oppmerksomhet. Ifølge eksperter kan titalls tonn av dette elementet godt koste flere milliarder amerikanske dollar. Og noen eksperter har til og med anslått 500 tonn plutonium av våpenkvalitet til så mye som 8 billioner dollar. Mengden er virkelig imponerende. For å gjøre det tydeligere hvor mye penger dette er, la oss si at i de siste ti årene av det 20. århundre var Russlands gjennomsnittlige årlige BNP 400 milliarder dollar. Det vil si at den virkelige prisen på plutonium av våpenkvalitet var lik den russiske føderasjonens tjue årlige BNP.
| Plutonium | |
|---|---|
| Atomnummer | 94 |
| Utseende enkelt stoff | |
| Atomets egenskaper | |
| Atommasse (molar masse) |
244.0642 a. e.m. (/mol) |
| Atomradius | 151 pm |
| Ioniseringsenergi (første elektron) |
491,9 (5,10) kJ/mol (eV) |
| Elektronisk konfigurasjon | 5f 6 7s 2 |
| Kjemiske egenskaper | |
| Kovalent radius | n/a pm |
| Ioneradius | (+4e) 93 (+3e) 108 pm |
| Elektronegativitet (ifølge Pauling) |
1,28 |
| Elektrodepotensial | Pu←Pu 4+ -1,25V Pu←Pu 3+ -2,0V Pu←Pu 2+ -1,2V |
| Oksidasjonstilstander | 6, 5, 4, 3 |
| Termodynamiske egenskaper til et enkelt stoff | |
| Tetthet | 19,84 /cm³ |
| Molar varmekapasitet | 32,77 J/(mol) |
| Termisk ledningsevne | (6,7) W/( ·) |
| Smeltepunkt | 914 |
| Smeltevarme | 2,8 kJ/mol |
| Koketemperatur | 3505 |
| Fordampningsvarme | 343,5 kJ/mol |
| Molar volum | 12,12 cm³/mol |
| Krystallgitter av et enkelt stoff | |
| Gitterstruktur | monoklinisk |
| Gitterparametere | a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8 |
| c/a-forhold | — |
| Debye temperatur | 162 |
Plutonium- et radioaktivt kjemisk element av aktinidgruppen, mye brukt i produksjonen atomvåpen(det såkalte "våpenkvalitetsplutonium"), og også (eksperimentelt) som kjernefysisk brensel for atomreaktorer for sivile og forskningsformål. Det første kunstige elementet oppnådd i mengder tilgjengelig for veiing (1942).
Tabellen til høyre viser hovedegenskapene til α-Pu, den viktigste allotropiske modifikasjonen av plutonium ved romtemperatur og normalt trykk.
Historien om plutonium
Plutoniumisotopen 238 Pu ble først kunstig produsert 23. februar 1941 av en gruppe amerikanske forskere ledet av Glenn Seaborg ved å bestråle kjerner uran deuteroner. Det er bemerkelsesverdig at først etter kunstig produksjon plutonium ble oppdaget i naturen: 239 Pu finnes vanligvis i ubetydelige mengder i uranmalm som et produkt av radioaktiv transformasjon av uran.
Finne plutonium i naturen
I uranmalm, som et resultat av fangst av nøytroner (for eksempel nøytroner fra kosmisk stråling) av urankjerner, neptunium(239 Np), hvis β-nedbrytningsprodukt er naturlig plutonium-239. Plutonium dannes imidlertid i så mikroskopiske mengder (0,4-15 deler Pu per 10 12 deler U) at utvinning fra uranmalm er uaktuelt.
opprinnelse til navnet plutonium
I 1930 ble den astronomiske verden begeistret av fantastiske nyheter: en ny planet hadde blitt oppdaget, hvis eksistens lenge hadde blitt snakket om av Percival Lovell, en astronom, matematiker og forfatter av fantastiske essays om livet på Mars. Basert på mange års bevegelsesobservasjoner Uranus Og Neptun Lovell kom til den konklusjon at bortenfor Neptun i solsystemet det må være en annen, niende planet, førti ganger lenger unna Solen enn Jorden.
Denne planeten, baneelementene som Lovell beregnet tilbake i 1915, ble oppdaget på fotografier tatt 21., 23. og 29. januar 1930 av astronomen K. Tombaugh ved Flagstaff Observatory ( USA) . Planeten ble navngitt Pluto. Det 94. elementet, kunstig oppnådd på slutten av 1940 fra kjerner, ble oppkalt etter denne planeten, som ligger i solsystemet utenfor Neptun. atomer uran en gruppe amerikanske forskere ledet av G. Seaborg.
Fysiske egenskaper plutonium
Det er 15 isotoper av plutonium - B de største mengdene isotoper med massetall fra 238 til 242 oppnås:
238 Pu -> (halveringstid 86 år, alfa-forfall) -> 234 U,
Denne isotopen brukes nesten utelukkende i RTG-er for romformål, for eksempel på alle kjøretøyer som har fløyet utenfor Mars-bane.
239 Pu -> (halveringstid 24 360 år, alfa-forfall) -> 235 U,
Denne isotopen er best egnet for konstruksjon av kjernefysiske våpen og raske nøytronreaktorer.
240 Pu -> (halveringstid 6580 år, alfa-forfall) -> 236 U, 241 Pu -> (halveringstid 14,0 år, beta-forfall) -> 241 Am, 242 Pu -> (halveringstid 370 000 år, alfa -forfall) -> 238 U
Disse tre isotopene har ikke alvorlig industriell betydning, men oppnås som biprodukter når energi produseres i atomreaktorer ved bruk av uran, gjennom sekvensiell fangst av flere nøytroner av uran-238 kjerner. Isotop 242 er mest lik uran-238 i kjernefysiske egenskaper. Americium-241, produsert ved forfallet av isotopen 241, ble brukt i røykvarslere.
Plutonium er interessant fordi det gjennomgår seks faseoverganger fra sin størkningstemperatur til romtemperatur, mer enn noe annet kjemisk element. Med sistnevnte øker tettheten brått med 11 %, som et resultat av at plutoniumstøpegods sprekker. Alfafasen er stabil ved romtemperatur, hvis egenskaper er gitt i tabellen. For påføring er deltafasen, som har en lavere tetthet, og et kubisk kroppssentrert gitter mer praktisk. Plutonium i deltafasen er svært duktil, mens alfafasen er sprø. For å stabilisere plutonium i deltafasen brukes doping med treverdige metaller (gallium ble brukt i de første kjernefysiske ladningene).
Anvendelser av plutonium
Den første plutoniumbaserte atomladningen ble detonert 16. juli 1945 på Alamogordo-teststedet (under testing). kodenavn Treenighet).
Biologisk rolle av plutonium
Plutonium er svært giftig; Maksimal tillatt konsentrasjon for 239 Pu i åpne vannforekomster og luften i arbeidsrom er henholdsvis 81,4 og 3,3 * 10 −5 Bq/l. De fleste isotoper av plutonium har høy ioniseringstetthet og kort partikkelbanelengde, så toksisiteten skyldes ikke så mye dets kjemiske egenskaper (plutonium er sannsynligvis ikke mer giftig i denne forbindelse enn andre tungmetaller), men snarere den ioniserende effekten på omkringliggende kroppsvev. Plutonium tilhører en gruppe grunnstoffer med spesielt høy radiotoksisitet. I kroppen produserer plutonium store irreversible endringer i skjelettet, leveren, milten, nyrene og forårsaker kreft. Maksimalt tillatt innhold av plutonium i kroppen bør ikke overstige tideler av et mikrogram.
Kunstverk relatert til temaet plutonium
- Plutonium ble brukt til De Lorean DMC-12-maskinen i filmen Back to the Future som drivstoff for en fluksakkumulator for å reise til fremtiden eller fortiden.
— Anklagen om atombomben som ble detonert av terrorister i Denver, USA, i Tom Clancys «All the Fears of the World» var laget av plutonium.
- Kenzaburo Oe "Notes of a Pinch Runner"
— I 2006 ga Beacon Pictures ut filmen Plutonium-239 ( "Pu-239")
Kjemi
Plutonium Pu - grunnstoff nr. 94 er forbundet med veldig store forhåpninger og veldig stor frykt for menneskeheten. I disse dager er det et av de viktigste, strategisk viktige elementene. Det er det dyreste av de teknisk viktige metallene – det er mye dyrere enn sølv, gull og platina. Han er virkelig verdifull.
Bakgrunn og historie
I begynnelsen var det protoner - galaktisk hydrogen. Som et resultat av dens kompresjon og påfølgende kjernefysiske reaksjoner, ble de mest utrolige "blokkene" av nukleoner dannet. Blant dem, disse "blokkene", var det tilsynelatende de som inneholdt 94 protoner. Teoretikeres anslag tyder på at rundt 100 nukleonformasjoner, som inkluderer 94 protoner og fra 107 til 206 nøytroner, er så stabile at de kan betraktes som kjernene til isotoper av grunnstoff nr. 94.
Men alle disse isotopene - hypotetiske og reelle - er ikke så stabile at de overlever til i dag siden dannelsen av elementene i solsystemet. Halveringstiden til den lengstlevende isotopen til grunnstoff nr. 94 er 81 millioner år. Galaksens alder måles i milliarder av år. Følgelig hadde det "urgamle" plutoniumet ingen sjanse til å overleve til i dag. Hvis det ble dannet under den store syntesen av elementene i universet, så "utdøde" de gamle atomene i det for lenge siden, akkurat som dinosaurer og mammuter ble utryddet.
På 1900-tallet ny æra, AD, ble dette elementet gjenskapt. Av de 100 mulige isotopene av plutonium er det syntetisert 25. De kjernefysiske egenskapene til 15 av dem er studert. Fire funnet praktisk bruk. Og den ble åpnet ganske nylig. I desember 1940, da uran ble bestrålt med tunge hydrogenkjerner, oppdaget en gruppe amerikanske radiokjemikere ledet av Glenn T. Seaborg en tidligere ukjent alfapartikkelutsender med en halveringstid på 90 år. Denne emitteren viste seg å være isotopen til grunnstoff nr. 94 med et massetall på 238. Samme år, men noen måneder tidligere, ble E.M. McMillan og F. Abelson oppnådde det første grunnstoffet tyngre enn uran, grunnstoffnummer 93. Dette grunnstoffet ble kalt neptunium, og grunnstoff 94 ble kalt plutonium. Historikeren vil definitivt si at disse navnene har sin opprinnelse i romersk mytologi, men i hovedsak er opprinnelsen til disse navnene snarere ikke mytologisk, men astronomisk.
Grunnstoffene nr. 92 og 93 er oppkalt etter de fjerne planetene i solsystemet - Uranus og Neptun, men Neptun er ikke den siste i solsystemet, enda lenger ligger banen til Pluto - en planet som nesten ingenting fortsatt er kjent om. .. En lignende konstruksjon Vi ser også på "venstre flanke" av det periodiske system: uran - neptunium - plutonium, men menneskeheten vet mye mer om plutonium enn om Pluto. Forresten, astronomer oppdaget Pluto bare ti år før syntesen av plutonium - nesten samme tidsperiode skilte funnene til Uranus - planeten og uran - elementet.
Gåter for kryptografer
Den første isotopen av grunnstoff nr. 94, plutonium-238, har funnet praktisk anvendelse i disse dager. Men på begynnelsen av 40-tallet tenkte de ikke engang på det. Det er mulig å få tak i plutonium-238 i mengder av praktisk interesse bare ved å stole på den kraftige atomindustrien. På den tiden var det bare i sin spede begynnelse. Men det var allerede klart at ved å frigjøre energien inneholdt i kjernene til tunge radioaktive elementer, var det mulig å skaffe våpen med enestående kraft. Manhattan-prosjektet dukket opp, som ikke hadde noe mer enn et navn til felles med det berømte New York-området. Dette var det generelle navnet på alt arbeid knyttet til opprettelsen av de første atombombene i USA. Det var ikke en vitenskapsmann, men en militærmann, general Groves, som ble utnevnt til sjef for Manhattan-prosjektet, som «kjærlig» kalte sine høyt utdannede anklager «knekte potter».
Lederne for "prosjektet" var ikke interessert i plutonium-238. Dens kjerner, som kjernene til alle plutoniumisotoper med jevne massetall, er ikke spaltbare av lavenerginøytroner, så den kan ikke tjene som et kjernefysisk eksplosiv. Likevel kom de første lite klare rapportene om elementer nr. 93 og 94 på trykk først våren 1942.
Hvordan kan vi forklare dette? Fysikere forsto: syntesen av plutoniumisotoper med odde massetall var et spørsmål om tid, og ikke for lang. Odd isotoper ble forventet å, i likhet med uran-235, kunne støtte en kjernefysisk kjedereaksjon. Noen mennesker så dem som potensielle atomeksplosiver, som ennå ikke var mottatt. Og disse forhåpningene plutonium, dessverre rettferdiggjorde han det.
I datidens kryptering ble element nr. 94 kalt intet mindre enn... kobber. Og når behovet oppsto for selve kobber (som et strukturelt materiale for noen deler), så dukket det opp i kodene, sammen med "kobber", "ekte kobber".
"Treet til kunnskap om godt og ondt"
I 1941 ble den viktigste isotopen av plutonium oppdaget - en isotop med massenummer 239. Og nesten umiddelbart ble teoretikernes spådom bekreftet: plutonium-239-kjerner ble spaltet av termiske nøytroner. Dessuten ble det produsert ikke mindre antall nøytroner under fisjoneringen enn under fisjonen av uran-235. Måter å oppnå denne isotopen i store mengder ble umiddelbart skissert ...
År har gått. Nå er det ingen hemmelighet for noen at atombombene som er lagret i arsenaler er fylt med plutonium-239, og at disse bombene er nok til å forårsake uopprettelig skade på alt liv på jorden.
Det er en utbredt oppfatning at menneskeheten tydeligvis hadde det travelt med oppdagelsen av den kjernefysiske kjedereaksjonen (den uunngåelige konsekvensen var opprettelsen av en atombombe). Du kan tenke annerledes eller late som du tenker annerledes - det er mer behagelig å være optimist. Men selv optimister står uunngåelig overfor spørsmålet om forskernes ansvar. Vi husker den triumferende junidagen 1954, dagen da den første atomkraftverk i Obninsk. Men vi kan ikke glemme morgenen august 1945 - "morgenen til Hiroshima", "den svarte dagen til Albert Einstein"... Vi husker de første etterkrigsårene og den voldsomme atomutpressingen - grunnlaget for amerikansk politikk i disse årene . Men har ikke menneskeheten opplevd mange problemer de påfølgende årene? Dessuten ble disse angstene forsterket mange ganger av bevisstheten om at hvis et nytt utbrudd brøt ut Verdenskrig, vil atomvåpen bli skutt opp.
Her kan du prøve å bevise at oppdagelsen av plutonium ikke tilførte frykt til menneskeheten, at det tvert imot bare var nyttig.
La oss si at det skjedde at plutonium av en eller annen grunn, eller som de ville si i gamle dager, etter Guds vilje, var utilgjengelig for forskere. Ville vår frykt og bekymring da reduseres? Ingenting skjedde. Atombomber ville bli laget av uran-235 (og i ikke mindre mengde enn fra plutonium), og disse bombene ville «spise opp» enda større deler av budsjettene enn nå.
Men uten plutonium ville det ikke vært noen utsikter for fredelig bruk av atomenergi i stor skala. Det ville rett og slett ikke være nok uran-235 for et "fredelig atom". Det onde menneskeheten ble påført ved oppdagelsen av atomenergi ville ikke balanseres, selv delvis, av prestasjonene til det "gode atomet."
Hvordan måle, hva sammenligne med
Når en plutonium-239 kjerne deles av nøytroner i to fragmenter med omtrent lik masse, frigjøres omtrent 200 MeV energi. Dette er 50 millioner ganger mer energi som frigjøres i den mest kjente eksoterme reaksjonen C + O 2 = CO 2. "Brent" i en atomreaktor gir et gram plutonium 2107 kcal. For ikke å bryte tradisjonen (og i populære artikler måles energien til kjernebrensel vanligvis i ikke-systemiske enheter - tonn kull, bensin, trinitrotoluen, etc.), merker vi også: dette er energien som finnes i 4 tonn av kull. Og et vanlig fingerbøl inneholder en mengde plutonium som energimessig tilsvarer førti billass med god bjørkeved.
Den samme energien frigjøres under fisjon av uran-235-kjerner av nøytroner. Men hoveddelen av naturlig uran (99,3 %) er isotopen 238 U, som kun kan brukes ved å gjøre uran om til plutonium...
Energi av steiner
La oss vurdere energiressursene som finnes i naturlige uranreserver.
Uran er et sporstoff og finnes nesten overalt. Alle som har besøkt for eksempel Karelen, vil nok huske granittblokker og kystklipper. Men få mennesker vet at et tonn granitt inneholder opptil 25 g uran. Granitter utgjør nesten 20 % av vekten jordskorpen. Hvis vi bare teller uran-235, så inneholder et tonn granitt 3,5-105 kcal energi. Det er mye, men...
Å bearbeide granitt og utvinne uran fra den krever å bruke en enda større mengde energi - omtrent 106-107 kcal/t. Nå, hvis det var mulig å bruke ikke bare uran-235, men også uran-238 som energikilde, så kunne granitt i det minste betraktes som et potensielt energiråmateriale. Da vil energien som oppnås fra et tonn stein være fra 8-107 til 5-108 kcal. Dette tilsvarer 16-100 tonn kull. Og i dette tilfellet kan granitt gi mennesker nesten en million ganger mer energi enn alle de kjemiske drivstoffreservene på jorden.
Men uran-238-kjerner spalter ikke av nøytroner. Til kjernekraft denne isotopen er ubrukelig. Mer presist ville det være ubrukelig om det ikke kunne omdannes til plutonium-239. Og det som er spesielt viktig: praktisk talt ingen energi trenger å brukes på denne kjernefysiske transformasjonen - tvert imot, energi produseres i denne prosessen!
La oss prøve å finne ut hvordan dette skjer, men først noen få ord om naturlig plutonium.
400 tusen ganger mindre enn radium
Det har allerede blitt sagt at isotoper av plutonium ikke har blitt bevart siden syntesen av elementer under dannelsen av planeten vår. Men dette betyr ikke at det ikke er plutonium i jorden.
Det dannes hele tiden i uranmalm. Ved å fange nøytroner fra kosmisk stråling og nøytroner produsert ved spontan fisjon av uran-238-kjerner, blir noen - svært få - atomer av denne isotopen til atomer av uran-239. Disse kjernene er svært ustabile, de sender ut elektroner og øker dermed ladningen. Neptunium, det første transuranelementet, dannes. Neptunium-239 er også svært ustabil, og kjernene sender ut elektroner. På bare 56 timer blir halvparten av neptunium-239 til plutonium-239, hvis halveringstid allerede er ganske lang - 24 tusen år.
Hvorfor utvinnes ikke plutonium fra uranmalm?? Lav, for lav konsentrasjon. "Produksjon per gram - arbeidskraft per år" - dette handler om radium, og plutonium i malm er 400 tusen ganger mindre enn radium. Derfor er det ekstremt vanskelig ikke bare å utvinne, men til og med å oppdage "jordisk" plutonium. Dette ble gjort først etter at de fysiske og kjemiske egenskapene til plutonium produsert i atomreaktorer ble studert.
Plutonium akkumuleres i atomreaktorer. I kraftige nøytronstrømmer skjer den samme reaksjonen som i uranmalm, men hastigheten for dannelse og akkumulering av plutonium i reaktoren er mye høyere - en milliard milliarder ganger. For reaksjonen med å konvertere ballast uran-238 til energikvalitetsplutonium-239, skapes optimale (innenfor akseptable) forhold.
Hvis reaktoren opererer på termiske nøytroner (husk at hastigheten deres er omtrent 2000 m per sekund, og energien deres er en brøkdel av en elektronvolt), så oppnås en mengde plutonium fra en naturlig blanding av uranisotoper som er litt mindre enn mengde "utbrent" uran-235. Litt, men mindre, pluss de uunngåelige tapene av plutonium under dets kjemiske separasjon fra bestrålt uran. I tillegg opprettholdes den kjernefysiske kjedereaksjonen i den naturlige blandingen av uranisotoper bare inntil en liten del av uran-235 er konsumert. Derav den logiske konklusjonen: en "termisk" reaktor som bruker naturlig uran - hovedtypen av reaktorer i drift - kan ikke sikre utvidet reproduksjon av kjernebrensel. Men hva er lovende da? For å svare på dette spørsmålet, la oss sammenligne forløpet av kjernefysisk kjedereaksjon i uran-235 og plutonium-239 og introdusere et annet fysisk konsept i diskusjonene våre.
Den viktigste egenskapen til ethvert kjernebrensel er det gjennomsnittlige antallet nøytroner som sendes ut etter at kjernen har fanget ett nøytron. Fysikere kaller det eta-tallet og betegner det med den greske bokstaven q. I "termiske" reaktorer på uran observeres følgende mønster: hvert nøytron genererer et gjennomsnitt på 2,08 nøytroner (η = 2,08). Plutonium plassert i en slik reaktor under påvirkning av termiske nøytroner gir η = 2,03. Men det finnes også reaktorer som opererer på raske nøytroner. Det er nytteløst å laste en naturlig blanding av uranisotoper inn i en slik reaktor: en kjedereaksjon vil ikke oppstå. Men hvis "råmaterialet" er anriket med uran-235, kan det utvikles i en "rask" reaktor. I dette tilfellet vil c allerede være lik 2,23. Og plutonium, utsatt for rask nøytronbrann, vil gi η lik 2,70. Vi vil ha "ekstra halvt nøytron" til rådighet. Og dette er slett ikke lite.
La oss se hva de resulterende nøytronene brukes på. I enhver reaktor er det nødvendig med ett nøytron for å opprettholde en kjernefysisk kjedereaksjon. 0,1 nøytroner absorberes av konstruksjonsmaterialene til installasjonen. "Overskuddet" brukes til å akkumulere plutonium-239. I det ene tilfellet er "overskuddet" 1,13, i det andre er det 1,60. Etter "brenning" av et kilo plutonium i en "rask" reaktor, frigjøres kolossal energi og 1,6 kg plutonium akkumuleres. Og uran i en "rask" reaktor vil gi samme energi og 1,1 kg nytt kjernebrensel. I begge tilfeller er utvidet reproduksjon tydelig. Men vi må ikke glemme økonomien.
På grunn av serien tekniske årsaker Avlssyklusen for plutonium tar flere år. La oss si fem år. Dette betyr at mengden plutonium per år vil øke med kun 2 % hvis η=2,23, og med 12 % hvis η=2,7! Kjernebrensel er kapital, og enhver kapital bør gi for eksempel 5 % per år. I det første tilfellet er det store tap, og i det andre er det store overskudd. Dette primitive eksemplet illustrerer "vekten" av hver tiende av et tall i kjernekraft.
Noe annet er også viktig. Atomkraft må holde tritt med økende energibehov. Beregninger viser at betingelsen hans er oppfylt i fremtiden først når η nærmer seg tre. Hvis utviklingen av kjernefysiske energikilder henger etter samfunnets energibehov, vil det være to alternativer igjen: enten «bremse fremdriften» eller ta energi fra andre kilder. De er kjent: termonukleær fusjon, utslettelsesenergi av materie og antimaterie, men er ennå ikke teknisk tilgjengelig. Og det er ikke kjent når de vil bli virkelige energikilder for menneskeheten. Og energien til tunge kjerner har lenge blitt en realitet for oss, og i dag har plutonium, som den viktigste "leverandøren" av atomenergi, ingen seriøse konkurrenter, bortsett fra kanskje uran-233.
Summen av mange teknologier
Når den nødvendige mengden plutonium som følge av kjernefysiske reaksjoner har samlet seg i uran, må det separeres ikke bare fra selve uranet, men også fra fisjonsfragmenter - både uran og plutonium, brent opp i kjernekjedereaksjonen. I tillegg inneholder uran-plutonium-massen også en viss mengde neptunium. De vanskeligste tingene å skille er plutonium fra neptunium og sjeldne jordartselementer (lantanider). Plutonium as kjemisk element uheldig til en viss grad. Fra et kjemikers synspunkt er hovedelementet i kjernekraft bare ett av fjorten aktinider. Som sjeldne jordartselementer er alle elementene i aktiniumserien veldig nær hverandre i kjemiske egenskaper, strukturen til de ytre elektronskallene til atomene til alle grunnstoffene fra aktinium til 103 er den samme. Det som er enda mer ubehagelig er at de kjemiske egenskapene til aktinider ligner egenskapene til sjeldne jordartselementer, og blant fisjonsfragmentene av uran og plutonium er det mer enn nok lantanider. Men da kan element 94 være i fem valenstilstander, og dette "søter pillen" - det hjelper å skille plutonium fra både uran og fisjonsfragmenter.
Valensen til plutonium varierer fra tre til syv. Kjemisk er de mest stabile (og derfor de vanligste og mest studerte) forbindelsene fireverdig plutonium.
Separasjonen av aktinider med lignende kjemiske egenskaper - uran, neptunium og plutonium - kan være basert på forskjellen i egenskapene til deres tetra- og seksverdige forbindelser.
Det er ikke nødvendig å beskrive i detalj alle stadiene i den kjemiske separasjonen av plutonium og uran. Vanligvis begynner deres separasjon med oppløsningen av uranstenger i salpetersyre, hvoretter uran-, neptunium-, plutonium- og fragmenteringselementene i løsningen "separeres" ved hjelp av tradisjonelle radiokjemiske metoder - utfelling, ekstraksjon, ionebytting og andre. De endelige plutoniumholdige produktene til denne flertrinnsteknologien er dens dioksid PuO 2 eller fluorider - PuF 3 eller PuF 4. De reduseres til metall med barium-, kalsium- eller litiumdamp. Plutoniumet som oppnås i disse prosessene er imidlertid ikke egnet for rollen som et strukturelt materiale - drivstoffelementer til atomkraftreaktorer kan ikke lages av det, og ladningen til en atombombe kan ikke støpes. Hvorfor? Smeltepunktet for plutonium - bare 640°C - er ganske oppnåelig.
Uansett hvilke "ultra-skånsomme" forhold som brukes for å støpe deler av rent plutonium, vil det alltid oppstå sprekker i støpegodset under størkning. Ved 640°C danner størknende plutonium et kubisk krystallgitter. Når temperaturen synker, øker tettheten til metallet gradvis. Men så nådde temperaturen 480°C, og så synker plutselig tettheten av plutonium kraftig. Årsakene til denne anomalien ble oppdaget ganske raskt: ved denne temperaturen blir plutoniumatomer omorganisert i krystallgitteret. Den blir tetragonal og veldig "løs". Slikt plutonium kan flyte i sin egen smelte, som is på vann.
Temperaturen fortsetter å falle, nå har den nådd 451°C, og atomene dannet igjen et kubisk gitter, men plassert i større avstand fra hverandre enn i det første tilfellet. Ved ytterligere avkjøling blir gitteret først ortorhombisk, deretter monoklinisk. Totalt danner plutonium seks forskjellige krystallinske former! To av dem utmerker seg med en bemerkelsesverdig egenskap - en negativ termisk ekspansjonskoeffisient: med økende temperatur utvider metallet seg ikke, men trekker seg sammen.
Når temperaturen når 122°C og plutoniumatomene omorganiserer radene sine for sjette gang, endres tettheten spesielt dramatisk - fra 17,77 til 19,82 g/cm 3 . Mer enn 10 %!
Følgelig avtar volumet av barren. Hvis metallet fortsatt kunne motstå påkjenningene som oppsto ved andre overganger, så er i dette øyeblikk ødeleggelse uunngåelig.
Hvordan lage deler av dette fantastiske metallet? Metallurger leger plutonium (tilfører små mengder av de nødvendige elementene til det) og får støpegods uten en eneste sprekk. De brukes til å lage plutoniumladninger til atombomber. Vekten av ladningen (det bestemmes først og fremst av den kritiske massen til isotopen) er 5-6 kg. Den kunne lett passe inn i en kube med en kantstørrelse på 10 cm.
Tunge isotoper av plutonium
Plutonium-239 inneholder også i små mengder høyere isotoper av dette grunnstoffet - med massetall 240 og 241. 240 Pu-isotopen er praktisk talt ubrukelig - den er ballast i plutonium. Fra 241 oppnås americium - element nr. 95. I sin rene form, uten blanding av andre isotoper, kan plutonium-240 og plutonium-241 oppnås ved elektromagnetisk separasjon av plutonium akkumulert i reaktoren. Før dette blir plutonium i tillegg bestrålt med nøytronflukser med strengt definerte egenskaper. Selvfølgelig er alt dette veldig komplisert, spesielt siden plutonium ikke bare er radioaktivt, men også veldig giftig. Å jobbe med det krever ekstrem forsiktighet.
En av de mest interessante isotopene av plutonium, 242 Pu, kan oppnås ved å bestråle 239 Pu i lang tid i nøytronflukser. 242 Pu fanger svært sjelden nøytroner og "brenner ut" i reaktoren saktere enn andre isotoper; det vedvarer selv etter at de gjenværende isotopene av plutonium nesten fullstendig har blitt til fragmenter eller blitt til plutonium-242.
Plutonium-242 er viktig som "råmateriale" for relativt rask akkumulering av høyere transuranelementer i atomreaktorer. Hvis plutonium-239 blir bestrålt i en konvensjonell reaktor, vil det ta omtrent 20 år å akkumulere mikrogrammengder av for eksempel California-252 fra gram plutonium.
Det er mulig å redusere akkumuleringstiden for høyere isotoper ved å øke intensiteten til nøytronfluksen i reaktoren. Dette er hva de gjør, men da kan du ikke bestråle store mengder plutonium-239. Tross alt er denne isotopen delt av nøytroner, og for mye energi frigjøres i intense strømmer. Ytterligere vanskeligheter oppstår med reaktorkjøling. For å unngå disse vanskelighetene vil det være nødvendig å redusere mengden plutonium som bestråles. Følgelig ville utbyttet av californium igjen bli lite. Ond sirkel!
Plutonium-242 er ikke spaltbart av termiske nøytroner, det kan bestråles i store mengder i intense nøytronflukser... Derfor, i reaktorer, blir alle grunnstoffer fra americium til fermium "laget" fra denne isotopen og akkumulert i vektmengder.
Hver gang forskere klarte å skaffe en ny isotop av plutonium, ble halveringstiden til kjernene målt. Halveringstidene til isotoper av tunge radioaktive kjerner med jevne massetall endres regelmessig. (Dette kan ikke sies om rare isotoper.)
Når massen øker, øker også "levetiden" til isotopen. For noen år siden høyeste punkt Dette kartet var plutonium-242. Og hvordan vil så denne kurven gå - med en ytterligere økning i massetallet? Til punkt 1, som tilsvarer en levetid på 30 millioner år, eller til punkt 2, som tilsvarer 300 millioner år? Svaret på dette spørsmålet var svært viktig for geovitenskap. I det første tilfellet, hvis jorden for 5 milliarder år siden helt bestod av 244 Pu, ville nå bare ett atom av plutonium-244 være igjen i hele jordens masse. Hvis den andre antagelsen er sann, kan plutonium-244 være i jorden i konsentrasjoner som allerede kunne påvises. Hvis vi var heldige nok til å finne denne isotopen i jorden, ville vitenskapen motta den mest verdifulle informasjonen om prosessene som fant sted under dannelsen av planeten vår.
Halveringstider for noen isotoper av plutonium
For noen år siden ble forskere møtt med spørsmålet: er det verdt å prøve å finne tungt plutonium i jorden? For å svare på det var det først og fremst nødvendig å bestemme halveringstiden til plutonium-244. Teoretikere kunne ikke beregne denne verdien med den nødvendige nøyaktigheten. Alt håp var bare for eksperimentet.
Plutonium-244 akkumulert i en atomreaktor. Grunnstoff nr. 95 - americium (isotop 243 Am) ble bestrålt. Etter å ha fanget et nøytron, ble denne isotopen til americium-244; americium-244 ble i ett av 10 tusen tilfeller til plutonium-244.
Preparatet av plutonium-244 ble isolert fra en blanding av americium og curium. Prøven veide bare noen få milliondeler av et gram. Men de var nok til å bestemme halveringstiden til denne interessante isotopen. Det viste seg å være lik 75 millioner år. Senere avklarte andre forskere halveringstiden til plutonium-244, men ikke mye - 81 millioner år. I 1971 ble det funnet spor av denne isotopen i det sjeldne jordartsmineralet bastnäsitt.
Mange forsøk har blitt gjort av forskere for å finne en isotop av transuranelementet som lever lenger enn 244 Pu. Men alle forsøk forble forgjeves. På et tidspunkt ble det satt håp til curium-247, men etter at denne isotopen ble samlet i reaktoren, viste det seg at halveringstiden bare er 16 millioner år. Det var ikke mulig å slå rekorden for plutonium-244 - det er den lengstlevende av alle isotoper av transuranelementer.
Selv tyngre isotoper av plutonium gjennomgår beta-forfall, og levetiden deres varierer fra noen få dager til noen få tideler av et sekund. Vi vet med sikkerhet at alle isotoper av plutonium dannes i termonukleære eksplosjoner, opp til 257 Pu. Men levetiden deres er tideler av et sekund, og mange kortlivede isotoper av plutonium er ennå ikke studert.
Mulighetene til den første plutoniumisotopen
Og til slutt - om plutonium-238 - den aller første av de "menneskeskapte" isotopene av plutonium, en isotop som til å begynne med virket lite lovende. Det er faktisk en veldig interessant isotop. Den er utsatt for alfa-forfall, det vil si at dens kjerner spontant avgir alfapartikler - heliumkjerner. Alfa-partikler generert av plutonium-238 kjerner bærer høy energi; spres i materie, blir denne energien til varme. Hvor stor er denne energien? Seks millioner elektronvolt frigjøres fra forfallet til en atomkjernen plutonium-238. I en kjemisk reaksjon frigjøres den samme energien når flere millioner atomer oksideres. En strømkilde som inneholder ett kilo plutonium-238 utvikler en termisk effekt på 560 watt. Den maksimale effekten til en kjemisk strømkilde med samme masse er 5 watt.
Det er mange emittere med lignende energiegenskaper, men en funksjon ved plutonium-238 gjør denne isotopen uerstattelig. Alfa-forfall er vanligvis ledsaget av sterk gammastråling, som trenger gjennom store lag av materie. 238 Pu er et unntak. Energien til gammastråler som følger med forfallet av kjernene er lav, og det er ikke vanskelig å beskytte mot det: strålingen absorberes av en tynnvegget beholder. Sannsynligheten for spontan fisjon av kjerner i denne isotopen er også lav. Derfor har den funnet anvendelse ikke bare i nåværende kilder, men også i medisin. Batterier som inneholder plutonium-238 tjener som en energikilde i spesielle hjertestimulerende midler.
Men 238 Pu er ikke den letteste kjente isotopen av grunnstoff nr. 94, isotoper av plutonium er oppnådd med massetall fra 232 til 237. Halveringstiden til den letteste isotopen er 36 minutter.
Plutonium er et stort tema. Det viktigste er fortalt her. Tross alt har det allerede blitt en standardfrase at kjemien til plutonium har blitt studert mye bedre enn kjemien til slike "gamle" elementer som jern. Det er skrevet hele bøker om de kjernefysiske egenskapene til plutonium. Metallurgien til plutonium er en annen fantastisk del av menneskelig kunnskap... Derfor bør du ikke tro at etter å ha lest denne historien, har du virkelig lært plutonium - det viktigste metallet i det 20. århundre.
- HVORDAN BÆRE PLUTONIUM. Radioaktivt og giftig plutonium krever spesiell forsiktighet under transport. En container ble designet spesielt for transport - en container som ikke blir ødelagt selv i flyulykker. Det er laget ganske enkelt: det er et tykkvegget kar laget av av rustfritt stål, omgitt av et mahogniskall. Det er klart at plutonium er verdt det, men forestill deg hvor tykke veggene må være hvis du vet at en container for transport av bare to kilo plutonium veier 225 kg!
- GIFT OG MOTID. Den 20. oktober 1977 rapporterte Agence France Presse: funnet kjemisk forbindelse, i stand til å fjerne plutonium fra menneskekroppen. Noen år senere ble ganske mye kjent om denne forbindelsen. Denne komplekse forbindelsen er et lineært karboksylase katekinamid, et stoff i chelatklassen (fra gresk "chela" - klo). Plutoniumatomet, fritt eller bundet, er fanget i denne kjemiske kloen. I laboratoriemus ble dette stoffet brukt til å fjerne opptil 70 % av absorbert plutonium fra kroppen. Det antas at denne forbindelsen i fremtiden vil bidra til å utvinne plutonium fra både produksjonsavfall og kjernebrensel.
Hva ønsker vi å lære i dag? Hvor mye veier 1 kube plutonium, vekten av 1 m3 plutonium? Ikke noe problem, du kan finne ut antall kilo eller antall tonn på en gang, masse (vekt av en kubikkmeter, vekt av en kube, vekt av en kubikkmeter, vekt 1 m3) er angitt i tabell 1. Hvis noen er interessert, kan du skumlese den lille teksten nedenfor og lese noen forklaringer. Hvordan måles mengden stoff, materiale, væske eller gass vi trenger? Bortsett fra de tilfellene hvor det er mulig å redusere beregningen av nødvendig mengde til telling av varer, produkter, elementer i stykker (styktelling), er det lettest for oss å bestemme nødvendig mengde basert på volum og vekt (masse) . I hverdagen er den vanligste volummåleenheten for oss 1 liter. Antall liter som egner seg for husholdningsberegninger er imidlertid ikke alltid en anvendelig måte å bestemme volumet for næringsvirksomhet. I tillegg har liter i vårt land ikke blitt en allment akseptert "produksjons"- og handelsenhet for måling av volum. En kubikkmeter, eller i sin forkortede versjon - en kube, viste seg å være en ganske praktisk og populær volumenhet for praktisk bruk. Vi er vant til å måle nesten alle stoffer, væsker, materialer og til og med gasser i kubikkmeter. Det er veldig praktisk. Tross alt er deres kostnader, priser, priser, forbrukssatser, tariffer, leveringskontrakter nesten alltid knyttet til kubikkmeter (kuber), og mye sjeldnere til liter. Ikke mindre viktig for praktiske aktiviteter er kunnskap om ikke bare volumet, men også vekten (massen) av stoffet som opptar dette volumet: i dette tilfellet snakker vi om hvor mye 1 kubikkmeter veier (1 kubikkmeter, 1 kubikkmeter, 1 m3). Å kjenne masse og volum gir oss en ganske fullstendig ide om kvantitet. Besøkende på nettstedet, når de spør hvor mye 1 kube veier, angir ofte spesifikke masseenheter som de ønsker å vite svaret på spørsmålet i. Som vi la merke til, ønsker de oftest å vite vekten av 1 kube (1 kubikkmeter, 1 kubikkmeter, 1 m3) i kilogram (kg) eller tonn (t). I hovedsak trenger du kg/m3 eller t/m3. Dette er nært beslektede enheter som definerer mengde. I prinsippet er en ganske enkel uavhengig konvertering av vekt (masse) fra tonn til kilogram og omvendt mulig: fra kilogram til tonn. Som praksis har vist, vil imidlertid et mer praktisk alternativ være for de fleste besøkende på nettstedet finn ut umiddelbart hvor mange kilo 1 kubikk (1 m3) plutonium veier eller hvor mange tonn 1 kubikk (1 m3) plutonium veier, uten å konvertere kilo til tonn eller omvendt - antall tonn til kilo per kubikkmeter (en kubikkmeter, en kubikkmeter, en m3). Derfor har vi i Tabell 1 angitt hvor mye 1 kubikkmeter (1 kubikkmeter, 1 kubikkmeter) veier i kilogram (kg) og tonn (t). Velg tabellkolonnen du trenger selv. Når vi spør hvor mye 1 kubikkmeter (1 m3) veier, mener vi forresten antall kilo eller antall tonn. Fra et fysisk synspunkt er vi imidlertid interessert i tetthet eller egenvekt. Massen til en enhetsvolum eller mengden stoff i en enhetsvolum er bulkdensitet eller egenvekt. I dette tilfellet bulkdensitet og egenvekt av plutonium. Tetthet og egenvekt i fysikk måles vanligvis ikke i kg/m3 eller tonn/m3, men i gram per kubikkcentimeter: g/cm3. Derfor, i tabell 1, er egenvekt og tetthet (synonymer) angitt i gram per kubikkcentimeter (g/cm3)
Mange av våre lesere forbinder hydrogenbomben med en atombombe, bare mye kraftigere. Faktisk er dette et fundamentalt nytt våpen, som krevde uforholdsmessig stor intellektuell innsats for å lage det og fungerer etter fundamentalt forskjellige fysiske prinsipper.
Det eneste atom- og hydrogenbombene har til felles er at begge frigjør kolossal energi skjult i atomkjernen. Dette kan gjøres på to måter: å dele tunge kjerner, for eksempel uran eller plutonium, i lettere (fisjonsreaksjon) eller å tvinge de letteste isotoper av hydrogen til å smelte sammen (fusjonsreaksjon). Som et resultat av begge reaksjonene er massen til det resulterende materialet alltid mindre enn massen til de opprinnelige atomene. Men masse kan ikke forsvinne sporløst - den blir til energi i henhold til Einsteins berømte formel E=mc 2.
For å lage en atombombe er en nødvendig og tilstrekkelig betingelse å skaffe spaltbart materiale i tilstrekkelige mengder. Arbeidet er ganske arbeidskrevende, men lite intellektuelt, og ligger nærmere gruveindustrien enn høyvitenskapen. Hovedressursene for å lage slike våpen brukes på bygging av gigantiske urangruver og anrikningsanlegg. Bevis på enhetens enkelhet er det faktum at det gikk mindre enn en måned mellom produksjonen av plutoniumet som var nødvendig for den første bomben og den første sovjetiske atomeksplosjonen.
La oss kort huske driftsprinsippet til en slik bombe, kjent fra fysikkkurs på skolen. Den er basert på egenskapen til uran og noen transuranelementer, for eksempel plutonium, for å frigjøre mer enn ett nøytron under forfall. Disse elementene kan forfalle enten spontant eller under påvirkning av andre nøytroner.
Det frigjorte nøytronet kan forlate det radioaktive materialet, eller det kan kollidere med et annet atom og forårsake en ny fisjonsreaksjon. Når en viss konsentrasjon av et stoff (kritisk masse) overskrides, begynner antallet nyfødte nøytroner, som forårsaker ytterligere fisjon av atomkjernen, å overstige antallet råtnende kjerner. Antallet råtnende atomer begynner å vokse som et snøskred, og føder nye nøytroner, det vil si at det oppstår en kjedereaksjon. For uran-235 er den kritiske massen ca. 50 kg, for plutonium-239 - 5,6 kg. Det vil si at en kule med plutonium som veier litt mindre enn 5,6 kg er bare et varmt metallstykke, og en masse på litt mer varer bare noen få nanosekunder.
Selve operasjonen av bomben er enkel: vi tar to halvkuler av uran eller plutonium, hver litt mindre enn den kritiske massen, plasserer dem i en avstand på 45 cm, dekker dem med eksplosiver og detonerer. Uranet eller plutoniumet sintres til et stykke superkritisk masse, og en kjernefysisk reaksjon starter. Alle. Det er en annen måte å starte en kjernefysisk reaksjon på - å komprimere et stykke plutonium med en kraftig eksplosjon: avstanden mellom atomene vil avta, og reaksjonen vil begynne med en lavere kritisk masse. Alle moderne atomdetonatorer opererer etter dette prinsippet.
Problemene med atombomben begynner fra det øyeblikket vi ønsker å øke eksplosjonens kraft. Bare å øke det spaltbare materialet er ikke nok - så snart massen når en kritisk masse, detonerer den. Ulike geniale opplegg ble oppfunnet, for eksempel for å lage en bombe ikke av to deler, men fra mange, som fikk bomben til å ligne en sløyd appelsin, og deretter sette den sammen i ett stykke med en eksplosjon, men likevel med en kraft på over 100 kilotonn ble problemene uoverkommelige.
Men drivstoff for termonukleær fusjon har ikke en kritisk masse. Her henger Solen, fylt med termonukleært brensel, over hodet, en termonukleær reaksjon har pågått inne i den i en milliard år – og ingenting eksploderer. I tillegg, under syntesereaksjonen av for eksempel deuterium og tritium (tung og supertung isotop av hydrogen), frigjøres energi 4,2 ganger mer enn ved forbrenning av samme masse uran-235.
Fremstillingen av atombomben var mer eksperimentell enn teoretisk prosess. Opprettelsen av en hydrogenbombe krevde fremveksten av helt nye fysiske disipliner: fysikken til høytemperaturplasma og ultrahøye trykk. Før man begynte å konstruere en bombe, var det nødvendig å grundig forstå naturen til fenomenene som bare forekommer i kjernen av stjerner. Ingen eksperimenter kunne hjelpe her - forskernes verktøy var det bare teoretisk fysikk Og høyere matematikk. Det er ingen tilfeldighet at en gigantisk rolle i utviklingen av termonukleære våpen tilhører matematikere: Ulam, Tikhonov, Samarsky, etc.
Klassisk super
Ved slutten av 1945 foreslo Edward Teller det første hydrogenbombedesignet, kalt "den klassiske super". For å skape det monstrøse trykket og temperaturen som er nødvendig for å starte fusjonsreaksjonen, skulle det brukes en konvensjonell atombombe. Den "klassiske superen" i seg selv var en lang sylinder fylt med deuterium. Et mellomliggende "tenningskammer" med en deuterium-tritium-blanding ble også gitt - syntesereaksjonen av deuterium og tritium begynner ved et lavere trykk. I analogi med en brann skulle deuterium spille rollen som ved, en blanding av deuterium og tritium - et glass bensin, og en atombombe - en fyrstikk. Denne ordningen ble kalt et "rør" - en slags sigar med en atomtenner i den ene enden. Sovjetiske fysikere begynte å utvikle hydrogenbomben ved å bruke samme opplegg.
Matematiker Stanislav Ulam beviste imidlertid for Teller at forekomsten av en fusjonsreaksjon av rent deuterium i en "super" neppe er mulig, og blandingen ville kreve en slik mengde tritium at for å produsere den ville den være nødvendig for å praktisk talt fryse produksjonen av våpenplutonium i USA.
Puff med sukker
I midten av 1946 foreslo Teller en annen hydrogenbombedesign - en "alarmklokke". Den besto av alternerende sfæriske lag av uran, deuterium og tritium. Under atomeksplosjonen av den sentrale ladningen av plutonium ble det nødvendige trykket og temperaturen skapt for starten av en termonukleær reaksjon i andre lag av bomben. "Vekkerklokken" krevde imidlertid en høykraftig atominitiator, og USA (så vel som USSR) hadde problemer med å produsere uran og plutonium av våpenkvalitet.
Høsten 1948 kom Andrei Sakharov til en lignende ordning. I Sovjetunionen ble designet kalt "sloyka". For Sovjetunionen, som ikke hadde tid til å produsere uran-235 og plutonium-239 av våpenkvalitet i tilstrekkelige mengder, var Sakharovs puffpasta et universalmiddel. Og det er derfor.
I en konvensjonell atombombe er naturlig uran-238 ikke bare ubrukelig (nøytronenergien under forfall er ikke nok til å sette i gang fisjon), men også skadelig fordi den ivrig absorberer sekundære nøytroner, og bremser kjedereaksjonen. Derfor består 90 % av uran av våpenkvalitet av isotopen uran-235. Imidlertid er nøytroner som er et resultat av termonukleær fusjon 10 ganger mer energiske enn fisjonsnøytroner, og naturlig uran-238 bestrålt med slike nøytroner begynner å fisjoneres utmerket. Den nye bomben gjorde det mulig å bruke uran-238, som tidligere hadde vært ansett som et avfallsprodukt, som eksplosiv.
Høydepunktet i Sakharovs "mørdeig" var også bruken av et hvitt lys krystallinsk stoff - litium deuteride 6 LiD - i stedet for akutt mangelfull tritium.
Som nevnt ovenfor, antennes en blanding av deuterium og tritium mye lettere enn rent deuterium. Det er imidlertid her fordelene med tritium slutter, og bare ulempene gjenstår: i god stand tritium er en gass som forårsaker lagringsvansker; tritium er radioaktivt og forfaller til stabil helium-3, som aktivt forbruker sårt tiltrengte raske nøytroner, og begrenser bombens holdbarhet til noen få måneder.
Ikke-radioaktivt litiumdeutrid, når det bestråles med langsomme fisjonsnøytroner - konsekvensene av en eksplosjon av en atomsikring - blir til tritium. Dermed produserer strålingen fra den primære atomeksplosjonen øyeblikkelig en tilstrekkelig mengde tritium for en ytterligere termonukleær reaksjon, og deuterium er i utgangspunktet tilstede i litiumdeutrid.
Det var nettopp en slik bombe, RDS-6s, som ble vellykket testet den 12. august 1953 ved tårnet til Semipalatinsk-teststedet. Kraften til eksplosjonen var 400 kilotonn, og det er fortsatt debatt om hvorvidt det var en ekte termonukleær eksplosjon eller en superkraftig atomeksplosjon. Tross alt utgjorde den termonukleære fusjonsreaksjonen i Sakharovs puffpasta ikke mer enn 20 % av den totale ladekraften. Hovedbidraget til eksplosjonen ble gitt av forfallsreaksjonen til uran-238 bestrålt med raske nøytroner, takket være hvilken RDS-6-ene innledet epoken med de såkalte "skitne" bombene.
Faktum er at den viktigste radioaktive forurensningen kommer fra forfallsprodukter (spesielt strontium-90 og cesium-137). Sakharovs "mørdeig" var i hovedsak en gigantisk atombombe, bare litt forbedret termonukleær reaksjon. Det er ingen tilfeldighet at bare én "butterdeig"-eksplosjon produserte 82 % av strontium-90 og 75 % av cesium-137, som kom inn i atmosfæren gjennom hele historien til Semipalatinsk-teststedet.
Amerikanske bomber
Det var imidlertid amerikanerne som var de første til å detonere hydrogenbomben. 1. november 1952 på Elugelab-atollen i Stillehavet Mike termonukleære enheten med et utbytte på 10 megatonn ble testet med suksess. Det ville være vanskelig å kalle en 74-tonns amerikansk enhet en bombe. "Mike" var en klumpete enhet på størrelse med et to-etasjers hus, fylt med flytende deuterium ved en temperatur nær absolutt null (Sakharovs "butterdeig" var et fullstendig transportabelt produkt). Høydepunktet til "Mike" var imidlertid ikke størrelsen, men det geniale prinsippet om å komprimere termonukleære eksplosiver.
La oss huske at hovedideen til en hydrogenbombe er å skape forhold for fusjon (ultrahøyt trykk og temperatur) gjennom en atomeksplosjon. I "puff"-ordningen er kjernefysisk ladning plassert i sentrum, og derfor komprimerer den ikke så mye deuterium som sprer det utover - å øke mengden termonukleært eksplosiv fører ikke til en økning i kraft - det gjør det rett og slett ikke har tid til å detonere. Det er nettopp dette som begrenser den maksimale kraften til denne ordningen - den kraftigste "puff" i verden, Orange Herald, sprengt av britene 31. mai 1957, ga bare 720 kilotonn.
Det ville vært ideelt om vi kunne få atomlunken til å eksplodere inne og komprimere det termonukleære sprengstoffet. Men hvordan gjøre det? Edward Teller la frem en strålende idé: å komprimere termonukleært brensel ikke med mekanisk energi og nøytronfluks, men med strålingen fra den primære atomsikringen.
I Tellers nye design ble den initierende atomenheten skilt fra den termonukleære enheten. Da atomladningen ble utløst, gikk røntgenstrålingen foran sjokkbølgen og spredte seg langs veggene til det sylindriske legemet, fordampet og forvandlet polyetylenets indre foring av bombelegemet til plasma. Plasmaet ga på sin side ut mykere røntgenstråler, som ble absorbert av de ytre lagene av den indre sylinderen av uran-238 - "pusheren". Lagene begynte å fordampe eksplosivt (dette fenomenet kalles ablasjon). Varmt uranplasma kan sammenlignes med strålene til en superkraftig rakettmotor, hvis skyvekraft er rettet inn i sylinderen med deuterium. Uransylinderen kollapset, trykket og temperaturen til deuterium nådde kritisk nivå. Det samme trykket komprimerte det sentrale plutoniumrøret til en kritisk masse, og det detonerte. Eksplosjonen av plutoniumlunken presset på deuteriumet fra innsiden, og komprimerte og varmet det termonukleære sprengstoffet ytterligere, som detonerte. En intens strøm av nøytroner splitter uran-238-kjernene i "pusheren", og forårsaker en sekundær forfallsreaksjon. Alt dette klarte å skje før øyeblikket da eksplosjonsbølgen fra den primære atomeksplosjonen nådde den termonukleære enheten. Beregningen av alle disse hendelsene, som skjedde i milliarddeler av et sekund, krevde hjernekraften til de sterkeste matematikerne på planeten. Skaperne av "Mike" opplevde ikke skrekk fra 10-megaton-eksplosjonen, men en ubeskrivelig glede - de klarte ikke bare å forstå prosessene som i den virkelige verden bare skjer i kjernene til stjerner, men også eksperimentelt teste teoriene deres ved å sette opp sin egen lille stjerne på jorden.
Bravo
Etter å ha overgått russerne i skjønnheten i designet, klarte ikke amerikanerne å gjøre enheten kompakt: de brukte flytende underkjølt deuterium i stedet for Sakharovs pulveriserte litiumdeuterid. I Los Alamos reagerte de på Sakharovs «mørdeig» med litt misunnelse: «i stedet for en diger ku med en bøtte med rå melk, bruker russerne en pose melkepulver.» Imidlertid klarte ikke begge sider å skjule hemmeligheter for hverandre. 1. mars 1954, i nærheten av Bikini-atollen, testet amerikanerne en 15-megatons bombe "Bravo" ved bruk av litiumdeuterid, og 22. november 1955, den første sovjetiske totrinns termonukleære bomben RDS-37 med en kraft på 1,7 megatonn eksploderte over teststedet Semipalatinsk, og raserte nesten halvparten av teststedet. Siden den gang har utformingen av den termonukleære bomben gjennomgått mindre endringer (for eksempel dukket det opp et uranskjold mellom den initierende bomben og hovedladningen) og har blitt kanonisk. Og det er ingen flere store naturmysterier igjen i verden som kan løses med et så spektakulært eksperiment. Kanskje fødselen til en supernova.
| Litt teori Det er 4 reaksjoner i en termonukleær bombe, og de går veldig raskt. De to første reaksjonene tjener som kilde til materiale for den tredje og fjerde, som ved temperaturene til en termonukleær eksplosjon går 30-100 ganger raskere og gir et større energiutbytte. Derfor blir det resulterende helium-3 og tritium umiddelbart konsumert. Atomkjernene er positivt ladet og frastøter derfor hverandre. For at de skal reagere, må de dyttes front mot front og overvinne den elektriske frastøtningen. Dette er bare mulig hvis de beveger seg i høy hastighet. Atomenes hastighet er direkte relatert til temperaturen, som skal nå 50 millioner grader! Men oppvarming av deuterium til en slik temperatur er ikke nok, det må også holdes fra spredning av det monstrøse trykket på rundt en milliard atmosfærer! I naturen finnes slike temperaturer ved slike tettheter bare i kjernen av stjerner. |
Laster inn...