Людство завжди перебувало у пошуках нових джерел енергії, здатних вирішити безліч проблем. Однак далеко не завжди вони є безпечними. Так, зокрема, широко застосовувані сьогодні хоч і здатні виробити просто колосальну кількість такої потрібної всім електричної енергії, все ж таки несуть у собі смертельну небезпеку. Але, крім мирних цілях, деякі країни нашої планети навчилися використовувати її і у військових, особливо для створення ядерних боєголовок. У цій статті йтиметься про основу такої руйнівної зброї, назва якої - збройовий плутоній.
Коротка довідка
У цій компактній формі металу міститься мінімум 93,5% ізотопу 239Pu. Збройовий плутоній назвали так для того, щоб його можна було відрізнити від «реакторного побратима». У принципі, плутоній завжди утворюється в будь-якому ядерному реакторі, який, у свою чергу, працює на низькозбагаченому або природному урані, що містить, здебільшого, ізотоп 238U.
Застосування у військовій галузі
Збройовий плутоній 239Pu – основа ядерного озброєння. При цьому застосування ізотопів з масовими числами 240 і 242 неактуальне, оскільки вони створюють дуже високий фон нейтронів, що ускладнює створення і конструювання високоефективних ядерних боєкомплектів. Крім цього, ізотопи плутонію 240Pu і 241Pu мають значно менший період напіврозпаду в порівнянні з 239Pu, тому деталі з плутонію сильно нагріваються. Саме через це в ядерний боєприпас інженери змушені додатково додавати елементи для відведення зайвого тепла. До речі, 239 Pu в чистому вигляді тепліше тіла людини. Не можна також не враховувати і факт того, що продукти процесу розпаду важких ізотопів піддають шкідливим змінам кристалічні ґрати металу, а це цілком закономірно змінює конфігурацію деталей з плутонію, що, зрештою, може спричинити повна відмоваядерний вибуховий пристрій.
За великим рахунком, усі ці труднощі можна подолати. І практично вже неодноразово проходили випробування з урахуванням саме «реакторного» плутонію. Але слід розуміти, що в ядерних боєприпасах далеко не останню позицію займає їхня компактність, мала власна маса, довговічність і надійність. У зв'язку з цим у них застосовується винятково збройовий плутоній.
Конструктивні особливості виробничих реакторів
Практично весь плутоній у Росії виробили реакторах, обладнаних графітовим сповільнювачем. Кожен із реакторів зведений навколо циліндрично зібраних блоків із графіту.
У зібраному вигляді графітові блоки мають між собою спеціальні щілини для забезпечення безперервної циркуляції охолоджувача, як використовується азот. У зібраній конструкції є вертикально розташовані канали, створені для проходження по них водяного охолодження і палива. Сама по собі збирання жорстко спирається на структуру з отворами під каналами, що використовуються для відвантаження вже опроміненого палива. При цьому кожен із каналів знаходиться в тонкостінній трубі, відлитій з легковагого та особливо міцного алюмінієвого сплаву. Більша частинаОписуваних каналів має 70 паливних стрижнів. Вода для охолодження протікає безпосередньо навколо стрижнів із паливом, відводячи від них надлишки тепла.
Підвищення потужності виробничих реакторів
Спочатку перший реактор «Маяк» функціонував із потужністю 100 теплових МВт. Однак головний керівник радянської програми з розробки ядерної зброї вніс пропозицію, яка полягала в тому, щоб реактор в зимовий часпрацював із потужністю 170-190 МВт, а в літній період часу – 140-150 МВт. Такий підхід дозволив реактору виробляти майже 140 г дорогоцінного плутонію на добу.
У 1952 році були проведені повноцінні науково-дослідні роботи з метою збільшення виробничої потужності функціонуючих реакторів такими методами:
- Шляхом збільшення потоку води, що використовується для охолодження та протікає через активні зони ядерної установки.
- Через нарощування опору явищу корозії, що виникає поблизу вкладиша каналів.
- Зменшення швидкості окислення графіту.
- Нарощуванням температури всередині паливних елементів.
У результаті пропускна здатність циркулюючої води значно зросла після того, як було збільшено зазор між паливом та стінками каналу. Корозії також вдалося позбутися. Для цього вибрали найбільш підходящі алюмінієві сплави і почали активно додавати біхромат натрію, що, зрештою, підвищило м'якість охолоджувальної води (рН дорівнював порядку 6.0-6.2). Окислення графіту перестало бути актуальною проблемою після того, як для його охолодження почали застосовувати азот (до цього використовувалося виключно повітря).
Наприкінці 1950-х нововведення були повністю реалізовані на практиці, що дозволило зменшити вкрай непотрібне роздування урану, що викликається радіацією, значно знизити теплове зміцнення стрижнів з урану, покращити опір оболонки і підвищити контроль якості виробництва.
Виробництво на «Маяку»
"Челябінськ-65" - один із тих найтаємніших заводів, на якому відбувалося створення збройового плутонію. На підприємстві було кілька реакторів, із кожним із яких ми познайомимося ближче.
Реактор А
Установка була спроектована та створена під керівництвом легендарного Н. А. Доллежаля. Працювала вона із потужністю 100 МВт. У реакторі було 1149 вертикально розташованих керуючих та паливних каналів у графітовому блоці. Повна маса конструкції складала близько 1050 тонн. Майже всі канали (крім 25) завантажувалися ураном, повна маса якого становила 120-130 тонн. 17 каналів використовувалися для стрижнів, що управляють, а 8 - для проведення експериментів. Максимальний показникпроектного тепловиділення паливного елемента дорівнювало 3,45 кВт. Спочатку реактор виробляв близько 100 грам плутонію в день. Вперше металевий плутоній було вироблено 16 квітня 1949 року.
Технологічні недоліки
Практично відразу було виявлено досить серйозні проблеми, які полягали у корозії алюмінієвих вкладишів та покриття паливних елементів. Також розбухали і пошкоджувалися уранові стрижні і випливала вода, що охолоджує, безпосередньо в серцевину реактора. Після кожної протікання реактор доводилося зупиняти на якийсь час до 10 годин з метою осушити графіт повітрям. У січні 1949 року було замінено вкладиші у канали. Після цього запуск встановлення стався 26 березня 1949 року.
Збройовий плутоній, виробництво якого реакторі А супроводжувалося всілякими труднощами, вироблявся період 1950-1954 років за середньої потужності агрегату 180 МВт. Наступна робота реактора почала супроводжуватися інтенсивнішим його використанням, що цілком закономірно призвело і до частіших зупинок (до 165 разів на місяць). У результаті, у жовтні 1963 року реактор було зупинено та відновив свою роботу лише навесні 1964 року. Свою кампанію він повністю закінчив у 1987 році та за весь період багаторічного функціонування виробив 4,6 тонни плутонію.
Реактори АВ
На підприємстві "Челябінськ-65" три реактори АВ було вирішено збудувати восени 1948 року. Їхня виробнича потужність становила 200-250 грам плутонію на день. Головним конструктором проекту був А. Савін. Кожен реактор налічував 1996 каналів, 65 із них були контрольними. В установках була використана технічна новинка - кожен канал забезпечили спеціальним детектором витоку рідини, що охолоджує. Такий хід дозволив міняти вкладки без припинення роботи самого реактора.
Перший рік функціонування реакторів показав, що вони виробляли близько 260 г плутонію на добу. Проте вже з другого року роботи потужність поступово нарощували, і вже 1963 року її показник становив 600 МВт. Після другого капітального ремонту було повністю вирішено проблему із вкладишами, а потужність уже склала 1200 МВт із щорічним виробництвом плутонію 270 кілограм. Ці показники збереглися до закриття реакторів.
Реактор АІ-ІР
Челябінське підприємство використало дану установкуу період із 22 грудня 1951 року до 25 травня 1987 року. Крім урану, реактор також виробляв кобальт-60 та полоній-210. Спочатку на об'єкті виробляли тритій, але пізніше почали отримувати плутоній.
Також завод з переробки збройового плутонію мав у строю реактори, що працюють на важкій воді та єдиний легководний реактор (ім'я його – «Руслан»).
Сибірський гігант
"Томськ-7" - саме таку назву мав завод, на якому розташувалися п'ять реакторів для створення плутонію. Кожен із агрегатів застосовував графіт з метою уповільнити нейтрони та звичайну воду для забезпечення належного охолодження.
Реактор І-1 працював із системою охолодження, в якій вода проходила один раз. Однак решта чотирьох установок була забезпечена замкнутими первинними контурами, обладнаними теплообмінниками. Така конструкція дозволяла додатково виробляти ще й пару, яка у свою чергу допомагала у виробництві електрики та обігріву різних житлових приміщень.
"Томськ-7" мав також і реактор під назвою ЕІ-2, який, у свою чергу, мав подвійне призначення: виробляв плутоній і за рахунок пари, що виробляється, генерував 100 МВт електроенергії, а також 200 МВт теплової енергії.
Важлива інформація
Як запевняють вчені, напіврозпад збройового плутонію становить близько 24 360 років. Величезна цифра! У зв'язку з цим особливо гострим стає питання: «Як правильно обійтися з відходами виробництва даного елемента?» Найбільш оптимальним варіантом вважається будівництво спеціальних підприємств для подальшої переробки збройового плутонію. Пояснюється це тим, що в такому разі елемент уже не можна буде використовувати у військових цілях та буде підконтрольний людині. Саме так проводиться утилізація збройового плутонію в Росії, проте Сполучені Штати Америки пішли іншим шляхом, порушивши цим свої міжнародні зобов'язання.
Так, американський уряд пропонує знищувати високозбагачене не промисловим способом, а шляхом розведення плутонію та зберігання його у спеціальних ємностях на глибині, що дорівнює 500 метрам. Само собою, що в такому разі матеріал легко можна буде будь-якої миті витягти із землі і знову пустити його на військові цілі. Як стверджує президент РФ Володимир Путін, спочатку країни домовлялися знищувати плутоній не в такий спосіб, а проводити утилізацію на промислових об'єктах.
На окрему увагу заслуговує вартість збройового плутонію. За оцінками експертів, десятки тонн цього елемента можуть коштувати кілька мільярдів американських доларів. А деякі фахівці мені оцінили 500 тонн збройового плутонію аж у 8 трильйонів доларів. Сума реально вражаюча. Щоб було зрозуміліше, наскільки це великі гроші, скажімо, що останні десять років 20 століття середньорічний показник ВВП Росії становив 400 мільярдів доларів. Тобто, по суті, реальна ціна збройового плутонію дорівнювала двадцятирічним ВВП Російської Федерації.
| Плутоній | |
|---|---|
| Атомний номер | 94 |
| Зовнішній виглядпростої речовини | |
| Властивості атома | |
| Атомна маса (Молярна маса) |
244,0642 а. е. м. (/моль) |
| Радіус атома | 151 пм |
| Енергія іонізації (Перший електрон) |
491,9 (5,10) кДж / моль (еВ) |
| Електронна конфігурація | 5f 6 7s 2 |
| Хімічні властивості | |
| Ковалентний радіус | n/a пм |
| Радіус іона | (+4e) 93 (+3e) 108 пм |
| Електронегативність (за Полінгом) |
1,28 |
| Електродний потенціал | Pu←Pu 4+ -1,25В Pu←Pu 3+ -2,0В Pu←Pu 2+ -1,2В |
| Ступені окислення | 6, 5, 4, 3 |
| Термодинамічні властивості простої речовини | |
| густина | 19,84 /см ³ |
| Молярна теплоємність | 32,77 Дж /( · моль) |
| Теплопровідність | (6,7) Вт /( ·) |
| Температура плавлення | 914 |
| Теплота плавлення | 2,8 кДж/моль |
| Температура кипіння | 3505 |
| Теплота випаровування | 343,5 кДж/моль |
| Молярний обсяг | 12,12 см³/моль |
| Кристалічні грати простої речовини | |
| Структура ґрат | моноклінна |
| Параметри решітки | a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8 |
| Відношення c/a | — |
| Температура Дебая | 162 |
Плутоній- радіоактивний хімічний елемент групи актиноїдів, що широко використовувався у виробництві ядерної зброї(т.з. «збройовий плутоній»), а також (експериментально) як ядерне паливо для атомних реакторів цивільного та дослідницького призначення. Перший штучний елемент, отриманий у доступних для зважування кількостях (1942).
У таблиці справа наведено основні властивості α-Pu — основної алотропної модифікації плутонію при кімнатній температурі та нормальному тиску.
Історія плутонію
Ізотоп плутонію 238 Pu був вперше штучно отриманий 23 лютого 1941 року групою американських учених на чолі з Гленном Сіборг шляхом опромінення ядер уранудейтронами. Примітно, що тільки після штучного здобуттяплутоній був виявлений у природі: у мізерно малих кількостях 239 Pu зазвичай міститься в уранових рудах як продукт радіоактивного перетворення урану.
Знаходження плутонію у природі
В уранових рудах внаслідок захоплення нейтронів (наприклад, нейтронів із космічного випромінювання) ядрами урану утворюється нептуній(239 Np), продуктом β-розпаду якого є природний плутоній-239. Однак плутоній утворюється в таких мікроскопічних кількостях (0,4-15 частин Pu на 10 12 частин U), що про його видобуток з уранових руд не може бути й мови.
походження назвиплутоній
У 1930 році астрономічний світ був схвильований чудовою новиною: відкрито нову планету, про існування якої давно говорив Персіваль Ловелл, астроном, математик і автор фантастичних нарисів про життя на Марсі. На основі багаторічних спостережень за рухами Уранаі НептунаЛовелл дійшов висновку, що за Нептуном у сонячної системиповинна бути ще одна, дев'ята планета, що віддалена від Сонця в сорок разів далі, ніж Земля.
Ця планета, елементи орбіти якої Ловелл розрахував ще в 1915 році, і була виявлена на фотографічних знімках, отриманих 21, 23 і 29 січня 1930 астрономом К. Томбо в обсерваторії Флагстафф ( США) . Планету назвали Плутоном. На ім'я цієї планети, розташованої в сонячній системі за Нептуном, було названо плутонію 94-й елемент, штучно отриманий наприкінці 1940 р. з ядер атомів уранугрупою американських учених на чолі із Г. Сіборгом.
Фізичні властивостіплутонію
Існує 15 ізотопів плутонію. найбільших кількостяхвиходять ізотопи з масовими числами від 238 до 242:
238 Pu -> (період напіврозпаду 86 років, альфа-розпад) -> 234 U,
Цей ізотоп використовується майже виключно в РІТЕГ космічного призначення, наприклад, на всіх апаратах, що відлітали далі за орбіту Марса.
239 Pu -> (період напіврозпаду 24 360 років, альфа-розпад) -> 235 U,
Цей ізотоп найбільше підходить для конструювання ядерної зброї та ядерних реакторів на швидких нейтронах.
240 Pu -> (період напіврозпаду 6580 років, альфа-розпад) -> 236 U, 241 Pu -> (період напіврозпаду 14.0 років, бета-розпад) -> 241 Am, 242 Pu -> (період напіврозпаду 370 000 років, альфа -розпад) -> 238 U
Ці три ізотопи серйозного промислового значення не мають, але виходять як побічні продукти при отриманні енергії в ядерних реакторах на урані, шляхом послідовного захоплення декількох нейтронів ядрами урану-238. Ізотоп 242 за ядерними властивостями найбільше схожий на уран-238. Америций-241, що виходив при розпаді ізотопу 241, використовувався в детекторах диму.
Плутоній цікавий тим, що від температури затвердіння до кімнатної зазнає шість фазових переходів більше, ніж будь-який інший хімічний елемент. При останньому щільність збільшується стрибком на 11%, в результаті виливки з плутонію розтріскуються. Стабільною за кімнатної температури є альфа-фаза, характеристики якої і наведені в таблиці. Для застосування зручнішою є дельта-фаза, що має меншу щільність, і кубічні об'ємно-центровані грати. Плутоній у дельта-фазі дуже пластичний, тоді як альфа-фаза тендітна. Для стабілізації плутонію у дельта-фазі застосовується легування тривалентними металами (у перших ядерних зарядах використовувався галій).
Застосування плутонію
Перший ядерний заряд на основі плутонію був підірваний 16 липня 1945 на полігоні Аламогордо (випробування під кодовою назвою"Трініті").
Біологічна роль плутонію
Плутоній високотоксичний; ГДК для 239 Pu у відкритих водоймах та повітрі робочих приміщень становить відповідно 81,4 та 3,3*10 −5 Бк/л. Більшість ізотопів плутонію мають високу величину щільності іонізації і малої довжиною пробігу частинок, тому його токсичність обумовлена не так його хімічними властивостями (ймовірно, у цьому відношенні плутоній токсичний не більше, ніж інші важкі метали), скільки іонізуючою дією на навколишні тканини організму. Плутоній відноситься до групи елементів із особливо високою радіотоксичністю. В організмі плутоній робить великі незворотні зміни в скелеті, печінці, селезінці, нирках, викликає рак. Максимально допустимий вміст плутонію в організмі не повинен перевищувати десятих часток мікрограма.
Художні твори пов'язані з темоюплутоній
— Плутоній використовувався для машини De Lorean DMC-12 у фільмі «Назад» у майбутнє як паливо для накопичувача потоку для переміщення в майбутнє чи минуле.
— З плутонію складався заряд атомної бомби, підірваної терористами в Денвері, США, у творі Тома Кленсі «Усі страхи світу»
- Кендзабуро Ое «Записки пінчранера»
— 2006 року компанією «Beacon Pictures» було випущено фільм «Плутоній-239» ( Pu-239)
Хімія
Плутоній Pu - елемент № 94 пов'язані дуже великі надії та дуже великі побоювання людства. У наші дні це один із найважливіших, стратегічно важливих елементів. Це найдорожчий з технічно важливих металів - він набагато дорожчий за срібло, золото і платину. Він справді дорогоцінний.
Передісторія та історія
Спочатку були протони-галактичний водень. В результаті його стиснення і подальших ядерних реакцій утворилися найнеймовірніші «зливки» нуклонів. Серед них, цих «злитків», були, мабуть, і по 94 протони. Оцінки теоретиків дозволяють вважати, що близько 100 нуклонних утворень, до складу яких входять 94 протони та від 107 до 206 нейтронів, настільки стабільні, що їх можна вважати ядрами ізотопів елемента №94.
Але всі ці ізотопи – гіпотетичні та реальні – не настільки стабільні, щоб зберегтися до наших днів з моменту утворення елементів сонячної системи. Період напіврозпаду найдовгоживучого ізотопу елемента №94 - 81 млн. років. Вік Галактики вимірюється мільярдами років. Отже, «перворідний» плутон не мав шансів дожити до наших днів. Якщо він і утворювався при великому синтезі елементів Всесвіту, то ті давні його атоми давно «вимерли», подібно до того, як вимерли динозаври та мамонти.
У XX ст. нової ери, нашої ери, цей елемент було відтворено. Зі 100 можливих ізотопів плутонію синтезовано 25. У 15 з них вивчені ядерні властивості. Чотири знайшли практичне застосування. А відкрили його зовсім нещодавно. У грудні 1940 р. при опроміненні урану ядрами важкого водню група американських радіохіміків на чолі з Гленном Т. Сіборгом виявила невідомий насамперед випромінювач альфа-часток з періодом напіврозпаду 90 років. Цим випромінювачем виявився ізотоп елемента № 94 із масовим числом 238. У тому року, але кількома місяцями раніше Э.М. Макміллан і Ф. Ейбельсон отримали перший елемент, важчий за уран, - елемент № 93. Цей елемент назвали нептунієм, а 94-й - плутонієм. Історик виразно скаже, що ці назви беруть початок у римській міфології, але по суті походження цих назв швидше не міфологічне, а астрономічне.
Елементи № 92 і 93 названі на честь далеких планет сонячної системи - Урана та Нептуна, але й Нептун у сонячній системі - не останній, ще далі пролягає орбіта Плутона - планети, про яку досі майже нічого не відомо... Подібна ж побудова спостерігаємо і на «лівому фланзі» менделєєвської таблиці: uranium – neptunium – plutonium, проте про плутонію людство знає набагато більше, ніж про Плутон. До речі, Плутон астрономи відкрили лише за десять років до синтезу плутонію – майже такий самий відрізок часу розділяв відкриття Урану – планети та урану – елементу.
Загадки для шифрувальників
Перший ізотоп елемента № 94 – плутоній-238 у наші дні знайшов практичне застосування. Але на початку 40-х років про це не думали. Отримувати плутоній-238 у кількостях, що становлять практичний інтерес, можна лише спираючись на потужну ядерну промисловість. Тоді вона лише зароджувалася. Але вже було ясно, що, звільнивши енергію, укладену в ядрах важких радіоактивних елементів, можна отримати зброю небаченої колись сили. З'явився Манхеттенський проект, який не мав нічого, крім назви, спільної з відомим районом Нью-Йорка. Це була загальна назва всіх робіт, пов'язаних із створенням у США перших атомних бомб. Керівником Манхеттенського проекту було призначено не вченого, а військового - генерала Гровса, який «ласково» величав своїх високоосвічених підопічних «битими горщиками».
Керівників "проекту" плутоній-238 не цікавив. Його ядра, як, втім, ядра всіх ізотопів плутонію з парними масовими числами, нейтронами низьких енергій не діляться, тому він міг служити ядерної вибухівкою. Проте перші не дуже виразні повідомлення про елементи № 93 і 94 потрапили до друку лише навесні 1942 р.
Чим це пояснити? Фізики розуміли: синтез ізотопів плутонію з непарними масовими числами - справа часу і недалекого. Від непарних ізотопів чекали, що, подібно до урану-235, вони зможуть підтримувати ланцюгову ядерну реакцію. У них, ще не отриманих, декому бачилася потенційна ядерна вибухівка. І ці надії плутоній, на жаль, виправдовував.
У шифруваннях на той час елемент № 94 іменувався не інакше, як... міддю. А коли виникла потреба у самій міді (як конструкційному матеріалі для якихось деталей), то в шифровках поряд із «міддю» з'явилася «справжня мідь».
«Дерево пізнання добра і зла»
У 1941 р. було відкрито найважливіший ізотоп плутонію - ізотоп із масовим числом 239. І майже відразу підтвердилося передбачення теоретиків: ядра плутонію-239 ділилися тепловими нейтронами. Понад те, у процесі їх розподілу народжувалося щонайменше число нейтронів, ніж за розподілі урану-235. Негайно були намічені шляхи отримання цього ізотопу у великих кількостях.
Минули роки. Тепер уже ні для кого не секрет, що ядерні бомби, що зберігаються в арсеналах, начинені плутонієм-239 і що їх цих бомб достатньо, щоб завдати непоправної шкоди всьому живому на Землі.
Поширена думка, що з відкриттям ланцюгової ядерної реакції (неминучим наслідком якого стало створення ядерної бомби), людство явно поквапилося. Можна думати по-іншому або вдавати, що думаєш по-іншому, - приємніше бути оптимістом. Але й перед оптимістами неминуче постає питання відповідальності вчених. Ми пам'ятаємо тріумфальний червневий день 1954 р., день, коли дала струм перша атомна електростанціяціна в Обнінськ | Але ми не можемо забути й серпневий ранок 1945 р. – «ранок Хіросіми», «чорний день Альберта Ейнштейна»... Пам'ятаємо перші повоєнні роки та нестримний атомний шантаж – основу американської політики тих років. А хіба мало тривог пережило людство у наступні роки? Причому ці тривоги багаторазово посилювалися свідомістю, що якщо спалахне нова світова війна, ядерну зброю буде пущено в хід.
Тут можна спробувати довести, що відкриття плутонію не додало людству побоювань, що, навпаки, було лише корисно.
Припустимо, трапилося так, що з якоїсь причини або, як сказали б за старих часів, з волі божої, плутоній виявився недоступним вченим. Хіба зменшилися б тоді наші страхи та побоювання? Анітрохи не бувало. Ядерні бомби робили б з урану-235 (і в не меншій кількості, ніж з плутонію), і ці бомби «з'їдали» ще більші, ніж зараз, частини бюджетів.
Зате без плутонію не існувало б перспектив мирного використання ядерної енергії та великих масштабів. Для «мирного атома» просто забракло б урану-235. Зло, завдане людству відкриттям ядерної енергії, не врівноважувалося б, навіть частково, досягненнями «доброго атома».
Як виміряти, з чим порівняти
Коли ядро плутонію-239 ділиться нейтронами на два уламки приблизно рівної маси, виділяється близько 200 Мев енергії. Це в 50 млн. разів більше енергії, що звільняється в найвідомішій екзотермічній реакції С + O 2 = СО 2 . «Згоряючи» в ядерному реакторі, грам плутонію дає 2107 ккал. Щоб не порушувати традиції (а в популярних статтях енергію ядерного пального прийнято вимірювати позасистемними одиницями - тоннами вугілля, бензину, тринітротолуолу тощо), зауважимо і ми: це енергія, що міститься в 4 т вугілля. А у звичайний наперсток міститься кількість плутонію, енергетично еквівалентна сорока вагонам гарних березових дров.
Така сама енергія виділяється і при розподілі нейтронами ядер урану-235. Але основну масу природного урану (99,3%!) становить ізотоп 238 U, який можна використовувати, тільки перетворивши уран на плутоній.
Енергія каміння
Оцінимо енергетичні ресурси, укладені у природних запасах урану.
Уран - розсіяний елемент, і він є всюди. Кожному, хто побував, наприклад, у Карелії, напевно, запам'яталися гранітні валуни та прибережні скелі. Але мало хто знає, що у тоні граніту до 25 г урану. Граніти становлять майже 20% ваги. земної кори. Якщо рахувати лише уран-235, то в тоні граніту укладено 3,5-105 ккал енергії. Це дуже багато, але...
На переробку граніту та вилучення з нього урану потрібно витратити ще більше енергії - близько 106-107 ккал/т. От якби вдалося як джерело енергії використовувати не тільки уран-235, а й уран-238, тоді граніт можна було б розглядати хоча б як потенційну енергетичну сировину. Тоді енергія, отримана з тонни каменю, становила б від 8-107 до 5-108 ккал. Це рівноцінно 16-100 т вугілля. І в цьому випадку граніт міг би дати людям майже в мільйон разів більше енергії, аніж усі запаси хімічного палива на Землі.
Але ядра урану-238 нейтронами не діляться. Для атомної енергетикицей ізотоп марний. Точніше, був би марним, якби його не вдалося перетворити на плутоній-239. І що особливо важливо: на це ядерне перетворення практично не потрібно витрачати енергію – навпаки, у цьому процесі енергія виробляється!
Спробуємо розібратися, як це відбувається, але спочатку кілька слів про плутонію.
У 400 тисяч разів менше, ніж радія
Вже йшлося про те, що ізотопи плутонію не збереглися з часу синтезу елементів при освіті нашої планети. Але це не означає, що плутонію в Землі немає.
Він постійно утворюється в уранових рудах. Захоплюючи нейтрони космічного випромінювання і нейтрони, що утворюються при мимовільному (спонтанному) розподілі ядер урану-238, деякі - дуже мало - атоми цього ізотопу перетворюються на атоми урану-239. Ці ядра дуже нестабільні, вони випускають електрони і цим підвищують свій заряд. Утворюється нептуній – перший трансурановий елемент. Нептуній-239 також дуже нестійкий, і його ядра випускають електрони. Усього за 56 годин половина нептунія-239 перетворюється на плутоній-239, період напіврозпаду якого вже досить великий – 24 тис. років.
Чому не добувають плутоній із уранових руд? Мала, надто мала концентрація. «У грам видобуток - на рік праці» - це про радію, а плутонію в рудах міститься в 400 тис. разів менше, ніж радію. Тому не тільки здобути – навіть виявити «земний» плутоній надзвичайно важко. Зробити це вдалося лише після того, як було вивчено фізичні та хімічні властивості плутонію, отриманого в атомних реакторах.
Накопичують плутоній у ядерних реакторах. У потужних потоках нейтронів відбувається та сама реакція, що і в уранових рудах, але швидкість утворення і накопичення плутонію в реакторі набагато вища - у мільярд мільярдів разів. Для реакції перетворення баластового урану-238 на енергетичний плутоній-239 створюються оптимальні (не більше допустимого) умови.
Якщо реактор працює на теплових нейтронах (нагадаємо, що їх швидкість - близько 2000 м в секунду, а енергія - частки електронвольта), то з природної суміші ізотопів урану отримують кількість плутонію, трохи меншу, ніж кількість урану-235, що «вигорів». Дещо, але менше, плюс неминучі втрати плутонію при хімічному виділенні його з опроміненого урану. До того ж ланцюгова ядерна реакція підціджується в природній суміші ізотопів урану лише доти, доки не витрачено незначну частку урану-235. Звідси закономірний висновок: «тепловий» реактор на природному урані - основний тип реакторів, що діють, - не може забезпечити розширеного відтворення ядерного пального. Але що тоді перспективно? Для відповіді це питання порівняємо хід ланцюгової ядерної реакції в урані-235 і плутонії-239 і введемо до наших міркувань ще одне фізичне поняття.
Найважливіша характеристика будь-якого ядерного палива - середня кількість нейтронів, що випускаються після того, як ядро захопило один нейтрон. Фізики називають його ця-числом і позначають грецькою літерою ц. У «теплових» реакторах на урані спостерігається така закономірність: кожен нейтрон породжує в середньому 2,08 нейтрону (?=2,08). Вміщений у такий реактор плутоній під дією теплових нейтронів дає η=2,03. Але ще є реактори, що працюють на швидких нейтронах. Природну суміш ізотопів урану в такий реактор завантажувати марно: ланцюгова реакція не піде. Але якщо збагатити сировину ураном-235, вона зможе розвиватися і в швидкому реакторі. При цьому ц дорівнює вже 2,23. А плутоній, поміщений під обстріл швидкими нейтронами, дасть η 2,70. До нашого розпорядження надійде «зайвих повнейтронів». І це зовсім не мало.
Простежимо, потім витрачаються отримані нейтрони. У будь-якому реакторі один нейтрон потрібен підтримки ланцюгової ядерної реакції. 0,1 нейтрону поглинається конструкційними матеріалами установки. «Надлишок» йде на накопичення плутонію-239. В одному випадку "надлишок" дорівнює 1,13, в іншому - 1,60. Після «згоряння» кілограма плутонію в «швидкому» реакторі виділяється колосальна енергія та накопичується 1,6 кг плутонію. А уран і в «швидкому» реакторі дасть тугішу енергію та 1,1 кг нового ядерного пального. І в тому і в іншому випадку є розширене відтворення. Але не можна забувати про економіку.
В силу ряду технічних причинцикл відтворення плутонію займає кілька років. Припустимо, що п'ять років. Значить, на рік кількість плутонію збільшиться лише на 2%, якщо η=2,23, та на 12%, якщо η=2,7! Ядерне пальне - капітал, а всякий капітал має давати, скажімо, 5% річних. У першому випадку є великі збитки, а в другому - великий прибуток. Цей примітивний приклад ілюструє «вагу» кожної десятої числа ядерної енергетики.
Важливе та інше. Ядерна енергетика має встигати за зростанням потреби в енергії. Розрахунки показують: його умова здійсненна у майбутньому лише тоді, коли η наближається до трьох. Якщо ж розвиток ядерних енергетичних джерел відставатиме від потреб суспільства в енергії, то залишиться два шляхи: або «гальмувати прогрес», або брати енергію з інших джерел. Вони відомі: термоядерний синтез, енергія анігіляції речовини та антиречовини, але поки що технічно недоступні. І не відомо коли вони будуть реальними джерелами енергії для людства. А енергія важких ядер вже давно стала для нас реальністю, і сьогодні у плутонію як головного «постачальника» енергії атома немає серйозних конкурентів, окрім, можливо, урану-233.
Сума багатьох технологій
Коли в результаті ядерних реакцій в урані накопичиться необхідна кількість плутонію, його необхідно відокремити не тільки від самого урану, а й від уламків поділу - як урану, так і плутонію, що вигоріли в ланцюговій ядерній реакції. Крім того, в урано-плутонієвій масі є і кілька нептуній. Найскладніше відокремити плутоній від нептунія та рідкісноземельних елементів (лантаноїдів). Плутонію як хімічному елементуякоюсь мірою не пощастило. З погляду хіміка, головний елемент ядерної енергетики - лише один із чотирнадцяти актиноїдів. Подібно до рідкісноземельних елементів, всі елементи актинієвого ряду дуже близькі між собою по хімічним властивостям, будова зовнішніх електронних оболонок атомів всіх елементів від актинія до 103 однаково. Ще неприємніше, що хімічні властивості актиноїдів подібні до властивостей рідкісноземельних елементів, а серед уламків поділу урану і плутонію лантаноїдів хоч відбавляй. Зате 94-й елемент може перебувати в п'яти валентних станах, і це «підсолоджує пігулку» - допомагає відокремити плутоній і від урану, і від уламків поділу.
Валентність плутонію змінюється від трьох до семи. Хімічно найбільш стабільні (а отже, найбільш поширені та найбільш вивчені) з'єднання чотиривалентного плутонію.
Поділ близьких за хімічними властивостями актиноїдів - урану, нептунія та плутонію - може бути заснований на різниці у властивостях їх чотирьох-і шестивалентних сполук.
Немає потреби докладно описувати всі стадії хімічного поділу плутонію та урану. Зазвичай поділ їх починають з розчинення уранових брусків азотної кислоти, після чого містяться в розчині уран, нептуній, плутоній та осколкові елементи «розлучають», застосовуючи для цього вже традиційні радіохімічні методи - осадження, екстракцію, іонний обмін та інші. Кінцеві плутонійсодержащіе продукти цієї багатостадійної технології - його двоокис PuO 2 або фториди - PuF 3 або PuF 4 . Їх відновлюють до металу парами барію, кальцію або літію. Однак отриманий у цих процесах плутоній не годиться на роль конструкційного матеріалу - тепловиділяючих елементів енергетичних ядерних реакторів з нього не зробити, заряд атомної бомби не відлити. Чому? Температура плавлення плутонію - всього 640 ° С - цілком досяжна.
При яких «ультращадних» режимах не відливали деталі з чистого плутонію, у виливках при затвердінні завжди з'являться тріщини. При 640°С плутоній, що твердіє, утворює кубічну кристалічну решітку. У міру зменшення температури густина металу поступово зростає. Але температура досягла 480°С, і тут несподівано щільність плутонію різко падає. До причин цієї аномалії докопалися досить швидко: за цієї температури атоми плутонію перебудовуються в кристалічній решітці. Вона стає тетрагональною і дуже «пухкою». Такий плутоній може плавати у своєму розплаві, як крига на воді.
Температура продовжує падати, ось вона досягла 451 ° С, і атоми знову утворили кубічні грати, але розташувалися на більшій, ніж у першому випадку, відстані один від одного. При подальшому охолодженні грати стає спочатку орторомбічним, потім моноклінним. Усього плутоній утворює шість різних кристалічних форм! Дві їх відрізняються чудовим властивістю - негативним коефіцієнтом температурного розширення: зі зростанням температури метал не розширюється, а стискається.
Коли температура досягає 122°З атоми плутонію вшосте перебудовують свої ряди, щільність змінюється особливо сильно - від 17,77 до 19,82 г/см 3 . Більше, ніж на 10%!
Відповідно зменшується обсяг зливка. Якщо проти напруги, що виникали на інших переходах, метал ще міг встояти, то в цей момент руйнація неминуче.
Як тоді виготовити деталі з цього дивовижного металу? Металурги легують плутоній (додають до нього незначні кількості необхідних елементів) і одержують виливки без жодної тріщини. З них і роблять плутонієві заряди ядерних бомб. Вага заряду (він визначається насамперед критичною масою ізотопу) 5-6 кг. Він легко помістився б у кубику з розміром ребра 10 див.
Важкі ізотопи плутонію
У плутонії-239 у незначній кількості містяться і вищі ізотопи цього елемента – з масовими числами 240 та 241. Ізотоп 240 Pu практично некорисний – це баласт у плутонії. З 241 отримують америцій - елемент № 95. У чистому вигляді, без домішки інших ізотопів, плутоній-240 і плутоній-241 можна отримати при електромагнітному поділі плутонію, накопиченого в реакторі. Перед цим плутоній додатково опромінюють нейтронними потоками з певними характеристиками. Звичайно, все це дуже складно, тим більше, що плутоній не тільки радіоактивний, а й дуже токсичний. Робота з ним потребує виняткової обережності.
Один із найцікавіших ізотопів плутонію - 242 Pu можна отримати, опромінюючи тривалий час 239 Pu у потоках нейтронів. 242 Pu дуже рідко захоплює нейтрони і тому «вигоряє» в реакторі повільніше за інші ізотопи; він зберігається і після того, як інші ізотопи плутонію майже повністю перейшли в осколки або перетворилися на плутоній-242.
Плутоній-242 є важливим як «сировина» для порівняно швидкого накопичення вищих трансуранових елементів у ядерних реакторах. Якщо в звичайному реакторі опромінювати плутоній-239, то на накопичення з грамів плутонію мікрограмових кількостей, наприклад, каліфорнія-252 потрібно близько 20 років.
Можна скоротити час накопичення вищих ізотопів, збільшивши інтенсивність потоку нейтронів у реакторі. Так і роблять, але тоді не можна опромінювати велику кількість плутонію-239. Адже цей ізотоп ділиться нейтронами, і в інтенсивних потоках виділяється дуже багато енергії. Виникають додаткові складнощі з охолодженням реактора. Щоб уникнути цих складнощів, довелося б зменшити кількість плутонію, що опромінюється. Отже, вихід Каліфорнію став би знову мізерним. Замкнуте коло!
Плутоній-242 тепловими нейтронами не ділиться, його і у великих кількостях можна опромінювати в інтенсивних нейтронних потоках... Тому в реакторах із цього ізотопу «роблять» і накопичують у вагових кількостях всі елементи від америцію до фермію.
Щоразу, коли вченим вдавалося отримати новий ізотоп плутонію, вимірювали період напіврозпаду його ядер. Періоди напіврозпаду ізотопів важких радіоактивних ядер із парними масовими числами змінюються закономірно. (Цього не можна сказати про непарні ізотопи.)
Зі збільшенням маси зростає і «час життя» ізотопу. Декілька років тому найвищою точкоюцього графіка був плутоній-242. А далі як піде ця крива – з подальшим зростанням масового числа? У точку 1, яка відповідає часу життя 30 млн. років, чи точку 2, яка відповідає вже 300 млн. років? Відповідь на це питання була дуже важливою для наук про Землю. У першому випадку, якби 5 млрд років тому Земля повністю складалася з 244 Pu, зараз у всій масі Землі залишився б тільки один атом плутонію-244. Якщо ж вірне друге припущення, то плутоній-244 може бути в Землі в таких концентраціях, які можна було б виявити. Якби пощастило знайти в Землі цей ізотоп, наука отримала б найціннішу інформацію про процеси, що відбувалися для формування нашої планети.
Періоди напіврозпаду деяких ізотопів плутонію
Декілька років тому перед вченими постало питання: чи варто намагатися знайти важкий плутоній у Землі? Для відповіді на нього потрібно було перш за все визначити період напіврозпаду плутонію-244. Теоретики було неможливо розрахувати цю величину з необхідною точністю. Вся надія була лише на експеримент.
Плутоній-244 накопичили у ядерному реакторі. Опромінювали елемент № 95 - америцій (ізотоп 243 Am). Захопивши нейтрон, цей ізотоп переходив до америцій-244; америцій-244 в одному з 10 тис. випадків переходив у плутоній-244.
З суміші америцію з кюрієм виділили препарат плутонію-244. Зразок важив лише кілька мільйонних часток грама. Але їх вистачило для того, щоб визначити період напіврозпаду цього найцікавішого ізотопу. Він дорівнював 75 млн. років. Пізніше інші дослідники уточнили період напіврозпаду плутонію-244, але ненабагато – 81 млн. років. У 1971 р. сліди цього ізотопу знайшли в рідкісноземельному мінералі бастнезиті.
Багато спроб робили вчені, щоб знайти ізотоп трансуранового елемента, що живе довше, ніж 244 Pu. Але всі спроби залишилися марними. У свій час покладали надії на кюрій-247, але після того, як цей ізотоп був накопичений в реакторі, з'ясувалося, що його період напіврозпаду всього 16 млн. років. Побити рекорд плутонію-244 не вдалося, - це довготривалий з усіх ізотопів трансуранових елементів.
Ще більш важкі ізотопи плутонію схильні до бета-розпаду, і їхній час життя лежить в інтервалі від декількох днів до кількох десятих секунди. Ми знаємо, напевно, що в термоядерних вибухах утворюються всі ізотопи плутонію, аж до 257 Pu. Але їхній час життя - десяті частки секунди, і вивчити багато короткоживучих ізотопів плутонію поки що не вдалося.
Можливості першого ізотопу плутонію
І насамкінець – про плутонію-238 – найперший із «рукотворних» ізотопів плутонію, ізотоп, який спочатку здавався безперспективним. Насправді, це дуже цікавий ізотоп. Він схильний до альфа-розпаду, т. е. його ядра мимоволі випускають альфа-частинки - ядра гелію. Альфа-частинки, породжені ядрами плутонію-238, несуть велику енергію; розсіявшись у речовині, ця енергія перетворюється на тепло. Яка велика ця енергія? Шість мільйонів електронвольт звільняється при розпаді одного атомного ядраплутонію-238. У хімічній реакції та ж енергія виділяється при окисленні кількох мільйонів атомів. У джерелі електрики, що містить один кілограм плутонію-238, розвивається теплова потужність 560 Вт. Максимальна потужність такого ж за масою хімічного джерела струму – 5 ватів.
Існує чимало випромінювачів із подібними енергетичними характеристикамиАле одна особливість плутонію-238 робить цей ізотоп незамінним. Зазвичай альфа-розпад супроводжується сильним гамма-випромінюванням, що проникає через великі товщі речовини. 238 Pu – виняток. Енергія гамма-квантів, що супроводжують розпад його ядер, невелика, захиститися від неї нескладно: випромінювання поглинається тонкостінним контейнером. Мала й можливість мимовільного поділу ядер цього ізотопу. Тому він знайшов застосування у джерелах струму, а й у медицині. Батарейки з плутонієм-238 є джерелом енергії в спеціальних стимуляторах серцевої діяльності.
Але 238 Pu не найлегший з відомих ізотопів елемента № 94, отримані ізотопи плутонію з масовими числами від 232 до 237. Період напіврозпаду найлегшого ізотопу – 36 хвилин.
Плутоній – велика тема. Тут розказано головне із найголовнішого. Адже вже стала стандартною фраза, що хімію плутонію вивчено набагато краще, ніж хімію таких «старих» елементів, як залізо. Про ядерні властивості плутонію написано цілі книги. Металургія плутонію - ще один дивовижний розділ людських знань... Тому не треба думати, що, прочитавши цю розповідь, ви по-справжньому дізналися плутоній - найважливіший метал XX ст.
- ЯК ВЗЯТЬ ПЛУТОНІЙ. Радіоактивний та токсичний плутоній потребує особливої обережності під час перевезення. Сконструйовано контейнер спеціально для його транспортування – контейнер, який не руйнується навіть за авіаційних катастроф. Зроблений він досить просто: це товстостінний посуд з нержавіючої сталі, оточений оболонкою з червоного дерева. Очевидно, плутоній того вартий, але уявіть, якої товщини повинні бути стінки, якщо відомо, що контейнер для перевезення всього двох кілограмів плутонію важить 225 кг!
- Отрута та протиотрута. 20 жовтня 1977 р. агентство «Франс Прес» повідомило: знайдено хімічне з'єднанняздатне виводити з організму людини плутоній Через кілька років про це з'єднання стало відомо чимало. Це комплексне з'єднання – лінійний катехінамід карбоксилази, речовина класу хелатів (від грецької – «хела» – клешня). У цю хімічну клешню і захоплюється атом плутонію, вільний чи пов'язаний. У лабораторних мишей за допомогою цієї речовини з організму виводили до 70% поглиненого плутонію. Вважають, що надалі це з'єднання допоможе вилучати плутоній і з відходів виробництва, і з ядерного палива.
Що ми хочемо дізнатися сьогодні? Скільки важить 1 куб плутонію, вага 1 м3 плутонію?Немає проблем, можна дізнатися кількість кілограм або кількість тонн відразу, маса (вага одного кубометра, вага одного куба, вага одного кубічного метра, вага 1 м3) вказано в таблиці 1. Якщо комусь цікаво, можна пробігти очима невеликий текст нижче, прочитати деякі пояснення. Як вимірюється необхідна кількість речовини, матеріалу, рідини чи газу? За винятком тих випадків, коли можна звести розрахунок потрібної кількості до підрахунку товару, виробів, елементів у штуках (поштучний підрахунок), нам найпростіше визначити потрібну кількість виходячи з обсягу та ваги (маси). У побутовому відношенні найзвичнішою одиницею вимірювання об'єму для нас є 1 літр. Проте, кількість літрів, придатне для побутових розрахунків, який завжди застосовний спосіб визначення обсягу господарську діяльність. Крім того, літри в нашій країні так і не стали загальноприйнятою "виробничою" та торговельною одиницею виміру обсягу. Один кубічний метр або в скороченому варіанті - один куб, виявився досить зручним і популярним для практичного використання одиницею об'єму. Майже всі речовини, рідини, матеріали і навіть гази ми звикли вимірювати в кубометрах. Це справді зручно. Адже їхня вартість, ціни, розцінки, норми витрати, тарифи, договори на постачання майже завжди прив'язані до кубічних метрів (кубів), набагато рідше до літрів. Не менш важливим для практичної діяльності виявляється знання не тільки обсягу, а й ваги (маси) речовини, що займає цей обсяг: у цьому випадку йдеться про те, скільки важить 1 куб (1 кубометр, 1 метр кубічний, 1 м3). Знання маси та обсягу, дають нам досить повне уявлення про кількість. Відвідувачі сайту, питаючи, скільки важить 1 куб, часто вказують конкретні одиниці маси, в яких їм хотілося б дізнатися відповідь на запитання. Як ми помітили, найчастіше хочуть дізнатися вагу 1 куб (1 кубометр, 1 куб метра, 1 м3) в кілограмах (кг) або в тоннах (тн). Насправді, потрібні кг/м3 або тн/м3. Це тісно пов'язані одиниці, що визначають кількість. У принципі можливий досить простий самостійний перерахунок ваги (маси) із тонн у кілограми і назад: із кілограмів у тонни. Однак, як показала практика, для більшості відвідувачів сайту зручнішим варіантом було б відразу дізнатися скільки кілограм важить 1 куб (1 м3) плутонію або скільки тонн важить 1 куб (1 м3) плутонію, без перерахунку кілограм на тонни чи назад - кількості тонн на кілограми на один метр кубічний (один кубометр, один куб, один м3). Тому в таблиці 1 ми вказали, скільки важить 1 куб (1 кубометр, 1 метр кубічний) в кілограмах (кг) і в тоннах (тн). Вибирайте стовпчик таблиці, який вам потрібен самостійно. До речі, коли ми питаємо скільки важить 1 куб (1 м3), ми маємо на увазі кількість кілограмів або кількість тонн. Проте, з фізичного погляду нас цікавить щільність чи питому вагу. Маса одиниці об'єму або кількість речовини об'єму, що міститься в одиниці, - це об'ємна щільність або питома вага. В даному випадку об'ємна щільність та питома вага плутонію.Щільність і питому вагу у фізиці прийнято вимірювати над кг/м3 чи тн/м3, а грамах на кубічний сантиметр: гр/см3. Тому в таблиці 1 питома вага та щільність (синоніми) вказані в грамах на кубічний сантиметр (гр/см3)
У багатьох наших читачів воднева бомба асоціюється з атомною, лише набагато потужнішою. Насправді це принципово нова зброя, яка зажадала для свого створення незрівнянно великих інтелектуальних зусиль і працює на інших фізичних принципах.
Єдине, що ріднить атомну і водневу бомбу, то це те, що обидві вивільняють колосальну енергію, приховану в атомному ядрі. Зробити це можна двома шляхами: розділити важкі ядра, наприклад, урану чи плутонію, більш легкі (реакція поділу) чи змусити злитися найлегші ізотопи водню (реакція синтезу). В результаті обох реакцій маса матеріалу, що вийшов, завжди менше маси вихідних атомів. Але маса не може зникнути безвісти - вона переходить в енергію за знаменитою формулою Ейнштейна E = mc 2 .
Для створення атомної бомби необхідною і достатньою умовою є отримання матеріалу, що ділиться в достатній кількості. Робота досить трудомістка, але малоінтелектуальна, що лежить ближче до гірничорудної промисловості, ніж високої науки. Основні ресурси при створенні такої зброї йдуть на будівництво гігантських уранових копалень та збагачувальних комбінатів. Свідченням простоти пристрою є той факт, що між отриманням необхідної для першої бомби плутонію та першим радянським ядерним вибухом не минуло й місяця.
Нагадаємо коротко принцип роботи такої бомби, відомий із курсу шкільної фізики. В її основі лежить властивість урану та деяких трансуранових елементів, наприклад, плутонію, при розпаді виділяти більше одного нейтрону. Ці елементи можуть розпадатися як мимовільно, і під впливом інших нейтронів.
Нейтрон, що вивільнився, може залишити радіоактивний матеріал, а може і зіткнутися з іншим атомом, викликавши чергову реакцію поділу. При перевищенні певної концентрації речовини (критичної маси) кількість новонароджених нейтронів, що викликають подальший поділ атомного ядра, починає перевищувати кількість ядер, що розпадаються. Кількість атомів, що розпадаються, починає зростати лавиноподібно, народжуючи нові нейтрони, тобто відбувається ланцюгова реакція. Для урану-235 критична маса становить близько 50 кг, для плутонію-239 – 5,6 кг. Тобто кулька плутонію масою трохи менше 5,6 кг є просто теплим шматком металу, а масою трохи більше існує всього кілька наносекунд.
Власне схема роботи бомби проста: беремо дві півсфери урану або плутонію, кожна трохи менше критичної маси, розташовуємо їх на відстані 45 см, обкладаємо вибухівкою та вибухаємо. Уран або плутоній спікається в шматок надкритичної маси і починається ядерна реакція. Всі. Існує інший спосіб запустити ядерну реакцію - обжати потужним вибухом шматок плутонію: відстань між атомами зменшиться, і реакція почнеться за меншої критичної маси. На цьому принципі працюють усі сучасні атомні детонатори.
Проблеми атомної бомби починаються з того моменту, коли хочемо наростити потужність вибуху. Простим збільшенням матеріалу, що ділиться, не обійтися - як тільки його маса досягає критичної, він детонує. Вигадувалися різні хитромудрі схеми, наприклад, робити бомбу не з двох частин, а з безлічі, чому бомба починала нагадувати розпорошений апельсин, а потім одним вибухом збирати її в один шматок, але все одно при потужності понад 100 кілотон проблеми ставали непереборними.
А ось пальне для термоядерного синтезу критичної маси немає. Ось Сонце, наповнене термоядерним паливом, висить над головою, всередині його вже мільярд років триває термоядерна реакція, - і нічого, не вибухає. До того ж при реакції синтезу, наприклад, дейтерію та тритію (важкого і надважкого ізотопу водню) енергії виділяється в 4,2 рази більше, ніж при згорянні такої ж маси урану-235.
Виготовлення атомної бомби було скоріше експериментальним, ніж теоретичним процесом. Створення водневої бомби зажадало появи абсолютно нових фізичних дисциплін: фізики високотемпературної плазми і надвисоких тисків. Перш ніж починати конструювати бомбу, треба було досконально розібратися в природі явищ, що відбуваються лише в ядрі зірок. Жодні експерименти тут допомогти не могли - інструментами дослідників були тільки теоретична фізикаі вища математика. Невипадково гігантська роль розробці термоядерної зброї належить саме математикам: Уламу, Тихонову, Самарскому тощо.
Класичний супер
До кінця 1945 Едвард Теллер запропонував першу конструкцію водневої бомби, що отримала назву «класичний супер». Для створення жахливого тиску і температури, необхідні початку реакції синтезу, передбачалося використовувати звичайну атомну бомбу. Сам «класичний супер» був довгим циліндром, наповненим дейтерієм. Передбачалася також проміжна «запальна» камера з дейтерієвотрітієвою сумішшю - реакція синтезу дейтерію і тритію починається при нижчому тиску. За аналогією з багаттям, дейтерій мав відігравати роль дров, суміш дейтерію з тритієм - склянки бензину, а атомна бомба - сірники. Така схема отримала назву "труба" - своєрідна сигара з атомною запальничкою з одного кінця. За такою ж схемою почали розробляти водневу бомбу та радянські фізики.
Однак математик Станіслав Улам на звичайній логарифмічній лінійці довів Теллеру, що виникнення реакції синтезу чистого дейтерію в «супері» навряд чи можливо, а для суміші знадобилася б така кількість тритію, що для його напрацювання потрібно було б практично заморозити виробництво збройового плутонію в США.
Шар з цукром
У 1946 року Теллер запропонував чергову схему водневої бомби - «будильник». Вона складалася з сферичних шарів урану, дейтерію і тритію, що чергуються. При ядерному вибуху центрального заряду плутонію створювалося необхідне тиск і температура початку термоядерної реакції інших шарах бомби. Однак для «будильника» був потрібний атомний ініціатор великої потужності, а США (як, втім, і СРСР) мали проблеми з напрацюванням збройового урану і плутонію.
Восени 1948 до аналогічної схеми прийшов і Андрій Сахаров. У Радянському Союзі конструкція одержала назву «шарка». Для СРСР, який не встигав у достатній кількості напрацьовувати збройовий уран-235 та плутоній-239, цукрова слойка була панацеєю. І ось чому.
У звичайній атомній бомбі природний уран-238 не тільки марний (енергії нейтронів при розпаді не вистачає для ініціації поділу), а й шкідливий, оскільки жадібно поглинає вторинні нейтрони, уповільнюючи ланцюгову реакцію. Тому збройовий уран на 90% складається із ізотопу уран-235. Однак нейтрони, що з'являються в результаті термоядерного синтезу, в 10 разів більш енергетичні, ніж нейтрони поділу, і природний уран-238, що опромінений такими нейтронами, починає чудово ділитися. Нова бомба дозволяла використовувати як вибухівку уран-238, який раніше розглядався як відходи виробництва.
Родзинкою цукрової «шарки» було також застосування замість гостродефіцитного тритію білої легкої кристалічної речовини – дейтриду літію 6 LiD.
Як згадувалося вище, суміш дейтерію та тритію підпалюється набагато легше, ніж чистий дейтерій. Однак на цьому переваги тритію закінчуються, а залишаються одні недоліки: нормальному станітритій - газ, через що виникають труднощі із зберіганням; тритій радіоактивний і, розпадаючись, перетворюється на стабільний гелій-3, що активно пожирає такі необхідні швидкі нейтрони, що обмежує термін придатності бомби кількома місяцями.
Нерадіоактивний дейтрид літію при опроміненні його повільними нейтронами поділу - наслідками вибуху атомного запалу - перетворюється на тритій. Таким чином, випромінювання первинного атомного вибуху за мить виробляє достатню для подальшої термоядерної реакції кількість тритію, а дейтерій в дейтриде літію є спочатку.
Саме така бомба, РДС-6с, і була успішно випробувана 12 серпня 1953 року на вежі Семипалатинського полігону. Потужність вибуху склала 400 кілотонн, і досі не припинилися суперечки, чи це справжній термоядерний вибух чи надпотужний атомний. Адже на реакцію термоядерного синтезу в цукорівському шарі довелося не більше 20% сумарної потужності заряду. Основний внесок у вибух зробила реакція розпаду опроміненого швидкими нейтронами урану-238, завдяки якому РДС-6с відкрила еру так званих «брудних» бомб.
Справа в тому, що основне радіоактивне забруднення дають якраз продукти розпаду (зокрема, стронцій-90 і цезій-137). Фактично, сахаровская «шаровка» була гігантської атомної бомбою, лише трохи посиленої термоядерною реакцією. Не випадково лише один вибух «слойки» дав 82% стронцію-90 та 75% цезію-137, які потрапили в атмосферу за всю історію існування Семипалатинського полігону.
Американ бомб
Проте першими водневу бомбу підірвали саме американці. 1 листопада 1952 року на атоле Елугелаб Тихому океанібуло успішно випробувано термоядерний пристрій «Майк» потужністю 10 мегатонн. Назвати бомбою 74-тонний американський пристрій можна насилу. «Майк» був громіздким пристроєм розміром з двоповерховий будинок, заповнений рідким дейтерієм при температурі, близької до абсолютного нуля (сахарівська «шаровка» була цілком транспортабельним виробом). Проте родзинкою «Майка» були не розміри, а геніальний принцип обтиснення термоядерної вибухівки.
Нагадаємо, що основна ідея водневої бомби полягає у створенні умов для синтезу (надвисокого тиску та температури) за допомогою ядерного вибуху. У схемі «шарка» ядерний заряд розташований у центрі, і тому він не стільки стискає дейтерій, скільки розкидає його назовні – збільшення кількості термоядерної вибухівки не призводить до збільшення потужності – вона просто не встигає детонувати. Саме цим і обмежена гранична потужність цієї схеми - найпотужніша у світі «шаровка» Orange Herald, підірвана англійцями 31 травня 1957 року, дала лише 720 кілотонн.
Ідеально було б, якби змусити вибухати атомний запал усередину, стискаючи термоядерну вибухівку. Але як це зробити? Едвард Теллер висунув геніальну ідею: стискати термоядерне пальне не механічною енергією та нейтронним потоком, а випромінюванням первинного атомного запалу.
У новій конструкції Теллера атомний вузол, що ініціює, був рознесений з термоядерним блоком. Рентгенівське випромінювання при спрацьовуванні атомного заряду випереджало ударну хвилю і поширювалося вздовж стінок циліндричного корпусу, випаровуючи і перетворюючи на плазму поліетиленове внутрішнє облицювання корпусу бомби. Плазма, у свою чергу, перевипромінювала м'якше рентгенівське випромінювання, яке поглиналося зовнішніми шарами внутрішнього циліндра з урану-238 – «пушера». Шари починали вибухоподібно випаровуватись (це явище називають абляція). Розпечену уранову плазму можна порівняти зі струменями надпотужного ракетного двигуна, тяга якого спрямована всередину циліндра з дейтерієм. Урановий циліндр плескався, тиск і температура дейтерію досягала критичного рівня. Це ж тиск обтискав центральну плутонію до критичної маси, і вона детонувала. Вибух плутонієвого запалу тиснув на дейтерій зсередини, додатково стискаючи та нагріваючи термоядерну вибухівку, яка детонувала. Інтенсивний потік нейтронів розщеплює ядра урану-238 у «пушері», викликаючи вторинну реакцію розпаду. Все це встигало статися до того моменту, коли вибухова хвиля від первинного ядерного вибуху сягала термоядерного блоку. Розрахунок всіх цих подій, що відбуваються за мільярдні частки секунди, і зажадав напруження розуму найсильніших математиків планети. Творці «Майка» відчували від 10-мегатонного вибуху не жах, а невимовний захват - їм вдалося не тільки розібратися в процесах, які в реальному світі йдуть тільки в ядрах зірок, а й експериментально перевірити свої теорії, влаштувавши свою невелику зірку на Землі.
Браво
Обійшовши росіян за красою конструкції, американці не змогли зробити свій пристрій компактним: вони використовували рідкий переохолоджений дейтерій замість порошкоподібного літрію дейтриду у Сахарова. У Лос-Аламосі на сахаровскую «шару» реагували з часткою заздрості: «замість величезної корови з відром сирого молока росіяни використовують пакет сухого молока». Проте приховати секрети одна від одної обом сторонам не вдалося. Першого березня 1954 року в атола Бікіні американці випробували 15-мегатонну бомбу «Браво» на дейтриді літію, а 22 листопада 1955 року над семипалатинським полігоном рвонула перша радянська двоступінчаста термоядерна бомба РДС-37 потужністю 1,7 мега. З того часу конструкція термоядерної бомби зазнала незначних змін (наприклад, з'явився урановий екран між ініціюючою бомбою та основним зарядом) і стала канонічною. А у світі не залишилося більше таких масштабних загадок природи, розгадати які можна було б настільки ефектним експериментом. Хіба що народження наднової зірки.
| Трохи теорії У термоядерній бомбі йдуть 4 реакції і вони протікають дуже швидко. Перші дві реакції є джерелом матеріалу для третьої і четвертої, які при температурах термоядерного вибуху протікають у 30-100 разів швидше і дають більший енергетичний вихід. Тому гелій-3 і тритій, що вийшли, відразу ж витрачаються. Ядра атомів заряджені позитивно, і тому відштовхуються один від одного. Щоб вони змогли прореагувати, їх потрібно зіштовхнути «лоба в лоб», подолавши електричне відштовхування. Це можливо тільки якщо вони будуть рухатися з великою швидкістю. Швидкість атомів безпосередньо пов'язана з температурою, яка має сягати 50 мільйонів градусів! Але нагріти дейтерій до такої температури мало, треба ще утримати його від розльоту жахливим тиском близько мільярда атмосфер! У природі такі температури за такої щільності зустрічаються лише у ядрі зірок. |
Loading...