Плутоний-238

Конструктивные особенности производственных реакторов

Практически весь плутоний в России был выработан в реакторах, оборудованных графитовым замедлителем. Каждый из реакторов возведен вокруг цилиндрически собранных блоков из графита.

В собранном виде графитовые блоки имеют между собой специальные щели для обеспечения беспрерывной циркуляции охладителя, в качестве которого используется азот. В собранной конструкции имеются и вертикально расположенные каналы, созданные для прохождения по ним водяного охлаждения и топлива. Сама по себе сборка жестко опирается на структуру с отверстиями под каналами, используемыми для отгрузки уже облученного топлива. При этом каждый из каналов находится в тонкостенной трубе, отлитой из легковесного и особопрочного алюминиевого сплава. Большая часть описываемых каналов имеет 70 топливных стержней. Вода для охлаждения протекает непосредственно вокруг стержней с топливом, отводя от них излишки тепла.

Применение[править]

Плутоний-238 приобрёл совершенно исключительное значение как источник тепла в всевозможных радиоизотопных источниках энергии. Основными приемуществами этого изотопа являются: отсутствие нейтронного излучения, высокая плотность, химическая стойкость и тугоплавкость его химических соединений (оксид, карбид, борид, нитрид), относительная дешевизна, длительный период полураспада и большая интегрированная энергия распада. Изготовляемые из соединений этого изотопа керамические тепловыделяющие элементы очень удобны для эксплуатации. В настоящее время плутоний-238 является стратегически важным материалом для обеспечения миссий исследовательских космических аппаратов в дальний космос, и в значительной степени эти миссии зависят от накопления нужных количеств этого изотопа. Помимо производства нагревательных элементов РИТЭГ, плутоний-238 применяется для производства компактных источников нейтронов используемых при нейтронном каротаже скважин или нейтронном активационном анализе вещества, а также для производства мощных источников нейтронов используемых в качестве нейтронных инициаторов («Урчин») в атомных бомбах взамен полониевых источников нейтронов. Для этой цели используются различные комбинации плутония-238 с бериллием.

Реакторы АВ

На предприятии «Челябинск-65» три реактора АВ было решено построить осенью 1948 года. Их производственная мощность составляла 200-250 грамм плутония в день. Главным конструктором проекта был А. Савин. Каждый реактор насчитывал 1996 каналов, 65 из них были контрольными. В установках была использована техническая новинка – каждый канал снабдили специальным детектором утечки охлаждающей жидкости. Такой ход позволил менять вкладыши без прекращения работы самого реактора.

Первый год функционирования реакторов показал, что они вырабатывали порядка 260 граммов плутония в сутки. Однако уже со второго года работы мощность постепенно наращивали, и уже в 1963 году ее показатель составил 600 МВт. После второго капитального ремонта была полностью решена проблема с вкладышами, а мощность уже составила 1200 МВт с ежегодным производством плутония 270 килограмм. Эти показатели сохранились до полного закрытия реакторов.

H-bomb

А вот горючее для термоядерного синтеза критической массы не имеет. Вот Солнце, наполненное термоядерным топливом, висит над головой, внутри его уже миллиарды лет идет термоядерная реакция, — и ничего, не взрывается. К тому же при реакции синтеза, например, дейтерия и трития (тяжелого и сверхтяжелого изотопа водорода) энергии выделяется в 4,2 раза больше, чем при сгорании такой же массы урана-235.

Изготовление атомной бомбы было скорее экспериментальным, чем теоретическим процессом. Создание же водородной бомбы потребовало появления совершенно новых физических дисциплин: физики высокотемпературной плазмы и сверхвысоких давлений. Прежде чем начинать конструировать бомбу, надо было досконально разобраться в природе явлений, происходящих только в ядре звезд. Никакие эксперименты тут помочь не могли — инструментами исследователей были только теоретическая физика и высшая математика. Не случайно гигантская роль в разработке термоядерного оружия принадлежит именно математикам: Уламу, Тихонову, Самарскому и т. д.

Блестящий успех

Место для испытания было выбрано в штате Нью-Мексико, в местечке с живописным названием Джорнададель-Муэрто (Путь смерти) — территория входила в артиллерийский полигон Аламагордо. Бомбу начали собирать 11 июля 1945 года. Четырнадцатого июля ее подняли на верхушку специально построенной башни высотой 30 м, подключили провода к детонаторам и начались последние стадии подготовки, связанные с большим количеством измерительной аппаратуры. 16 июля 1945 года в полшестого утра устройство было взорвано.

Температура в центре взрыва достигает нескольких миллионов градусов, поэтому вспышка ядерного взрыва гораздо ярче Солнца. Огненный шар держится несколько секунд, потом начинает подниматься, темнеть, из белого становится оранжевым, затем багровым, и образуется ныне знаменитый ядерный гриб. Первое грибовидное облако поднялось на высоту в 11 км.

Энергия взрыва составила больше 20 кт тротилового эквивалента. Большая часть измерительной аппаратуры была уничтожена, поскольку физики рассчитывали на 510 т и поставили технику слишком близко. В остальном это был успех, блестящий успех!

Но американцы столкнулись с неожиданным радиоактивным заражением местности. Шлейф радиоактивных осадков протянулся на 160 км к северо-востоку. Из небольшого городка Бингэм пришлось эвакуировать часть населения, но как минимум пятеро местных жителей получили дозы до 5760 рентген.

Выяснилось, что, чтобы избежать заражения, бомбу надо взрывать на достаточно большой высоте, минимум километр-полтора, тогда продукты радиоактивного распада рассеиваются на площади в сотни тысяч или даже миллионы квадратных километров и растворяются в глобальном радиационном фоне.

Вторая бомба такой конструкции была сброшена на Нагасаки 9 августа, через 24 дня после этого испытания и через три дня после бомбардировки Хиросимы. С тех пор практически все атомные боеприпасы используют технологию имплозии. Первая советская бомба РДС-1, испытанная 29 августа 1949 года, была сделана по такой же схеме.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика»
(№11, Ноябрь 2003).

Образование и распад

Плутоний-239 образуется в результате следующих распадов:

β−-распад нуклида 239Np (период полураспада составляет 2,356(3) суток):

93239Np→94239Pu+e−+ν¯e;{\displaystyle \mathrm {^{239}_{93}Np} \rightarrow \mathrm {^{239}_{94}Pu} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e};}

e-захват, осуществляемый нуклидом 239Am (период полураспада составляет 11,9(1) ч):

95239Am+e−→94239Pu+ν¯e;{\displaystyle \mathrm {^{239}_{95}Am} +e^{-}\rightarrow \mathrm {^{239}_{94}Pu} +{\bar {\nu }}_{e};}

α-распад нуклида 243Cm (период полураспада составляет 29,1(1) лет):

96243Cm→94239Pu+24He.{\displaystyle \mathrm {^{243}_{96}Cm} \rightarrow \mathrm {^{239}_{94}Pu} +\mathrm {^{4}_{2}He} .}

Распад плутония-239 происходит по следующим направлениям:

α-распад в 235U (вероятность 100 %, энергия распада 5 244,51(21) кэВ):

94239Pu→92235U+24He;{\displaystyle \mathrm {^{239}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm {^{235}_{92}U} +\mathrm {^{4}_{2}He} ;}

энергия испускаемых α-частиц

5 105,5 кэВ (в 11,94 % случаев);

5 144,3 кэВ (в 17,11 % случаев);

5 156,59 кэВ (в 70,77 % случаев).

Спонтанное деление (вероятность 3,1(6)⋅10−10 %);

Тяжелые изотопы плутония

В плутонии-239 в незначительном количестве содержатся и высшие изотопы этого элемента — с массовыми числами 240 и 241. Изотоп 240Pu практически бесполезен — это балласт в плутонии. Из 241-го получают америций — элемент № 95. В чистом виде, без примеси других изотопов, плутоний-240 и плутоний-241 можно получить при электромагнитном разделении плутония, накопленного в реакторе. Перед этим плутоний дополнительно облучают нейтронными потоками со строго определенными характеристиками. Конечно, все это очень сложно, тем более что плутоний не только радиоактивен, но и весьма токсичен

Работа с ним требует исключительной осторожности.
Один из самых интересных изотопов плутония — 242Pu можно получить, облучая длительное время 239Pu в потоках нейтронов. 242Pu очень редко захватывает нейтроны и потому «выгорает» в реакторе медленнее остальных изотопов; он сохраняется и после того, как остальные изотопы плутония почти полностью перешли в осколки или превратились в плутоний-242.
Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах

Если в обычном реакторе облучать плутоний-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-252 потребуется около 20 лет.
Можно сократить время накопления высших изотопов, увеличив интенсивность потока нейтронов в реакторе. Так и делают, но тогда нельзя облучать большое количество плутония-239. Ведь этот изотоп делится нейтронами, и в интенсивных потоках выделяется слишком много энергии. Возникают дополнительные сложности с охлаждением реактора. Чтобы избежать этих сложностей, пришлось бы уменьшить количество облучаемого плутония. Следовательно, выход калифорния стал бы снова мизерным. Замкнутый круг!
Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках… Поэтому в реакторах из этого изотопа «делают» и накапливают в весовых количествах все элементы от америция до фермия.
Всякий раз, когда ученым удавалось получить новый изотоп плутония, измеряли период полураспада его ядер. Периоды полураспада изотопов тяжелых радиоактивных ядер с четными массовыми числами меняются закономерно. (Этого нельзя сказать о нечетных изотопах.)
С увеличением массы растет и «время жизни» изотопа. Несколько лет назад высшей точкой этого графика был плутоний-242. А дальше как пойдет эта кривая — с дальнейшим ростом массового числа? В точку 1, которая соответствует времени жизни 30 млн. лет, или в точку 2, которая отвечает уже 300 млн. лет? Ответ на этот вопрос был очень важен для наук о Земле. В первом случае, если бы 5 млрд, лет назад Земля целиком состояла из 244Pu, сейчас во всей массе Земли остался бы только один атом плутония-244. Если же верно второе предположение, то плутоний-244 может быть в Земле в таких концентрациях, которые уже можно было бы обнаружить. Если бы посчастливилось найти в Земле этот изотоп, наука получила бы ценнейшую информацию о процессах, происходивших при формировании нашей планеты.

Получение[править]

Раскаленный образец двуокиси плутония-238

Раскаленная сфера из диоксида плутония-238

Плутоний-238 в промышленности получают исключительно в атомных реакторах, путём бомбардировки нептуния-237 нейтронами. Также данный изотоп может быть произведён с помощью мощных ускорителей-генераторов нейтронов используемых для бомбардировки образцов нептуния-237. Реакторный способ более производителен, и получаемый плутоний-238 относительно дёшев. Для производства этого изотопа требуются потоки нейтронов порядка 2·1013 и выше, а синтез занимает период времени длительностью несколько лет. Облучённые образцы нептуния подвергаются сложной радиохимической переработке, очистке, и конечный продукт представляет собой двуокись плутония. При необходимости двуокись плутония может быть переведена в карбид или борид. В последнем случае бор играет роль сильного поглотителя нейтронов, и увеличивая критическую массу плутония позволяет получать более крупные изделия (нагревательные элементы). Разбавление оксида или карбида плутония, оксидом или карбидом бериллия для повышения теплопроводности совершенно недопустимо, так как бериллий захватывает альфа-частицы излучаемые плутонием-238 с выделением нейтронов, и резко снижает критическую массу получаемых нагревательных элементов.

Примечания

1. ↑
2. ↑
3. Волков В. А., Вонский Е. В., Кузнецова Г. И. Выдающиеся химики мира. — М.: Высшая Школа, 1991. — С. 407. — 656 с.
4. ↑ Милюкова М. С., Гусев Н. И., Сентюрин И. Г., Скляренко И. С. Аналитическая химия плутония. — М.: «Наука», 1965. — С. 7—12. — 454 с. — (Аналитическая химия элементов). — 3400 экз.
5. ↑ Редкол.:Кнунянц И.Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 580-582. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
6. . Center for Space Nuclear Research. Дата обращения 19 марта 2013.
7.  (недоступная ссылка). Idaho National Laboratory (July 2005). Дата обращения 24 октября 2011.
8.  (недоступная ссылка). Department of Energy (5 February 2011). Дата обращения 2 июля 2012.
9. . NPR. Дата обращения 19 сентября 2011.
10. ↑ Wall, Mike . Space.com (6 апреля 2012). Дата обращения 2 июля 2012.

Неопределенное будущее

С текущим запасом NASA и производственным планом Министерства энергетики, у США достаточно плутония-238 для оснащения двух миссий за десять лет на ближайшие несколько десятилетий. Это, конечно, лучше, чем ничего, но при этом наводит на мысли о том, каким сдерживающим фактором на самом деле является ядерное топливо для исследования космоса.

В свете всего этого становится понятно, почему миссия «Розетта» не была хорошим кандидатом для РИТЭГ. Европейскому космическому агентству пришлось бы покупать плутоний-238 у США или России, и ни одно из этих государств не захотело бы расстаться с драгоценным ресурсом. Солнечные батареи остались жизнеспособным вариантом, в отличие от, скажем, грядущей миссией «Новые горизонты» NASA к Плутону, где слишком темно, чтобы полагаться на солнечный свет.

Холодная война способствовала освоению космосу, и ядерное топливо эпохи холодной войны все еще питает наши современные космические аппараты. Несмотря на весь ужас холодной войны и экологическую катастрофу, вызванную производством ядерного топлива, у нас хотя бы есть возможность выйти за пределы Земли и заглянуть в необъятные просторы космоса.

Изотопы и радиоактивность

Как известно, все сущее состоит из атомов. Атомы, в свою очередь состоят из электронных оболочек, живущих по своим умопомрачительным законам, и ядра. Классическая химия совершенно не интересуется ядром и его личной жизнью. Для нее атом — это его электроны и их способность к обменному взаимодействию. А от ядра химии нужна только его масса, чтобы рассчитывать пропорции реагентов. В свою очередь, ядерной физике глубоко плевать на электроны. Ее интересует крохотная (в 100 тысяч раз меньше радиуса орбит электронов) пылинка внутри атома, в которой сосредоточена практически вся его масса.

Что мы знаем о ядре? Да, оно состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих электрического заряда нейтронов. Впрочем, это не совсем верно. Ядро — это не горсточка шариков двух цветов, как на иллюстрации из школьного учебника. Здесь работают совсем другие законы под названиемсильное взаимодействие, превращающие и протоны, и нейтроны в какое-то неразличимое месиво. Однако заряд этого месива в точности равен суммарному заряду входящих в него протонов, а масса — почти (повторяю, почти) совпадает с массой нейтронов и протонов, из которых состоит ядро.

Кстати, количество протонов неионизированного атома всегда совпадает с количеством электронов, имеющих честь его окружать. А вот с нейтронами дело не так просто. Собственно говоря, задача нейтронов — стабилизировать ядро, поскольку без них одноименно заряженные протоны не ужились бы вместе и микросекунды.

Возьмем для определенности водород. Самый обычный водород. Его устройство до хохота просто — один протон, окруженный одним орбитальным электроном. Водорода во Вселенной навалом. Можно сказать, что Вселенная состоит в основном из водорода.

Теперь аккуратно добавим к протону нейтрон. С точки зрения химии это все равно водород. А вот с точки зрения физики уже нет. Обнаружив два разных водорода, физики забеспокоились и тут же придумали называть обычный водород протием, а водород с нейтроном при протоне — дейтерием.

Наберемся наглости и скормим ядру еще один нейтрон. Теперь у нас еще один водород, еще более тяжелый — тритий. Он, опять же, с точки зрения химии практически не отличается от двух других водородов (ну, разве что в реакцию теперь вступает чуть менее охотно). Сразу хочу предупредить — никакими усилиями, угрозами и увещеваниями вы не сможете добавить к ядру трития еще один нейтрон. Здешние законы куда более строги, чем человеческие.

Итак, протий, дейтерий и тритий — это изотопы водорода. Их атомная масса различна, а заряд — нет. А ведь именно зарядом ядра определяется местоположение в периодической системе элементов. Потому и назвали изотопы изотопами. В переводе с греческого это означает «занимающие одно и то же место». Кстати говоря, всем известная тяжелая вода — это та же вода, но с двумя атомами дейтерия вместо протия. Соответственно, сверхтяжелая вода содержит вместо протия тритий.

Давайте взглянем снова на наши водороды. Так… Протий на месте, дейтерий на месте… А это еще кто? Куда делся мой тритий и откуда здесь появился гелий-3? У нашего трития один из нейтронов явно соскучился, решил сменить профессию и стал протоном. При этом он породил электрон и антинейтрино. Потеря трития — это, конечно, огорчительно, но зато мы теперь знаем, что он нестабилен. Кормежка нейтронами даром не прошла.

Итак, как вы поняли, изотопы бывают стабильные и нестабильные. Стабильных изотопов вокруг нас полно, а вот нестабильных, слава богу, практически нет. То есть они имеются, но в настолько рассеянном состоянии, что добывать их приходится ценой очень большого труда. К примеру, уран-235, который доставил столько нервотрепки Оппенгеймеру, составляет в природном уране всего лишь 0,7%.

Термоядерный синтез

Помните, как мы с вами «кормили» ядро водорода нейтронами? Так вот, если попытаться подобным образом соединить между собой два протона, ничего не выйдет. Протоны не удержатся вместе из-за кулоновских сил отталкивания. Либо они разлетятся, либо произойдет бета-распад и один из протонов станет нейтроном. А вот гелий-3 существует. Благодаря одному-единственному нейтрону, который делает протоны более уживчивыми друг с другом.

В принципе, на основании состава ядра гелия-3 можно сделать вывод, что из ядер протия и дейтерия можно вполне собрать одно ядро гелия-3. Теоретически это так, но такая реакция может идти только в недрах больших и горячих звезд. Более того, в недрах звезд даже из одних протонов можно собрать гелий, превращая часть их в нейтроны. Но это уже вопросы астрофизики, а достижимый для нас вариант — это слить два ядра дейтерия или дейтерий и тритий.

Для слияния ядер необходимо одно очень специфическое условие. Это очень высокая (109 К) температура. Только при средней кинетической энергии ядер в 100 килоэлектронвольт они способны сблизиться на расстояние, при котором сильное взаимодействие начинает преодолевать кулоновское.

Вполне законный вопрос — зачем городить этот огород? Дело в том, что при синтезе легких ядер выделяется энергия порядка 20 МэВ. Разумеется, при вынужденном делении ядра урана эта энергия в 10 раз больше, но есть один нюанс — при самых больших ухищрениях урановый заряд мощностью даже в 1 мегатонну невозможен. Даже для более совершенной плутониевой бомбы достижимый выход энергии — не более чем 7-8 килотонн с одного килограмма плутония (при теоретическом максимуме 18 килотонн). И не забывайте о том, что ядро урана почти в 60 раз тяжелее двух ядер дейтерия. Если считать удельный выход энергии, то термоядерный синтез заметно впереди.

И еще — для термоядерного заряда не существует никаких ограничений по критической массе. У него попросту ее нет. Есть, правда, другие ограничения, но о них — ниже.

В принципе, запустить термоядерную реакцию как источник нейтронов достаточно несложно. Гораздо труднее запустить ее как источник энергии. Здесь мы сталкиваемся с так называемым критерием Лоусона, который определяет энергетическую выгодность термоядерной реакции. Если произведение плотности реагирующих ядер и времени их удержания на расстоянии слияния больше, чем 1014 сек/см3, энергия, даваемая синтезом, превысит энергию, вводимую в систему.

Именно достижению этого критерия и были посвящены все термоядерные программы.