Технология производства оружейного плутония. Что такое плутоний История открытия химического элемента плутоний
Энрико Ферми вместе со своими сотрудниками в Университете Рима сообщил, что они обнаружили химический элемент с порядковым номером 94 в 1934 году. Ферми назвал этот элемент гесперием, считая, что открыл элемент, который сейчас называют плутонием, таким образом сделав предположение о существовании трансурановых элементов и став их теоретическим первооткрывателем. Он придерживался этой позиции и в своей Нобелевской лекции в 1938 году, однако, узнав об открытии деления ядра Отто Фришем и Фрицем Штрассманом, был вынужден сделать в печатной версии, вышедшей в Стокгольме в 1939 году, примечание, указывающее на необходимость пересмотра «всей проблемы трансурановых элементов». Работа немецких учёных показала, что активность, обнаруженная Ферми в его экспериментах, была обусловлена именно делением, а не открытием трансурановых элементов, как он ранее полагал.
Циклотрон в Беркли, использовавшийся для получения нептуния и плутония.
Открытие плутония группой сотрудников Калифорнийского университета в Беркли под руководством Г. Т. Сиборга было совершено с помощью 60-дюймового циклотрона, имевшегося в распоряжении университета. Первая бомбардировка октаоксида триурана-238 дейтронами, разогнанными в циклотроне до 14-22 МэВ и проходящими через алюминиевую фольгу толщиной 0,002 дюйма, была произведена 14 декабря 1940 года. Сравнивая образцы, полученные и выдержанные в течение 2,3 суток, с выделенной фракцией чистого нептуния, учёные обнаружили существенную разницу в их альфа-активностях и предположили, что её рост через 2 суток обусловлен влиянием нового элемента, являющегося дочерним по отношению к нептунию. Дальнейшие физические и химические исследования продолжались 2 месяца. В ночь с 23 на 24 февраля 1941 года был проведён решающий эксперимент по окислению предполагаемого элемента с помощью пероксиддисульфат-ионов и ионами серебра в качестве катализатора, который показал, что нептуний-238, спустя два дня претерпевает бета-минус-распад, и образует химический элемент под номером 94 в следующей реакции:
23892U → 23893Np → 23894Pu
Гленн Теодор Сиборг вместе с сотрудниками в Беркли впервые синтезировали плутоний. Он был руководителем или ключевым членом команд, получивших еще восемь элементов: Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No. В его честь назван элемент сиборгий. Эдвин Макмиллан и Гленн Сиборг в 1951 году были удостоены Нобелевской премии за «изучение химии трансурановых элементов».
Таким образом, существование нового химического элемента было подтверждено Г. Т. Сиборгом, Э. М. Макмилланом, Дж. В. Кеннеди и А. К. Валлем благодаря изучению его первых химических свойств возможностью обладать по крайней мере двумя степенями окисления.
Немного позднее было установлено, что этот изотоп является неделящимся, а следовательно, неинтересным для дальнейших исследований в военных целях, так как пороговые ядра не могут служить основой цепной реакции деления. Поняв это, физики-ядерщики США направили свои усилия на получение делящегося изотопа-239. В марте 1941 года 1,2 кг чистейшей соли урана, замурованной в большой парафиновый блок, подвергли в циклотроне бомбардировке нейтронами. На протяжении двух суток длилась бомбардировка урановых ядер, в результате чего были получены приблизительно 0,5 мкг плутония-239. Появление нового элемента, как и было предсказано теорией, сопровождалось потоком альфа-частиц.
28 марта 1941 года проведённые эксперименты показали, что Pu способен делиться под действием медленных нейтронов, с сечением, весьма значительно превышающим сечение для U, причём нейтроны, полученные в процессе деления, пригодны для получения следующих актов ядерного деления, то есть позволяют расчитывать на осуществление цепной ядерной реакции. С этого момента были начаты опыты по созданию плутониевой ядерной бомбы и строительства реакторов для его наработки. Первое чистое соединение элемента было получено в 1942 году, а первые весовые количества металлического плутония - в 1943 году.
В работе, отправленной на публикацию в журнал Physical Review в марте 1941 г., был описан метод получения и изучения элемента. Однако, публикация этого документа была остановлена после того, как были получены данные, что новый элемент может быть использован в ядерной бомбе. Публикация работы произошла спустя год после Второй мировой войны из соображений безопасности и с некоторыми корректировками.
В Третьем рейхе исследователи атома также не оставались бездеятельными. В лаборатории Манфреда фон Ардена были разработаны методы для получения 94-го элемента. В августе 1941 года физик Фриц Хоутерманс закончил свой секретный доклад «К вопросу о развязывании цепных ядерных реакций». В нем он указывал теоретические возможности для изготовления в урановом «котле» нового взрывчатого вещества из природного урана.
Происхождение названия
С помощью этого астрографа были получены первые снимки Плутона.
В 1930 году была открыта новая планета, о существовании которой давно говорил Персиваль Ловелл астроном, математик и автор фантастических очерков о жизни на Марсе. На основе многолетних наблюдений за движениями Урана и Нептуна он пришёл к заключению, что за Нептуном в солнечной системе должна быть ещё одна, девятая планета, располагающаяся от Солнца в сорок раз дальше, чем Земля. Элементы орбиты новой планеты были им рассчитаны в 1915 году. Плутон был обнаружен на фотографических снимках, полученных 21, 23 и 29 января 1930 г. астрономом Клайдом Томбо в обсерватории Лоуэлла в Флагстаффе. Планета была открыта 18 февраля 1930 года. Название планете было дано одиннадцатилетней школьницей из Оксфорда Венецией Бёрни. В греческой мифологии Аид является богом царства мёртвых.
Первое печатное упоминание термина плутоний датируется 21 марта 1942 года. Название 94-му химическому элементу было предложено Артуром Валем и Гленном Сиборгом. В 1948 году Эдвин Макмиллан предложил назвать 93-й химический элемент нептунием, так как планета Нептун - первая за Ураном. По аналогии в честь второй планеты за Ураном, Плутона, был назван плутоний. Открытие плутония произошло через 10 лет после открытия карликовой планеты.
Первоначально Сиборг предложил назвать новый элемент «плутием», однако позже решил, что название «плутоний» звучит лучше. Для обозначения элемента он в шутку привёл две буквы «Pu» это обозначение представилось ему наиболее приемлемым в периодической таблице. Также Сиборгом были предложены некоторые другие варианты названий, например ультимий, экстермий. Однако из-за ошибочного в то время суждения, что плутоний станет последним химическим элементом в периодической таблице, элемент назвали «плутоний» в честь открытия последней планеты солнечной системы.
Первые исследования
После нескольких месяцев первоначальных исследований, химия плутония стала считаться похожей на химию урана. Дальнейшие исследования были продолжены в секретной металлургической лаборатории Чикагского университета. Благодаря Каннинхэму и Вернеру 18 августа 1942 года был выделен первый микрограмм чистого соединения плутония из 90 кг уранилнитрата, облученного нейтронами на циклотроне. 10 сентября 1942 года - спустя месяц, на протяжении которого ученые увеличивали количество соединения - произошло взвешивание. Этот исторический образец весил 2,77 мкг и состоял из диоксида плутония; в настоящее время хранится в Лоуренсовском зале в Беркли. К концу 1942 года было накоплено 500 мкг соли элемента. Для более подробного изучения нового элемента в США было сформировано несколько групп:
- группа ученых, которая должна была выделить чистый плутоний химическими методами,
- группа, которая изучала поведение плутония в растворах, включая изучение его степеней окисления, потенциалов ионизации и кинетику реакций,
- группа, которая изучала химию комплексообразования ионов плутония и другие группы.
В ходе исследований было установлено, что плутоний может находиться в степенях окисления от 3 до 6, и что более низшие степени окисления, как правило, более стабильны по сравнению с нептунием. Тогда же было установлено сходство химических свойств плутония и нептуния. В 1942 году неожиданным стало открытие Стэна Томсона, входящего в группу Гленна Сиборга, которое показало, что четырехвалентный плутоний получается в больших количествах при нахождении в кислом растворе в присутствии фосфата висмута. В дальнейшем это привело к изучению и применению висмут-фосфатного метода экстракции плутония. В ноябре 1943 г. некоторые количества фторида плутония были подвергнуты разделению для получения чистого образца элемента в виде нескольких микрограммов мелкодисперсного порошка. Впоследствии были получены образцы, которые можно было бы рассмотреть невооруженным глазом.
Первый циклотрон в СССР использовавшийся для получения плутония.
В СССР первые опыты по получению Pu были начаты в 1943-1944 гг. под руководством академиков И. В. Курчатова и В. Г. Хлопина. В короткий срок в СССР были выполнены обширные исследования свойств плутония. В начале 1945 года на первом в Европе циклотроне, построенном в 1937 году в Радиевом институте, был получен первый советский образец плутония путём нейтронного облучения ядер урана. В городе Озёрск с 1945 года началось строительство первого промышленного ядерного реактора по производству плутония, первый объект ПО Маяк, пуск которого был осуществлён 19 июня 1948 года.
Производство в Манхэттенском проекте
Наиболее важные места для Манхэттенского проекта.
Манхэттенский проект берёт свое начало с письма Эйнштейна Рузвельту. Письмо обращало внимание президента на то, что нацистская Германия ведёт активные исследования, в результате которых может вскоре обзавестись атомной бомбой. В августе 1939 года Лео Силлард попросил подписаться в письме его другу Альберту Эйнштейну. В результате положительного ответа Франклина Рузвельта впоследствии в США был образован Манхэттенский проект.
Во время Второй мировой войны целью проекта являлось создание ядерной бомбы. Проект атомной программы, из которой образовался Манхэттенский проект, был одобрен и одновременно создан указом Президента США 9 октября 1941 года. Свою деятельность Манхэттенский проект начал 12 августа 1942 года. Тремя его основными целями являлись:
- Производство плутония на территории Хэнфордского комплекса
- Обогащение урана в городе Оук-Ридж, штат Теннесси
- Исследования в области ядерного оружия и строения атомной бомбы на территории Лос-Аламосской национальной лаборатории
Памятная фотография ученых, принимавших участие на Чикагской поленнице-1. В первом ряду, второй справа: Лео Силлард; первый слева: Энрико Ферми.
Первым ядерным реактором, позволявшим получать большие количества элемента по сравнению с циклотронами, была Чикагская поленница-1. Он был введен в эксплуатацию 2 декабря 1942 года благодаря Энрико Ферми и Лео Силларду; в этот день была произведена первая самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция. Для производства плутония-239 использовались уран-238 и уран-235. Реактор был сооружен под трибунами стадиона Stagg Field Чикагского университета. Он состоял из 6 тонн металлического урана, 34 тонн оксида урана и 400 тонн «чёрных кирпичей» графита. Единственным, что могло остановить цепную ядерную реакцию, были стержни из кадмия, которые хорошо захватывают тепловые нейтроны и, как следствие, могут предотвратить возможное происшествие. Из-за отсутствия радиационой защиты и охлаждения его обычная мощность была всего 0,5...200 Вт.
Работники на Графитовом реакторе X-10.
Вторым реактором, который позволил получать плутоний-239, был Графитовый реактор X-10. Он был введен в эксплуатацию 4 ноября 1943 года в городе Оук-Ридж, в настоящее время он располагается на терриории Оук-Риджской национальной лаборатории. Этот реактор был вторым в мире после Чикагской поленницы-1 и первым реактором, который был создан в продолжении Манхэттенского проекта. Реактор был первым шагом на пути к созданию более мощных ядерных реакторов, то есть он был экспериментальным. Окончание его работы наступило в 1963 г.; открыт для посещения с 1980-х годов и является одним из старейших ядерных реакторов в мире.
Пятого апреля 1944 года Эмилио Сегре получил первые образцы плутония, произведенного в реакторе X-10. В течение 10-ти дней он обнаружил, что концентрация плутония-240 в реакторе очень высока, по сравнению с циклотронами. Данный изотоп имеет очень высокую способность к спонтанному делению, в результате чего повышается общий фон нейтронного облучения. На данном основании был сделан вывод, что использование особо чистого плутония в ядерной бомбе пушечного типа, в частности в бомбе Худой, может привести к преждевременной детонации. Благодаря тому, что технология разработок ядерных бомб всё более улучшалась, было установлено, что для ядерного заряда лучше всего использовать ядерное вещество в виде сфер.
Строительство реактора B первого ядерного реактора, способного получать плутоний в промышленном масштабе.
Первым промышленным ядерным реактором по производству Pu является реактор B, расположенный в США. Строительство началось с июня 1943 г. и закончилось в сентябре 1944 г. Мощность реактора составила 250 МВт. В качестве теплоносителя в этом реакторе впервые применялась вода. Реактор B позволил получить плутоний-239, который был впервые использован в испытании Тринити. Ядерные материалы, одержанные на этом реакторе, были использованы в бомбе сброшенной на Нагасаки 9 августа 1945 г. Построенный реактор был закрыт в феврале 1968 года и расположен в пустынном районе штата Вашингтон, недалеко от города Ричланд.
Хэнфордский комплекс. Реакторы B, D, F и др. расположены вдоль течения реки в верхней части схемы.
В ходе Манхэттенского проекта на Хэнфордском комплексе было создано множество районов предназначенных для получения, хранения, переработки и использования ядерных материалов. На этих захоронениях расположено около 205 кг изотопов плутония. Множественные районы были образованы для хранения девяти ядерных реакторов, которые производили химический элемент, многочисленных вспомогательных построек, которые загрязняли окружающую среду. Другие из этих районов были созданы с целью отделения плутония и урана от примесей химическими способами. По закрытию этого комплекса утилизировано более 20 т плутония в безопасных формах.
В 2004 г. в результате раскопок были обнаружены захоронения на территории Хэнфордского комплекса. В числе них был найден оружейный плутоний, который находился в стеклянном сосуде. Этот образец оружейного плутония оказался самым долгоживущим и был исследован Тихоокеанской национальной лабораторией. Результаты показали, что этот образец был создан на графитовом реакторе X-10 в 1944 году.
Один из участников проекта был причастен к тайной передаче чертежей о принципах устройства урановой и плутониевой бомб, а также образцов урана-235 и плутония-239.
Тринити и Толстяк
Первое ядерное испытание под названием Тринити, проведенное 16 июля 1945 г. возле города Аламогордо, Нью-Мексико, использовало плутоний в качестве ядерного заряда. В Штучке использовались обычные линзы для того, чтобы сжать плутоний для достижения критической массы. Это устройство было создано для пробы нового типа ядерной бомбы «Толстяк» на основе плутония. Одновременно с этим из Ежа начали поступать нейтроны для ядерной реакции. Устройство было сделано из полония и бериллия; этот источник применялся в первом поколении ядерных бомб, так как в то время единственным источником нейтронов считалась эта композиция. Вся эта композиция позволила достичь мощного ядерного взрыва. Полная масса бомбы, использованной при ядерном испытании Тринити, составляла 6 т, хотя в ядре бомбы было всего 6,2 кг плутония, а предполагаемая высота для взрыва над городом составляла 225-500 м. Приблизительно 20 % использованного плутония в этой бомбе составило 20000 т в тротиловом эквиваленте.
Бомба Толстяк была сброшена на Нагасаки 9 августа 1945. В результате взрыва моментально погибло 70 тыс. человек и ранено ещё 100 тыс. Она имела схожий механизм: сделанное из плутония ядро помещалось в сферическую алюминиевую оболочку, которая обкладывалась химической взрывчаткой. Во время детонирования оболочки плутониевый заряд сжимался со всех сторон и его плотность перерастала критическую, после чего начиналась цепная ядерная реакция. В Малыше, сброшенном на Хиросиму тремя днями ранее, использовался уран-235, но не плутоний. Япония 15 августа подписала соглашение о капитуляции. После этих случаев в СМИ было опубликовано сообщение о применении нового химического радиоактивного элемента плутония.
Холодная война
Большие количества плутония были произведены во время Холодной войны США и СССР. Реакторы США, находящиеся в Savannah River Site и Хэнфорде, во время войны произвели 103 т плутония, в то время как СССР произвел 170 т оружейного плутония. На сегодня около 20 т плутония в ядерной энергетике производится как побочный продукт ядерных реакций. На 1000 т плутония, находящегося в хранилищах, приходится 200 т плутония, извлеченного из ядерных реакторов. На 2007 год СИИПМ оценил мировое количество плутония в 500 т, который примерно одинаково разделен на оружейные и энергетические нужды.
Предполагаемая схема туннельного хранилища ядерных отходов в репозитории Юкка Маунтин.
Сразу же по окончанию Холодной войны все ядерные запасы стали проблемой распространения ядерного оружия. Например в США из извлеченного из ядерного оружия плутония были сплавлены двухтонные блоки, в которых элемент находится в виде инертного оксида плутония. Данные блоки застеклены боросиликатным стеклом с примесью циркония и гадолиния. Затем эти блоки были покрыты нержавеющей сталью и закопаны в землю на глубину 4 км. Местная и государственная власть США не позволила складировать ядерные отходы в гору Юкка. В марте 2010 г. власти США решили отозвать лицензию на право складировать ядерные отходы. Барак Обама предложил провести ревизию политики хранения отходов и предоставить рекомендации по разработке новых эффективных методов по контролю за отработанным топливом и отходами.
Медицинские эксперименты
На протяжении Второй мировой войны и после её окончания учёные проводили эксперименты на животных и людях, вводя внутривенно дозы плутония. Исследования на животных показали, что несколько миллиграммов плутония на килограмм ткани смертельная доза. «Стандартная» доза составляла 5 мкг плутония, а в 1945 году эта цифра уменьшилась до 1 мкг за счет того, что плутоний склонен к накоплению в костях и из-за этого более опасен, чем радий.
Восемнадцать испытаний плутония на людях были проведены без предварительного согласия, для того, чтобы выяснить, где и как концентрируется плутоний в человеческом организме, и выработать стандарты безопасности обращения с ним. Первые места, в которых проводились эксперименты в рамках Манхэттенского проекта, были: Хэнфорд, Беркли, Лос-Аламос, Чикаго, Оук-Ридж, Рочестер.
Описание плутония
Плутоний (Plutonium) представляет собой тяжелый химический элемент серебристого цвета, радиоактивный металл с атомным числом 94, который в периодической обозначается символом Pu.
Данный электроотрицательный активный химический элемент относится к группе актиноидов с атомной массой 244,0642, и, как и нептуний, который получил свое название в честь одноименной планеты, своим названием этот химический обязан планете Плутон, поскольку предшественниками радиоактивного элемента в периодической таблице химических элементов Менделеева является и нептуний, которые также были названы в честь далеких космических планет нашей Галактики.
Происхождение плутония
Элемент плутоний впервые был открыт в 1940 году в Калифорнийском Университете группой ученых-радиологов и научных исследователей Г. Сиборгом, Э. Макмилланом, Кеннеди, А. Уолхом при бомбардировании урановой мишени из циклотрона дейтронами — ядрами тяжелого водорода.
В декабре того же года учеными был открыт изотоп плутония – Pu-238, период полураспада которого составляет более 90 лет, при этом было установлено, что под воздействием сложнейших ядерных химических реакций изначально получается изотоп нептуний-238, после чего уже происходит образование изотопа плутония-238 .
В начале 1941 года ученые открыли плутоний 239 с периодом распада в 25 000 лет. Изотопы плутония могут иметь различное содержание нейтронов в ядре.
Чистое соединение элемента смогли получить только в конце 1942. Каждый раз, когда ученые-радиологи открывали новый изотоп, они всегда измеряли время периодов полураспада изотопов.
В настоящий момент изотопы плутония, которых всего насчитывается 15, отличаются по времени продолжительности периода полураспада . Именно с этим элементом связаны большие надежды, перспективы, но и в тот же момент, серьезные опасения человечества.
Плутоний имеет значительно большую активность, чем, к примеру, уран и принадлежит к самым дорогостоящим технически важным и значимым веществам химической природы.
К примеру, стоимость грамма плутония в несколько раз больше одного грама , , или других не менее ценных металлов.
Производство, добыча плутония считается затратной, а стоимость одного грамма металла в наше время уверенно держится на отметке в 4000 американских долларов.
Как получают плутоний? Производство плутония
Производство химического элемента происходит в атомных реакторах, внутри которых уран расщепляется под воздействием сложных химическо-технологических взаимосвязанных процессов.
Уран и плутоний являются главными, основными компонентами при производстве атомного (ядерного) горючего.
При необходимости получения большого количества радиоактивного элемента применяют метод облучения трансурановых элементов, которые можно получить из отработанного атомного топлива и облучения урана. Протекание сложных химических реакций позволяет отделить металл от урана.
Чтобы получить изотопы, а именно плутоний-238 и оружейный плутоний-239, которые представляют собой промежуточные продукты распада, используют облучение нептуния-237 нейтронами.
Ничтожно малую часть плутония-244, который является самым «долгоживущим» вариантом изотопа, по причине его длительного периода полураспада, обнаружили при исследованиях в цериевой руде, которая, скорее всего, сохранилась с момента формирования нашей Планеты Земля. В естественном виде в природе данный радиоактивный элемент не встречается.
Основные физические свойства и характеристики плутония
Плутоний — довольно тяжелый радиоактивный химический элемент серебристого цвета, который блестит только в очищенном виде. Атомная масса металла плутоний равна 244 а. е. м.
По причине своей высокой радиоактивности данный элемент теплый на ощупь, может разогреться до температуры, которая превышает температурный показатель при кипении воды.
Плутоний, под воздействием атомов кислорода быстро темнеет и покрывается радужной тонкой пленочкой изначально светло-желтого, а затем насыщенного — или бурого оттенка.
При сильном окислении происходит образование на поверхности элемента — порошка PuO2. Данный вид химического металла подвержен сильным процессам окисления и воздействия коррозии даже при незначительном уровне влажности.
Чтобы предотвратить коррозирование и оксидировании поверхности металла, необходима сушильная . Фото плутония можно посмотреть ниже.
Плутоний относится к четырехвалентным химическим металлам, хорошо и быстро растворяется в йодистоводородных веществах, кислых средах, к примеру, в , хлорной, .
Соли металла быстро нейтрализуются в средах с нейтральной реакцией, щелочных растворах, при этом образовывая нерастворимый гидрооксид плутония.
Температура, при которой происходит плавление плутония равна 641 градусам Цельсия, температура кипения – 3230 градусов.
Под воздействием высоких температурных режимов происходят неестественные изменения плотности металла. В виде плутоний обладает различными фазами, имеет шесть кристаллических структур.
При переходе между фазами происходят значительные изменения объемах элемента. Наиболее плотную форму элемент приобретает в шестой альфа-фазе (последняя стадия перехода), при этом тяжелее металла в этом состоянии бывает только , , нептуний, радий.
При расплавлении происходит сильное сжатие элемента, поэтому металл может держаться на поверхности воды и других неагрессивных жидких сред.
Несмотря на то, что данный радиоактивный элемент принадлежит к группе химических металлов, элемент довольно летуч, и при нахождении в закрытом пространстве за непродолжительный период времени увеличивается и возрастает в несколько раз его концентрация в воздухе.
К основным физическим свойствам металла можно отнести: невысокую степень, уровень теплопроводности из всех существующих и известных химических элементов, низкий уровень электропроводности, в жидком состоянии плутоний относится к одним из наиболее вязких металлов.
Стоит отметить, что любые соединения плутония относятся к токсичным, ядовитым и представляют серьезную опасность облучения для человеческого организма, которое происходит по причине активного альфа-излучения, поэтому все работы нужно выполнять предельно внимательно и только в специальных костюмах с химической защитой.
Больше о свойствах, теориях происхождения уникального металла можно прочитать в книге Обручева «Плутония ». Автор В.А. Обручев приглашает читателей окунуться в удивительный и уникальный мир фантастической страны Плутония, которая расположена в глубине недр Земли.
Применение плутония
Промышленный химический элемент принято классифицировать на оружейный и реакторный («энергетический») плутоний.
Так, для производства ядерного вооружения из всех существующих изотопов допустимо применять только плутоний 239, в котором не должно быть более 4.5% плутония 240, так как он подвержен самопроизвольному делению, что значительно затрудняет изготовление боевых снарядов.
Плутоний-238 находит применение для функционирования малогабаритных радиоизотопных источников электрической энергии, к примеру, в качестве источника энергии для космической техники.
Несколько десятилетий тому назад плутоний применяли в медицине в кардиостимуляторах (приборы для поддержания сердечного ритма).
Первая атомная бомба, созданная в мире, имела плутониевый заряд. Ядерный плутоний (Pu 239) востребован как ядерное топливо для обеспечения функционирования энергетических реакторов. Также этот изотоп служит источником для получения в реакторах трансплутониевых элементов.
Если провести сравнение ядерного плутония с чистым металлом, изотоп обладает более высокими металлическими параметрами, не имеет фаз перехода, поэтому его широко используют в процессе получения элементов топлива.
Оксиды изотопа Плутония 242 также востребованы как источник питания для космических летальных агрегатов, техники, в ТВЭЛах.
Оружейный плутоний – это элемент, который представлен в виде компактного металла, в котором содержится не меньше 93% изотопа Pu239.
Данный вид радиоактивного металла применяют про производстве различных видов ядерного оружения.
Получают оружейный плутоний в специализированных промышленных атомных реакторах, которые функционируют на природном или на низкообогащенном уране, в результате захвата им нейтронов.
Оружейный плутоний - это плутоний в форме компактного металла, содержащий не менее 93,5 % изотопа 239Pu. Предназначается для создания ядерного оружия.
1.Название и особенности
«Оружейным» его называют, чтобы отличить от «реакторного». Плутоний образуется в любом ядерном реакторе, работающем на природном или низкообогащённом уране, содержащем в основном изотоп 238U, при захвате им избыточных нейтронов. Но по мере работы реактора оружейный изотоп плутония быстро выгорает, в итоге в реакторе накапливается большое количество изотопов 240Pu, 241Pu и 242Pu, образующихся при последовательных захватах нескольких нейтронов - так как глубина выгорания обычно определяется экономическими факторами. Чем меньше глубина выгорания, тем меньше изотопов 240Pu, 241Pu и 242Pu, будет содержать плутоний, выделенный из облучённого ядерного топлива, но тем меньшее количество плутония в топливе образуется.
Специальное производство плутония для оружия, содержащего почти исключительно 239Pu, требуется, в основном, потому, что изотопы с массовыми числами 240 и 242 создают высокий нейтронный фон, затрудняющий конструирование эффективных ядерных боеприпасов, кроме того, 240Pu и 241Pu имеют существенно меньший период полураспада, чем 239Pu, из-за чего плутониевые детали нагреваются, и в конструкцию ядерного боеприпаса приходится дополнительно вводить элементы теплоотвода. Даже чистый 239Pu теплее человеческого тела. Дополнительно, продукты распада тяжёлых изотопов портят кристаллическую решётку металла, что может привести к изменению формы деталей из плутония, что чревато отказом ядерного взрывного устройства.
В принципе, все эти затруднения преодолимы, и были успешно испытаны ядерные взрывные устройства из «реакторного» плутония, однако, в боеприпасах, где не последнюю роль играет компактность, малый вес, надёжность и долговечность, применяется исключительно специально произведённый оружейный плутоний. Критическая масса металлических 240Pu и 242Pu весьма велика, 241Pu - несколько больше, чем у 239Pu.
2.Производство
В СССР производство оружейного плутония осуществлялось сначала на комбинате «Маяк» в г. Озёрск (ранее Челябинск-40, Челябинск-65), затем на Сибирском химическом комбинате в г. Северск (ранее Томск-7), позже в эксплутатацию был введён Красноярский горно-химический комбинат в г. Железногорск (известен также, как Соцгород и Красноярск-26). Производство оружейного плутония в России было прекращено в 1994 году. В 1999 году были остановлены реакторы в Озёрске и Северске, в 2010 году остановлен последний реактор в Железногорске.
В США оружейный плутоний производился в нескольких местах, например, в таких как Хэнфордский комплекс, расположенный в штате Вашингтон. Производство было закрыто в 1988 году.
3.Синтез новых элементов
Преобразование одних атомов в другие происходит при взаимодействии атомных или субатомных частиц. Из таковых доступны в больших количествах только нейтроны. Гигаваттный ядерный реактор производит около 3.75 кг (или 4*1030) нейтронов в течении года.
4.Производство плутония
Атомы плутония образуются в результате цепи атомных реакций, начинающихся с захвата нейтрона атомом урана-238:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
или, более точно:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
При продолжении облучения некоторые атомы плутония-239 способны в свою очередь захватить нейтрон и превратиться в более тяжелый изотоп плутоний-240:
Pu239 + n -> Pu240
Чтобы получать плутоний в достаточном количестве, нужны сильнейшие нейтронные потоки. Такие как раз создаются в атомных реакторах. В принципе, любой реактор является источником нейтронов, но для промышленного производства плутония естественно использовать специально разработанный для этого.
Самый первый в мире промышленный реактор по производству плутония - B-реактор в Хэнфорде. Заработал 26 сентября 1944, мощность - 250 МВт, производительность - 6 кг плутония в месяц. Он содержал около 200 тонн металлического урана, 1200 тонн графита и охлаждался водой со скоростью 5 кубометров/мин.
Панель загрузки хэнфордского реактора кассетами с ураном:
Схема его работы. В реакторе для облучения урана-238 создаются нейтроны в результате стационарной цепной реакции деления ядер урана-235. В среднем на одно деление U-235 возникает 2.5 нейтрона. Для поддержания реакции и одновременной наработки плутония необходимо, чтобы в среднем один или два нейтрона поглотились бы U-238, а один вызвал бы деление следующего атома U-235.
Нейтроны, возникающие при делении урана обладают очень большими скоростями. Атомы урана устроены таким образом, что захват быстрых нейтронов ядрами и U-238 и U-235 маловероятен. Поэтому быстрые нейтроны испытав несколько соударений с окружающими атомами постепенно замедляются. При этом ядра U-238 так сильно поглощают такие нейтроны (промежуточных скоростей), что ничего не остается для деления U-235 и поддержания цепной реакции (U-235 делится от медленных, тепловых нейтронов).
С этим борется замедлитель, окружающее блоки с ураном какое-нибудь легкое вещество. В нем нейтроны тормозятся без поглощения, испытывая упругие столкновения, в каждом из которых теряется малая часть энергии. Хорошими замедлителями являются вода, углерод. Таким образом, замедленные до тепловых скоростей нейтроны путешествуют по реактору, пока не вызовут деление U-235 (U-238 поглощает их очень слабо). При определенной конфигурации замедлителя и урановых стержней создадутся условия для поглощения нейтронов и U-238 и U-235.
Изотопный состав получаемого плутония зависит от длительности нахождения в реакторе урановых стержней. Значительное накопление Pu-240 происходит в результате длительного облучения кассеты с ураном. При маленьком времени нахождения урана в реакторе получается Pu-239 с незначительным содержанием Pu-240.
Pu-240 вреден для производства оружия по следующим причинам:
1. Он менее делящийся материал, чем Pu-239, поэтому требуется чуть большее количество плутония для изготовления оружия.
2. Вторая, гораздо более важная причина. Уровень спонтанного деления у Pu-240 гораздо выше, что создает сильный нейтронный фон.
В самые первые годы разработки атомного оружия испускание нейтронов (сильный нейтронный фон) было проблемой на пути к надежному и эффективному заряду из-за преждевременной его детонации. Сильные потоки нейтронов делали сложным или невозможным сжатие ядра бомбы, содержащего несколько килограммов плутония, в надкритичное состояние - до этого оно разрушалось сильнейшим, но все-таки не максимально возможным энерговыходом. Приход смешанных ядер - содержащих высокообогащенный U-235 и плутоний (в конце 1940-х) - преодолел это затруднение, когда стало возможным применять относительно маленькое количество плутония в по большей части урановых ядрах. Следующее поколение зарядов - устройства с усилением за счет синтеза (в середине 1950-х) полностью исключили это затруднение, гарантируя высокое выделение энергии, даже при маломощных начальных зарядах деления.
Плутоний, производящийся в специальных реакторах, содержит относительно небольшой процент Pu-240 (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
В реакторах специального назначения уран находится относительно небольшой промежуток времени, в течении которого выгорает не весь U-235 и не весь U-238 переходит в плутоний, зато образуется и меньшее количество Pu-240.
Имеются две причины для производства плутония с низким содержанием Pu-240:
Экономическая: единственная причина существования плутониевых спецреакторов. Распад плутония в результате деления или превращение его в менее делящийся Pu-240 уменьшают отдачу и увеличивают стоимость производства (вплоть до точки, где его цена будет балансировать с ценой обработки облученного топлива с маленькой концентрацией плутония).
Сложность обращения: хотя испускание нейтронов не является такой уж серьезной проблемой для конструкторов оружия, оно может создать сложности в производстве и с обращением с таким зарядом. Нейтроны создают дополнительный вклад в профессиональное облучение тех, кто собирает или обслуживает оружие (сами нейтроны не обладают ионизирующем действием, но они создают протоны, способные на это). В действительности заряды, предполагающие непосредственный контакт с людьми, например Davy Crocket, могут потребовать по этой причине сверхчистого плутония с низким уровнем испускания нейтронов.
Непосредственная отливка и обработка плутония выполняется вручную в герметичных камерах с перчатками для оператора. Вроде таких:
Это подразумевает совсем небольшую защиту человека от испускающего нейтроны плутония. Поэтому плутоний с большим содержанием Pu-240 обрабатывается только манипуляторами либо жестко ограничивается время работы с ним каждого работника.
По всем этим причинам (радиоактивность, худшие свойства Pu-240) объясняется, почему плутоний реакторного качества не применяется для изготовления оружия - дешевле нарабатывать оружейный плутоний в спец. реакторах. Хотя и из реакторного тоже, по всей видимости, можно изготовить ядерное взрывное устройство.
Плутониевое кольцо
Это кольцо из электролитически очищенного металлического плутония (чистота более 99.96%). Типичное из колец, подготавливаемых в Лос-Аламосе и отправляемых в Роки Флетс для изготовления оружия, до недавнего приостановления его производства. Масса кольца 5.3 кг, достаточная для изготовления современного стратегического заряда, диаметр - примерно 11 см. Кольцевая форма важна для обеспечения критической безопасности.
Отливка из плутониево-галлиевого сплава, рекуперированного из оружейного ядра:
Плутоний во время Манхэттенского проекта
Исторически первые 520 миллиграмм металлического плутония, произведенные Тедом Мейджелом (Ted Magel) и Ником Далласом (Nick Dallas) в Лос-Аламосе 23 марта 1944:
Пресс для горячего прессования плутониево-галлиевого сплава в виде полусфер. Этот пресс использовался в Лос-Аламосе для изготовления плутониевых ядер для зарядов, взорванных в Нагасаки и в операции Тринити.
Отлитые на нем изделия:
Дополнительные побочные изотопы плутония
Захват нейтрона не сопровождающийся при этом актом деления создает новые изотопы плутония: Pu-240, Pu-241 и Pu-242. Последнии два накапливаются в незначительных количествах.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
Возможна и побочная цепочка реакций:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6.75 дней, бета-распад) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2.1 дня, бета-распад) -> Pu238
Общую меру облученности (отработанности) топливного элемента можно выразить в мегаватт-днях/тонну (МВт-день/т). Плутоний оружейного качества получается из элементов, с небольшим количеством МВт-день/т, в нем образуется меньше побочных изотопов. Топливные элементы в современных водо-водяных реакторах достигают уровня в 33 000 МВт-день/т. Типичная экспозиция в оружейном бридерном (с расширенным воспроизводством ядерного горючего) реакторе 1000 МВт-день/т. Плутоний в Хэнфордских реакторах с графитовым замедлителем облучается до 600 МВт-день/т, в Саванне на реакторе на тяжелой воде производится плутоний такого же качества при 1000 МВт-день/т (возможно из-за того, что часть нейтронов уходит на образование трития). Во время Манхэттенского проекта топливо из природного урана получало всего 100 МВт-день/т, таким образом, получался очень высококачественный плутоний-239 (всего 0.9-1% Pu-240, остальные изотопы еще в меньших количествах).
Похожая информация.
Существует 15 известных изотопов плутония. Самый важный из них – Pu-239 с периодом полураспада 24360 лет. Удельная масса плутония составляет 19,84 при температуре 25оС. Металл начинает плавиться при температуре 641оС, закипает при 3232оС. Его валентность бывает 3, 4, 5 или 6.
У металла серебристый оттенок, и он желтеет при взаимодействии с кислородом. Плутоний – химический реактивный металл и легко растворяется в концентрированной соляной , в хлорной кислоте, в йодисто-водородной кислоте. При -распаде металл выделяет энергию тепла.
Плутоний - открытый вторым по счету трансурановый актинид. В природе этот металл можно обнаружить в небольших количествах в уранических рудах.
Плутоний ядовит и требует аккуратного обращения. Наиболее расщепляемый изотоп плутония использовался в качестве в ядерном оружии. В частности, его применяли в бомбе, которая была сброшена на японский город Нагасаки.
Это радиоактивный яд, накапливающийся в костном мозге. При проведении экспериментов над людьми в целях изучения плутония произошло несколько несчастных случаев, некоторые с летальным исходом. Важно, чтобы плутоний не достиг критической массы. В растворе плутоний быстрее образует критическую массу, чем в твердом состоянии.
Атомное число 94 означает, что все атомы плутония имеют 94 . На воздухе на поверхности металла образуется оксид плутония. Этот оксид пирофорный, поэтому тлеющий плутоний будет мерцать, как зола.
Существует шесть аллотропных форм плутония. Седьмая форма появляется при высоких температурах.
В водном растворе плутоний меняет цвет. На поверхности металла появляются различные оттенки по мере его окисления. Процесс окисления нестабилен, и цвет плутония может внезапно меняться.
В отличие от большинства веществ, плутоний уплотняется, когда плавится. В расплавленном состоянии этот элемент более вязкий, чем другие металлы.
Металл применяется в радиоактивных изотопах в термоэлектрических генераторах, на которых работают космические корабли. В медицине его применяют при производстве электронных стимуляторов для сердца.
Вдыхание паров плутония опасно для здоровья. В некоторых случаях это может спровоцировать рак легких. У вдыхаемого плутония металлический привкус.
Открыт в 1940-41 годах американскими учеными Г. Сиборгом, Э. Макмилланом, Дж. Кеннеди и А. Валем, которые получили изотоп 238 Рu в результате облучения урана ядрами тяжелого водорода - дейтонами. Назван в честь планеты Плутон, как и предшественники Плутония в таблице Менделеева - уран и нептуний, названия которых также произошли от планет Урана и Нептуна. Известны изотопы Плутония с массовыми числами от 232 до 246. Следы изотопов 247 Рu и 255 Рu обнаружены в пыли, собранной после взрывов термоядерных бомб. Самым долгоживущим изотопом Плутоний является α-радиоактивный 244 Рu (период полураспада T ½ около 7,5·10 7 лет). Величины T ½ всех изотопов Плутония много меньше возраста Земли, и поэтому весь первичный Плутоний (существовавший на нашей планете при ее формировании) полностью распался. Однако ничтожные количества 239 Рu постоянно образуются при β-распаде 239 Np, который, в свою очередь, возникает при ядерной реакции урана с нейтронами (например, нейтронами космического излучения). Поэтому следы Плутония обнаружены в урановых рудах.
Плутоний - блестящий белый металл, при температурах от комнатной до 640°С (t пл) существует в шести аллотропных модификациях. Аллотропные превращения Плутония сопровождаются скачкообразными изменениями плотности. Уникальная особенность металлического Плутония состоит в том, что при нагревании от 310 до 480 °С он не расширяется, как другие металлы, а сжимается. Конфигурация трех внешних электронных оболочек атома Pu 5s 2 5p 6 5d 10 5f 6 6s 2 6p 2 7s 2 . Химические свойства Плутония во многом сходны со свойствами его предшественников в периодической системе - ураном и нептунием. Плутоний образует соединения со степенями окисления от +2 до +7. Известны оксиды РuО, Рu 2 О 3 , РuО 2 и фаза переменного состава Рu 2 О 3 - Pu 4 O 7 . В соединениях с галогенами Плутоний обычно проявляет степень окисления +3, но известны также галогениды PuF 4 , PuF 6 и РuСl 4 . В растворах Плутоний существует в формах Pu 3+ , Pu 4+ , РuО 2 (плутоноил-ион), PuO 2+ (плутонил - ион) и PuO s 3- , отвечающих степеням окисления от +3 до +7. Указанные ионы (кроме РuО 3- 5) могут находиться в растворе одновременно в равновесии. Ионы Плутония всех степеней окисления склонны к гидролизу и комплексообразованию.
Из всех изотопов Плутония наиболее важен α-радиоактивный 239 Рu (T ½ = 2,4·10 4 лет). Ядра 239 Pu способны к цепной реакции деления под действием нейтронов, поэтому 239 Рu можно использовать как источник атомной энергии (энергия, освобождающаяся при расщеплении 1 г 239 Рu, эквивалентна теплоте, выделяющейся при сгорании 4000 кг угля). В СССР первые опыты по получению 239 Pu были начаты в 1943-44 годах под руководством академиков И. В. Курчатова и В. Г. Хлопина. Впервые Плутоний в СССР был выделен из облученного нейтронами урана в 1945 году. В предельно сжатые сроки были выполнены обширные исследования свойств Плутония, и в 1949 в СССР начал работать первый завод по радиохимическому выделению Плутония.
Промышленное производство 239 Pu основано на взаимодействии ядер 238 U с нейтронами в ядерных реакторах. Последующее отделение Рu от U, Np и высокорадиоактивных продуктов деления осуществляют радиохимическими методами (соосаждением, экстракцией, ионным обменом и других). Металлический Плутоний обычно получают восстановлением PuF 3 , PuF 4 или PuСO 2 парами бария, кальция или лития. Как делящийся материал, 238 Pu используют в атомных реакторах и в атомных и термоядерных бомбах. Изотоп 238 Рu применяют для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 лет и более. Такие батарейки могут применяться, например, в генераторах тока, стимулирующих работу сердца.
Плутоний в организме. Плутоний концентрируется морскими организмами: его коэффициент накопления (то есть отношение концентраций в организме и во внешней среде) для водорослей составляет 1000-9000, для планктона (смешанного) - около 2300, для моллюсков - до 380, для морских звезд - около 1000, для мышц, костей, печени и желудка рыб - 5, 570, 200 и 1060 соответственно. Наземные растения усваивают Плутоний главным образом через корневую систему и накапливают его до 0,01% от своей массы. В организме человека Плутоний задерживается преимущественно в скелете и печени, откуда почти не выводится (особенно из костей). Наиболее токсичный 239 Pu вызывает нарушения кроветворения, остеосаркомы, рак легких. С 70-х годов 20 века доля Плутония в радиоактивном загрязнении биосферы возрастает (так, облученность морских беспозвоночных за счет Плутония становится больше, чем за счет 90 Sr и 137 Cs).
