Интегральный быстрый реактор (ИБР) не просто новый
тип реактора, это новый топливный цикл. Интегральный быстрый реактор
− реактор на быстрых нейтронах без замедлителя. В нем есть только активная зона и
отсутствует бланкет.
В ИБР используется металлическое топливо
− сплав урана и плутония.
В его
топливном цикле используется восстановление топлива непосредственно
в самом реакторе с помощью пиропроцессинга . В
пиропроцессинге на ИБР
практически чистый уран собирается
на твердом катоде, а смесьплутония
,
америция
, нептуния
, кюрия
,
урана
и некоторые продукты деления собираются нажидкий кадмиевый катод, плавающий
в соли
электролита.Остальные продукты деления собираются в соли
электролита и в слое кадмия.
Интегральный быстрый реактор охлаждается жидким натрием или свинцом.
Производство металлического топлива проще и дешевле, чем
керамического. Металлическое топливо делает выбор пиропроцесса
естественным. У металлического топлива лучшая теплопроводность
теплоемкость, чем у оксидного Топливом служит сплав урана и
плутония.
Первоначальная закладка в интегральный быстрый реактор должна
содержать больше делящихся под действием тепловых нейтронов изотопов (>
20%),
чем в реактор на тепловых нейтронах. Это могут быть сильно обогащенные уран или
плутоний, списанное ядерное оружие и т.п. За время работы реактор преобразует
неделящиеся под действием тепловых нейтронов материалы(фертильные) в делящиеся.
Фертильными материалами быстром реакторе могут быть обедненный уран (в основном
U-238) природный уран, торий или уран переработанный
из облученного топлива обычного водяного реактора.
Топливо содержится в стальной оболочке с жидким натрием,
расположенным между топливом и оболочкой. Свободное пространство над
топливом позволяет гелию и радиоактивному ксенону свободно
собираться без существенного увеличения давления внутри топливного
элемента и позволяет топливу расширятся не повреждая оболочки
реактора.
Преимущество свинца по сравнению с натрием
заключается в его химической инертности,
в особенности по отношению в воде или воздуху. С другой
стороны, свинец гораздо более вязок, что затрудняет его перекачку.
Кроме того, в нем содержатся активируемые нейтронами изотопы,
которых практически отсутствуют в натрии.
Контуры охлаждения сконструированы таким образом, что позволяют передачу
тепла конвекцией. Так что при потере питания насосами или неожиданной остановки
реактор, тепло вокруг активной зоны будет достаточно для циркуляции охладителя.
В ИБР делящиеся изотопы не разделяются с изотопами плутония,
а также с продуктами деления и поэтому использование такого процесса
для производства оружия практически невозможно. Кроме того плутоний
не извлекается из реактора, что делает его несанкционированное
использование нереальным. После того, как актиниды (уран,
плутоний и минорные актиниды) переработаны, остаются отходы
− продукты деления Sm-151
с периодом полураспада 90 л или долгоживущие как Tc-99 с периодом
полураспада 211000 л и более.
Отходы ИБР либо имеют малые периоды полураспада, либо очень
большие, что означает, что они слабо радиоактивны. Общее количество отходов ИБР
составляет 1/20 от переработанного топлива (которое обычно считается отходами)
реакторов на тепловых нейтронах с той же мощностью. 70% продуктов деления либо
стабильны, либо имеют периоды полураспада около года. Технеций-99 и иод-129,
которых 6% в в продуктах деления имеют очень большие периоды полураспада, но
могут быть трансмутированы в реакторе в изотопы с малыми периодами полураспада (15.46 с и
12.36 ч) поглощением нейтронов в реакторе. Цирконий-93 (5% в
отходах) может быть переработаны в оболочки для топлива, где
радиоактивность не имеет значения. Остальные компоненты отходов
менее радиоактивны, чем естественный уран.
В ИБР используется топливный цикл на два порядка более эффективный,
в части использования топлива, по сравнению с традиционными циклами в реакторах
на медленных нейтронах, препятствующий распространению ядерного
оружия, минимизирующий высокоактивные отходы, более того,
использующий некоторые отходы как топливо.
В ИБР топливо и оболочка сконструирована так, что при
повышении температуры и их расширении все больше нейтронов покидают активную
зону, уменьшая интенсивность цепной реакции. То есть работает отрицательный
коэффициент реактивности. В ИБР этот эффект настолько силен, что способен
остановить цепную реакцию без вмешательства операторов
Пиропрцессинг ‒ высокотемпературный метод электролитической переработки ОЯТ . По сравнению с гидрометаллургическим методом (например PUREX), пиропроцессинг используется непосредственно на реакторе. Растворителями являются расплавленные соли (например, LiCl + KCl или LiF + CaF 2) и расплавленные металлы (например, кадмий, висмут, магний), а не вода и органические соединения. В пиропроцессинге извлечение урана, а также плутония и минорных актинидов происходит одновременно и они могут тут же использоваться как топливо. Объем отходов при этом меньше и в них содержатся в основном продукты деления. Пиропрцессинг используется в ИБР и реакторах с расплавленными солями.
Плутоний, элемент с порядковым номером 94, открыт Гленом Сиборгом (Glenn Seaborg), Эдвином Макмилланом (Edwin McMillan), Кеннеди (Kennedy), и Артуром Уолхом (Arthur Wahl) в 1940 году в Беркли при бомбардировки мишени из урана дейтронами из шестидесятидюймового циклотрона. В мае 1940 свойства плутония были предсказаны Льюисом Тернером (Louis Turner).
В декабре 1940 года был открыт изотоп плутония Pu-238, с периодом полураспада ~90 лет, через год - более важный Pu-239 с периодом полураспада ~24 000 лет.
Pu-239 присутствует в природном урана в виде следов (количество - одна часть на 10 15), образуется он там в результате захвата нейтрона ядром U-238. Чрезвычайно малые количества Pu-244 (самого долгоживущего изотопа плутония, период полураспада 80 миллионов лет) были обнаружены в цериевой руде, по видимому, оставшиеся там со времен формирования Земли.
Всего известно 15 изотопов плутония, все радиоактивны. Самые значимые для проектирования ядерного оружия:
Pu 238 -> (86 лет, альфа-распад) -> U 234
Pu 239 -> (24 360 лет, альфа-распад) -> U 235
Pu 240 -> (6580 лет, альфа-распад) -> U 236
Pu 241 -> (14.0 лет, бета-распад) -> Am 241
Pu 242 -> (370 000 лет, альфа-распад) -> U 238
Физические свойства плутония
Плутоний - очень тяжелый серебристый металл, блестящий подобно никелю, когда только что очищен. Это крайне электроотрицательный, химически активный элемент, гораздо в большей степени, чем уран. Он быстро тускнеет, образую радужную пленку (подобно радужной масляной пленки), вначале светло-желтую, со временем переходящую в темно-пурпурную. Если окисление довольно велико, на его поверхности появляется оливково-зеленый порошок оксида (PuO 2).
Плутоний охотно окисляется, и быстро коррозирует даже в присутствии незначительной влажности. Странно, но он покрывается ржавчиной в атмосфере инертного газа с парами воды гораздо быстрее, чем на сухом воздухе или в чистом кислороде. Причина этого - прямое действие кислорода формирует на поверхности плутония слой оксида, мешающий дальнейшему окислению. Воздействие же влаги производит рыхлую смесь из оксида и гидрида. Для предотвращения оксидирования и коррозии требуется сушильная печь.
Плутоний имеет четыре валентности, III-VI. Хорошо растворяется только в очень кислых средах, таких как азотная или соляная кислоты, так же хорошо растворяется в иодистоводородной и хлорной кислотах. Плутониевые соли легко гидролизируются при контакте с нейтральными или щелочными растворами, создавая нерастворимую гидроокись плутония. Концентрированные растворы плутония нестабильны, в следствии радиолитического разложения, ведущего к выпадению осадка.
Вследствии своей радиоактивности, плутоний теплый на ощупь. Большой кусок плутония в термоизолированной оболочке разогревается до температуры, превышающей температуру кипения воды.
Основные физические свойства плутония:
Температура плавления: 641 °C;
Температура кипения: 3232 °C;
Плотность: 19.84 (в альфа-фазе).
Плутоний имеет множество специфических свойств. Он обладает самой низкой теплопроводностью изо всех металлов, самой низкой электропроводностью, за исключением марганца (по другим данным все же самой низкой из всех металлов). В своей жидкой фазе это самый вязкий металл.
При изменении температуры плутоний подвергается самым сильным и неестественным изменениям плотности. Плутоний обладает шестью различными фазами (кристаллическими структурами) в твердой форме, больше чем любой другой элемент (в действительности, по более строгим условиям, их семь). Некоторые переходы между фазами сопровождаются разительными изменениями объема. В двух из этих фаз - дельта и дельта прим - плутоний обладает уникальным свойством сжиматься при повышении температуры, а в остальных - имеет чрезвычайно большой температурный коэффициент расширения. При расплавлении плутоний сжимается, позволяя нерасплавленному плутонию плавать. В своей максимально плотной форме, альфа фазе, плутоний шестой по плотности элемент (тяжелее его только осмий, иридий, платина, рений и нептуний). В альфа фазе чистый плутоний хрупок, но существуют его гибкие сплавы.
Плотности и температурный диапазон фаз плутония:
Фаза Плотность Диапазон существования (°C)
альфа 19.84 (20 °C) стабильна ниже 122
бета 17.8 (122 °C) 122 - 206
гамма 17.2 (206 °C) 224 - 300
дельта прим 15.9 (319 °C) 319 - 476
эпсилон 17.0 (476 °C) 476 - 641 (точка плавления)
жидкая 16.65 (641 °C) 641 - до точки кипения
К концу 1995 года в мире было произведено в общей сложности около 1270 тонн плутония, из которого 257 т для оружейного использования, остальное - побочный продукт АЭС.
Кроме своего оружейного назначения, плутоний может потенциально применяться для производства электроэнергии. Единственную крупную программу по энергетическому использованию плутония имеет только Япония. Это показывает его экономическую неконкурентноспособность по сравнению с ураном в течении десятилетий, по следующим причинам. Стоимость переработки реакторного топлива для извлечения плутония значительно выше, чем цена низкообогащенного урана. Большинство сегодняшних предприятий не оборудованы инструментарием для работы с более опасным для жизни оксидом плутония. Стоимость охраны плутония для предотвращения кражи или диверсии с целью его оружейного применения весьма существенна. Существующие энергетические реакторы могут работать с топливом, содержащим довольно малую величину плутония, представляющую небольшую ценность, и стоимость проектирования и строительства новых реакторов так же весьма велика. Текущая достаточная поставка урана, наличие больших обогатительных мощностей и большие запасы оружейного урана в США и России, который разбавляется для изготовления коммерческого топлива, гарантируют твердые цены на уран в последующие 20-30 лет.
Плутоний имеет и несколько других применений. Самое широко распространенное из них - в радиоизотопных дымовых детекторах в Европе (в США такие же детекторы изготавливаются из америция из-за его более короткого времени полураспада). Плутониево-бериллиевый сплав работает как лабораторный источник нейтронов. Изотоп Pu-238 находится в ряде атомных термоэлектрических генераторах энергии на борту космических исследовательских аппаратов, благодаря долгому времени жизни и высокой тепловой мощности.
Плутоний - элемент практически отсутствующий в природе. Однако около 5000 кг его выделилось в атмосферу в результате ядерных испытаний. По некоторым оценкам, почва в США содержит в среднем 2 милликюри (28 мг) плутония на км 2 от выпадения радиоактивных осадков.
Металлургия плутония
При комнатной температуре плутоний представляет собой кристаллическую структуру, называемую "альфа фаза". В этой форме плутоний имеет свою максимальную плотность - около 19.84 при 20 °С. Атомы в альфа фазе связаны ковалентной связью (в отличии от металлической связи), поэтому физические свойства ближе к минералам, чем к металлам. Это твердый, хрупкий и ломающийся в определенном направлении материал. Альфа фаза не поддается обработке обычными для металлов технологиями производства.
В самом "легком" виде, дельта фазе (плотность 15.9), плутоний достаточно ковкий и вязкий. Так же и в гамма фазе.
В дельта фазе плутоний имеет нормальные металлические свойства, включая превосходную ковкость. Дельта фаза имеет прочность и пластичность сходную с алюминием, делая простой обработку и отливку. Хотя дельта фаза и проявляет аномальное свойство сжиматься при нагревании, этот отрицательный коэффициент расширения невелик. Плутоний в дельта фазе совсем неустойчив. Он стремится осесть в плотную альфа фазу под очень небольшим давлением, увеличив на 25% свою плотность. В чистом плутонии дельта фаза не может существовать при давлении более 1 килобара. Для сравнения, увеличение на 25% плотности урана (или альфа фазы плутония) требует давления 450 килобар. При давлениях свыше 30 килобар плутоний существует только в альфа и бета фазах.
Это свойство перехода дельта -> альфа фазы (и увеличение его плотности на 25%) используется в имплозионных проектах оружия. Плутоний можно стабилизировать в дельта фазе при комнатной температуре путем сплавления его с трехвалентными металлами, такими как галлий, алюминий, церий, индий и америций в концентрации нескольких молярных процентов. Даже стабилизированная, дельта фаза продолжает оставаться легко сжимаемой давлением в несколько килобар. Особенно интересен факт, что в стабилизированном галлием плутонии дельта фаза действительно метастабильна при содержании галлия менее 4 молярных процентов. Это означает, что процесс фазового перехода под давлением в альфа фазу необратим.
Для оружейного применения плутоний обычно стабилизируется в дельта фазе сплавлением с 3-3.5 молярных процента (0.9-1% по весу) галлия. Этот сплав стабилен при температурах по крайней мере от -75 до 475 °C. Стабилизация предотвращает изменения объема плутония при колебаниях температуры после изготовления, что может повредить прецезионно сделанные компоненты устройства. Сплав имеет почти нулевой коэффициент теплового расширения. Так же он облегчает литье из-за наличия единственного эпсилон -> дельта фазового перехода во время охлаждения. Наконец, стабилизация снижает восприимчивость плутония к коррозии. Трехпроцентный галлиевый сплав применялся в Gadget`е и Fat Man`е. Если не считать галлий, плутоний в их ядрах был очень высокой чистоты.
Алюминий хороший материал для сплавления, но первоначально он отсутствовал в американской оружейной программе из-за образования нейтронов в результате реакций альфа частица -> n. Церий не использовался вообще (по многим причинам), в частности, он не давал стойкость к коррозии.
Плутоний для ядер бомб покрывается слоем металла (обычно никелем) для защиты его от ржавчины и снижения биологической опасности. Два полушария для Gadget`а были покрыты гальваническим способом никелем (по другим данным - серебром), процесс был не совсем удачным и привел к появлению раковин в металле. Пересмотр метода привел к химической металлизации при выдерживании плутония в атмосфере карбонильного никеля. Никелем были покрыты ядра Fat Man"а, бомб, взорванных в операции Crossroads, и первом советском заряде РДС-1. Напыление слоя алюминия или гальванопокрытие цинком не применялись.
Потенциально серьезная проблема для использования плутония в оружии - это наличие у него высокого фона спонтанных нейтронов. Присутствие нейтронов в то время, когда еще только достигается надкритическая масса ведет к преждевременной ядерной реакции, недостаточному выходу энергии и в некоторых случаях вообще к отказу оружия, легкому "хлопку". Существуют два источника нейтронного фона.
Самый главный - присутствие изотопа Pu-240, чей уровень спонтанного деления достаточен для появления 10 6 нейтронов/с*кг. Этот изотоп неизбежно образуется в течении производства Pu-239.
Второй из них - взаимодействие сильного альфа-излучения с легкими элементами, находящимися в плутонии. Хотя эта проблема имела большое значение во время Манхэттенского проекта, когда первоначально планировалось использование пушечного дизайна, открытие Pu-240 превратило ее в далекую от практики. Для минимизации (но не исключения) присутствие легких элементов в плутонии должно находиться в отношении одна часть к миллиону, это задача достаточно трудная. Алюминий, из которого альфа-частицы выбивают нейтроны, на некотором протяжении сделался не очень желательным веществом для сплавления, хотя с современным оружейного качества плутонием этот вклад в испускание нейтронов невелик. В конечном счете, удовлетворяющие характеристики галлиевого сплава, установленные в ходе обращения с ним и относительную незначимость таких деталей, как стоимость сплавляемого материала помешали использованию веществ, подобных алюминию.
Первоначальная техника получения металлического плутония заключена в пирохимическом восстановлении галогенидов плутония щелочными металлами. Обычно PuF 4 восстанавливается кальцием и йодом, это стандартный в США метод, по крайней мере в 1970-х годах. Высшей очистки можно достичь электролитическим рафинированием пирохимически произведенного металла (не обязательный шаг для оружейного применения). Это делается в ячейках для электролиза при 700 °C с электролитом из натрия, калия и хлорида плутония, вольфрамовым или танталовым катодом. Таким образом получается 99.99% плутоний. Более новые способы базируются на прямом пирохимическом восстановлении и электрорафинировании плутониевого оксида. Среди преимуществ этих методов - меньшее количество утилизируемых отходов производства. Обработка расплавленного плутония и литье плутония осуществляется сегодня из оборудования, сделанного из слегка окисленного тантала. Литейные формы могут изготовляться из графита, мягкой стали или чугуна, если они покрыты фторидом кальция или оксидом циркония или иттрия.
Токсичность плутония
Хотя плутоний, по-видимому, химически токсичен, как и любой тяжелый металл, этот эффект выражается слабо по сравнению с его радиотоксичностью. Токсические свойства плутония появляются как следствие альфа-радиоактивности. Альфа частицы представляют серьезную опасность только в том случае, если их источник находится в теле (т.е. плутоний должен быть принят внутрь). Хотя плутоний излучает еще и гамма-лучи и нейтроны, которые могут проникать в тело снаружи, уровень их слишком мал, чтобы причинить сильный вред.
Альфа-частицы повреждают только ткани, содержащие плутоний или находящиеся в непосредственном контакте с ним. Значимы два типа действия: острое и хроническое отравления. Если уровень облучения достаточно высок, ткани могут страдать острым отравлением, токсическое действие проявляется быстро. Если уровень низок, создается накопляющийся канцерогенный эффект.
Плутоний очень плохо всасывается желудочно-кишечным трактом, даже когда попадает в виде растворимой соли, впоследствии она все равно связывается содержимым желудка и кишечника. Загрязненная вода, из-за предрасположенности плутония к осаждению из водных растворов и к формированию нерастворимых комплексов с остальными веществами, имеет тенденцию к самоочищению.
Поглощение 500 мг плутония как мелкораздробленного или растворенного материала может привести к смерти от острого облучения пищеварительной системы за несколько дней или недель. Вдыхание 100 мг плутония в виде частиц оптимального для удержания в легких размера ведет к смерти от отека легких за 1-10 дней. Вдыхание дозы в 20 мг ведет к смерти от фиброза примерно за 1 месяц. Для доз много меньших этих величин проявляется хронический канцерогенный эффект.
Для хронического действия, плутоний должен долгое время присутствовать в организме человека. Вдыхание частиц подходящего для удержания в легких размера (1-3 микрона) весьма вероятно ведет к постоянному нахождению их там (детонация взрывчатки, не повлекшая за собой ядерный взрыв, может превратить 20-50% плутония в такую форму). Самая вероятная химическая форма, попадающая в тело, это оксид плутония. Оксид используется в реакторном топливе и частицы металлического плутония быстро окисляются на воздухе. Оксид почти нерастворим в воде.
На протяжении всей жизни риск развития рака легких для взрослого примерно зависит от количества попавшего в тело плутония. Прием внутрь 1 мигрограмма плутония представляет риск в 1% развития рака (нормальная вероятность рака 20%). Соответственно 10 микрограмм увеличивают риск рака с 20% до 30%. Попадание 100 микрограмм или более виртуально гарантируют развитие рака легких (обычно через несколько десятилетий), хотя свидетельства повреждения легких могут появиться в течении нескольких месяцев.
Плутоний обычно содержится в биологических системах в степени окисления +4, имея химическое сходство с Fe 3+. Если он проникнет в систему кровообращения, то с большой вероятностью начнет концентрироваться в тканях, содержащих железо: костном мозге, печени, селезенке. Если 1.4 микрограмма разместятся в костях взрослого человека, в результате ухудшится иммунитет и через несколько лет может развиться рак. Международная комиссия по радиологической защите установила норму ежегодного поглощения на уровне 280 нанограмм. Это значит, что для профессионального облучения концентрация плутония в воздухе не должна превышать 7 пикокюри/м 3 . Максимально допустимая концентрация Pu-239 (для профессионального персонала) 40 нанокюри (0.56 микрограмма) и 16 нанокюри (0.23 микрограмма) для легочной ткани.
Период биологического полувыведения плутония 80-100 лет при нахождении в костной ткани, т.о. концентрация его там практически постоянна. Период полувыведения из печени - 40 лет. Хелатные добавки могут ускорить выведение плутония.
Оружейный плутоний
Это название применяется в США к плутонию с содержанием Pu-240 менее 7%. Типичный состав оружейного плутония приведен ниже. Первые две колонки - средний состав плутония, произведенного в Хэнфорде и Саванне в июне 1968. Третья - базируется на образцах почвы, взятых поблизости от Роки Флетс в 1970-х с учетом америция-241 (продукта распада Pu-241).
Типичный состав оружейного плутония
Хэнфорд Саванна Почва Роки Флетс
(сред. 6/68) (сред. 6/68) (сред. 1970-е)
Pu-238 менее чем 0.05% менее чем 0.05% следы
Pu-239 93.17% 92.99% 93.6%
Pu-240 6.28% 6.13% 5.8%
Pu-241 0.54% 0.86% 0.6%
Pu-242 менее чем 0.05% менее чем 0.05% следы
В США производится и сверхчистый плутоний с 3% Pu-240, для обогащения обычного плутония, и, возможно, для специальных зарядов. Некоторые американские устройства требуют содержание Pu-240 менее 1.5%.
Существенный вопрос: что подразумевает название "оружейного качества". Самая распространенная интерпретация состоит в том, что это плутоний с содержанием изотопа Pu-240 менее 7%, действительно требующийся для успешного создания оружия. По крайней мере, превышение этой отметки означает серьезный компромисс с эффективностью.
Наличие Pu-240 точно определяет характеристики оружия, ибо именно от него зависит нейтронный фон и такие вторичные явления как рост критической массы (незначительный) и тепловой выход. Нейтронный фон влияет на проект ядерного взрывного устройства (ЯВУ) ограничением общей массы заключенного плутония, необходимостью достижения скоростей имплозии выше определенного порога. Как указывалось выше, некоторые проекты (преимущественно старые), требуют плутония с низкой концентрацией Pu-240 по эти причинам.
Однако, в современных усовершенствованных конструкциях, указанные сложности не являются критическими, по крайней мере с начала 1960-х. В недавно рассекреченных документах (WASH-1037, "Введение в ядерное оружие", июнь 1972) указывается, что обозначение плутония как "оружейной чистоты" - исключительно экономический вопрос. С одной стороны, стоимость плутония падает с ростом доли Pu-240. С другой - Pu-240 увеличивает критическую массу. Около 6-7% Pu-240 делает общую стоимость плутония, с учетом указанных причин, минимальной.
Это не означает, что существующие ядерные устройства сохранят работоспособность, если увеличить уровень плутония-240. Они спроектированы для достижения наилучшего эффекта с определенным делящимся материалом и пострадают в работоспособности при изменении изотопного состава.
Принимая средний состав оружейного плутония: 93.4% Pu-239, 6.0% Pu-240 и 0.6% Pu-241 (с пренебрежимым содержанием остальных изотопов) можно просчитать следующие его свойства. Начальная тепловая мощность свежевыработанного оружейного плутония 2.2 Вт/кг, уровень спонтанного деления 27 100 делений/с. Этот показатель деления позволяет использовать в оружии 4-5 кг плутония с очень низкой вероятность предетонации при условии хорошей имплозионной системы. По прошествии пары десятилетий, большая часть Pu-241 превратится в Am-241, существенно увеличив тепловыделение - до 2.8 Вт/кг. Поскольку Pu-241 прекрасно делится, а Am-241 - нет, это приводит к снижению запаса реактивности плутония и должно приниматься в расчет конструкторами.
Нейтронное излучение 5 кг оружейного плутония 300 000 нейтронов/с создает уровень излучения 0.003 рад/час на 1 м. Фон снижается отражателем и взрывчатым веществом, окружающим его. Облегченное оружие уменьшает радиацию в 5-10 раз. С другой стороны, высокая проникающая способность нейтронов увеличивает опасность. Длительный постоянный контакт с ЯВУ во время их обычного обслуживания может привести к дозе радиации, приближающейся к предельной годовой для профессионального состава. Сотрудники плутониевых предприятий, обрабатывающие плутониевый ядра непосредственно или в герметичных боксах, имеют ограниченную защиту от радиации и могут нуждаться в переводе с этой работы на другую, чтобы не превысить годового лимита облучения.
Вследствии малой разницы в массах Pu-239 и Pu-240, эти изотопы не разделяются промышленно широко распространенными способами обогащения. Единственный способ произвести более чистый Pu-239 - сократить время пребывания в реакторе кассеты м U-238. Малые количества плутония разделяются на электромагнитном сепараторе для исследовательских целей. Для развитых государств нет причин для снижения процента Pu-240 менее 6, так как эта концентрация не мешает создавать эффективные и надежные триггеры термоядерных зарядов. Очень малое количество Pu-240 позволяет достичь некоторой дополнительной гибкости, требующейся специализированным или экзотическим изделиям.
Реакторный плутоний
Подавляющая часть сегодняшней атомной энергетики использует урановое горючие. По экономическим причинам ядерное топливо на АЭС работает долгое время и выгорает почти полностью. Степень облученности топливного элемента можно измерить в мегаватт-днях/тонну (МВт-день/т). Плутоний из отработанного ядерного топлива состоит из множества изотопов. Структура их меняется от типа реактора, рабочего режима, но типичные значения таковы:
Реакторы: на легкой воде CANDU MAGNOX
Типичный 33000МВт-день/т 7500МВт-день/т 3000МВт-день/т
Pu-238 2% 1.5% low 0.1%
Pu-239 61% 56.2% 66.6% 80.0%
Pu-240 24% 23.6% 26.6% 16.9%
Pu-241 10% 14.3% 5.3% 2.7%
Pu-242 3% 4.9% 1.5% 0.3%
Реакторы с 33 000 МВт-день/т оперировали с ураном 3-х процентного обогащения в 1970-80-х гг. Со снижением цен на обогащенный уран (из-за освобождения армейских производственных мощностей) в настоящее время используется более насыщенное U-235 топливо - 4-4.5%, позволяя довести выгорание до 45 000 МВт-день/т и даже выше. В результате в отработанном горючем содержится еще больше Pu-238, 240, 241 и 242.
Использую за основу плутоний из типичного легководного реактора, определим его тепловую мощность - 14.5 Вт/кг, увеличивающуюся до 19.6 Вт/кг за 14 лет после полураспада Pu-241 и после полного распада Pu-241 - 24 Вт/кг. Уровень нейтронов - 350 000 нейтронов/кг, удельная радиоактивность - 11.0 кюри/г (0.442 кюри/г альфа-активности).
Принимая в расчет явление изотопного разбавления критической массы (хорошо делятся только Pu-239 и Pu-241) бомба, созданная из 8 кг такого материала выдавала бы 116 Вт тепла (электролампочку такого же размера и такой же мощности невозможно держать в руках) и 2.8 миллиона нейтронов/с. С таким веществом создание атомной бомбы остается под вопросом.
Потребовалось бы система постоянного активного охлаждения ядра для предотвращения порчи ядра, взрывчатки и других компонентов. Высокий уровень нейтронного излучения неибежно вызывает преждевременную детонацию, даже с очень эффективной имплозионной системой. Однако, даже с относительно примитивной в настоящее время конструкцией Fat Man"а, можно было бы произвести взрыв в 0.5 кт или около того. С оптимальной имплозионной системой выход бы составил несколько килотонн. При технологии усиления заряда за счет синтеза, все нежелательные свойства реакторного плутония полностью обходятся, можно изготовить мощный боеприпас, несмотря на менее удобный для использования делящийся материал.
После долгого периода времени, несколько десятилетий или столетий, тепловая мощность реакторного плутония значительно снижается с распадом Pu-238 и Am-241. На нейтронный фон это сказывается мало. Сейчас отработанное реакторное топливо обычно сохраняется на неопределенное время в герметичных контейнерах. В принципе, оно может представлять интерес для террористов, особенно хранящееся уже долгое время, с сократившимся тепловыделением и радиацией.
Сорокалетнее храненение позволит распасться 30-ти процентам Pu-238 и 88-ти процентам Pu-241:
1.5% Pu-238,
67.3% Pu-239,
26.4% Pu-240,
1.3% Pu-241,
3.3% Pu-242.
Происходит снижение мощности до 11.7 Вт/кг и меньший ее рост в дальнейшем (максимум до 13.8 Вт/кг). Хранение реакторного плутония 150 лет изменит состав таким образом:
0.66% Pu-238,
69.06% Pu-239,
26.86% Pu-240,
0.01% Pu-241,
3.41% Pu-242,
с сохранением стабильного тепловыделения на уровне 7.5 Вт/кг.
Возможности обогащения плутония
Применение технологий обогащения урана для удаления нежелательных изотопов плутония технически возможно. Оно усложнено присутствием множества изотопов, отличающихся друг от друга всего одной атомной еденицей массы (U-235 и U-238 отличаются на 3) - значительно снизится и без того небольшой коэффициент сепарации. Может потребоваться двухпроходное разделение - сначала удаляются тяжелые изотопы - Pu-240 и выше, а затем (в зависимости от начального содержания и нежелательности нагрева), отделяется Pu-238. Токсичность, нейтронное излучение и самонагрев плутония во входном и выходном потоках, в обогащенном продукте - все эти факторы еще больше усложняют технологию разделения плутония по сравнению с ураном.
Есть и облегчающий процесс обогащения момент - масса сырья, которая должна быть переработана, более чем на два порядка меньше, чем при разделении природного урана. Это происходит и в следствии высокого изначального содержания Pu-239 (60-70% сравнивая с 0.72% у урана) и меньшей критической массой плутония (6 против 15 кг). Даже со всеми указанными выше сложностями, завод по обогащению плутония будет много меньше уранового безотносительно к используемой технологии разделения.
Довольно-таки легко производить оружейный плутоний из реакторного на электромагнитных сепараторах. В следствии очень высокого коэффициента разделения потребовалось бы всего одна стадия очистки и производительность сепаратора определялась бы концентрацией Pu-239 в сырье. Электромагнитный сепаратор, способный нарабатывать 0.5 урановых бомбы в год (аналогичный планировался Ираком до войны 1991 года), способен на производство 100 плутониевых бомб из реакторного плутония.
Газовая диффузия и центрифугирование тоже жизнеспособные кандидаты. Свойства гексафторида плутония сходны с гексафторидом урана и требуют лишь незначительных изменений в центрифугах или диффузионных мембраннах. Если подать на вход 60% Pu-239/25% Pu-240 плутоний, задаться выходом 94% Pu-239 и терять в шлаке половину поступающего с сырьем Pu-239, то потребуется мощность всего в 2 МПП-кг для производства 1 кг оружейного плутония. Это менее 1 % от ресурсов, нужных для производства 1 кг 90% U-235 из природного урана.
Технология AVLIS (испарение с использованием лазера) создает возможность недорогого разделения и может использоваться с реакторным плутонием в качестве исходного материала. Возможно, это одна из причин исследований по ней в восьмидесятых годах.
Денатурированный плутоний
Если извлеченный из отработавшего топлива плутоний повторно использовать в реакторах на быстрых нейтронах, его изотопный состав постепенно становится менее пригодным для оружейного использования. После нескольких топливных циклов, накопление Pu-238, Pu-240 и Pu-242 делает его неупотребимым для этой цели. Подмешивание такого материала удобный метод "денатурировать" плутоний, или переработать отработавшее ядерное топливо, гарантируя нераспространение делящихся материалов. В основном это служит препятствием против использования реакторного плутония в низкотехнологичных дизайнах. Возросший выход тепла и радиация являются досаждающими помехами, но не серьезными препятствиями, хотя они и рождают значительные проектные ограничения и проблемы с обслуживанием. При усовершенствовании ЯВУ и организации надлежащего производственного процесса такие преткновения полностью преодолеваются.
Человечество всегда пребывало в поисках новых источников энергии, способных решить множество проблем. Однако далеко не всегда они являются безопасными. Так, в частности, широко применяемые сегодня хотя и способны выработать просто колоссальное количество такой нужной всем электрической энергии, все же несут в себе смертельную опасность. Но, помимо в мирных целях, некоторые страны нашей планеты научились использовать ее и в военных, в особенности для создания ядерных боеголовок. В данной статье пойдет речь об основе такого разрушительного оружия, название которой - оружейный плутоний.
Краткая справка
В этой компактной форме металла содержится минимум 93,5 % изотопа 239Pu. Оружейный плутоний назвали так для того, чтобы его было можно отличить от «реакторного собрата». В принципе, плутоний всегда образовывается в абсолютно любом ядерном реакторе, который, в свою очередь, работает на низкообогащённом или природном уране, содержащем, по большей части, изотоп 238U.
Применение в военной отрасли
Оружейный плутоний 239Pu - основа ядерного вооружения. При этом применение изотопов с массовыми числами 240 и 242 неактуально, поскольку они создают очень высокий фон нейтронов, что в итоге затрудняет создание и конструирование высокоэффективных ядерных боекомплектов. Помимо этого, изотопы плутония 240Pu и 241Pu обладают значительно меньшим периодом полураспада по сравнению с 239Pu, поэтому детали из плутония сильно нагреваются. Именно в связи с этим в ядерный боеприпас инженеры вынуждены дополнительно добавлять элементы для отвода лишнего тепла. Кстати, 239Pu в чистом виде теплее тела человека. Нельзя также не учитывать и факт того, что продукты процесса распада тяжелых изотопов подвергают вредоносным изменениям кристаллическую решетку металла, а это вполне закономерно изменяет конфигурацию деталей из плутония, что, в конце концов, может вызвать полный отказ ядерного взрывного устройства.
По большому счету, все перечисленные трудности можно преодолеть. И на практике уже неоднократно проходили испытания на основе именно «реакторного» плутония. Но следует понимать, что в ядерных боеприпасах далеко не последнюю позицию занимает их компактность, малая собственная масса, долговечность и надежность. В связи с этим в них применяется исключительно оружейный плутоний.
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.
Повышение мощности производственных реакторов
Изначально первый реактор «Маяк» функционировал с мощностью 100 тепловых МВт. Однако главный руководитель советской программы по разработке ядерного оружия внес предложение, которое заключалось в том, чтобы реактор в зимнее время работал с мощностью 170-190 МВт, а в летний период времени - 140-150 МВт. Такой подход позволил реактору производить почти 140 граммов драгоценного плутония в сутки.
В 1952 году были проведены полноценные научно-исследовательские работы, с целью увеличения производственной мощности функционирующих реакторов такими методами:
- Путем увеличения потока воды, используемой для охлаждения и протекающей через активные зоны ядерной установки.
- Посредством наращивания сопротивления явлению коррозии, возникающей вблизи вкладыша каналов.
- Уменьшением скорости окисления графита.
- Наращиванием температуры внутри топливных элементов.
В итоге пропускная способность циркулирующей воды значительно возросла после того, как был увеличен зазор между топливом и стенками канала. От коррозии также удалось избавиться. Для этого выбрали наиболее подходящие алюминиевые сплавы и начали активно добавлять бихромат натрия, что, в конечном счете, повысило мягкость охлаждающей воды (рН стал равен порядка 6.0-6.2). Окисление графита перестало быть актуальной проблемой после того, как для его охлаждения стали применять азот (до этого использовался исключительно воздух).
На закате 1950-х нововведения были полностью реализованы на практике, что позволило уменьшить вызываемое радиацией крайне ненужное раздувание урана, значительно снизить тепловое упрочнение стержней из урана, улучшить сопротивление оболочки и повысить контроль качества производства.
Производство на «Маяке»
"Челябинск-65" - один из тех самых секретных заводов, на котором происходило создание оружейного плутония. На предприятии было несколько реакторов, с каждым из которых мы познакомимся поближе.
Реактор А
Установка была спроектирована и создана под руководством легендарного Н. А. Доллежаля. Работала она с мощностью 100 МВт. В реакторе имелось 1149 вертикально расположенных управляющих и топливных каналов в графитовом блоке. Полная масса конструкции составляла порядка 1050 тонн. Практически все каналы (кроме 25) загружались ураном, полная масса которого составляла 120-130 тонн. 17 каналов использовались для управляющих стержней, а 8 - для проведения экспериментов. Максимальный показатель проектного тепловыделения топливного элемента равнялось 3,45 кВт. На первых порах реактор производил около 100 грамм плутония в день. Впервые металлический плутоний был произведен 16 апреля 1949 года.
Технологические недостатки
Практически сразу были выявлены довольно серьёзные проблемы, которые заключались в коррозии алюминиевых вкладышей и покрытия топливных элементов. Также разбухали и повреждались урановые стержни и вытекала охлаждающая вода непосредственно в сердцевину реактора. После каждой протечки реактор приходилось останавливать на время до 10 часов с целью осушить графит воздухом. В январе 1949 года были заменены вкладыши в каналы. После этого запуск установки произошел 26 марта 1949 года.
Оружейный плутоний, производство которого на реакторе А сопровождалось всяческими трудностями, вырабатывался в период 1950-1954 годов при средней мощности агрегата 180 МВт. Последующая работа реактора начала сопровождаться более интенсивным его использованием, что вполне закономерно привело и к более частым остановкам (до 165 раз в месяц). В итоге, в октябре 1963 года реактор был остановлен и возобновил свою работу лишь весной 1964 года. Свою кампанию он полностью закончил в 1987 году и за весь период многолетнего функционирования произвел 4,6 тонны плутония.
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.
Реактор АИ-ИР
Челябинское предприятие использовало данную установку в период с 22 декабря 1951 года до 25 мая 1987 года. Помимо урана, реактор также производил кобальт-60 и полоний-210. Изначально на объекте производили тритий, но позже начали получать и плутоний.
Также завод по переработке оружейного плутония имел в строю реакторы, работающие на тяжелой воде и единственный легководный реактор (имя его - «Руслан»).
Сибирский гигант
"Томск-7" - именно такое название носил завод, на котором расположились пять реакторов для создания плутония. Каждый из агрегатов применял графит с целью замедлить нейтроны и обычную воду для обеспечения надлежащего охлаждения.
Реактор И-1 работал с системой охлаждения, в которой вода проходила единожды. Однако остальные четыре установки были снабжены замкнутыми первичными контурами, оборудованными теплообменниками. Такая конструкция позволяла дополнительно вырабатывать еще и пар, который в свою очередь помогал в производстве электричества и обогрева различных жилых помещений.
"Томск-7" имел также и реактор под названием ЭИ-2, который, в свою очередь, имел двойное назначение: производил плутоний и за счет вырабатываемого пара генерировал 100 МВт электроэнергии, а также 200 МВт тепловой энергии.
Важная информация
По заверениям ученых, полураспад оружейного плутония составляет порядка 24 360 лет. Огромная цифра! В связи с этим особо острым становится вопрос: «Как же правильно обойтись с отходами производства данного элемента?» Наиболее оптимальным вариантом считается постройка специальных предприятий для последующей переработки оружейного плутония. Объясняется это тем, что в таком случае элемент уже нельзя будет использовать в военных целях и будет подконтролен человеку. Именно так проводится утилизация оружейного плутония в России, однако Соединенные Штаты Америки пошли другим путем, нарушив тем самым свои международные обязательства.
Так, американское правительство предлагает уничтожать высокообогащенное не промышленным способом, а путем разбавления плутония и хранения его в специальных емкостях на глубине равной 500 метрам. Само собой, что в таком случае материал легко можно будет в любой момент извлечь из земли и вновь пустить его на военные цели. Как утверждает президент РФ Владимир Путин, изначально страны договаривались уничтожать плутоний не таким методом, а проводить утилизацию на промышленных объектах.
Отдельного внимания заслуживает стоимость оружейного плутония. По оценкам экспертов, десятки тонн этого элемента вполне могут стоить несколько миллиардов американских долларов. А некоторые специалисты ми вовсе оценили 500 тонн оружейного плутония аж в 8 триллионов долларов. Сумма реально впечатляющая. Чтобы было понятнее, насколько это большие деньги, скажем, что в последние десять лет 20 века среднегодовой показатель ВВП России составлял 400 миллиардов долларов. То есть, по сути, реальная цена оружейного плутония равнялась двадцати годовым ВВП Российской Федерации.
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.
У многих наших читателей водородная бомба ассоциируется с атомной, только гораздо более мощной. На самом деле это принципиально новое оружие, потребовавшее для своего создания несоизмеримо больших интеллектуальных усилий и работающее на принципиально других физических принципах.
Единственно, что роднит атомную и водородную бомбу, так это то, что обе высвобождают колоссальную энергию, скрытую в атомном ядре. Сделать это можно двумя путями: разделить тяжелые ядра, например, урана или плутония, на более легкие (реакция деления) или заставить слиться легчайшие изотопы водорода (реакция синтеза). В результате обеих реакций масса получившегося материала всегда меньше массы исходных атомов. Но масса не может исчезнуть бесследно - она переходит в энергию по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc 2 .
Для создания атомной бомбы необходимым и достаточным условием является получение делящегося материала в достаточном количестве. Работа довольно трудоемкая, но малоинтеллектуальная, лежащая ближе к горнорудной промышленности, чем к высокой науке. Основные ресурсы при создании такого оружия уходят на строительство гигантских урановых рудников и обогатительных комбинатов. Свидетельством простоты устройства является тот факт, что между получением необходимого для первой бомбы плутония и первым советским ядерным взрывом не прошло и месяца.
Напомним вкратце принцип работы такой бомбы, известный из курса школьной физики. В ее основе лежит свойство урана и некоторых трансурановых элементов, например, плутония, при распаде выделять более одного нейтрона. Эти элементы могут распадаться как самопроизвольно, так и под воздействием других нейтронов.
Высвободившийся нейтрон может покинуть радиоактивный материал, а может и столкнуться с другим атомом, вызвав очередную реакцию деления. При превышении определенной концентрации вещества (критической массе) количество новорожденных нейтронов, вызывающих дальнейшее деление атомного ядра, начинает превышать количество распадающихся ядер. Количество распадающихся атомов начинает расти лавинообразно, рождая новые нейтроны, то есть происходит цепная реакция. Для урана-235 критическая масса составляет около 50 кг, для плутония-239 - 5,6 кг. То есть шарик плутония массой чуть меньше 5,6 кг представляет собой просто теплый кусок металла, а массой чуть больше существует всего несколько наносекунд.
Собственно схема работы бомбы простая: берем две полусферы урана или плутония, каждая чуть меньше критической массы, располагаем их на расстоянии 45 см, обкладываем взрывчаткой и взрываем. Уран или плутоний спекается в кусок надкритической массы, и начинается ядерная реакция. Все. Существует другой способ запустить ядерную реакцию - обжать мощным взрывом кусок плутония: расстояние между атомами уменьшится, и реакция начнется при меньшей критической массе. На этом принципе работают все современные атомные детонаторы.
Проблемы атомной бомбы начинаются с того момента, когда мы хотим нарастить мощность взрыва. Простым увеличением делящегося материала не обойтись - как только его масса достигает критической, он детонирует. Придумывались разные хитроумные схемы, например, делать бомбу не из двух частей, а из множества, отчего бомба начинала напоминать распотрошенный апельсин, а потом одним взрывом собирать ее в один кусок, но все равно при мощности свыше 100 килотонн проблемы становились непреодолимыми.
А вот горючее для термоядерного синтеза критической массы не имеет. Вот Солнце, наполненное термоядерным топливом, висит над головой, внутри его уже миллиард 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.
Классический супер
К концу 1945 года Эдвард Теллер предложил первую конструкцию водородной бомбы, получившую название «классический супер». Для создания чудовищного давления и температуры, необходимых для начала реакции синтеза, предполагалось использовать обычную атомную бомбу. Сам «классический супер» представлял собой длинный цилиндр, наполненный дейтерием. Предусматривалась также промежуточная «запальная» камера с дейтериевотритиевой смесью - реакция синтеза дейтерия и трития начинается при более низком давлении. По аналогии с костром, дейтерий должен был играть роль дров, смесь дейтерия с тритием - стакана бензина, а атомная бомба - спички. Такая схема получила название «труба» - своеобразная сигара с атомной зажигалкой с одного конца. По такой же схеме начали разрабатывать водородную бомбу и советские физики.
Однако математик Станислав Улам на обыкновенной логарифмической линейке доказал Теллеру, что возникновение реакции синтеза чистого дейтерия в «супере» вряд ли возможно, а для смеси потребовалось бы такое количество трития, что для его наработки нужно было бы практически заморозить производство оружейного плутония в США.
Слойка с сахаром
В середине 1946 года Теллер предложил очередную схему водородной бомбы - «будильник». Она состояла из чередующихся сферических слоев урана, дейтерия и трития. При ядерном взрыве центрального заряда плутония создавалось необходимое давление и температура для начала термоядерной реакции в других слоях бомбы. Однако для «будильника» требовался атомный инициатор большой мощности, а США (как, впрочем, и СССР) испытывали проблемы с наработкой оружейного урана и плутония.
Осенью 1948 года к аналогичной схеме пришел и Андрей Сахаров. В Советском Союзе конструкция получила название «слойка». Для СССР, который не успевал в достаточном количестве нарабатывать оружейный уран-235 и плутоний-239, сахаровская слойка была панацеей. И вот почему.
В обычной атомной бомбе природный уран-238 не только бесполезен (энергии нейтронов при распаде не хватает для инициации деления), но и вреден, поскольку жадно поглощает вторичные нейтроны, замедляя цепную реакцию. Поэтому оружейный уран на 90% состоит из изотопа уран-235. Однако нейтроны, появляющиеся в результате термоядерного синтеза, в 10 раз более энергетичные, чем нейтроны деления, и облученный такими нейтронами природный уран-238 начинает превосходно делиться. Новая бомба позволяла использовать в качестве взрывчатки уран-238, который прежде рассматривался как отходы производства.
Изюминкой сахаровской «слойки» было также применение вместо остродефицитного трития белого легкого кристаллического вещества - дейтрида лития 6 LiD.
Как упоминалось выше, смесь дейтерия и трития поджигается гораздо легче, чем чистый дейтерий. Однако на этом достоинства трития заканчиваются, а остаются одни недостатки: в нормальном состоянии тритий - газ, из-за чего возникают трудности с хранением; тритий радиоактивен и, распадаясь, превращается в стабильный гелий-3, активно пожирающий столь необходимые быстрые нейтроны, что ограничивает срок годности бомбы несколькими месяцами.
Нерадиоактивный дейтрид лития же при облучении его медленными нейтронами деления - последствиями взрыва атомного запала - превращается в тритий. Таким образом, излучение первичного атомного взрыва за мгновение вырабатывает достаточное для дальнейшей термоядерной реакции количество трития, а дейтерий в дейтриде лития присутствует изначально.
Именно такая бомба, РДС-6с, и была успешно испытана 12 августа 1953 на башне Семипалатинского полигона. Мощность взрыва составила 400 килотонн, и до сих пор не прекратились споры, был ли это настоящий термоядерный взрыв или сверхмощный атомный. Ведь на реакцию термоядерного синтеза в сахаровской слойке пришлось не более 20% суммарной мощности заряда. Основной вклад во взрыв внесла реакция распада облученного быстрыми нейтронами урана-238, благодаря которому РДС-6с и открыла эру так называемых «грязных» бомб.
Дело в том, что основное радиоактивное загрязнение дают как раз продукты распада (в частности, стронций-90 и цезий-137). По существу, сахаровская «слойка» была гигантской атомной бомбой, лишь незначительно усиленной термоядерной реакцией. Не случайно всего один взрыв «слойки» дал 82% стронция-90 и 75% цезия-137, которые попали в атмосферу за всю историю существования Семипалатинского полигона.
Американ бомб
Тем не менее, первыми водородную бомбу взорвали именно американцы. 1 ноября 1952 года на атолле Элугелаб в Тихом океане было успешно испытано термоядерное устройство «Майк» мощностью 10 мегатонн. Назвать бомбой 74-тонное американское устройство можно с большим трудом. «Майк» представлял собой громоздкое устройство размером с двухэтажный дом, заполненное жидким дейтерием при температуре, близкой к абсолютному нулю (сахаровская «слойка» была вполне транспортабельным изделием). Однако изюминкой «Майка» были не размеры, а гениальный принцип обжатия термоядерной взрывчатки.
Напомним, что основная идея водородной бомбы состоит в создании условий для синтеза (сверхвысокого давления и температуры) посредством ядерного взрыва. В схеме «слойка» ядерный заряд расположен в центре, и поэтому он не столько сжимает дейтерий, сколько разбрасывает его наружу - увеличение количества термоядерной взрывчатки не приводит к увеличению мощности - она просто не успевает детонировать. Именно этим и ограничена предельная мощность данной схемы - самая мощная в мире «слойка» Orange Herald, взорванная англичанами 31 мая 1957 года, дала только 720 килотонн.
Идеально было бы, если бы заставить взрываться атомный запал внутрь, сжимая термоядерную взрывчатку. Но как это сделать? Эдвард Теллер выдвинул гениальную идею: сжимать термоядерное горючее не механической энергией и нейтронным потоком, а излучением первичного атомного запала.
В новой конструкции Теллера инициирующий атомный узел был разнесен с термоядерным блоком. Рентгеновское излучение при срабатывании атомного заряда опережало ударную волну и распространялось вдоль стенок цилиндрического корпуса, испаряя и превращая в плазму полиэтиленовую внутреннюю облицовку корпуса бомбы. Плазма, в свою очередь, переизлучала более мягкое рентгеновское излучение, которое поглощалось внешними слоями внутреннего цилиндра из урана-238 - «пушера». Слои начинали взрывообразно испаряться (это явление называют абляция). Раскаленную урановую плазму можно сравнить со струями сверхмощного ракетного двигателя, тяга которого направлена внутрь цилиндра с дейтерием. Урановый цилиндр схлопывался, давление и температура дейтерия достигала критического уровня. Это же давление обжимало центральную плутониевую трубку до критической массы, и она детонировала. Взрыв плутониевого запала давил на дейтерий изнутри, дополнительно сжимая и нагревая термоядерную взрывчатку, которая детонировала. Интенсивный поток нейтронов расщепляет ядра урана-238 в «пушере», вызывая вторичную реакцию распада. Все это успевало произойти до того момента, когда взрывная волна от первичного ядерного взрыва достигала термоядерного блока. Расчет всех этих событий, происходящих за миллиардные доли секунды, и потребовал напряжения ума сильнейших математиков планеты. Создатели «Майка» испытывали от 10-мегатонного взрыва не ужас, а неописуемый восторг - им удалось не только разобраться в процессах, которые в реальном мире идут только в ядрах звезд, но и экспериментально проверить свои теории, устроив свою небольшую звезду на Земле.
Браво
Обойдя русских по красоте конструкции, американцы не смогли сделать свое устройство компактным: они использовали жидкий переохлажденный дейтерий вместо порошкообразного дейтрида лития у Сахарова. В Лос-Аламосе на сахаровскую «слойку» реагировали с долей зависти: «вместо огромной коровы с ведром сырого молока русские используют пакет молока сухого». Однако утаить секреты друг от друга обеим сторонам не удалось. Первого марта 1954 года у атолла Бикини американцы испытали 15-мегатонную бомбу «Браво» на дейтриде лития, а 22 ноября 1955 года над семипалатинским полигоном рванула первая советская двухступенчатая термоядерная бомба РДС-37 мощностью 1,7 мегатонн, снеся чуть ли не полполигона. С тех пор конструкция термоядерной бомбы претерпела незначительные изменения (например, появился урановый экран между инициирующей бомбой и основным зарядом) и стала канонической. А в мире не осталось больше столь масштабных загадок природы, разгадать которые можно было бы столь эффектным экспериментом. Разве что рождение сверхновой звезды.
| Немного теории
В термоядерной бомбе идут 4 реакции, и они протекают очень быстро. Первые две реакции служат источником материала для третьей и четвертой, которые при температурах термоядерного взрыва протекают в 30-100 раз быстрее и дают больший энергетический выход. Поэтому получившиеся гелий-3 и тритий сразу же расходуются. Ядра атомов заряжены положительно, и поэтому отталкиваются друг от друга. Чтобы они смогли прореагировать, их нужно столкнуть «лоб в лоб», преодолев электрическое отталкивание. Это возможно, только если они будут двигаться с большой скоростью. Скорость атомов напрямую связана с температурой, которая должна достигать 50 миллионов градусов! Но нагреть дейтерий до такой температуры мало, надо еще удержать его от разлета чудовищным давлением около миллиарда атмосфер! В природе такие температуры при такой плотности встречаются только в ядре звезд. |
