История открытия плутония. Рукотворная звезда: термоядерная бомба. Тяжелые изотопы плутония
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.
Этот металл называют драгоценным, однако не за красоту, а за незаменимость. В периодической системе Менделеева этот элемент занимает ячейку под номером 94. Именно с ним ученые связывают свои самые большие надежды, и именно плутоний они называют самым опасным металлом для человечества.
Плутоний: описание
По внешнему виду это серебристо-белый металл. Он является радиоактивным и может быть представлен в виде 15 изотопов, имеющих различные периоды полураспада, к примеру:
- Pu-238 – около 90 лет
- Pu-239 – около 24 тысяч лет
- Pu-240 – 6580 лет
- Pu-241 – 14 лет
- Pu-242 – 370 тысяч лет
- Pu-244 – около 80 миллионов лет
Этот металл нельзя добыть из руды, поскольку он является продуктом радиоактивного превращения урана.
Как получают плутоний?
Производство плутония требует расщепления урана, что можно осуществить только в атомных реакторах. Если же говорить о присутствии элемента Pu в земной коре, то на 4 миллиона тонн урановой руды будет приходиться всего 1 грамм чистого плутония. И этот грамм образуется путем естественного захвата нейтронов ядрами урана. Таким образом, чтобы получить это ядерное горючее (обычно – изотоп 239-Pu) в количестве нескольких килограмм необходимо проведение сложного технологического процесса в атомном реакторе.
Свойства плутония
Радиоактивный металл плутоний обладает следующими физическими свойствами:
- плотность 19,8 г/см 3
- температура плавления – 641°C
- температура кипения – 3232°C
- теплопроводность (при 300 K) – 6,74 Вт/(м·К)
Плутоний радиоактивен, поэтому теплый на ощупь. При этом для этого металла характерна самая низкая теплопроводность и электропроводность. Жидкий плутоний является самым вязким из всех существующих металлов.
Малейшее изменение температуры плутония приводит к моментальному изменению плотности вещества. В целом же, масса плутония постоянно меняется, поскольку ядра этого металла находятся в состоянии постоянного деления на более мелкие ядра и нейтроны. Критическая масса плутония – так называют минимальную массу делимого вещества, при которой протекание деления (цепной ядерной реакции) остается возможным. К примеру, критическая масса оружейного плутония – 11 кг (для сравнения, критическая масса высокообогащенного урана – 52 кг).
Уран и плутоний – основное ядерное горючее. Чтобы получить плутоний в больших количествах применяется две технологии:
- облучение урана
- облучение трансурановых элементов, полученных из отработанного топлива
Оба способа представляют собой отделение плутония и урана в результате протекания химической реакции.
Для получения чистого плутония-238 применяется нейтронное облучение нептуния-237. Этот же изотоп участвует в создании оружейного плутония-239, в частности, он является промежуточным продуктом распада. $1 млн. – именно столько составляет цена за 1 кг плутония-238.
Плутоний (plutonium) Pu, - искусственно полученный радиоактивный химический элемент, Z=94, атомная масса 244,0642; относится к актинидам. В настоящее время известно 19 изотопов плутония. Самый лёгкий из них 228 Ри (71/2=1,1 с), самый тяжёлый ^Pu (7i/ 2 =2,27 дн), 8 ядерных изомеров. Наиболее устойчив изотоп 2А- 236, 238, 239, 240, 242 и 244: 21013, 6,29-ю 11 ,2,33-ю 10 ,8,51109, 3,7-ю 12 ,1,48-ю 8 и 6,66-юз Бк/г, соответственно. Средняя энергия a-излучения изотопов с А= 236, 238, 239, 240, 242 и 244 равна 5,8, 5,5, 5,1, 5,2, 4,9 и 4,6 МэВ, соответственно. Лёгкие изотопы плутония (2 з 2 Ри, 2 34Pu, 235Pu, 2 з7Ри) претерпевают электронный захват. 2 4"Ри - р-излу"чатель (Ер=0,0052 МэВ). Практически самый важный - 2 з9Ри (7|/ 2 =2,44-Ю4 лет, а-распад, самопроизвольное деление (з,мо- ю %)) делится под действием медленных нейтронов и используется в ядерных реакторах в качестве горючего, и в атомных бомбах, как вещество заряда.
Плутоний-236 (7i/ 2 =2.85i лет), а-излучатель: 5,72МэВ (30,56%) и 5,77 МэВ (69,26%), дочерний нуклид 2 3 2 U, удельная активность 540 Ки/г. Вероятность спонтанного деления кг 6 . Скорость самопроизвольного деления 5,8-ю 7 делений на 1 г/час соответствуют периоду" полураспада для этого процесса 3,5-109 лет.
Может быть получен по реакциям:
Этот изотоп образуется также при распаде а-излучателя 2 4оСш (7i/ 2 =27 дн) и р-излучателя 23 6m Np (7i/ 2 =22 ч). 2 з 6 Ри распадается по следующим направлениям: а-распад, вероятность 100% и самопроизвольное деление (вероятность
Плутопий-237 (7!/ 2 =45> 2 дн), дочерний продукт 2 37Np. Может быть получен бомбардировкой природного урана ионами гелия с энергией 40 МэВ по ядерным реакциям:
Он в небольших количествах образуется и при облучении урана реакторными нейтронами. Основной типа распада - электронный захват
(99%, характеристическое рентгеновское излучение, дочерний продукт ^Np), но имеет место а-распад с образованием 2 ззи и слабое у-излучение, период полураспада 45,2 дня. 2 з7Рц находит применение в системах контроля химического выхода плутония в процессе его выделения из образцов компонентов окружающей среды, а также для исследований метаболизма плутония в человеческом организме
Плутоний-238, 7*1/2=87,74 лет, а-излучатель (энергии 5,495(76%), 5,453(24%) и 5,351(0,15%) МэВ, слабый у-излучатель (энергии от 0,044 ДО 0,149 МэВ). Активность 1 г этого нуклида ~6зз,7 ГБк (удельная активность 17 Ки/г); каждую секунду в этом же количестве вещества происходит -1200 актов спонтанного деления. Скорость самопроизвольного деления 5,1-ю 6 делений на 1 г/час соответствуют периоду полураспада для этого процесса 3,8-10 ю лет. При этом развивается очень высокая тепловая мощность: 567 Вт/кг. Г Д ел=3,8-10 ю лет. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов а=500 барн, сечение деления под действием тепловых нейтронов -18 барн. Он обладает очень высокой удельной а-радиоактивностью (в 283 раза сильнее ^Ри), что делает его много более серьезным источником нейтронов от реакций (а, п).
- 2 з 8Ри образуется в результате следующих распадов:
- (3 -распад нуклида 2 3 8 Np:
2 з 8 Ри образуется в любом ядерном реакторе, работающем на природном или малообогащённом уране, содержащем в основном изотоп 2 з 8 и. При этом происходят следующие ядерные реакции:
Он также образуется при бомбардировке урана ионами гелия с энергией 40 МэВ:
гаснад ^”ги происходит но следующим направлениям: а-распад в 2 34U (вероятность юо%, энергия распада 5,593 МэВ):
энергия испускаемых а-частиц 5,450 мэь (в 2«,9«% случаев; и 5,499 мэь (.в 70,91% случаев). Вероятность спонтанного деления 1,9-ю -7 %.
При а-распаде 2 з 8 Ри выделяется 5,5 МэВ энергии. В источнике электричества, содержащем один килограмм 2 -з 8 Ри, развивается тепловая мощность ~5бо ватт. Максимальная мощность такого же по массе химического источника тока - 5 ватт. Существует немало излучателей с подобными энергетическими характеристиками, но одна особенность 2 з»Ри делает этот изотоп незаменимым. Обычно а-распад сопровождается сильным у- излучением. 2 з 8 Ри - исключение. Энергия у-квантов, сопровождающих распад его ядер, невелика. Мала и вероятность самопроизвольного деления ядер этого изотопа. 288 Ри применяется для изготовления атомных электрических батарей и нейтронных источников, в качестве источников питания для электрокардиостимуляторов, получения тепловой энергии в космических аппаратах, в составе радиоизотопных дымовых детекторов и т.п.
Плутоний-239, 71/2=2.44-ю 4 лет, а-распад юо%, полная энергия распада 5,867 МэВ, испускает а-частицы с энергиями 5,15 (69%), 5,453 (24%) и 5,351(0,15%) и слабое у-излучение, поперечное сечение захвата тепловых нейтронов ст=271-барн. Удельная активность 2,33109 Бк/г. Скорость самопроизвольного деления 36 дел/г/час соответствуют 7”дел= 5,5-10*5 лет. 1 кг 2 39Ри эквивалентен 2,2-107 киловатт-час тепловой энергии. Взрыв 1 кг плутония равен взрыву 20000 тонн тротила. Единственный изотоп плутония, используемый в атомном оружии. 2 39Ри входит в состав семейства 2П+3- Продуктом его распада является 2 35U. Этот изотоп делится под действием тепловых нейтронов и используется в ядерных реакторах в качестве гошочего. 2 39Ри получается в ялепных пеактопах по пеакпии:
Поперечное сечение реакции -455 барн. *39Ри образуется также при
бомбардировке урана дейтронами с энергией выше 8 МэВ по ядерным реакциям:
а также при бомбардировке урана ионами гелия с энергией 40 МэВ
самопроизвольное деление, вероятность 1,36-10*7%.
Отделение плутония от урана, проводимое химическими методами, представляет относительно более простую задачу, чем разделение изотопов урана. Вследствие этого стоимость плутония в разы ниже стоимости 2 ззи. Когда ядро 2 39Ри делится нейтронами на два осколка примерно равной массы, выделяется около 200 МэВ энергии. Способен поддерживать цепную реакцию деления. Относительно короткий период полураспада 2 39Ри (по сравнению с ^и) подразумевает значительное выделение энергии при радиоактивном распаде. 2 39Рц производит 1,92 Вт/кг. Хорошо теплоизолированный блок плутония разогревается до температуры свыше 100° за два часа и вскоре до точки a-p-перехода, что представляет проблему для конструирования оружия из-за изменения объёма при фазовых переходах плутония. Удельная активность 2 39Pu 2,28-ю 12 Бк/г. 2 39Ри легко делится тепловыми нейтронами. Делящийся изотоп 239 Pu при полном распаде даёт тепловую энергию, эквивалентную 25000000 квт-час/кг. У 2 39Ри поперечное сечение деления на медленных нейтронах 748 барн, сечение радиационного захвата 315 барн. 2 39Pu имеет большие сечения рассеивания и поглощения, чем уран и большее число нейтронов при делении (3,03 нейтрона на один акт деления по сравнению с 2,47 у 2 ззи), и, соответственно, меньшую критическую массу. Чистый 2 39Pu имеет среднюю величину испускания нейтронов от спонтанного деления -30 нейтронов/с-кг (-10 делений/с).-
Плутоний-240, 71/2=6564 л, а-распад, удельная активность 8,51-109 Бк/г. Скорость самопроизвольного деления 1,6-ю 6 дел/г/час, Ti/2=i,2-io u л. 24°Ри имеет втрое меньшее эффективное сечение захвата нейтрона, чем 239 Ри и в большинстве случаев превращается в 2 4*Pu.
24ор и образуется при распаде некоторых радионуклидов:
Энергия распада 5,255 МэВ, а-частицы с энергиями 5,168 (72,8%), 5,123 (27,10%) МэВ;
Спонтанное деление, вероятность 5,7-ю -6 .
В урановом топливе содержание ^Ри увеличивается в процессе работы реактора. В отработанном топливе ядерного реактора -70% *з9Ри и 26% 2 4°Ри, что затрудняет изготовление атомного оружия, поэтому оружейный плутоний получается на специально предназначенных для этого реакторах путём переработки урана после нескольких десятков дней облучения. *4°Ри - основной изотоп, загрязняющий оружейный 2 39Ри. Уровень его содержания важен из-за интенсивности спонтанного деления - 415000 дел/с-кг, испускается юооооо нейтронов/с-кг, так как каждое деление рождает 2,26 нейтрона - в 30000 раз больше, чем у равной массы 2 39Ри. Наличие всего 1% этого изотопа производит так много нейтронов, что пушечная схема заряда утке неработоспособна - начнётся раннее инициирование взрыва и заряд будет распылён до того, как взорвётся основная масса взрывчатки. Пушечная схема возможна только при юо% содержании *39Ри, добиться чего практически не реально. Поэтому плутониевые бомбу собирают по имплозивной схеме, которая допускает использование плутония довольно сильно загрязнённого изотопом ^Ри. В оружейном плутонии содержание 2 4°Ри
Вследствие более высокой удельной активности (1/4 от 2 39Ри), тепловой выход выше, 7.1 Вт/кг, что обостряет проблему перегрева. Удельная активность ^Ри 8,4109 Бк/г. Содержание ^Ри в оружейном плутонии (0,7%), в реакторном (>19%). В топливе для тепловых реакторов присутствие 24 °Ри нежелательно, но этот изотоп служит топливом в быстрых реакторах.
Плутоний-241, Г,/2=14 л, дочерний продукт 241 Am, р- (99%, ?рмакс=0,014 МэВ), а (1%, две линии: 4,893 (75%) и 4,848 (25%) МэВ) и у-излучатель, удельная активность ^Ри 3,92-ю 12 Ки/г. Получается при сильном облучении плутония нейтронами, а также в циклотроне по реакции 2 3 8 U(a,n) 241 Pu. Этот изотоп делится нейтронами любых энергий (поперечное сечение поглощения нейтронов у ^‘Ри на 1/3 больше, чем у ^Фи, сечение деления тепловыми нейтронами около юоо барн, вероятность деления при поглощении нейтрона 73%), имеет низкий нейтронный фон и умеренную тепловую мощность и потому непосредственно не влияет на удобство применения плутония. Он распадается в 241 Am, который очень плохо делится и создаёт много тепла: ю 6 Вт/кг. ^‘Ри обладает большим сечением деления на реакторных нейтронах (поо барн), что позволяет использовать его в качестве топлива. Если оружие первоначально содержит 241 Ри, то через несколько лет его реакционная способность падает, и это следует учитывать для предотвращения уменьшения мощности заряда и увеличения самонагрева. Сам 24 ‘Ри сильно не нагревается (всего 3.4 Вт/кг) несмотря на свой очень короткий период полураспада из-за очень слабого P-излучения. При поглощении нейтрона ядром 24 *Ри, если оно не делится, то переходит в 242 Pu. 241 Ри является основным источником получения ^‘Аш.
Плутоний-242 (^/2=373300 лет),
Плутоний-243 №/2=4-956 час), р"- (энергия 0,56 МэВ) и у-излучатель (несколько линий в интервале 0,09-е-о,16 МэВ) Поперечное сечение реакции 242 Pu(n,y) 243 Pu на медленных нейтронах юо барн. Образуется при p-распаде "^зРи 24 зАш, может быть получен облучением нейтронами 2 4 2 Pu. Из-за своего короткого периода полураспада, присутствует в облучённом реакторном топливе в незначительных количествах.
Плутоний-244 (Ti/ 2 =8,o*io 7 лет), а-излучатель, Е а = 4,6 МэВ, способен к самопроизвольному делению, удельная активность 6,66-105 Бк/г, поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 0=19 барн. Это не только самый долгоживущий изотоп плутония, но и самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов. Удельная активность 2
Ещё более тяжёлые изотопы плутония подвержены p-распаду, и их время жизни лежит в интервале от нескольких дней до нескольких десятых секунды. В термоядерных взрывах образуются все изотопы плутония, вплоть до 2 57Ри. Но их время жизни - десятые доли секунды, и изучить многие короткоживущие изотопы плутония пока не удалось.
Плутоний - очень тяжёлый серебристо-белый металл, блестящий подобно никелю, когда только что очищен. Атомная масса 244,0642 а.е.м. (г/моль), радиус атома 151 пм, энергия ионизации (первый электрон) 491,9(5,10) кДж/моль (эВ), электронная конфигурация 5f 6 7s 2 . Радиус иона: (+4е) 93, (+3е) ю8 пм, электроотрицательность (по Полингу) 1,28, Т П л=639,5°, Г К ип=3235° ,плотность плутония 19,84 (a-фаза), теплота испарения плутония 80,46 ккал/моль. Давление пара плутония значительно выше давления пара урана (при 1540 0 в 300 раз). Плутоний может быть отогнан от расплавленного урана. Известны шесть аллотропных модификаций металлического плутония. При температурах
В лабораторных условиях металлический плутоний может быть получен по реакциям восстановления галогенидов плутония литием, кальцием, барием или магнием при 1200°:
Металлический плутоний получают также при восстановлении в паровой фазе при 1300 0 трифторида плутония посредством силицида кальция по реакции
или термическим разложением галогенидов плутония в вакууме.
Плутоний имеет множество специфических свойств. Он обладает самой низкой теплопроводностью из всех металлов, самой низкой электропроводностью, за исключением марганца. 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 (табл. 3), больше чем любой другой элемент. Некоторые переходы между фазами сопровождаются разительными изменениями объёма. 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, a-фазе, плутоний шестой по плотности элемент (тяжелее его только осмий, иридий, платина, рений и нептуний). В a-фазе чистый плутоний хрупок. Известно большое число сплавов и интерметаллических соединений плутония с Al, Be, Со, Fe, Mg, Ni, Ag. Соединение PuBe, 3 является источником нейтронов с интенсивностью 6,7*107 нейтр/скг.
Рис. 5.
Вследствие своей радиоактивности, плутоний теплый на ощупь. Большой кусок плутония в термоизолированной оболочке разогревается до температуры, превышающей температуру кипения воды. Мел- коизмельчённый плутоний - пироморфен, при 300 0 самовозгорается. Взаимодействует с галогенами и галогеноводородами, образуя галогениды, с водородом - гидриды, с утлеродом - карбид, с азотом реагирует при 250 0 с образованием нитрида, при действии аммиака также образует нитриды. Восстанавливает С0 2 до СО или С, при этом образуется карбид. Взаимодействует с газообразными соединениями серы. Плутоний легко растворяется в соляной, 85%-ной фосфорной, йодистоводородной, хлорной и концентрированной хлоруксусной кислотах. Разбавленная H2SO4 растворяет плутоний медленно, а концентрированная H 2 S0 4 и HN0 3 его пассивируют и не реагируют с ним. Щелочи на металлический плутоний не действуют. Плутониевые соли легко гидролизируются при контакте с нейтральными или щелочными растворами, создавая нерастворимый гидроксид плутония. Концентрированные растворы плутония нестабильны, вследствие радиолитического разложения, ведущего к выпадению осадка.
Табл. 3. Плотности и температурный диапазон фаз плутония:
Основная валентность плутония 4+. Это электроотрицательный, химически активный элемент (на 0,2 В), гораздо в большей степени, чем уран. Он быстро тускнеет, образую радужную плёнку, вначале светло- жёлтую, со временем переходящую в тёмно-пурпурную. Если окисление довольно быстрое, на его поверхности появляется оливково-зеленый порошок оксида (Ри0 2).
Плутоний легко окисляется и быстро коррозирует даже в присутствии незначительной влажности. Он покрывается ржавчиной в атмосфере инертного газа с парами воды гораздо быстрее, чем на сухом воздухе или в чистом кислороде. При нагревании плутония в присутствии водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора, мышьяка, фтора, кремния, теллура образует с этими элементами твердые нерастворимые соединения.
Из оксидов плутония известны Pu 2 0 3 и Ри0 2 .
Диоксид плутония Ри0 2 - оливково-зелёный порошок, чёрные блестящие кристаллы или шарики от красно-коричневого до янтарножёлтого цвета. Кристаллическая структура типа флюорита (Ри-* + формируют гранецентрированную кубическую сингонию, а О 2- -тетраэдр). Плотность 11,46, Гпл=2400°. Он образуется почти из всех солей (например, оксалата, пероксида) плутония при нагревании на воздухе или в атмосфере 0 2 , при температурах 700-1000 0 , независимо от того, в какой степени окисления находится в этих солях плутоний. Например, его можно получить кальцинацией гексагидрата оксалата Pu(IV) Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 (образуется при переработке ОЯТ):
Ри0 2 , полуденный при низких температурах, легко растворяется в концентрированной соляной и азотной кислотах. Напротив, прокаленный Ри0 2 трудно растворим и может быть переведён в раствор только в результате специальной обработки. Он нерастворим в воде и органических растворителях. Медленно взаимодействует с горячей смесью концентрированной HN0 3 с HF. Это устойчивое соединение используется в качестве весовой формы при определении плутония. Его используют также для приготовления топлива в ядерной энергетике.
Особенно реакционноспособный Ри0 2 , но содержащий небольшие количества оксалата, получают разложением Ри(С 2 0 4) 2 -6Н 2 0 при 130-^-300°.
Гидрид Р11Н3 получают из элементов при 150-5-200°.
Плутоний образует галогениды и оксигалогениды, дисилицид PuSi 2 и полуторный сульфид PuSi,33^ b5 , которые представляют интерес ввиду их туго плавкости, а также карбиды различных стехиометрий: от РиС до Ри 2 С 3 . РиС - кристаллы чёрного цвета, Г 11Л =1664 0 . Совместно с UC может использоваться как топливо атомных реакторов.
Нитрид плутония, PuN - кристаллы серого (до чёрного) цвета гранецентрирированной кубической решеткой типа NaCl (0=0,4905 нм, z=4, пространственная группа Ртзт; параметр решётки увеличивается со временем под действием собственного a-излучения); Т пл.=2589° (с разложением); плотность 14350 кг/мз. Обладает высокой теплопроводностью. При высокой температуре (~1боо°) летуч (с разложением). Получается при взаимодействии плутония с азотом при 6оо° или со смесью водорода с аммиаком (давление 4 кПа). Порошкообразный PuN плутония окисляется на воздухе при комнатной температуре, полностью превращаясь в Ри0 2 через 3 сут, плотный - окисляется медленно (0,3% за 30 сут). Он медленно гидролизуется холодной водой и быстро - при нагревании, образуя Ри0 2 ; легко растворяется в разбавленных соляной и серной кислотах с образованием соответствующих солей Pu(III); по силе действия на нитрид плутония кислоты могут быть расположены в ряд HN0 3 >HC1>H 3 P0 4 >>H 2 S04>HF. Может использоваться как реакторное топливо.
Существует несколько фторидов плутония: PuF 3 , PuF 4 , PuF6.
Тетрафторид плутония PuF 4 - вещество розового цвета или коричневые кристаллы, моноклинной сингонии. Изоморфен с тетрафторидом Zr, Hf, Th, U, Np и Се. Г пл =1037 0 , Г к,«1=1277°. Он плохо растворим в воде и органических растворителях, но легко растворяется в водных растворах в присутствии солей Ce(IV), Fe(III), А1(Ш) или ионов, образующих с ионами фтора устойчивые комплексы. Розовый осадок PuF 4 -2,5H 2 0 получают осаждением плавиковой кислотой из водных растворов солей Pu(III). Это соединения дегидратируется при нагревании до 350 м в токе HF.
PuF 4 образуется при действии фтористого водорода на диоксид плу- тония в присутствии кислорода при 550° по реакции:
PuF 4 можно также полупить обработкой PuF 3 фтором при 300 0 или нагревом солей Pu(III) или Pu(IV) и токе фтористого водорода. Из водных растворов Pu(IV) PuF 4 осаждается плавиковой кислотой в виде розового осадка состава 2PuF 4 H 2 0. PuF 4 практически полностью соосаждается с LaF 3 . При нагревании на воздухе до 400 0 PuF 4 превращается в Ри0 2 .
Гексафторид плутония, PuFe - летучие кристаллы при комнатной температуре желтовато-коричневого цвета (при низких температурах - бесцветные) ромбической структуры, Гпл=52°, Т кнп =б2° при атмосферном давлении, плотность 5060 кгм-з, теплота сублимации 12,1 ккал/моль, теплота испарения =7.4 ккал моль* 1 , теплота плавления =4,71 ккал/моль, весьма склонно к коррозии и чувствительно к авторадиолизу. PuFe - легкоки- пящая жидкость, термически значительно менее стабильная и менее летучая, чем UF6. Пары PuFe окрашены подобно N0 2 , жидкость имеет тёмнокоричневый цвет. Сильный фторирующий агент и окислитель; бурно реагирует с водой. Крайне чувствителен к влаге; с Н 2 0 при дневном свете может реагировать очень энергично со вспышкой с образованием Ри0 2 и PuF 4 . PuFe,сконденсированный при -195 0 на лёд, при нагревании медленно гидролизуется до Pu0 2 Fo. Компактный PuFe самопроизвольно разлагается вследствие а-излу"чения плутония.
UF6 получают обработкой PuF 4 или Ри0 2 фтором при 6004-700°.
Фторирование PuF 4 фтором при 7004-800° происходит очень быстро и является экзотермической реакцией. Образующийся PuF6 во избежание разложения быстро удаляют из горячей зоны - вымораживают или проводят синтез в потоке фтора, который достаточно быстро выводит продукт из реакционного объёма.
PuFa можно также получить по пеякпиям:
Существуют нитраты Pu(III), Pu(IV) и Pu(VII): Pu(N0 3) 3 , Pu(N0 3) 4 и Pu0 2 (N0 3) 2 , соответственно.
Нитрат плутония, Pu(N0 3) 4 *5H 2 0, получают медленным (в течение нескольких месяцев) испарением концентрированного азотнокислого раствора Pu(IV) при комнатной температуре. Хорошо растворим в HN0 3 и воде (азотнокислый раствор тёмно-зелёного цвета, коричневого цвета). Растворяется ацетоне, эфире и трибутилфосфате. Растворы нитрата плутония и нитратов щёлочных металлов в концентрированной азотной кислоте при упаривании выделяют двойные нитраты Ме 2 [Ри(Ы0 3)б], где Me + =Cs + , Rb + , К + , Th + , C 9 H 7 NH + , C 5 H 5 NH + , NH 4 + .
Оксалат плутония (IV), Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0, - порошок песочного (иногда жёлто-зелёного) цвета. Изоморфен с U(C 2 0 4)-6H 2 0. Гексагидрат оксалата плутония плохо растворим в минеральных кислотах и хорошо в растворах оксалатов и карбонатах аммония или щёлочных металлов с образованием комплексных соединений. Осаждается щавелевой кислотой из азотнокислых (i,5*4.5M HNO.0 растворов Pu(IV):
Обезвоживается при нагревании на воздухе до ио°, выше 400 0 разлагается:
В соединениях плутоний проявляет степени окисления от +2 до +7. В водных растворах образует ионы, отвечающие степеням окисления от +3 до +7. При этом ионы всех степеней окисления, кроме Pu(VII), могут находиться в растворе одновременно в равновесии. Ионы плутония в растворе подвергаются гидролизу и легко образуют комплексные соединения. Способность образовывать комплексные соединения увеличивается в ряду Pu5 +
В растворе наиболее стабильны ионы Pu(IV). Pu(V) диспропорцио- нируют на Pu(lV) и Pu(Vl). Валентное состояние Pu(VI) характерно для сильно окисляющих водных растворов, и ему отвечает ион плутонила Ри0 2 2+ . Ионы плутония, с зарядами з + и 4 + существуют в водных растворах в отсутствие гидролиза и комплексообразования в виде сильно гидратированных катионов. Pu(V) и Pu(VI) в кислых растворах представляют собой кислородсодержащие катионы типа М0 2 + и М0 2 2+ .
Степеням окисления плутония (III, IV, V и VI) соответствуют следующие ионные состояния в кислых растворах: Pu 3+ , Pu4 + , Ри0 2 2+ и Ри0 5 3 Ввиду" близости потенциалов окисления ионов плутония друг к другу" в растворах могут одновременно существовать в равновесии ионы плутония с разными степенями окисления. Кроме того, наблюдается диспропорционирование Pu(IV) и Pu(V):
Скорость диспропорционирования растёт с увеличением концентрации плутония и температуры.
Растворы Риз + имеют сине-фиолетовую окраску. По своим свойствам Рцз + близок к РЗЭ. Нерастворимы его гидроксид, фторид, фосфат и оксалат. Pu(IV) является наиболее устойчивым состоянием плутония в водных растворах. Pu(IV) склонен к комплексообразованию с азотной, серной, соляной, уксусной и др. кислотами. Так, в концентрированной азотной кислоте Pu(IV) образует комплексы Pu(N0 3)5- и Ри(Ж) 3)б 2 ". В водных растворах Pu(IV) легко гидролизуется. Гидроксид плутония (зелёного цвета) склонен к полимеризации. Нерастворимы фторид, гидроксид, оксалат, йодат Pu(IV). Pu(IV) хорошо соосаждается с нерастворимыми гидроксидами, фторидом лантана, йодатами Zr, Th, Се, фосфатами Zr и Bi, оксалатами Th, U(IV), Bi, La. Pu(IV) образуют двойные фториды и сульфаты с Na, К, Rb, Cs и NH 4 + . Pu(получают в о,2 М растворе HN0 3 при смешении растворов Pu(III) и Pu(VI). Из солей Pu(VI) интерес представляют натрийплутонил- ацет NaPu0 2 (C 2 H 3 0 2) 3 и аммонийплутонилацетат NH 4 Pu0 2 (C 2 H 3 0 2), которые сходны по структуре с соответствующими соединениями U, Np и Ат.
Формальные окислительные потенциалы плутония (в В) в lM растворе НС10 4:
Устойчивость комплекса, образующегося с данным анионом, для ионов актинидов падает в следующем порядке: М4 + >М0 2+ >Мз + >М0 2 2+ > М0 2 + , т.е. в порядке уменьшения ионного потенциала. Способность анионов к комплексообразованию с ионами актинидов убывает для однозарядных анионов - фторид >нитрат> хлорид> перхлорат; для двухзарядных анионов карбонат>оксалат>сульфат. Большое число комплексных ионов образуется с органическими веществами.
Как Pu(IV), так и Pu(VI) хорошо экстрагируются из кислых растворов этиловым эфиром, ТБФ, диизопропилкетоном и др. Неполярными органическими растворителями хорошо экстрагируются клешневидные комплексы, например, с а-теноилтрифтор-ацетоном, р-дикетоном, купферо- ном. Экстракция комплексов Pu(IV) с а-теноилтрифторацетон (ТТА) позволяет провести очистку плутония от большинства примесей, включая актинидные и редкоземельные элементы.
Водные растворы ионов плутония в разных состояниях имеют следующие цвета: Pu(III), как Рцз + (голубой или бледно-лиловый); Pu(IV), как Рц4* (жёлто-коричневый); Pu(VI), как Ри0 2 2+ (розово-оранжевый). Pu(V), как Ри0 2 + первоначально розовый, но будучи нестабильным в растворе, этот ион диспропорционирует в Ри 4+ и Pu0 2 2+ ; Ри 4+ затем окисляется, переходя из Ри0 2 + в Pu0 2 2+ , и восстанавливается в Ри 3+ . Таким образом, водный раствор плутония со временем представляет собой смесь Рцз + и Ри0 2 2+ . Pu(VII), как Ри0 5 2 - (тёмно-синий).
Для обнаружения плутония используют радиометрический метод, основанный на измерении a-излучения плутония и его энергии. Этот метод характеризуется довольно высокой чувствительностью: позволяет обнаружить 0,0001 мкг 2 39Ри. При наличии в анализируемом образце других а-излучателей идентификация плутония может быть выполнена измерением энергии а-частиц при помощи а-спектрометров.
В ряде химических и физико-химических методов качественного определения плутония используется различие в свойствах валентных форм плутония. Ион Pu(III) в довольно концентрированных водных растворах можно обнаружить по ярко-голубой окраске, резко отличающейся от желто-коричневой окраски водных растворов, содержащих ионы Pu(IV).
Спектры светопоглощения растворов солей плутония в различных степенях окисления имеют специфические и узкие полосы поглощения, что позволяет проводить идентификацию валентных форм и обнаружение одной из них в присутствии других. Наиболее характерные максимумы светопоглощения Pu(III) лежат в области 600 и 900 ммк, Pu(IV) - 480 и 66о ммк, Pu(V) - 569 ммк и Pu(VI) 830+835 ммк.
Хотя плутоний химически токсичен, как и любой тяжёлый металл, этот эффект выражается слабо по сравнению с его радиотоксичностыо. Токсические свойства плутония появляются как следствие а- радиоактивности.
Для 2 з 8 Ри, 2 39Ри, 24op U) 242p u> 244Pu группа радиационной опасности А, МЗА=з,7-юз Бк; для 2 4>Ри и 2 43Pu группа радиационной опасности Б, МЗА = 3,7-104 Бк. Если радиологическую токсичность 2 з«и принять за единицу, этот же показатель для плутония и некоторых других элементов образует ряд: 235U 1,6 - 2 39Pu 5,0 - 2 4 1 Аш 3,2 - 9«Sr 4,8 - ^Ra 3,0. Можно видеть, что плутоний не самый опасный среди радионуклидов.
Коротко остановимся на промышленном производстве плутония.
Изотопы плутония нарабатывают на мощных урановых реакторах на медленных нейтронах по реакции (п, у) и в реакторах-размножителях на быстрых нейтронах. Изотопы плутония также образуются в энергетических реакторах. К концу 20-го века в мире было произведено в общей сложности -1300 тонн плутония, из которого ~300 т для оружейного использования, остальное - побочный продукт АЭС (реакторный плутоний).
Оружейный плутоний отличает от реакторного не столько степень обогащения и химический состав, сколько изотопный состав, сложным образом зависящий как от времени облучения урана нейтронами, так и от времени хранения после облучения. Особенно важно содержание изотопов 24°Ри и 2 4‘Ри. Хотя атомную бомбу можно создать при любом содержании этих изотопов в плутонии, тем не менее, наличие 2 4«p u в 239р и определяет качество оружия, т.к. от него зависит нейтронный фон и такие явления, как рост критической массы и тепловой выход. Нейтронный фон влияет на взрывное устройство ограничением общей массы плутония и необходимостью достижения высоких скоростей имплозии. Поэтому бомбы старых схем требовали низкого содержания 2 4ор и. Но в проектах «высокого» дизайна используется плутоний любой чистоты. Поэтому термин «оружейный плутоний» военного значения не имеет; это - экономический параметр: «высокий» дизайн бомбы существенно дороже «низкого».
С ростом доли 24op U) стоимость плутония падает, а критическая масса увеличивается. Содержание 7% 24°Ри делает общую стоимость плутония минимальной. Средний состав оружейного плутония: 93,4% 239 Ри, 6,о%
24°Pu и 0.6% 241 Pu. Тепловая мощность такого плутония 2,2 Вт/кг, уровень спонтанного деления 27100 делений/с. Этот уровень позволяет использовать в оружии 4 кг плутония с очень низкой вероятностью предетонации в хорошей имплозионной системе. Через 20 лет большая часть 24, Ри превратится в ^’Ат, существенно увеличив тепловыделение - до 2.8 Вт/кг. Поскольку 241 Ри прекрасно делится, а 241 Ат - нет, это приведет к снижению запаса реактивности плутония. Нейтронное излучение 5 кг оружейного плутония 300000 нейтронов/с создаёт уровень излучения 0.003 рад/час на расстоянии 1 м. Фон снижается отражателем и взрывчатым веществом, окружающим его, в ю раз. Тем не менее, длительный контакт обслуживающего персонала с ядерным взрывным устройством во время его обслуживания может привести к дозе радиации, равной предельной годовой.
Из-за малой разницы в массах 2 -"* 9 Ри и 24 °Ри эти изотопы не разделяются промышленными способами обогащения. Хотя их можно разделить на электромагнитном сепараторе. Проще, однако, более чистый 2 зэРи получить путём сокращения времени пребывания в реакторе *з*и. Нет причин для снижения содержания 24 °Ри менее 6%, т. к. эта концентрация не мешает создавать эффективные триггеры термоядерных зарядов.
Помимо оружейного существует и реакторный плутоний. Плутоний из ОЯТ состоит из множества изотопов. Состав зависит от типа реактора и рабочего режима. Типичные значения для реактора на лёгкой воде: 2 з 8 Ри - 2%, 239Ри - 61%, 24 °Pll - 24%, 24iPu - 10%, 242 Pll - 3%. Из такого плутония бомбу изготовить трудно (для террористов - практически невозможно), но в странах с развитой технологией реакторный плутоний вполне можно пустить на производство ядерных зарядов.
Табл. 4. Характеристика типов плутония.
Изотопный состав плутония, накапливающегося в реакторе, зависит от степени выгорания топлива. Из пяти основных образовавшихся изотопов два с нечётными Z - 2 39Ри и 24, Ри являются расщепляющимися, т.е. способными к делению под действием тепловых нейтронов, и могут быть использованы в качестве реакторного топлива. В случае использования плутония в качестве реакторного топлива, значение имеет количество накопленного 2 39Ри и 241 Ри. Если извлеченный из отработавшего топлива плутоний повторно использовать в реакторах на быстрых нейтронах, его изотопный состав постепенно становится менее пригодным для ору г жейного использования. После нескольких топливных циклов, накопление 2 з 8 Ри, #2 4«Ри и ^ 2 Pu делает его неподходящим для этой цели. Подмешивание такого материала - удобный метод «денатурировать» плутоний, гарантируя нераспространение делящихся материалов.
Как оружейный, так и реакторный плутоний содержат некоторое количество ^Ри. ^’Ри распадается на 24 ’Am путём излучения р-частицы. Поскольку" дочерний 241 Ат обладает значительно большим периодом полураспада (432 л), чем материнский 241 Ри (14,4 л), его количество в заряде (или в отходах ЯТЦ) возрастает по мере распада ^’Ри. у-Радиация, образующаяся в результате распада 241 Am, значительно сильнее, чем у 241 Ри, следовательно, со временем она также нарастает. Концентрация ®4фи и период его хранения прямо коррелируют с уровнем у-радиации, образующейся в результате увеличения содержания 24 ‘Аш. Плутоний долго хранить нельзя - после его наработки, его надо использовать, иначе его придётся снова повергнуть трудоёмкому и дорогому рециклингу.
Табл. 5. Некоторые характеристики оружейного и реакторного плутония
Наиболее важный в практическом отношении изотоп 2 39Pu получают в ядерных реакторах при длительном облучении нейтронами природного или обогащённого урана:
К сожалению, идут и другие ядерные реакции, приводящие к возникновению других изотопов плутония: 2 - з8 Ри, а4ор и, 24 Фи и 242 Ри, отделение которых от 2 з9Рц, хоть и разрешимая, но весьма сложная задача:
При облучении урана реакторными нейтронами в нём образуются как лёгкие, так и тяжёлые изотопы плутония. Сначала рассмотрим образование изотопов плутония с массой менее 239.
Небольшая часть нейтронов, испускаемых в процессе деления, обладает энергией, достаточной для возбуждения реакции 2 3 8 U(n,2n) 2 3?u. 237 U - р-излучатель и с Т’,/ 2 =6,8 дн превращается в долгоживущий 2 37Np. Этот изотоп в графитовом реакторе на природном уране образуется в количестве 0,1% от общего количества одновременно образующегося 2 39Ри. Захват медленных нейтронов 2 3?Np приводит к образованию 2 3 8 Np. Поперечное сечение этой реакции 170 барн. Цепочка реакций имеет вид:
Поскольку" здесь участвуют два нейтрона, выход пропорционален квадрату дозы облучения и отношение количеств 2з8 Ри к 2 39Ри пропорционально отношению 2 39Ри к 238 U. Пропорциональность соблюдается не совсем точно из-за отставания в образовании 23 ?Np, связанного с 6,8 суточным периодом полураспада ^U. Менее важным источником образования 2 з 8 Ри в 2 39Ри является распад 242 Ст, образующегося в урановых реакторах. 2з 8 Ри образуется также по реакциям:
Поскольку это нейтронная реакция третьего порядка, отношение количества 2 з 8 Ри, образовавшегося таким путём, к 2 39Ри пропорционально квадрату отношения *з9Ри к 2 3 8 U. Однако эта цепочка реакций становится относительно более существенной при работе с ураном, обогащённым ^и.
Концентрация 2 з 8 Ри в образце, содержащем 5,6% 24 °Ри, составляет 0,0115%. Эта величина вносит довольно значительный вклад в суммарную a-активность препаратов, поскольку у ^Pu Ti/2= 86,4 л.
Наличие 2 з 6 Ри в плутонии, получаемом в реакторе, связано с рядом реакций:
Выход 2 з 6 Ри в процессе облучения урана составляет ~ю-9-ио" 8 %.
С точки зрения накопления в уране плутония основные превращения связаны с образованием изотопа 2 39Pu. Но важны и другие побочные реакции, поскольку ими определяется выход и чистота целевого продукта. Относительное содержание тяжёлых изотопов 240 Ри, ^Фи, 242 Ри, а также 2з«Ри, 2 37Np и ^"Аш зависит от дозы нейтронного облучения урана (времени пребывания урана в реакторе). Сечения захвата нейтронов изотопами плутония достаточно велики, чтобы вызвать последовательные реакции (п, у) даже при малых концентрациях 2 39Ри в уране.
Табл. 6. Изотопный состав плутония, выделенного из облучённого нейтронами природного урана. _
Образовавшийся при облучении урана нейтронами 241 Ри переходит в 241 Аш, который сбрасывается в процессе химико-технологической переработки урановых блоков (241 Ат, однако, постепенно снова накапливается в очищенном плутонии). Так, например, a-активность металлического плу"- тония, содержащего 7,5% 24 °Ри, через год увеличивается на 2% (за счёт образования 24, Ат). 24, Ри обладает большим сечением деления на нейтронах реактора, составляющим - поо барн, что важно при использовании плутония в качестве реакторного горючего.
Если уран или плутоний подвергнуть сильному нейтронному облучению, то начинается синтез минорных актинидов:
Образовавшийся из 2 4*Pu 2 4*Am в свою очередь вступает в реакции с нейтронами, образуя 2 з 8 Ри и 2 4 2 Ри:
Этот процесс открывает возможность получения препаратов плутония с относительно низким у-излучением.
Рис. 6. Изменение соотношения изотопов плутония в процессе длительного облучения 2 з9Ри потоком нейтронов 3*10*4 н/см 2 с.
Таким образом, долгоживущие изотопы плутония - ^Ри и 2 44Ри образуются при длительном (около ста дней и более) облучении нейтронами 2 39Ри. При этом выход 2 4 2 Ри достигает нескольких десятков процентов, в то время как количество образовавшегося 2 44Ри составляет доли процента от ^Ри. Одновременно получаются Am, Cm и другие трансплутониевые, а также осколочные элементы.
При производстве плутония, уран (в виде металла) облучают в промышленном реакторе (тепловом или быстром), преимущества которого заключаются в высокой плотности нейтронов, невысокой температуре, в возможности облучения в течение времени намного меньшего, чем кампания реактора.
Основная проблема, возникшая при наработке в реакторе оружейного плутония, заключается в выборе оптимального времени облучения урана. Дело в том, что составляющий основную часть естественного урана изотоп 2 з 8 и захватывает нейтроны, образуя 23 9Ри, тогда как 2 ззи поддерживает цепную реакцию деления. Поскольку для образования тяжёлых изотопов плутония необходим дополнительный захват нейтронов, то количество таких изотопов в уране растёт медленнее, чем количество 2 39Ри. Уран, облучённый в реакторе короткое время, содержит небольшое количество 2 39Ри, зато - более чистого, чем при длительных выдержках, так как вредные тяжёлые изотопы не успели накопиться. Однако, 2 39Рц сам подвержен делению и при увеличении его концентрации в реакторе, скорость его трансмутации возрастает. Поэтому уран надо извлекать из реактора через несколько недель после начала облучения.
Рис. 7- Накопление изотопов плутония в реакторе: l - ^Pu; 2 - 240 Pu (при малых временах образуется плутоний оружейного качества, а при больших временах - реакторного, т.е. негодного к оружейному использованию).
Общую меру облученности топливного элемента выражают в мега- ватт-днях/тонна. Оружейный плутоний получается из элементов, с небольшим количеством МВт-день/т, в нём образуется меньше побочных изотопов. Топливные элементы в современных водо-водяных реакторах достигают уровня в 33000 МВт-день/т. Типичная экспозиция в бридерном реакторе юоо МВт-день/т. Во время Манхэттенского проекта топливо из природного урана получало всего юо МВт-день/т, поэтому, производился очень высококачественный 239 Ри (всего 1 % 2 4°Pll).
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.
