Сколько весит плутоний. Занимательная ядерная физика (13 фото)

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 был открыт в конце 1940 г. в Калифорнийском университете. Его синтезировали Мак-Миллан, Кеннеди и Валь, бомбардируя окись урана (U 3 O 8) сильно ускоренными в циклотроне ядрами дейтерия (дейтронами). Позднее было установлено, что при этой ядерной реакции сначала получается короткоживущий изотоп нептуний-238, а из него уже плутоний-238 с периодом полураспада около 50 лет. Годом позже Кеннеди, Сиборг, Сегрэ и Валь синтезировали более важный изотоп - плутоний-239 посредством облучения урана сильно ускоренными в циклотроне нейтронами. Плутоний-239 образуется при распаде нептуния-239; он испускает alfa-лучи и имеет период полураспада 24 000 лет. Чистое соединение плутония впервые получено в 1942 r. Затем стало известно, что существует природный плутоний, обнаруженный в урановых рудах, в частности в рудах, залегах в Конго.

Название элемента было предложено в 1948 г.: Мак-Миллан назвал первый трансурановый элемент нептунием в связи с тем, что планета Нептун - первая за Ураном. По аналогии элемент 94 решили назвать плутонием, так как планета Плутон является второй за Ураном. Плутон, открытый в 1930 г., получил свое название от имени бога Плутона - властителя подземного царства по греческой мифологии. В начале XIX в. Кларк предлагал наименовать плутонием элемент барий, производя это название непосредственно от имени бога Плутона, но его предложение не было принято.

Изотоп плутония 238 Pu впервые искусственно получен 23.02.1941 года группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом путем облучения ядер урана дейтронами. Только затем плутоний был обнаружен в природе: в ничтожно малых количествах 239 Pu обычно содержится в урановых рудах как продукт радиоактивного превращения урана. Плутоний - первый искусственный элемент, полученный в доступных для взвешивания количествах (1942г.) и первый, производство которого началось в промышленных масштабах.
В названии элемента продолжена астрономическая тема: он назван в честь Плутона, второй планеты, следующей за Ураном.

Нахождение в природе, получение:

В урановых рудах в результате захвата нейтронов (например, нейтронов из космического излучения) ядрами урана образуется нептуний(239 Np), продуктом b -распада которого и является природный плутоний-239. Однако плутоний образуется в таких микроскопических количествах (0,4-15 частей Pu на 10 12 частей U), что о его добыче из урановых руд не может быть и речи.
Плутоний получают в ядерных реакторах. В мощных потоках нейтронов происходит та же реакция, что и в урановых рудах, но скорость образования и накопления плутония в реакторе намного выше – в миллиард миллиардов раз. Для реакции превращения балластного урана-238 в энергетический плутоний-239 создаются оптимальные (в пределах допустимого) условия.
Плутоний-244 также накопили в ядерном реакторе. Изотоп элемента №95 – америция, 243 Am захватив нейтрон, переходил в америций-244; америций-244 переходил в кюрий, но в одном из 10 тыс. случаев происходил переход в плутоний-244. Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония-244 весом всего несколько миллионных долей грамма. Но их хватило для того чтобы определить период полураспада этого интереснейшего изотопа - 75 млн лет. Позднее он был уточнен и оказался равным 82,8 млн лет. В 1971 г. следы этого изотопа нашли в редкоземельном минерале бастнезите. 244 Pu – это самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов.

Физические свойства:

Серебристо-белый металл, имеет 6 аллотропных модификаций. Температура плавления 637°C, кипения - 3235°C. Плотность: 19,82 г/см 3 .

Химические свойства:

Плутоний способен реагировать с кислородом, с образованием оксида(IV), который, как у всех первых семи актиноидов, имеет слабый основный характер.
Pu + O 2 = PuO 2
Реагирует с разбавленной серной, соляной, хлорной кислотами.
Pu + 2HCl(p) = PuCl 2 + H 2 ; Pu + 2H 2 SO 4 = Pu(SO 4) 2 + 2H 2
Не реагирует с азотной и концентрированной серной кислотами. Валентность плутония меняется от трех до семи. Химически наиболее стабильны (а следовательно, наиболее распространены и наиболее изучены) соединения четырехвалентного плутония. Разделение близких по химическим свойствам актиноидов – урана, нептуния и плутония – может быть основано на разнице в свойствах их четырех- и шестивалентных соединений.

Важнейшие соединения:

Оксид плутония(IV) , PuO 2 , имеет слабый основный характер.
...
...

Применение:

Плутоний широко использовался в производстве ядерного оружия (т. н. «оружейный плутоний»). Первый ядерный заряд на основе плутония был взорван 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо (испытание под кодовым названием "Тринити").
Находит применение (экспериментально) в качестве ядерного топлива для атомных реакторов гражданского и исследовательского назначения.
Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. Если в обычном реакторе облучать плутоний-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-251 потребуется около 20 лет. Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках. Поэтому в реакторах из этого изотопа «делают» и накапливают в весовых количествах все элементы от калифорния до эйнштейния.

Коваленко О.А.
ХФ ТюмГУ

Источники:
"Вредные химические вещества: Радиоактивные вещества" Справочник Л. 1990 стр. 197
Рабинович В.А., Хавин З.Я. "Краткий химический справочник" Л.: Химия, 1977 стр. 90, 306-307.
И.Н. Бекман. Плутоний. (уч.пособие, 2009)

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).

В очередную годовщину бадабума на Хиросиме и Нагасаки я решил прошерстить интернет на вопросы ядерного оружия, где почему и как создавалось меня мало интересовало (я уже знал)-меня больше интересовала как 2 куска плутония не плавятся а делают большой бабах.

Приглядывайте за инженерами - они начинают с сеялки, а заканчивают атомной бомбой.

Ядерная физика - одна из самых скандальных областей почтенной естественной науки. Именно в эту область человечество на протяжении полувека бросало миллиарды долларов, фунтов, франков и рублей, как в паровозную топку опаздывающего поезда. Теперь поезд, похоже, уже не опаздывает. Бушующее пламя сгорающих средств и человеко-часов утихло. Попробуем вкратце разобраться, что же это за поезд под названием «ядерная физика».

Изотопы и радиоактивность

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Период полураспада

Здесь все просто. Периодом полураспада нестабильного изотопа называется промежуток времени, за который ровно половина атомов изотопа распадется и превратится в какие-то другие атомы. Уже знакомый нам тритий имеет период полураспада 12,32 года. Это - достаточно короткоживущий изотоп, хотя по сравнению с францием-223, у которого период полураспада составляет 22,3 минуты, тритий покажется седобородым аксакалом.

Никакие макроскопические внешние факторы (давление, температура, влажность, настроение исследователя, количество ассигнований, расположение звезд) не влияют на период полураспада. Квантовая механика нечувствительна к подобным глупостям.

Популярная механика взрыва

Суть любого взрыва - это стремительное высвобождение энергии, ранее находившейся в несвободном, связанном состоянии. Освободившаяся энергия рассеивается, преимущественно переходя в тепло (кинетическую энергию неупорядоченного движения молекул), ударную волну (тут тоже движение, но уже упорядоченное, по направлению от центра взрыва) и излучение - от мягкого инфракрасного до жестких коротковолновых квантов.

При химическом взрыве все относительно просто. Происходит энергетически-выгодная реакция, когда между собой взаимодействуют некие вещества. В реакции участвуют только верхние электронные слои некоторых атомов, а глубже взаимодействие не идет. Несложно догадаться, что скрытой энергии в любом веществе гораздо больше. Но каковы бы ни были условия опыта, сколь бы удачные реагенты мы ни подобрали, как бы ни выверяли пропорции - глубже в атом химия нас не пустит. Химический взрыв - явление примитивное, малоэффективное и, с точки зрения физики, до неприличия слабое.

Ядерная цепная реакция позволяет копнуть чуть глубже, включая в игру не только электроны, но и ядра. По-настоящему весомо это звучит, пожалуй, только для физика, а остальным приведу простую аналогию. Представьте себе гигантскую гирю, вокруг которой на расстоянии нескольких километров порхают наэлектризованные пылинки. Это атом, «гиря» - ядро, а «пылинки» - электроны. Что с этими пылинками ни делай, они не дадут и сотой доли той энергии, которую можно получить от увесистой гири. Особенно если в силу каких-то причин она расколется, и массивные обломки на огромной скорости разлетятся в разные стороны.

Ядерный взрыв задействует потенциал связи тяжелых частиц, из которых состоит ядро. Но это еще далеко не предел: скрытой энергии в веществе гораздо больше. И имя этой энергии - масса. Опять же, для не-физика это звучит немного непривычно, но масса - это энергия, только предельно сконцентрированная. Каждая частица: электрон, протон, нейтрон - все это мизерные сгустки невероятно плотной энергии, до поры до времени пребывающей в покое. Вы наверняка знаете формулу E=mc2, которую так полюбили авторы анекдотов, редакторы стенгазет и оформители школьных кабинетов. Она именно об этом, и именно она постулирует массу как не более чем одну из форм энергии. И она же дает ответ на вопрос, сколько энергии можно получить из вещества по максимуму.

Процесс полного перехода массы, то есть энергии связанной, в энергию свободную, называетсяаннигиляцией. По латинскому корню «nihil» несложно догадаться о ее сути - это превращение в «ничто», вернее - в излучение. Для ясности - немного цифр.

Взрыв Тротиловый эквивалент Энергия (Дж)

Граната Ф-1 60 грамм 2,50*105

Бомба, сброшенная на Хиросиму 16 килотонн 6,70*1013

Аннигиляция одного грамма материи 21,5 килотонн 8,99*1013

Один грамм любой материи (важна только масса) при аннигиляции даст больше энергии, чем небольшая ядерная бомба. По сравнению с такой отдачей смешными кажутся и упражнения физиков над расщеплением ядра, и уж тем более опыты химиков с активными реагентами.

Для аннигиляции нужны соответствующие условия, а именно - контакт материи с антиматерией. И, в отличие от «красной ртути» или «философского камня», антиматерия более чем реальна - для известных нам частиц существуют и исследованы аналогичные античастицы, а эксперименты по аннигиляции пар «электрон + позитрон» неоднократно проводились на практике. Но чтобы создать аннигиляционное оружие, необходимо собрать воедино некоторый весомый объем античастиц, а также ограничить их от контакта с любой материей вплоть до, собственно, боевого применения. Это, тьфу-тьфу, еще далекая перспектива.

Дефект массы

Последний вопрос, который осталось уяснить относительно механики взрыва, - это откуда все-таки берется энергия: та самая, которая высвобождается в ходе цепной реакции? Тут опять не обошлось без массы. Вернее, без ее «дефекта».

Вплоть до прошлого века ученые полагали, что масса сохраняется при любых условиях, и были по-своему правы. Вот мы опустили металл в кислоту - в реторте забурлило и сквозь толщу жидкости наверх устремились пузырьки газа. Но если взвесить реагенты до и после реакции, не забыв при этом и выделившийся газ, - масса сходится. И так будет всегда, пока мы оперируем килограммами, метрами и химическими реакциями.

Но стоит углубиться в область микрочастиц, как и масса тоже преподносит сюрприз. Оказывается, что масса атома может отнюдь не в точности равняться сумме масс частиц, его составляющих. При делении на части тяжелого ядра (к примеру, того же урана) «осколки» в сумме весят меньше, чем ядро до деления. За «разницу», также называемую дефектом массы, отвечают энергии связей внутри ядра. И именно эта разница уходит в тепло и излучение во время взрыва, причем все по той же простенькой формуле: E=mc2.

Это интересно: так сложилось, что тяжелые ядра энергетически выгодно делить, а легкие - объединять. Первый механизм работает в урановой или плутониевой бомбе, второй - в водородной. А из железа бомбу не сделать при всем желании: оно в этой линейке стоит ровно посередине.

Ядерная бомба

Соблюдая историческую последовательность, рассмотрим сначала ядерные бомбы и осуществим свой маленький «Манхэттенский проект». Я не стану утомлять вас занудными методиками разделения изотопов и математическими выкладками теории цепной реакции деления. У нас с вами есть уран, плутоний, прочие материалы, инструкция по сборке и необходимая доля научного любопытства.

Все изотопы урана нестабильны в той или иной степени. Но уран-235 - на особом положении. При самопроизвольном распаде ядра урана-235 (его еще называют альфа-распадом) образуются два осколка (ядра других, гораздо более легких элементов) и несколько нейтронов (обычно 2-3). Если образовавшийся при распаде нейтрон ударится о ядро другого атома урана, будет обычное упругое соударение, нейтрон отскочит и продолжит поиски приключений. Но через какое-то время он растратит энергию (идеально упругие соударения бывают только у сферических коней в вакууме), и очередное ядро окажется ловушкой - нейтрон поглотится им. Кстати, такой нейтрон физики называюттепловым.

Посмотрите на перечень известных изотопов урана. Среди них нет изотопа с атомной массой 236. А знаете, почему? Такое ядро живет доли микросекунд, а затем распадается с выделением огромного количества энергии. Это называется вынужденный распад. Изотоп с таким временем жизни даже как-то неловко называть изотопом.

Энергия, выделившаяся при распаде ядра урана-235, - это кинетическая энергия осколков и нейтронов. Если подсчитать общую массу продуктов распада ядра урана, а затем сравнить ее с массой первоначального ядра, то окажется, что эти массы не совпадают - первоначальное ядро было больше. Это явление называется дефектом массы, а его объяснение заложено в формуле E0=mс2. Кинетическая энергия осколков, деленная на квадрат скорости света, в точности будет равна разности масс. Осколки тормозятся в кристаллической решетке урана, рождая рентгеновское излучение, а нейтроны, попутешествовав, поглощаются другими ядрами урана или покидают урановую отливку, где все события и происходят.

Если урановая отливка маленькая, то большая часть нейтронов покинет ее, не успев затормозиться. А вот если каждый акт вынужденного распада вызовет хотя бы еще один такой же акт за счет испущенного нейтрона - это уже самоподдерживающаяся цепная реакция деления.

Соответственно, если увеличивать размер отливки, все большее количество нейтронов станет причиной актов вынужденного деления. И в какой-то момент цепная реакция станет неуправляемой. Но это еще далеко не ядерный взрыв. Просто очень «грязный» термический взрыв, при котором выделится большое количество очень активных и ядовитых изотопов.

Вполне закономерный вопрос - сколько нужно урана-235, чтобы цепная реакция деления стала лавинообразной? На самом деле не все так просто. Здесь играют роль свойства расщепляющегося материала и отношение объема к поверхности. Представьте себе тонну урана-235 (сразу оговорюсь - это очень много), которая существует в виде тонкой и очень длинной проволоки. Да, нейтрон, летящий вдоль нее, разумеется, вызовет акт вынужденного распада. Но доля нейтронов, летящих вдоль проволоки, окажется настолько малой, что говорить о самоподдерживающейся цепной реакции просто смешно.

Поэтому условились считать критическую массу для сферической отливки. Для чистого урана-235 критическая масса составляет 50 кг (это шарик радиусом 9 см). Сами понимаете, такой шарик долго не просуществует, впрочем, как и те, кто его отлили.

Если же шарик меньшей массы окружить отражателем нейтронов (для него прекрасно подходит бериллий), а в состав шарика ввести материал - замедлитель нейтронов (вода, тяжелая вода, графит, тот же бериллий), то критическая масса станет гораздо меньшей. Применяя наиболее эффективные отражатели и замедлители нейтронов, можно довести критическую массу до 250 грамм. Этого, к примеру, можно достигнуть, если поместить в сферическую бериллиевую емкость насыщенный раствор соли урана-235 в тяжелой воде.

Критическая масса существует не только для урана-235. Есть еще ряд изотопов, способных к цепной реакции деления. Главное условие - продукты распада ядра должны вызывать акты распада других ядер.

Итак, у нас есть две полусферических отливки урана массой по 40 кг. Пока они находятся на почтительном отдалении друг от друга, все будет спокойно. А если начать их медленно сдвигать? Вопреки распространенному мнению, не произойдет ничего грибообразного. Просто куски по мере сближения начнут нагреваться, а затем, если вовремя не одуматься, раскаляться. В конце концов они просто расплавятся и растекутся, а все, кто двигал отливки, дадут дуба от облучения нейтронами. А те, кто с интересом наблюдал за этим, склеят ласты.

А если быстрее? Быстрее расплавятся. Еще быстрее? Еще быстрее расплавятся. Охладить? Да хоть в жидкий гелий опустите - толку не будет. А если выстрелить одним куском в другой? О! Момент истины. Мы только что придумали урановую пушечную схему. Впрочем, гордиться нам особенно нечем, эта схема - самая простая и безыскусная из всех возможных. Да и от полушарий придется отказаться. Они, как показала практика, не склонны ровненько слипаться плоскостями. Малейший перекос - и получится очень дорогостоящий «пук», после которого долго придется убирать.

Лучше сделаем короткую толстостенную трубу из урана-235 с массой 30-40 кг, к отверстию которой приставим высокопрочный стальной ствол того же калибра, заряженный цилиндром из такого же урана примерно такой же массы. Окружим урановую мишень бериллиевым отражателем нейтронов. Вот теперь, если пальнуть урановой «пулей» по урановой «трубе» - будет полная «труба». То есть будет ядерный взрыв. Только пальнуть надо по-серьезному, так, чтобы дульная скорость уранового снаряда была хотя бы 1 км/с. Иначе опять же будет «пук», но погромче. Дело в том, что при сближении снаряда и мишени они настолько разогреваются, что начинают интенсивно испаряться с поверхности, тормозясь встречными газовыми потоками. Более того, если скорость недостаточна, то есть шанс, что снаряд просто не долетит до мишени, а испарится по дороге.

Разогнать до такой скорости болванку массой в несколько десятков килограмм, причем на отрезке в пару метров - задача крайне непростая. Именно поэтому потребуется не порох, а мощная взрывчатка, способная создать в стволе должное давление газов за очень короткое время. А ствол потом чистить не придется, не беспокойтесь.

Бомба Mk-I «Little Boy», сброшенная на Хиросиму, была устроена именно по пушечной схеме.

Есть, конечно, незначительные детали, которые мы не учли в нашем проекте, но против самого принципа не погрешили совершенно.

Так. Урановую бомбу мы взорвали. Грибом полюбовались. Теперь будем взрывать плутониевую. Только не надо тащить сюда мишень, снаряд, ствол и прочий хлам. Этот номер с плутонием не пройдет. Даже если мы пальнем одним куском в другой со скоростью в 5 км/с, все равно надкритической сборки не выйдет. Плутоний-239 успеет разогреться, испариться и изгадить все вокруг. Его критическая масса - чуть больше 6 кг. Можете себе представить, насколько он активнее в плане захвата нейтронов.

Плутоний - металл необычный. В зависимости от температуры, давления и примесей он существует в шести модификациях кристаллической решетки. Есть даже такие модификации, в которых он сжимается при нагревании. Переходы из одной фазы в другую могут совершаться скачкообразно, при этом плотность плутония может меняться на 25%.Давайте, как все нормальные герои, пойдем в обход. Вспомним, что критическая масса определяется, в частности, отношением объема к поверхности. Ладно, у нас есть шарик докритической массы, имеющий минимальную поверхность при заданном объеме. Скажем, 6 килограмм. Радиус шарика - 4,5 см. А если этот шарик сжать со всех сторон? Плотность возрастет пропорционально кубу линейного сжатия, а поверхность уменьшится пропорционально его же квадрату. И вот что получится: атомы плутония уплотнятся, то есть тормозной путь нейтрона сократится, а значит, увеличится вероятность его поглощения. Но, опять же, сжать с нужной скоростью (порядка 10 км/с) все равно не выйдет. Тупик? А вот и нет.

При 300°С наступает так называемая дельта-фаза - самая рыхлая. Если легировать плутоний галлием, нагреть его до этой температуры, а затем медленно охладить, то дельта-фаза сможет существовать и при комнатной температуре. Но она не будет стабильной. При большом давлении (порядка десятков тысяч атмосфер) произойдет скачкообразный переход в очень плотную альфа-фазу.

Поместим плутониевый шарик в большой (диаметр 23 см) и тяжелый (120 кг) пустотелый шар из урана-238. Не переживайте, у него нет критической массы. Зато он прекрасно отражает быстрые нейтроны. А они нам еще пригодятся.Думаете, взорвали? Как бы не так. Плутоний - чертовски капризная сущность. Придется еще поработать. Сделаем две полусферы из плутония в дельта-фазе. Сформируем в центре сферическую полость. И в эту полость поместим квинтэссенцию ядерно-оружейной мысли - нейтронный инициатор. Это такой маленький пустотелый шарик из бериллия диаметром 20 и толщиной 6 мм. Внутри его - еще один шарик из бериллия диаметром 8 мм. На внутренней поверхности пустотелого шарика - глубокие бороздки. Все это щедро никелировано и покрыто золотом. В бороздки помещается полоний-210, который активно испускает альфа-частицы. Вот такое вот чудо технологии. Как оно работает? Секундочку. У нас еще есть несколько дел.

Окружим урановую оболочку еще одной, из сплава алюминия с бором. Ее толщина - около 13 см. Итого, наша «матрешка» теперь растолстела до полуметра и поправилась с 6 до 250 кг.

Теперь изготовим имплозионные «линзы». Представьте себе футбольный мяч. Классический, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Изготовим такой «мяч» из взрывчатки, а каждый из сегментов снабдим несколькими электродетонаторами. Толщина сегмента - около полуметра. При изготовлении «линз» есть тоже масса тонкостей, но если их описывать, то на все остальное не хватит места. Основное - максимальная точность линз. Малейшая погрешность - и всю сборку раздробит бризантным действием взрывчатки. Полная сборка теперь имеет диаметр около полутора метров и массу 2,5 тонны. Завершает конструкцию электрическая схема, задача которой - подорвать детонаторы в строго определенной последовательности с точностью до микросекунды.

Все. Перед нами - плутониевая имплозионная схема.

А теперь - самое интересное.

При детонации взрывчатка обжимает сборку, а алюминиевый «толкатель» не дает распространиться спаду взрывной волны, распространяющемуся вслед за ее фронтом внутрь. Пройдя через уран со встречной скоростью около 12 км/с, волна сжатия уплотнит и его, и плутоний. Плутоний при давлениях в зоне сжатия порядка сотен тысяч атмосфер (эффект фокусировки взрывного фронта) перейдет скачком в альфа-фазу. За 40 микросекунд описанная здесь сборка уран-плутоний станет не просто надкритической, а превышающей критическую массу в несколько раз.

Дойдя до инициатора, волна сжатия сомнет всю его конструкцию в монолит. При этом золото-никелевая изоляция разрушится, полоний-210 за счет диффузии проникнет в бериллий, испускаемые им альфа-частицы, проходящие через бериллий, вызовут колоссальный поток нейтронов, запускающих цепную реакцию деления во всем объеме плутония, а поток «быстрых» нейтронов, рожденный распадом плутония, вызовет взрыв урана-238. Готово, мы вырастили второй гриб, ничуть не хуже первого.

Пример плутониевой имплозионной схемы - бомба Mk-III «Fatman», сброшенная на Нагасаки.

Все описанные здесь ухищрения нужны для того, чтобы заставить вступить в реакцию максимальное количество атомных ядер плутония. Основная задача - как можно дольше удержать заряд в компактном состоянии, не дать ему разлететься плазменным облаком, в котором цепная реакция мгновенно прекратится. Здесь каждая выигранная микросекунда - прирост одной-двух килотонн мощности.

Термоядерная бомба

Существует расхожее мнение, что ядерная бомба - запал для термоядерной. В принципе, все гораздо сложнее, но суть ухвачена верно. Оружие, основанное на принципах термоядерного синтеза, позволило добиться такой мощности взрыва, которая ни при каких условиях не может быть достигнута цепной реакцией деления. Но единственный пока источник энергии, позволяющий «поджечь» термоядерную реакцию синтеза, - это ядерный взрыв.

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

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

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

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

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

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

Именно достижению этого критерия и были посвящены все термоядерные программы.

Первая схема термоядерной бомбы, пришедшая в голову Эдварду Теллеру, была чем-то сродни попытке создать плутониевую бомбу по пушечной схеме. То есть вроде бы все правильно, но не работает. Устройство «классического супера» - жидкий дейтерий, в который погружена плутониевая бомба, - было и вправду классическим, но далеко не супер.

Мысль о взрыве ядерного заряда в среде жидкого дейтерия оказалась тупиковой изначально. При таких условиях мало-мальский выход энергии термоядерного синтеза мог быть достигнут при подрыве ядерного заряда мощностью 500 кт. А о достижении критерия Лоусона вообще говорить не приходилось.

Идея окружить ядерный заряд-триггер слоями термоядерного топлива, перемежающегося ураном-238 в качестве теплоизолятора и усилителя взрыва, Теллеру тоже приходила в голову. Да и не только ему. Первые советские термоядерные бомбы были построены именно по этой схеме. Принцип был достаточно простым: ядерный заряд прогревает термоядерное горючее до температуры начала синтеза, а рождающиеся при синтезе быстрые нейтроны взрывают слои урана-238. Однако ограничение оставалось прежним - при той температуре, которую мог обеспечить ядерный триггер, в реакцию синтеза могла вступить только смесь дешевого дейтерия и невероятно дорогого трития.

Позже Теллера посетила мысль использовать соединение дейтерид лития-6. Такое решение позволило отказаться от дорогих и неудобных криогенных емкостей с жидким дейтерием. К тому же в результате облучения нейтронами литий-6 превращался в гелий и тритий, вступавший с дейтерием в реакцию синтеза.

Недостатком этой схемы оказалась ограниченная мощность - в реакцию синтеза успевала вступить лишь ограниченная часть термоядерного горючего, окружавшего триггер. Остальное, сколько бы его ни было, шло на ветер. Максимальная мощность заряда, полученная при использовании «слойки», равнялась 720 кт (британская бомба Orange Herald). Судя по всему, это был «потолок».

Об истории разработки схемы Теллера-Улама мы уже говорили. Теперь давайте разберемся в технических деталях этой схемы, которую называют также «двухступенчатой» или «схемой обжатия излучением».

Наша задача - нагреть термоядерное топливо и удержать его в определенном объеме, чтобы выполнить критерий Лоусона. Оставляя в стороне американские упражнения с криогенными схемами, возьмем в качестве термоядерного топлива уже известный нам дейтерид лития-6.

В качестве материала контейнера для термоядерного заряда выберем уран-238. Контейнер - цилиндрической формы. По оси контейнера внутри его расположим цилиндрический стержень из урана-235, имеющий субкритическую массу.

На заметку: нашумевшая в свое время нейтронная бомба - это та же схема Теллера-Улама, но без уранового стержня по оси контейнера. Смысл в том, чтобы обеспечить мощный поток быстрых нейтронов, но не допустить выгорания всего термоядерного топлива, на которое станут расходоваться нейтроны.

Остальное свободное пространство контейнера заполним дейтеридом лития-6. Разместим контейнер в одном из концов корпуса будущей бомбы (это у нас будет вторая ступень), а в другом его конце смонтируем обычный плутониевый заряд мощностью в несколько килотонн (первая ступень). Между ядерным и термоядерным зарядами установим перегородку из урана-238, предотвращающую преждевременный разогрев дейтерида лития-6. Заполним остальное свободное пространство внутри корпуса бомбы твердым полимером. В принципе, термоядерная бомба готова.

При подрыве ядерного заряда 80% энергии выделяется в виде рентгеновского излучения. Скорость его распространения намного превышает скорость распространения осколков деления плутония. Через сотые доли микросекунды урановый экран испаряется, и рентгеновское излучение начинает интенсивно поглощаться ураном контейнера термоядерного заряда. В результате так называемой абляции (уноса массы с поверхности нагретого контейнера) возникает реактивная сила, сжимающая контейнер в 10 раз. Именно этот эффект называется радиационной имплозией или обжатием излучением. При этом плотность термоядерного топлива возрастает в 1000 раз. В результате колоссального давления радиационной имплозии центральный стержень из урана-235 также подвергается обжатию, хотя и в меньшей степени, и переходит в надкритическое состояние. К этому времени термоядерный блок подвергается бомбардировке быстрыми нейтронами ядерного взрыва. Пройдя через дейтерид лития-6, они замедляются и интенсивно поглощаются урановым стержнем.

В стержне начинается цепная реакция деления, быстро приводящая к ядерному взрыву внутри контейнера. Поскольку дейтерид лития-6 при этом подвергается абляционному обжатию снаружи и давлению ядерного взрыва изнутри, его плотность и температура еще больше возрастает. Этот момент - начало запуска реакции синтеза. Дальнейшее ее поддержание определяется тем, как долго контейнер будет удерживать термоядерные процессы внутри себя, не давая выхода тепловой энергии наружу. Именно этим и определяется достижение критерия Лоусона. Выгорание термоядерного топлива идет от оси цилиндра к его краю. Температура фронта горения достигает 300 миллионов кельвин. Полное развитие взрыва вплоть до выгорания термоядерного топлива и разрушения контейнера занимает пару сотен наносекунд - в двадцать миллионов раз быстрее, чем вы прочитали эту фразу.

Надежное срабатывание двухступенчатой схемы зависит от точной сборки контейнера и предотвращения его преждевременного разогрева.

Мощность термоядерного заряда для схемы Теллера-Улама зависит от мощности ядерного триггера, обеспечивающего эффективное обжатие излучением. Впрочем, сейчас существуют и многоступенчатые схемы, в которых энергия предыдущей ступени используется для обжатия последующей. Пример трехступенчатой схемы - уже упомянутая 100-мегатонная «кузькина мать».