Что такое оружейный плутоний

Технология производства оружейного плутония

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.

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

Атомы плутония образуются в результате цепи атомных реакций, начинающихся с захвата нейтрона атомом урана-238:

При продолжении облучения некоторые атомы плутония-239 способны в свою очередь захватить нейтрон и превратиться в более тяжелый изотоп плутоний-240:

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.

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.

2. Вторая, гораздо более важная причина. Уровень спонтанного деления у Pu-240 гораздо выше, что создает сильный нейтронный фон.

Плутоний, производящийся в специальных реакторах, содержит относительно небольшой процент Pu-240 ( Pu240

Возможна и побочная цепочка реакций:

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).

Источник

Плутоний. Описание плутония. Свойства плутония

Описание плутония

Плутоний (Plutonium) представляет собой тяжелый химический элемент серебристого цвета, радиоактивный металл с атомным числом 94, который в периодической таблице Менделеева обозначается символом Pu.

Данный электроотрицательный активный химический элемент относится к группе актиноидов с атомной массой 244,0642, и, как и нептуний, который получил свое название в честь одноименной планеты, своим названием этот химический обязан планете Плутон, поскольку предшественниками радиоактивного элемента в периодической таблице химических элементов Менделеева является уран и нептуний, которые также были названы в честь далеких космических планет нашей Галактики.

Происхождение плутония

Элемент плутоний впервые был открыт в 1940 году в Калифорнийском Университете группой ученых-радиологов и научных исследователей Г. Сиборгом, Э. Макмилланом, Кеннеди, А. Уолхом при бомбардировании урановой мишени из циклотрона дейтронами — ядрами тяжелого водорода.

В декабре того же года учеными был открыт изотоп плутония – Pu-238, период полураспада которого составляет более 90 лет, при этом было установлено, что под воздействием сложнейших ядерных химических реакций изначально получается изотоп нептуний-238, после чего уже происходит образование изотопа плутония-238.

В начале 1941 года ученые открыли плутоний 239 с периодом распада в 25 000 лет. Изотопы плутония могут иметь различное содержание нейтронов в ядре.

Чистое соединение элемента смогли получить только в конце 1942. Каждый раз, когда ученые-радиологи открывали новый изотоп, они всегда измеряли время периодов полураспада изотопов.

В настоящий момент изотопы плутония, которых всего насчитывается 15, отличаются по времени продолжительности периода полураспада. Именно с этим элементом связаны большие надежды, перспективы, но и в тот же момент, серьезные опасения человечества.

Плутоний имеет значительно большую активность, чем, к примеру, уран и принадлежит к самым дорогостоящим технически важным и значимым веществам химической природы.

Производство, добыча плутония считается затратной, а стоимость одного грамма металла в наше время уверенно держится на отметке в 4000 американских долларов.

Как получают плутоний? Производство плутония

Производство химического элемента происходит в атомных реакторах, внутри которых уран расщепляется под воздействием сложных химическо-технологических взаимосвязанных процессов.

Уран и плутоний являются главными, основными компонентами при производстве атомного (ядерного) горючего.

При необходимости получения большого количества радиоактивного элемента применяют метод облучения трансурановых элементов, которые можно получить из отработанного атомного топлива и облучения урана. Протекание сложных химических реакций позволяет отделить металл от урана.

Чтобы получить изотопы, а именно плутоний-238 и оружейный плутоний-239, которые представляют собой промежуточные продукты распада, используют облучение нептуния-237 нейтронами.

Ничтожно малую часть плутония-244, который является самым «долгоживущим» вариантом изотопа, по причине его длительного периода полураспада, обнаружили при исследованиях в цериевой руде, которая, скорее всего, сохранилась с момента формирования нашей Планеты Земля. В естественном виде в природе данный радиоактивный элемент не встречается.

Основные физические свойства и характеристики плутония

Плутоний — довольно тяжелый радиоактивный химический элемент серебристого цвета, который блестит только в очищенном виде. Атомная масса металла плутоний равна 244 а. е. м.

По причине своей высокой радиоактивности данный элемент теплый на ощупь, может разогреться до температуры, которая превышает температурный показатель при кипении воды.

Плутоний, под воздействием атомов кислорода быстро темнеет и покрывается радужной тонкой пленочкой изначально светло-желтого, а затем насыщенного красно — коричневого или бурого оттенка.

При сильном окислении происходит образование на поверхности элемента изумрудно — желтого порошка PuO2. Данный вид химического металла подвержен сильным процессам окисления и воздействия коррозии даже при незначительном уровне влажности.

Соли металла быстро нейтрализуются в средах с нейтральной реакцией, щелочных растворах, при этом образовывая нерастворимый гидрооксид плутония.

Температура, при которой происходит плавление плутония равна 641 градусам Цельсия, температура кипения – 3230 градусов.

Под воздействием высоких температурных режимов происходят неестественные изменения плотности металла. В твердом виде плутоний обладает различными фазами, имеет шесть кристаллических структур.

При расплавлении происходит сильное сжатие элемента, поэтому металл может держаться на поверхности воды и других неагрессивных жидких сред.

Несмотря на то, что данный радиоактивный элемент принадлежит к группе химических металлов, элемент довольно летуч, и при нахождении в закрытом пространстве за непродолжительный период времени увеличивается и возрастает в несколько раз его концентрация в воздухе.

К основным физическим свойствам металла можно отнести: невысокую степень, уровень теплопроводности из всех существующих и известных химических элементов, низкий уровень электропроводности, в жидком состоянии плутоний относится к одним из наиболее вязких металлов.

Стоит отметить, что любые соединения плутония относятся к токсичным, ядовитым и представляют серьезную опасность облучения для человеческого организма, которое происходит по причине активного альфа-излучения, поэтому все работы нужно выполнять предельно внимательно и только в специальных костюмах с химической защитой.

Больше о свойствах, теориях происхождения уникального металла можно прочитать в книге Обручева «Плутония». Автор В.А. Обручев приглашает читателей окунуться в удивительный и уникальный мир фантастической страны Плутония, которая расположена в глубине недр Земли.

Применение плутония

Промышленный химический элемент принято классифицировать на оружейный и реакторный («энергетический») плутоний.

Так, для производства ядерного вооружения из всех существующих изотопов допустимо применять только плутоний 239, в котором не должно быть более 4.5% плутония 240, так как он подвержен самопроизвольному делению, что значительно затрудняет изготовление боевых снарядов.

Плутоний-238 находит применение для функционирования малогабаритных радиоизотопных источников электрической энергии, к примеру, в качестве источника энергии для космической техники.

Несколько десятилетий тому назад плутоний применяли в медицине в кардиостимуляторах (приборы для поддержания сердечного ритма).

Если провести сравнение ядерного плутония с чистым металлом, изотоп обладает более высокими металлическими параметрами, не имеет фаз перехода, поэтому его широко используют в процессе получения элементов топлива.

Оксиды изотопа Плутония 242 также востребованы как источник питания для космических летальных агрегатов, техники, в ТВЭЛах.

Оружейный плутоний – это элемент, который представлен в виде компактного металла, в котором содержится не меньше 93% изотопа Pu239.

Данный вид радиоактивного металла применяют про производстве различных видов ядерного оружения.

Получают оружейный плутоний в специализированных промышленных атомных реакторах, которые функционируют на природном или на низкообогащенном уране, в результате захвата им нейтронов.

Источник

Оружейный и реакторный плутоний

239 Pu накапливаеться в обычном энергетическом реакторе на урановом топливе в результате нейтронного захвата изотопом 238 U.Одновременно с этим происходит основная реакция деления изотопа 235 U сопровождающаяся выдел поэтому для того, чтобы его можно было использовать в качестве топлива в легководных реакторвах, естественный уран обогащают, доводя содержание 235 U до 3-4%. После одного года работы типичного ЛВР мощностью 1000 МВт образуется около 200 кг плутония из которых около 150 кг составляет 239 Pu.

Таким образом, при работе атомного уранового реактора в его топливных стержнях накапливаются различные изотопы плутония.

Плутоний, производимый в топливных элементах обычных промышленных атомных реакторов, подвергшихся экспозиции 33000 МВт*сут/т уранового топлива, имеет приблизительно следующий изотопный состав:

Количества изотопов зависят от степени выгорания уранового топлива (табл.4).

Таблица 4- Изотопный состав оружейного плутония.

Лишь два из пяти изотопов плутония, 239 Pu и 241 Pu, являются расщепляющимися (делящимися), т.е. способными к расщеплению в результате захвата тепловых (медленных) нейтронов, и в принципе пригодны для использования в качестве реакторного топлива. Поэтому, если речь идет о возможности использования плутония в качестве реакторного топлива, важно знать только количество 239 Pu и 241 Pu, обозначаемое Puf от слов Pu (плутоний) и fissile (делящийся). Полное же количество всех изотопов плутония обозначается Put от слова total (полный, общий, итоговый).

Хотя предначальное воспламенение уменьшает мощность взрыва ядерного взрывного устройства, изготовленного из реакторного плутония, можно утверждать, что мощность взрыва сравнительно простого взрывного устройства из реакторного плутония, подобного бомбе, взорванной в Нагасаки, будет равно примерно одной или нескольким килотоннам, даже если предначальное воспламенение произойдет в наименее благоприятный момент. В Японии и некоторых европейских странах сторонники плутония продолжают утверждать, что из-за предначального воспламенения реакторный плутоний практически не может быть использован в ядерном оружии, и что поэтому плутониевые программы в этих странах, основанные на выделении и использовании реакторного плутония, следует рассматривать исключительно как «мирные». Однако это мнение противоречит фактам, признанным международной научной общественностью. В докладе американской Национальной Академии наук, выпущенном в 1994 году и посвященном утилизации ядерных оружейных материалов, утверждается, что «плутоний практически любого изотопного состава может быть использован в ядерном оружии».

МОКС-топливо

Реактор на БН может вырабатывать плутоний в результате захвата нейтронов ядрами 238 U, находящегося в активной зоне реактора и в окружающем ее бланкете, в то время как плутоний (МОКС-топливо с 20-30% плутония) «горит» в активной зоне. Такой реактор называют размножителем или бридером, поскольку он вырабатывает больше плутония, чем потребляет. Смысл бридера в том, что он повышает эффективность использования ресурсов урана в целых 60 раз, и он позволяет преобразовать ранее остававшийся без применения 238 U в плутоний и одновременно вырабатывать полезную мощность. Из-за этих заманчивых перспектив реактор на БН стал с самого начала развития атомной промышленности ее «голубой мечтой», почти «вечным двигателем».

Отметим далее, что размножение плутония происходит не так быстро, как хотелось бы: время удвоения, то есть время, за которое один бридер создает достаточно плутония для загрузки другого такого же реактора (40 лет), значительно превышает время жизни первого реактора (не более 30 лет). Это указывает на другую ключевую проблему бридера: в конечном итоге для его эксплуатации должна быть создана система, включающая множество этапов, в том числе выделение плутония, загрузка топлива в реакторы, переработка отработавшего топлива и бланкета.

Применение МОКС в качестве ядерного топлива: проблемы безопасности

Источник

Плутоний

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

Физические свойства плутония

Основные физические свойства плутония:
Температура плавления: 641 °C;
Температура кипения: 3232 °C;
Плотность: 19.84 (в альфа-фазе).

Фаза Плотность Диапазон существования (°C)

альфа 19.84 (20 °C) стабильна ниже 122

Металлургия плутония

Токсичность плутония

Оружейный плутоний

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-242 менее чем 0.05% менее чем 0.05% следы

Реакторный плутоний

Реакторы: на легкой воде CANDU MAGNOX

Типичный 33000МВт-день/т 7500МВт-день/т 3000МВт-день/т

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%

Возможности обогащения плутония

Денатурированный плутоний

Источник

Про оружейный плутоний

Часть 1-я, историческая

Немного цифр: согласно оценкам ученых, за годы «холодной войны» СССР/Россия и США наработали 1050 и 650 т соответственно высокообогащенного урана и 125 и 100 т плутония оружейной кондиции.

С конца 1990-х США и Россия разрабатывали соглашения по утилизации избыточного оружейного плутония. В августе-сентябре 2000-го года США и Россия подписали Соглашение об утилизации плутония. Соглашение предусматривало переработку 34 тонн плутония каждой из сторон: изначально, в 2001 году, планировалось начать утилизацию с 2007 года в объёме не менее 2 тонн в год. Но. Не договорились. А вот причина разногласий, на мой взгляд, довольно любопытна и отнюдь не тривиальна.

Итак, в октябре 2000 года (уже после подписания Соглашения) в Брюсселе прошла международная конференция “Плутоний-2000”, в которой приняли участие более 300 представителей разных областей науки из Европы, США, России и Японии. С тем, что мировые запасы плутония нужно сокращать, согласились все. Но возникли серьёзные разногласия в том, считать ли плутоний ценным энергетическим ресурсом для будущих поколений или отходами.

Приверженцы «плутония-ресурса» признавали, что сегодня сегодня оружейный плутоний имеет ряд минусов с точки зрения рынка. В то же время, как и уран, плутоний способен стать ограничителем цен на исчерпаемые энергоносители; при этом, в отличие от урана, может обеспечить нас практически неистощимым и возобновляемым источником энергии.

Сторонники «плутония-отходов» (включая Россию) предлагали производить из смеси урана и плутония топливо (т.н. MOX-топливо), и затем сжигать его в обычных реакторах на атомных электростанциях. Более того, эта технология была уже отработана и более 30 европейских атомных станций перешли с уранового топлива на смешанное.

Давайте рассмотрим конкретно предложения России и США:

Если часть уранового топлива в реакторе на тепловых нейтронах заменить на MOX, т.е. уменьшить нагрузку по U235, можно добиться примерно равного количества плутония в загружаемом и выгружаемом материале. А реактор на быстрых нейтронах (например, разработанный институтами Минатома России реактор с натриевым теплоносителем БН-800) способен к полному сжиганию значительного количества плутония любого качества, причем содержание его в топливе может быть заметно больше, чем при работе на тепловых нейтронах.

Американская концепция “банка в канистре” (“can-in-canister”) предполагала для предотвращения несанкционированного доступа и извлечения плутония заливать плутониевую керамику радиоактивным стеклом, содержащим мощный гамма-излучатель цезий-137. Таким образом создается “непроходимый” радиационный барьер на пути к плутонию, такой же эффективный, какой создают продукты деления в облученном MOX-топливе. Однако залитый стеклом плутоний сохраняет свой исходный оружейный изотопный состав, в то время как в MOX-топливе, прошедшем через реактор, он теряет “оружейное качество”.

Источник