Производство плутония

Синтез новых элементов

Производство оружейного плутония

Приложение 2

Преобразование одних атомов в другие происходит при взаимодействии атомных или субатомных частиц. Из таковых доступны в больших количествах только нейтроны. Гигаваттный ядерный реактор производит около 3,75 кг (или 4*10³⁰) нейтронов в течение года.

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

U²³⁸ + n -> U²³⁹ -> Np²³⁹ -> Pu²³⁹

или, более точно:

₀n¹ + ₉₂U²³⁸ -> ₉₂U²³⁹ -> _-1 e ⁰ + ₉₃Np²³⁹ -> _-1 e ⁰ + ₉₄Pu²³⁹

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

Pu²³⁹ + n -> Pu²⁴⁰

Чтобы получать плутоний в достаточном количестве, нужны сильнейшие нейтронные потоки. Такие как раз создаются в атомных реакторах. В принципе, любой реактор является источником нейтронов, но для промышленного производства плутония естественно использовать специально разработанный для этого.

Самый первый в мире промышленный реактор по производству плутония – B-реактор в Хэнфорде. Заработал 26 сентября 1944, мощность – 250 МВт, производительность – 6 кг плутония в месяц. Он содержал около 200 тонн металлического урана, 1200 тонн графита и охлаждался водой со скоростью 5 кубометров/мин.

Схема его работы. В реакторе для облучения урана-238 создаются нейтроны в результате стационарной цепной реакции деления ядер урана-235. В среднем на одно деление U-235 возникает 2,5 нейтрона. Для поддержания реакции и одновременной наработки плутония необходимо, чтобы в среднем один или два нейтрона поглотились бы U-238, а один вызвал бы деление следующего атома U-235.

Нейтроны, возникающие при делении урана, обладают очень большими скоростями. Атомы урана устроены таким образом, что захват быстрых нейтронов ядрами и U-238 и U-235 маловероятен. Поэтому быстрые нейтроны, испытав несколько соударений с окружающими атомами, постепенно замедляются. При этом ядра U-238 так сильно поглощают такие нейтроны (промежуточных скоростей), что ничего не остается для деления U-235 и поддержания цепной реакции (U-235 делится от медленных, тепловых нейтронов).

С этим борется замедлитель, окружающее блоки с ураном какое-нибудь легкое вещество. В нем нейтроны тормозятся без поглощения, испытывая упругие столкновения, в каждом из которых теряется малая часть энергии. Хорошими замедлителями являются вода, углерод. Таким образом, замедленные до тепловых скоростей нейтроны путешествуют по реактору, пока не вызовут деление U-235 (U-238 поглощает их очень слабо). При определенной конфигурации замедлителя и урановых стержней создадутся условия для поглощения нейтронов и U-238 и U-235.

Изотопный состав получаемого плутония зависит от длительности нахождения в реакторе урановых стержней. Значительное накопление Pu-240 происходит в результате длительного облучения кассеты с ураном. При маленьком времени нахождения урана в реакторе получается Pu-239 с незначительным содержанием Pu-240.

Pu-240 вреден для производства оружия по следующим причинам:

1. Он менее делящийся материал, чем Pu-239, поэтому требуется чуть большее количество плутония для изготовления оружия.

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

В самые первые годы разработки атомного оружия испускание нейтронов (сильный нейтронный фон) было проблемой на пути к надежному и эффективному заряду из-за преждевременной его детонации. Сильные потоки нейтронов делали сложным или невозможным сжатие ядра бомбы, содержащего несколько килограммов плутония, в надкритичное состояние – до этого оно разрушалось сильнейшим, но все-таки не максимально возможным энерговыходом. Приход смешанных ядер – содержащих высокообогащенный U-235 и плутоний (в конце 1940-х) – преодолел это затруднение, когда стало возможным применять относительно маленькое количество плутония в по большей части урановых ядрах. Следующее поколение зарядов – устройства с усилением за счет синтеза (в середине 1950-х) – полностью исключило это затруднение, гарантируя высокое выделение энергии даже при маломощных начальных зарядах деления.

Плутоний, производящийся в специальных реакторах, содержит относительно небольшой процент Pu-240 (<7%), плутония «оружейного качества»; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20% (плутоний «реакторного качества»).

В реакторах специального назначения уран находится относительно небольшой промежуток времени, в течение которого выгорает не весь U-235 и не весь U-238 переходит в плутоний, зато образуется и меньшее количество Pu-240.

Имеются две причины для производства плутония с низким содержанием Pu-240:

Экономическая: единственная причина существования плутониевых спецреакторов. Распад плутония в результате деления или превращение его в менее делящийся Pu-240 уменьшают отдачу и увеличивают стоимость производства (вплоть до точки, где его цена будет балансировать с ценой обработки облученного топлива с маленькой концентрацией плутония).

Сложность обращения: хотя испускание нейтронов не является такой уж серьезной проблемой для конструкторов оружия, оно может создать сложности в производстве и с обращением с таким зарядом. Нейтроны оказывают дополнительное воздействие при профессиональном облучении тех, кто собирает или обслуживает оружие (сами нейтроны не обладают ионизирующим действием, но они создают протоны, способные на это). В действительности заряды, предполагающие непосредственный контакт с людьми, например Davy Crocket, могут потребовать по этой причине сверхчистого плутония с низким уровнем испускания нейтронов.

Непосредственная отливка и обработка плутония выполняется вручную в герметичных камерах с перчатками для оператора.

Это подразумевает совсем небольшую защиту человека от испускающего нейтроны плутония. Поэтому плутоний с большим содержанием Pu-240 обрабатывается только манипуляторами, либо жестко ограничивается время работы с ним каждого работника.

Все эти причины (радиоактивность, худшие свойства Pu-240) объясняют, почему плутоний реакторного качества не применяется для изготовления оружия – дешевле нарабатывать оружейный плутоний в спец. реакторах. Хотя и из реакторного тоже, по всей видимости, можно изготовить ядерное взрывное устройство.

Это кольцо из электролитически очищенного металлического плутония (чистота более 99,96%). Типичное из колец, подготавливаемых в Лос-Аламосе и отправляемых в Роки Флетс для изготовления оружия, до недавнего приостановления его производства. Масса кольца 5,3 кг, достаточная для изготовления современного стратегического заряда, диаметр – примерно 11 см. Кольцевая форма важна для обеспечения критической безопасности.