2014-02-17
344
Дополнительные побочные изотопы плутония
Захват нейтрона, не сопровождающийся при этом актом деления, создает новые изотопы плутония: Pu-240, Pu-241 и Pu-242. Последние два накапливаются в незначительных количествах.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
Возможна и побочная цепочка реакций:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6,75 дней, бета-распад) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2,1 дня, бета-распад) -> Pu238
Общую меру облученности (отработанности) топливного элемента можно выразить в мегаватт-днях/тонну (МВт-день/т). Плутоний оружейного качества получается из элементов с небольшим количеством МВт-день/т, в нем образуется меньше побочных изотопов. Топливные элементы в современных водо-водяных реакторах достигают уровня в 33000 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)[33].
Минимизации массы и размера устройства способствует применение эффективного делящегося материала – урана-233 и плутония, легкой взрывчатой оболочки и тонкого бериллиевого отражателя.
При небольшой и легкой взрывчатой системе сжатие ядра будет неэффективным, и КПД устройства заметно снизится.
Увеличение слоя отражателя способствует уменьшению массы плутония:
Толщина Плутоний в алфа-фазебериллия (см) (плотность 19,25) (кг)| 0,00 | 10,47 |
| 5,22 | 5,43 |
| 8,17 | 4,66 |
| 13,0 | 3,93 |
| 21,0 | 3,22 |
| 32,0 | 2,47 |
Правда, толстый рефлектор, снижая критическую массу плутония, очень сильно увеличивает сами габариты устройства. Применение несколько сантиметрового слоя бериллия уменьшает радиус плутониевого ядра до 40–60% от самой толщины отражателя. В некоторых случаях, несмотря на то, что масса бериллиевой оболочки растет пропорционально кубу ее радиуса, разница в плотностях между бериллием и плутонием в 10:1 может дать снижение общей массы системы ядро/рефлектор.
Для нижнего предела диапазона мощности (десятки тонн) достаточно просто перевести плутоний из дельты в альфа состояние. В этом случае даже не требуется классическая имплозионная система, достаточно обеспечить гораздо меньшие давления в 10–20 тыс. атмосфер, этого хватит для схлопывания кристаллической структуры.
Делая минимально возможное по радиусу устройство, придется применять тонкий отражатель, слабую имплозионную систему – таким образом получится очень маломощное устройство с большим удельным расходом делящегося вещества – 10 кг плутония.
Абсолютный минимум массы бомбы определяется минимальной критической массой, достаточной для заметного энергетического выхода. Критическая масса для плутония в альфа-фазе 10,5 кг, еще 20–25% массы требуется для значительного взрыва, итого 13,5 кг. Отражатель из бериллия может уменьшить требуемое количество плутония, но для этого нужно создание эффективной имплозионной системы, увеличивающей общую массу. Так что действительный абсолютный минимум для веса ядерного заряда – 10–15 кг[34].
