Оружейный плутоний

Соглашение и протоколы

Разработка соглашения началась в 1998 г., в 2000 г. состоялось его подписание (в Москве 29 августа, в Вашингтоне 1 сентября). Однако на согласование процесса реализации ушло еще десять лет. Вступление в силу документа стало возможным лишь после подписания двух протоколов (15 сентября 2006 г. и 13 апреля 2010 г.), отражающих новую интерпретацию ряда технических вопросов и прочие изменения. Соглашение 2000 г. и два протокола вступили в силу 13 июля 2011 г. Вместе они образуют единое обновленное соглашение. В соответствии с ним каждая из сторон обязалась приступить к утилизации 34 тонн избыточного оружейного плутония (25 тонн в форме металла и 9 тонн в виде диоксидного порошка) в 2018 г. и завершить процесс через 15-20 лет.


Обе стороны договорились использовать один метод утилизации, а именно — перевод всех 34 тонн в МОКС-топливо. Другие способы утилизации должны быть согласованы сторонами, а договоренность должна быть закреплена в письменном виде (это положение зафиксировано в ст. 3 протокола 2010 г.).

Утилизация

С конца 1990-х США и Россия разрабатывали соглашения по утилизации избыточного оружейного плутония.

2 сентября 1998 года президенты России и США приняли Совместное заявление «О принципах обращения и утилизации плутония, заявленного как не являющегося более необходимым для целей обороны».

Соглашение об утилизации плутония, не являющегося более необходимым для целей обороны, было подписано 29 августа 2000 года в Москве и 1 сентября 2000 года в Вашингтоне вице-президентом США Альбертом Гором и премьер-министром России Михаилом Касьяновым. Ратификация проведена в июне 2011 года. 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. По сообщениям от 2010 года, начало утилизации планировалось на 2018 год

Осенью 2016 года Россия направила США уведомление о приостановлении действия соглашения, в связи с неисполнением США взятых на себя обязательств.

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.

Что такое плутоний


Плутоний — это искусственный химический элемент, имеющий атомный номер 94 и символ Pu, В периодической таблице элементов плутоний находится в ряду актинидов среди элементов f блока. При комнатной температуре и давлении он находится в твердом состоянии. Электронная конфигурация этого элемента может быть задана как 5f.67s2, Следовательно, в орбитали есть шесть электронов.

Рисунок 1: Атомная структура плутония

Относительная атомная масса плутония дана как 244 а.е.м. Температура плавления плутония была найдена как 640оC. Но у него необычно высокая температура кипения, которая составляет около 3228оC. Существуют три основных синтетических изотопа плутония. Они есть 238Pu, 239Пу и 240Pu. Плутоний — яркий серебристо-серый металл. Но это может быть быстро окислено, получая унылый серый цвет.

Плутоний является высоко радиоактивным элементом. Это имеет тенденцию подвергаться альфа-распаду, который включает в себя распад через высвобождение альфа-частиц. 239Пу и 241Пу (следы) являются делящимися. Это означает, что они могут выдержать цепную реакцию ядерного деления

Важно, чтобы эти изотопы использовались в ядерном оружии

Период полураспада радиоактивного материала — это время, необходимое для того, чтобы образец этого элемента стал половиной первоначальной массы в результате радиоактивного распада. 238Пу имеет период полураспада 88 лет. 241Пу имеет период полураспада 14 лет. Другие изотопы плутония имеют значительно очень высокие периоды полураспада. Следовательно, 238Пу и 241Pu — самые нестабильные изотопы плутония.

Плутоний обычно имеет четыре степени окисления. Это +3, +4, +5 и +6. Соединения этих состояний окисления являются красочными. Цвет соединения зависит от степени окисления плутония. Хотя очень следовые количества 238Пу и 239Пу можно найти в природе, эти количества ничтожно малы. Его получают в основном как искусственный элемент, производя его из 238U (Уран-238).

Сюжет

Эта страница использует материалы Википедии. Оригинальная статья располагается на Плутония (роман). Список авторов можно увидеть там же на странице истории. Как и на Вымершие животные вики, текст Википедии доступен в соответствие с Creative Commons Licensed.

Начало 1914 года. Геофизик и астроном Николай Иннокентьевич Труханов снаряжает экспедицию в полярные регионы. В состав экспедиции приглашены геолог Пётр Иванович Каштанов, зоолог Семён Семёнович Папочкин, метеоролог Иван Андреевич Боровой, ботаник и врач Михаил Игнатьевич Громеко. Труханов убеждён, что на месте последнего «белого пятна» в Арктике находится неисследованный остров — земля Нансена.

Судно «Полярная звезда» отплывает из Петропавловска, забрав каюра Илью Степановича Иголкина, который будет отвечать за ездовых собак и нарты. Проходя Берингов пролив судно подбирает золотоискателя-авантюриста, горного инженера Якова Макшеева. Прибыв на землю Нансена Труханов, будучи калекой, остаётся на корабле, а остальные члены экспедиции двигаются в глубь земли. Труханов передаёт Каштанову пакет, который он наказывает открыть если участники экспедиции будут в недоумении что им делать, но без надобности пакет не открывать.

Путешественники переходят горный хребет и спускаются по другой его части. Прорубившись через странную гряду торосов на дне герои начинают подъём, но к всеобщему удивлению судя по показаниям гипсотермометра они спускаются на невиданную доселе глубину. Полярное солнце стоит в зените, к тому же у него другой угловой размер и пятна. Герои оказываются в тундре где бродят мамонты и шерстистые носороги. Участники решают вскрыть конверт, и читают письмо Труханова. Он пишет, что снарядил экспедицию с другой целью. Его посещали идеи о том, что Земля внутри пустотела, и имеет свой животный и растительный мир, освещаемый своим светилом. Доказать или опровергнуть его гипотезу могла лишь специальная экспедиция. По расчётам в земле Нансена должен был располагаться вход в полость Земли. Герои понимают, что попали в пустую полость Земли, а «солнце» — на самом деле некое планетарное тело, которое участники экспедиции назвали Плутоном, в честь римского бога подземного мира, а всю подземную полость — Плутонией.

Они решают, что Боровой и Иголкин останутся стеречь собак и снаряжение, а остальные участники экспедиции, взяв с собой одну из собак — Генерала, двинутся в глубь Плутонии по реке Макшеева. Путешественники обнаруживают, что по мере спуска вниз по реке животный и растительный мир меняется от плейстоценовой эпохи к более древним временам — к плиоцену, к миоцену и т. д. Участники доходят до места впадении реки в море Ящеров, которое находится в зоне юрского периода. Герои обнаруживают в данной зоне помимо характерных для юрского периода животных — динозавров, птеродактилей, чудовищных муравьёв, которые уносят все их вещи в муравейник. Оказавшись в безвыходной ситуации герои подходят к краю безграничной Чёрной пустыни, собирают в кратере серу, сделав сернистый газ отравляют весь муравейник и спасают свои вещи. С другими муравьями герои ведут постоянные сражение. Участники экспедиции обнаруживают величайшие богатства Плутонии — огромные залежи золота, серебра, меди, железа.

Исследовав море Бронтозавров герои решают возвращаться обратно. Вернувшись, они обнаруживают, что Борового и Иголкина похитили первобытные люди. Борового и Иголкина удаётся спасти и все герои, целые и невредимые возвращаются на земную поверхность и на «Полярную звезду», где их ждёт Труханов. На корабле они рассказывают о своих приключениях и беседуют о загадках Плутонии.

«Полярную звезду» встречает австро-венгерский крейсер «Фердинанд», экипаж которого захватывает «Полярную звезду» и сообщает о начавшейся войне, согласно её законам судно и его груз конфискуется до окончания войны. Весь экипаж «Полярной звезды» высаживают на Камчатке и разрешают взять только записные книжки и провизию. Позже герои добираются до России и сообщают о захвате «Полярной звезды». Позднее моряки находят брошенное и полностью обобранное судно.

Начинается смутное время. Одни участники экспедиции погибают на фронте, другие умирают. Коллекции, собранные в Плутонии, пропали. Труханов уже не надеется на их обратное получение.

Применение

Плутоний-238 используют в радиоизотопных источниках энергии (например, в РИТЭГ-ах). Ранее (до появления литиевых батарей) использовались в кардиостимуляторах.

США использовали РИТЭГ-и с плутонием-238 на примерно 30 космических аппаратах НАСА, включая «Вояджеры» и «Кассини». Так, космический аппарат «Кассини» содержал три РИТЭГ-а с 33 килограммами диоксида плутония-238, которые обеспечивали генерацию 870 ватт электрической мощности. Марсоход «Кьюриосити» несёт РИТЭГ-и с 4,8 кг плутония-238, обеспечивающие 125 Вт электрической мощности. Кроме электрической генерации, РИТЭГ-и своим тепловыделением поддерживают тепловой баланс космических аппаратов и роверов.

Образование и распад

Плутоний-239 образуется в результате следующих распадов:

β−-распад нуклида 239Np (период полураспада составляет 2,356(3) суток):

93239Np→94239Pu+e−+ν¯e;{\displaystyle \mathrm {^{239}_{93}Np} \rightarrow \mathrm {^{239}_{94}Pu} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e};}

e-захват, осуществляемый нуклидом 239Am (период полураспада составляет 11,9(1) ч):

95239Am+e−→94239Pu+ν¯e;{\displaystyle \mathrm {^{239}_{95}Am} +e^{-}\rightarrow \mathrm {^{239}_{94}Pu} +{\bar {\nu }}_{e};}

α-распад нуклида 243Cm (период полураспада составляет 29,1(1) лет):

96243Cm→94239Pu+24He.{\displaystyle \mathrm {^{243}_{96}Cm} \rightarrow \mathrm {^{239}_{94}Pu} +\mathrm {^{4}_{2}He} .}

Распад плутония-239 происходит по следующим направлениям:

α-распад в 235U (вероятность 100 %, энергия распада 5 244,51(21) кэВ):

94239Pu→92235U+24He;{\displaystyle \mathrm {^{239}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm {^{235}_{92}U} +\mathrm {^{4}_{2}He} ;}

энергия испускаемых α-частиц

5 105,5 кэВ (в 11,94 % случаев);
5 144,3 кэВ (в 17,11 % случаев);
5 156,59 кэВ (в 70,77 % случаев).

Спонтанное деление (вероятность 3,1(6)⋅10−10 %);

Образование и распад

Плутоний-239 образуется в результате следующих распадов:

β−-распад нуклида 239Np (период полураспада составляет 2,356(3) суток):

93239Np→94239Pu+e−+ν¯e;{\displaystyle \mathrm {^{239}_{93}Np} \rightarrow \mathrm {^{239}_{94}Pu} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e};}

e-захват, осуществляемый нуклидом 239Am (период полураспада составляет 11,9(1) ч):

95239Am+e−→94239Pu+ν¯e;{\displaystyle \mathrm {^{239}_{95}Am} +e^{-}\rightarrow \mathrm {^{239}_{94}Pu} +{\bar {\nu }}_{e};}

α-распад нуклида 243Cm (период полураспада составляет 29,1(1) лет):

96243Cm→94239Pu+24He.{\displaystyle \mathrm {^{243}_{96}Cm} \rightarrow \mathrm {^{239}_{94}Pu} +\mathrm {^{4}_{2}He} .}

Распад плутония-239 происходит по следующим направлениям:

α-распад в 235U (вероятность 100 %, энергия распада 5 244,51(21) кэВ):

94239Pu→92235U+24He;{\displaystyle \mathrm {^{239}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm {^{235}_{92}U} +\mathrm {^{4}_{2}He} ;}

энергия испускаемых α-частиц

5 105,5 кэВ (в 11,94 % случаев);
5 144,3 кэВ (в 17,11 % случаев);
5 156,59 кэВ (в 70,77 % случаев).

Спонтанное деление (вероятность 3,1(6)·10−10 %);

Вынужденное деление

Основная статья: Деление ядра

Кривая выхода продуктов деления урана-235 для различных энергий делящих нейтронов

В начале 1930-х годах Энрико Ферми проводил облучение урана нейтронами, преследуя цель получить таким образом трансурановые элементы. Но в 1939 году О. Ган и Ф. Штрассман смогли показать, что при поглощении нейтрона ядром урана происходит вынужденная реакция деления. Как правило, ядро делится на два осколка, при этом высвобождается 2—3 нейтрона (см. схему).

В продуктах деления урана-235 было обнаружено около 300 изотопов различных элементов: от Z = 30 (цинк) до Z = 64 (гадолиний). Кривая зависимости относительного выхода изотопов, образующихся при облучении урана-235 медленными нейтронами, от массового числа — симметрична и по форме напоминает букву «M». Два выраженных максимума этой кривой соответствуют массовым числам 95 и 134, а минимум приходится на диапазон массовых чисел от 110 до 125. Таким образом, деление урана на осколки равной массы (с массовыми числами 115—119) происходит с меньшей вероятностью, чем асимметричное деление, такая тенденция наблюдается у всех делящихся изотопов и не связана с какими-то индивидуальными свойствами ядер или частиц, а присуща самому механизму деления ядра. Однако асимметрия уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра, и при энергии нейтрона более 100 МэВ распределение осколков деления по массам имеет один максимум, соответствующий симметричному делению ядра.

Один из вариантов вынужденного деления урана-235 после поглощения нейтрона (схема)

Осколки, образующиеся при делении ядра урана, в свою очередь являются радиоактивными, и подвергаются цепочке β−-распадов, при которых постепенно в течение длительного времени выделяется дополнительная энергия. Средняя энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра урана-235 с учётом распада осколков, составляет приблизительно 202,5 МэВ = 3,244⋅10−11 Дж, или 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг.

Деление ядер — лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора.

Цепная ядерная реакция

Основная статья: Цепная ядерная реакция

При распаде одного ядра 235U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем – 2,416) свободных нейтронов. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра 235U, при условии взаимодействия с другим ядром 235U, может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной реакцией деления ядра.

Гипотетически, число нейтронов второго поколения (после второго этапа распада ядер) может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом реакции деления количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. В реальных условиях свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата 235U, или будучи захваченными как самим изотопом 235U с превращением его в 236U, так и иными материалами (например, 238U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как 149Sm или 135Xe).

Если в среднем каждый акт деления порождает ещё один новый акт деления, то реакция становится самоподдерживающейся; это состояние называется критическим (см. также Коэффициент размножения нейтронов).

В реальных условиях достичь критического состояния урана не так просто, поскольку на протекание реакции влияет ряд факторов. Например, природный уран лишь на 0,72 % состоит из 235U, 99,2745 % составляет 238U, который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер 235U. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция деления очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию деления можно несколькими основными путями:

  • увеличить объём образца (для выделенного из руды урана возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
  • осуществить разделение изотопов, повысив концентрацию 235U в образце;
  • уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
  • использовать вещество — замедлитель нейтронов для повышения концентрации тепловых нейтронов.

Термоядерный синтез

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.

Оружейный плутоний

Это название применяется в США к плутонию с содержанием Pu-240 менее 7%. Типичный состав оружейного плутония приведен ниже. Первые две колонки — средний состав плутония, произведенного в Хэнфорде и Саванне в июне 1968. Третья — базируется на образцах почвы, взятых поблизости от Роки Флетс в 1970-х с учетом америция-241 (продукта распада Pu-241).

Хэнфорд (сред. 6/68) Саванна (сред. 6/68) Почва Роки Флетc (сред. 1970-е)
Pu-238 менее чем 0.05% менее чем 0.05% следы
Pu-240 6.28% 6.13% 5.8%
Pu-241 0.54% 0.86% 0.6%
Pu-242 менее чем 0.05% менее чем 0.05% следы

В США производится и сверхчистый плутоний с 3% Pu-240, для обогащения обычного плутония, и, возможно, для специальных зарядов. Некоторые американские устройства требуют содержание Pu-240 менее 1.5%.

Существенный вопрос: что подразумевает название «оружейного качества». Самая распространенная интерпретация состоит в том, что это плутоний с содержанием изотопа Pu-240 менее 7%, действительно требующийся для успешного создания оружия. По крайней мере, превышение этой отметки означает серьезный компромисс с эффективностью.

Наличие Pu-240 точно определяет характеристики оружия, ибо именно от него зависит нейтронный фон и такие вторичные явления как рост критической массы (незначительный) и тепловой выход. Нейтронный фон влияет на проект ядерного взрывного устройства (ЯВУ) ограничением общей массы заключенного плутония, необходимостью достижения скоростей имплозии выше определенного порога. Как указывалось выше, некоторые проекты (преимущественно старые), требуют плутония с низкой концентрацией Pu-240 по эти причинам.

Однако, в современных усовершенствованных конструкциях, указанные сложности не являются критическими, по крайней мере с начала 1960-х. В недавно рассекреченных документах (WASH-1037, «Введение в ядерное оружие», июнь 1972) указывается, что обозначение плутония как «оружейной чистоты» — исключительно экономический вопрос. С одной стороны, стоимость плутония падает с ростом доли Pu-240. С другой — Pu-240 увеличивает критическую массу. Около 6-7% Pu-240 делает общую стоимость плутония, с учетом указанных причин, минимальной.

Это не означает, что существующие ядерные устройства сохранят работоспособность, если увеличить уровень плутония-240. Они спроектированы для достижения наилучшего эффекта с определенным делящимся материалом и пострадают в работоспособности при изменении изотопного состава.

Принимая средний состав оружейного плутония: 93.4% Pu-239, 6.0% Pu-240 и 0.6% Pu-241 (с пренебрежимым содержанием остальных изотопов) можно просчитать следующие его свойства. Начальная тепловая мощность свежевыработанного оружейного плутония 2.2 Вт/кг, уровень спонтанного деления 27 100 делений/с. Этот показатель деления позволяет использовать в оружии 4-5 кг плутония с очень низкой вероятность предетонации при условии хорошей имплозионной системы. По прошествии пары десятилетий, большая часть Pu-241 превратится в Am-241, существенно увеличив тепловыделение — до 2.8 Вт/кг. Поскольку Pu-241 прекрасно делится, а Am-241 — нет, это приводит к снижению запаса реактивности плутония и должно приниматься в расчет конструкторами.

Нейтронное излучение 5 кг оружейного плутония 300 000 нейтронов/с создает уровень излучения 0.003 рад/час на 1 м. Фон снижается отражателем и взрывчатым веществом, окружающим его. Облегченное оружие уменьшает радиацию в 5-10 раз. С другой стороны, высокая проникающая способность нейтронов увеличивает опасность. Длительный постоянный контакт с ЯВУ во время их обычного обслуживания может привести к дозе радиации, приближающейся к предельной годовой для профессионального состава. Сотрудники плутониевых предприятий, обрабатывающие плутониевый ядра непосредственно или в герметичных боксах, имеют ограниченную защиту от радиации и могут нуждаться в переводе с этой работы на другую, чтобы не превысить годового лимита облучения.

Вследствии малой разницы в массах Pu-239 и Pu-240, эти изотопы не разделяются промышленно широко распространенными способами обогащения. Единственный способ произвести более чистый Pu-239 — сократить время пребывания в реакторе кассеты м U-238. Малые количества плутония разделяются на электромагнитном сепараторе для исследовательских целей. Для развитых государств нет причин для снижения процента Pu-240 менее 6, так как эта концентрация не мешает создавать эффективные и надежные триггеры термоядерных зарядов. Очень малое количество Pu-240 позволяет достичь некоторой дополнительной гибкости, требующейся специализированным или экзотическим изделиям.

В Железногорске был закрыт последний в стране реактор, производивший оружейный плутоний последние полвека.

Россия прекращает производство оружейного плутония. Сегодня в Железногорске был закрыт последний из существующих в стране реакторов такого типа. Он производил плутоний последние полвека. Специально для его обслуживания в СССР был создан закрытый город Красноярск-26, позднее переименованный в Железногорск.

За церемонией закрытия реактора наблюдала корреспондент НТВ Татьяна Пинихина.


Железногорский горно-химический комбинат  уникальное атомное предприятие, не имеющее аналогов в мире. Его производственные цеха расположены глубоко под землей. Местные жители называют комбинат просто «Горой». Сегодня в «Горе» состоялось историческое событие  остановлен последний в мире ядерный реактор по производству оружейного плутония.

Предприятие было построено в середине 50-х годов, в разгар холодной войны. Изначально здесь работали три ядерных реактора, первые два в соответствии с договоренностями между США и Россией о разоружении были остановлены 15 лет назад. Третий и последний реактор действовал до сих пор, но его главным предназначением было снабжение закрытого города Железногорска теплом и горячей водой.

Из-за экономического кризиса в середине 90-х годов американская сторона взяла на себя финансирование строительства альтернативного источника тепла для города атомщиков и свои обязательства выполнила полностью. С вводом в эксплуатацию Железногорской ТЭЦ появилась возможность остановить ядерный реактор. Цепную реакцию заглушили из пульта центрального управления, примерно за полчаса мощность агрегата упала до нуля.

Пётр Гаврилов, генеральный директор Горно-химического комбината г. Железногорска: «Реактор переведен в ядерно-безопасное состояние. Он остановлен, и дальше мы приступаем к технологии вывода из эксплуатации. Ядерная безопасность сегодня качественно повысилась».

Реактор железногорский  ветеран отечественной атомной энергетики, он проработал почти полвека вместо предусмотренных проектом 20 лет. Это стало возможным благодаря успешной модернизации. За обеспечение бесперебойной и безаварийной работы реактора лучшие сотрудники предприятия были награждены памятными знаками. Не оставили без внимания и главного виновника торжества. За отличную службу на так называемый «пятак» остановленного реактора возложили цветы.

На самом деле сегодня только начинается сложная работа по полной остановке реактора-ветерана. Предполагается, что к 2030 году уникальный объект эпохи холодной войны будет замурован в скале, а за его состоянием будут следить специальные датчики.

Новости СМИ2

Урановая бомба

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.

Примечания

  1. Волков В. А., Вонский Е. В., Кузнецова Г. И. Выдающиеся химики мира. — М.: Высшая Школа, 1991. — С. 407. — 656 с.
  2. Милюкова М. С., Гусев Н. И., Сентюрин И. Г., Скляренко И. С. Аналитическая химия плутония. — М.: «Наука», 1965. — С. 7—12. — 454 с. — (Аналитическая химия элементов). — 3400 экз.
  3. Редкол.:Кнунянц И.Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 580-582. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
  4. . Center for Space Nuclear Research. Дата обращения 19 марта 2013.
  5.  (недоступная ссылка). Idaho National Laboratory (July 2005). Дата обращения 24 октября 2011.
  6.  (недоступная ссылка). Department of Energy (5 February 2011). Дата обращения 2 июля 2012.
  7. . NPR. Дата обращения 19 сентября 2011.
  8. Wall, Mike . Space.com (6 апреля 2012). Дата обращения 2 июля 2012.

Производство

В СССР производство оружейного плутония осуществлялось сначала на комбинате «Маяк» в г. Озёрск (ранее Челябинск-40, Челябинск-65), затем на Сибирском химическом комбинате в г. Северск (ранее Томск-7), позже в эксплуатацию был введён Горно-химический комбинат в г. Железногорске (известен также, как Соцгород и Красноярск-26). С 1997 года нарабатываемый в России оружейный плутоний перестал использоваться в изготовлении ядерных зарядов, а начал поступать в хранилища в рамках исполнения Российской Федерацией «Соглашения между Правительством Российской Федерации и Правительством Соединенных Штатов Америки о сотрудничестве в отношении реакторов, производящих плутоний», вступившего в силу 23 сентября 1997 года. 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.

Применение

Плутоний-238 используют в радиоизотопных источниках энергии (например, в РИТЭГ-ах). Ранее (до появления литиевых батарей) использовались в кардиостимуляторах.

США использовали РИТЭГ-и с плутонием-238 на примерно 30 космических аппаратах НАСА, включая «Вояджеры» и «Кассини». Так, космический аппарат «Кассини» содержал три РИТЭГ-а с 33 килограммами диоксида плутония-238, которые обеспечивали генерацию 870 ватт электрической мощности. Марсоход «Кьюриосити» несёт РИТЭГ-и с 4,8 кг плутония-238, обеспечивающие 125 Вт электрической мощности. Кроме электрической генерации, РИТЭГ-и своим тепловыделением поддерживают тепловой баланс космических аппаратов и роверов.

Производство

В США производство изотопа плутония-238 было остановлено в 1988 году (Саванна Ривер). Министерство энергетики США подписало в 1992 году пятилетний договор о покупке изотопа у России в объёме 10 кг и возможностью увеличения поставок не более чем до 40 кг. В рамках договора заключалось несколько контрактов, соглашение продлевалось. В 2009 году поставки были прерваны из-за реструктуризации российской ядерной промышленности.

Начиная с 1993 года, большинство РИТЭГов на американских космических аппаратах используют изотоп, приобретаемый у России. По состоянию на 2005 год было закуплено примерно 16,5 кг.

В 2009 Министерство энергетики США запросило финансирование на возобновление производства изотопа на территории США. Стоимость проекта оценивалась в 75—90 миллионов долларов за пять лет Финансирование проекта разделено между Министерством энергетики и NASA. Конгресс предоставил NASA по 10 миллионов в 2011 и 2012 годах, но отказал в финансировании Министерству энергетики.

В 2013 году Национальная лаборатория Оук-Ридж (штат Теннеси) начала производство плутония-238 с проектной мощностью в 1,5—2 килограмма изотопа в год.


С этим читают