Plutonium pro zbraně: aplikace, výroba, likvidace

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Lidstvo vždy hledalo nové zdroje energie, které mohou vyřešit mnoho problémů. Nejsou však vždy bezpečné. Takže zejména dnes široce používané jaderné reaktory, přestože jsou schopny generovat prostě obrovské množství takové elektrické energie, kterou každý potřebuje, stále s sebou nesou smrtelné nebezpečí. Ale kromě využívání jaderné energie pro mírové účely se některé země naší planety naučily ji využívat v armádě, zejména k výrobě jaderných hlavic. Tento článek se bude zabývat základem takové ničivé zbraně, jejíž název je plutonium pro zbraně.

Rychlá reference

Tato kompaktní forma kovu obsahuje nejméně 93,5 % izotopu 239Pu. Plutonium pro zbraně bylo tak pojmenováno, aby se odlišilo od jeho „reaktorového bratra“. V zásadě se plutonium vždy tvoří v absolutně jakémkoli jaderném reaktoru, který zase běží na málo obohaceném nebo přírodním uranu, který obsahuje z větší části izotop 238U.

Vojenské aplikace

Zbraňové plutonium 239Pu je základem jaderných zbraní. Zároveň je použití izotopů s hmotnostními čísly 240 a 242 irelevantní, protože vytvářejí velmivysoké pozadí neutronů, což v konečném důsledku znesnadňuje vytvoření a konstrukci vysoce účinné jaderné munice. Navíc izotopy plutonia 240Pu a 241Pu mají mnohem kratší poločas rozpadu než 239Pu, takže části plutonia jsou velmi horké. Právě v souvislosti s tím jsou inženýři nuceni přidat do jaderné zbraně další prvky, aby odstranili přebytečné teplo. Mimochodem, čistý 239Pu je teplejší než lidské tělo. Nelze také nevzít v úvahu skutečnost, že produkty rozpadu těžkých izotopů vystavují kovovou krystalovou mřížku škodlivým změnám, a tím se zcela přirozeně mění konfigurace částí plutonia, což může v konečném důsledku způsobit úplné selhání jaderné výbušné zařízení.

Z velké části lze všechny tyto obtíže překonat. A v praxi již byla opakovaně testována výbušná zařízení na bázi „reaktorového“plutonia. Je však třeba si uvědomit, že u jaderné munice jejich kompaktnost, nízká vlastní hmotnost, životnost a spolehlivost nejsou zdaleka poslední. V tomto ohledu používají výhradně plutonium pro zbraně.

Konstrukční prvky průmyslových reaktorů

Prakticky veškeré plutonium v Rusku bylo vyrobeno v reaktorech vybavených grafitovým moderátorem. Každý z reaktorů je postaven kolem válcových grafitových bloků.

Po sestavení mají grafitové bloky mezi sebou speciální štěrbiny, které zajišťují nepřetržitou cirkulaci chladicí kapaliny, kterápoužívá se dusík. V sestavené konstrukci jsou také vytvořeny svisle umístěné kanály pro průchod vodního chlazení a paliva jimi. Samotná sestava je pevně nesena konstrukcí s otvory pod kanály sloužícími k přepravě již ozářeného paliva. Každý z kanálků je navíc umístěn v tenkostěnné trubce odlité z lehké a extra pevné hliníkové slitiny. Většina popsaných kanálů má 70 palivových tyčí. Chladicí voda proudí přímo kolem palivových tyčí a odstraňuje z nich přebytečné teplo.

Zvýšení kapacity produkčních reaktorů

Zpočátku první reaktor Mayak pracoval s kapacitou 100 tepelných MW. Hlavní šéf sovětského programu jaderných zbraní Igor Kurčatov však navrhl, aby reaktor pracoval na 170-190 MW v zimě a 140-150 MW v létě. Tento přístup umožnil reaktoru produkovat téměř 140 gramů vzácného plutonia za den.

V roce 1952 byly provedeny plnohodnotné výzkumné práce s cílem zvýšit výrobní kapacitu fungujících reaktorů následujícími metodami:

• Zvýšením průtoku vody používané k chlazení a proudění aktivními zónami jaderného zařízení.
• Zvýšením odolnosti vůči jevu koroze vyskytující se v blízkosti vložky kanálu.
• Snížení rychlosti oxidace grafitu.
• Zvýšení teploty uvnitř palivových článků.

V důsledku toho se po zvětšení mezery mezi palivem a stěnami kanálu výrazně zvýšila propustnost cirkulující vody. Podařilo se nám také zbavit koroze. K tomu jsme zvolili nejvhodnější hliníkové slitiny a začali aktivně přidávat bichroman sodný, což v konečném důsledku zvýšilo měkkost chladicí vody (pH se stalo asi 6,0-6,2). Oxidace grafitu přestala být naléhavým problémem poté, co byl k jeho chlazení použit dusík (dříve se používal pouze vzduch).

Jak se 50. léta chýlila ke konci, inovace byly plně uvedeny do praxe, což omezilo velmi zbytečné vyfukování uranu způsobené radiací, výrazně omezilo tepelné tvrdnutí uranových tyčí, zlepšilo odolnost povlaku a zlepšilo kontrolu kvality výroby.

Produkce ve společnosti Mayak

"Čeljabinsk-65" je jednou z těch velmi tajných továren, kde se vyrábělo plutonium pro zbraně. V podniku bylo několik reaktorů, s každým se blíže seznámíme.

Reaktor A

Jednotka byla navržena a vyrobena pod vedením legendárního N. A. Dollezhala. Pracovala s výkonem 100 MW. Reaktor měl 1149 vertikálně uspořádaných řídicích a palivových kanálů v grafitovém bloku. Celková hmotnost konstrukce byla asi 1050 tun. Téměř všechny kanály (kromě 25) byly zatíženy uranem, jehož celková hmotnost byla 120-130 tun. 17 kanálů bylo použito pro řídicí tyče a 8 proprovádění experimentů. Maximální návrhové tepelné uvolnění palivového článku bylo 3,45 kW. Nejprve reaktor produkoval asi 100 gramů plutonia za den. Kovové plutonium bylo poprvé vyrobeno 16. dubna 1949.

Technologické nedostatky

Poměrně okamžitě byly identifikovány docela vážné problémy, které spočívaly v korozi hliníkových vložek a povlaků palivových článků. Uranové tyče také nabobtnaly a zlomily se a chladicí voda unikla přímo do aktivní zóny reaktoru. Po každém úniku musel být reaktor až na 10 hodin zastaven, aby se grafit vysušil vzduchem. V lednu 1949 byly vyměněny vložky kanálu. Poté se 26. března 1949 uskutečnilo spuštění instalace.

Zbraňové plutonium, jehož výrobu v Reaktoru A provázely nejrůznější potíže, se vyrábělo v období 1950-1954 s průměrným jednotkovým výkonem 180 MW. Následný provoz reaktoru začalo provázet jeho intenzivnější využívání, což zcela přirozeně vedlo k častějším odstávkám (až 165x za měsíc). Výsledkem bylo, že v říjnu 1963 byl reaktor odstaven a provoz byl obnoven až na jaře 1964. Svou kampaň dokončil v roce 1987 a za celou dobu mnoha let provozu vyrobil 4,6 tuny plutonia.

AB Reactors

Na podzim roku 1948 bylo rozhodnuto postavit tři AB reaktory v podniku Čeljabinsk-65. Jejich výrobní kapacita byla 200-250 gramů plutonia denně. Hlavním konstruktérem projektu byl A. Savin. Každý reaktor měl 1996 kanálů, z nichž 65 bylo kontrolních. V instalacích byla použita technická novinka - každý kanál byl vybaven speciálním detektorem úniku chladicí kapaliny. Takový krok umožnil výměnu vložek bez zastavení provozu samotného reaktoru.

První rok provozu reaktorů ukázal, že vyprodukovaly asi 260 gramů plutonia denně. Od druhého roku provozu se však kapacita postupně navyšovala a již v roce 1963 činila 600 MW. Po druhé generální opravě byl problém vložek zcela vyřešen a kapacita již byla 1200 MW s roční produkcí plutonia 270 kilogramů. Tyto indikátory zůstaly až do úplného uzavření reaktorů.

AI-IR reaktor

Čeljabinský podnik používal tuto instalaci od 22. prosince 1951 do 25. května 1987. Kromě uranu se v reaktoru vyráběl také kob alt-60 a polonium-210. Zpočátku místo produkovalo tritium, ale později začalo přijímat plutonium.

Závod na zpracování zbrojního plutonia měl také v provozu těžkovodní reaktory a jediný lehkovodní reaktor (jmenuje se Ruslan).

Sibiřský obr

"Tomsk-7" - tak se jmenuje závod, ve kterém se nachází pět reaktorů na výrobu plutonia. Každá z jednotek používala grafit ke zpomalení neutronů a obyčejnou vodu k zajištění správného chlazení.

Reaktor I-1 spolupracoval se systémemchlazení, při kterém voda jednou prošla. Zbývající čtyři bloky však byly vybaveny uzavřenými primárními okruhy vybavenými výměníky tepla. Tato konstrukce umožnila dodatečnou výrobu páry, která zase pomohla při výrobě elektřiny a vytápění různých obytných prostor.

„Tomsk-7“měl také reaktor nazvaný EI-2, který měl zase dvojí účel: vyráběl plutonium a generoval 100 MW elektřiny z vyrobené páry a 200 MW tepelné energie. energie.

Důležité informace

Podle vědců je poločas rozpadu plutonia pro zbraně asi 24 360 let. Obrovské číslo! V tomto ohledu se stává obzvláště akutní otázka: "Jak správně naložit s výrobním odpadem tohoto prvku?" Nejoptimálnější možností je výstavba speciálních podniků pro následné zpracování plutonia pro zbraně. Vysvětluje to skutečnost, že v tomto případě prvek již nelze použít pro vojenské účely a bude řízen osobou. Takto se likviduje plutonium pro zbraně v Rusku, ale Spojené státy americké se vydaly jinou cestou, čímž porušily své mezinárodní závazky.

Americká vláda tedy navrhuje zničit vysoce obohacené jaderné palivo ne průmyslovým způsobem, ale zředěním plutonia a jeho uložením do speciálních nádob v hloubce 500 metrů. Je samozřejmé, že v tomto případě materiál klidně může býtextrahujte ji ze země a znovu ji spusťte pro vojenské účely. Podle ruského prezidenta Vladimira Putina se země původně dohodly na zničení plutonia nikoli touto metodou, ale na likvidaci v průmyslových zařízeních.

Cena plutonia pro zbraně si zaslouží zvláštní pozornost. Podle odborníků mohou desítky tun tohoto prvku stát několik miliard dolarů. A někteří odborníci dokonce odhadli, že 500 tun plutonia vhodného pro zbraně až 8 bilionů dolarů. Částka je opravdu působivá. Aby bylo jasnější, o kolik peněz se jedná, řekněme, že v posledních deseti letech 20. století byl průměrný roční HDP Ruska 400 miliard dolarů. To znamená, že skutečná cena plutonia pro zbraně se rovnala dvaceti ročním HDP Ruské federace.