Plutonium av vapenkvalitet: applicering, produktion, kassering

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 10:41

Mänskligheten har alltid varit på jakt efter nya energikällor som kan lösa många problem. Men de är inte alltid säkra. Så i synnerhet kärnreaktorerna som används i stor utsträckning idag, även om de kan generera helt enkelt en kolossal mängd sådan elektrisk energi som alla behöver, innebär fortfarande en dödlig fara. Men förutom användningen av kärnenergi för fredliga ändamål, har vissa länder på vår planet lärt sig att använda den i militären, särskilt för att skapa kärnstridsspetsar. Den här artikeln kommer att diskutera grunden för ett sådant destruktivt vapen, vars namn är plutonium av vapenkvalitet.

Snabbreferens

Denna kompakta form av metallen innehåller minst 93,5 % av 239Pu-isotopen. Vapenplutonium hette så för att särskilja det från sin "reaktorbror". I princip bildas alltid plutonium i absolut vilken kärnreaktor som helst, som i sin tur går på låganrikat eller naturligt uran, som till största delen innehåller isotopen 238U.

Militära ansökningar

Plutonium 239Pu av vapenkvalitet är grunden för kärnvapen. Samtidigt är användningen av isotoper med massnummer 240 och 242 irrelevant, eftersom de skapar mycketen hög bakgrund av neutroner, vilket i slutändan gör det svårt att skapa och designa högeffektiv kärnvapenammunition. Dessutom har plutoniumisotoperna 240Pu och 241Pu en mycket kortare halveringstid än 239Pu, så plutoniumdelar blir väldigt varma. Det är i samband med detta som ingenjörer tvingas lägga till ytterligare element till ett kärnvapen för att avlägsna överskottsvärme. Förresten, ren 239Pu är varmare än människokroppen. Det är också omöjligt att inte ta hänsyn till det faktum att sönderfallsprodukterna från tunga isotoper utsätter metallkristallgittret för skadliga förändringar, och detta förändrar helt naturligt konfigurationen av plutoniumdelar, vilket i slutändan kan orsaka ett fullständigt misslyckande av en kärnvapensprängladdning.

I stort sett kan alla dessa svårigheter övervinnas. Och i praktiken har sprängladdningar baserade på "reaktor"-plutonium redan testats upprepade gånger. Men det bör förstås att i kärnvapen är deras kompakthet, låga egenvikt, hållbarhet och tillförlitlighet långt ifrån den sista positionen. I detta avseende använder de uteslutande plutonium av vapenkvalitet.

Designfunktioner för industriella reaktorer

Praktiskt taget allt plutonium i Ryssland producerades i reaktorer utrustade med en grafitmoderator. Var och en av reaktorerna är byggda kring cylindriska grafitblock.

När de är monterade har grafitblock speciella slitsar mellan sig för att säkerställa kontinuerlig cirkulation av kylvätskan, vilketkväve används. I den sammansatta strukturen finns det också vertik alt placerade kanaler skapade för passage av vattenkylning och bränsle genom dem. Själva enheten är stelt uppburen av en struktur med hål under kanalerna som används för att transportera det redan bestrålade bränslet. Dessutom är var och en av kanalerna placerade i ett tunnväggigt rör gjutet av en lätt och extra stark aluminiumlegering. De flesta av de beskrivna kanalerna har 70 bränslestavar. Kylvattnet rinner direkt runt bränslestavarna och tar bort överskottsvärme från dem.

Öka kapaciteten hos produktionsreaktorer

Inledningsvis fungerade den första Mayak-reaktorn med en kapacitet på 100 termisk MW. Men chefen för det sovjetiska kärnvapenprogrammet, Igor Kurchatov, föreslog att reaktorn skulle fungera på 170-190 MW på vintern och 140-150 MW på sommaren. Detta tillvägagångssätt gjorde att reaktorn kunde producera nästan 140 gram dyrbart plutonium per dag.

År 1952 genomfördes ett fullfjädrat forskningsarbete för att öka produktionskapaciteten för fungerande reaktorer med följande metoder:

• Genom att öka flödet av vatten som används för att kyla och strömma genom de aktiva zonerna i en kärnkraftsanläggning.
• Genom att öka motståndet mot fenomenet korrosion som uppstår nära kanalfodret.
• Minskar grafitoxidationshastigheten.
• Ökar temperaturen inuti bränslecellerna.

Som ett resultat har genomströmningen av det cirkulerande vattnet ökat avsevärt efter att gapet mellan bränslet och kanalens väggar har ökat. Vi lyckades också bli av med korrosion. För att göra detta valde vi de mest lämpliga aluminiumlegeringarna och började aktivt tillsätta natriumbikromat, vilket i slutändan ökade mjukheten i kylvattnet (pH blev ca 6,0-6,2). Grafitoxidation upphörde att vara ett akut problem efter att kväve använts för att kyla den (tidigare användes endast luft).

När 1950-talet närmade sig sitt slut, omsattes innovationer fullt ut i praktiken, vilket minskade den mycket onödiga ballongspridningen av uran orsakad av strålning, vilket kraftigt minskade värmehärdningen av uranstavar, förbättrade kapslingsmotståndet och förbättrade tillverkningskvalitetskontrollen.

Produktion hos Mayak

"Chelyabinsk-65" är en av de där mycket hemliga fabrikerna där plutonium av vapenkvalitet skapades. Det fanns flera reaktorer på företaget, vi kommer att lära känna var och en av dem bättre.

Reactor A

Enheten designades och byggdes under ledning av den legendariska N. A. Dollezhal. Hon arbetade med en effekt på 100 MW. Reaktorn hade 1149 vertik alt anordnade styr- och bränslekanaler i ett grafitblock. Den totala massan av strukturen var cirka 1050 ton. Nästan alla kanaler (utom 25) var laddade med uran, vars totala massa var 120-130 ton. 17 kanaler användes för kontrollstavar och 8 förgenomföra experiment. Bränslecellens maximala värmeavgivning var 3,45 kW. Till en början producerade reaktorn cirka 100 gram plutonium per dag. Plutoniummetall tillverkades först den 16 april 1949.

Teknologiska brister

Ganska allvarliga problem identifierades nästan omedelbart, som bestod av korrosion av aluminiumfoder och bränslecellsbeläggningar. Uranstavarna svällde också och gick sönder och kylvatten läckte direkt in i reaktorns kärna. Efter varje läcka måste reaktorn stoppas i upp till 10 timmar för att torka grafiten med luft. I januari 1949 byttes kanalfodrarna ut. Därefter lanserades installationen den 26 mars 1949.

Plutonium av vapenkvalitet, vars produktion vid reaktor A åtföljdes av alla möjliga svårigheter, producerades under perioden 1950-1954 med en genomsnittlig enhetseffekt på 180 MW. Den efterföljande driften av reaktorn började åtföljas av dess mer intensiva användning, vilket helt naturligt ledde till tätare avstängningar (upp till 165 gånger i månaden). Som ett resultat, i oktober 1963, stängdes reaktorn och återupptog sin drift först våren 1964. Han avslutade sin kampanj 1987 och producerade 4,6 ton plutonium under hela perioden av många års drift.

AB-reaktorer

Det beslutades att bygga tre AB-reaktorer vid Chelyabinsk-65-företaget hösten 1948. Deras produktionskapacitet var 200-250 gram plutonium per dag. Projektets chefsdesigner var A. Savin. Varje reaktor hade 1996 kanaler, 65 av dem var kontrollkanaler. En teknisk nyhet användes i installationerna - varje kanal var utrustad med en speciell kylvätskeläckagedetektor. En sådan åtgärd gjorde det möjligt att byta foder utan att stoppa driften av själva reaktorn.

Det första driftåret av reaktorerna visade att de producerade cirka 260 gram plutonium per dag. Men från det andra driftsåret ökades kapaciteten gradvis, och redan 1963 var dess siffra 600 MW. Efter den andra översynen var linersproblemet helt löst och kapaciteten var redan 1200 MW med en årlig plutoniumproduktion på 270 kilogram. Dessa indikatorer fanns kvar tills reaktorerna stängdes fullständigt.

AI-IR-reaktor

Chelyabinsk-företaget använde denna installation från 22 december 1951 till 25 maj 1987. Utöver uran producerade reaktorn även kobolt-60 och polonium-210. Till en början producerade platsen tritium, men började senare ta emot plutonium.

Anläggningen för bearbetning av plutonium av vapenkvalitet hade också tungvattenreaktorer i drift och den enda lättvattenreaktorn (dess namn är Ruslan).

Sibirisk jätte

"Tomsk-7" - det här är namnet på anläggningen, som inrymmer fem reaktorer för produktion av plutonium. Var och en av enheterna använde grafit för att bromsa neutroner och vanligt vatten för att ge korrekt kylning.

Reactor I-1 fungerade med systemetkylning, i vilken vattnet passerade en gång. De återstående fyra enheterna försågs dock med slutna primärkretsar utrustade med värmeväxlare. Denna design gjorde det möjligt att dessutom generera ånga, vilket i sin tur hjälpte till vid produktion av el och uppvärmning av olika bostadslokaler.

"Tomsk-7" hade också en reaktor kallad EI-2, som i sin tur hade ett dubbelt syfte: den producerade plutonium och genererade 100 MW elektricitet från den genererade ångan, samt 200 MW termisk energi.

Viktig information

Enligt forskare är halveringstiden för plutonium av vapenkvalitet cirka 24 360 år. Stort antal! I detta avseende blir frågan särskilt akut: "Hur man korrekt hanterar produktionsavfallet av detta element?" Det mest optimala alternativet är byggandet av speciella företag för efterföljande bearbetning av plutonium av vapenkvalitet. Detta förklaras av det faktum att elementet i detta fall inte längre kan användas för militära ändamål och kommer att kontrolleras av en person. Det är så plutonium av vapenkvalitet omhändertas i Ryssland, men USA tog en annan väg och bröt därmed mot sina internationella åtaganden.

Den amerikanska regeringen föreslår alltså att förstöra höganrikat kärnbränsle inte på ett industriellt sätt, utan genom att späda ut plutonium och lagra det i speciella behållare på ett djup av 500 meter. Det säger sig självt att i detta fall kan materialet lätt varata ut den från marken och återlansera den för militära ändamål. Enligt Rysslands president Vladimir Putin gick länderna till en början överens om att förstöra plutonium inte med denna metod, utan att utföra bortskaffande vid industrianläggningar.

Kostnaden för plutonium av vapenkvalitet förtjänar särskild uppmärksamhet. Enligt experter kan tiotals ton av detta element mycket väl kosta flera miljarder US-dollar. Och vissa experter har till och med uppskattat 500 ton vapenplutonium så mycket som 8 biljoner dollar. Mängden är verkligen imponerande. För att göra det tydligare hur mycket pengar det handlar om, låt oss säga att under de sista tio åren av 1900-talet var Rysslands genomsnittliga årliga BNP 400 miljarder dollar. Det vill säga att det verkliga priset på plutonium av vapenkvalitet var lika med tjugo årliga BNP för Ryska federationen.