Plutonium af våbenkvalitet: påføring, produktion, bortskaffelse

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 10:22

Menneskeheden har altid været på jagt efter nye energikilder, der kan løse mange problemer. De er dog ikke altid sikre. Så især de nukleare reaktorer, der er meget udbredt i dag, selv om de er i stand til blot at generere en kolossal mængde af sådan elektrisk energi, som alle har brug for, indebærer stadig en dødelig fare. Men ud over brugen af atomenergi til fredelige formål har nogle lande på vores planet lært at bruge det i militæret, især til at skabe atomsprænghoveder. Denne artikel vil diskutere grundlaget for et sådant destruktivt våben, hvis navn er plutonium af våbenkvalitet.

Hurtig reference

Denne kompakte form af metallet indeholder mindst 93,5 % af 239Pu-isotopen. Plutonium af våbenkvalitet blev navngivet således for at skelne det fra sin "reaktorbror". I princippet dannes plutonium altid i absolut enhver atomreaktor, som igen kører på lavberiget eller naturligt uran, som for det meste indeholder isotopen 238U.

Militære applikationer

Plutonium 239Pu af våbenkvalitet er grundlaget for atomvåben. Samtidig er brugen af isotoper med massetal 240 og 242 irrelevant, da de skaber megeten høj baggrund af neutroner, hvilket i sidste ende gør det vanskeligt at skabe og designe højeffektiv nuklear ammunition. Derudover har plutoniumisotoperne 240Pu og 241Pu en meget kortere halveringstid end 239Pu, så plutoniumdele bliver meget varme. Det er i forbindelse med dette, at ingeniører er tvunget til at tilføje yderligere elementer til et atomvåben for at fjerne overskydende varme. Forresten er ren 239Pu varmere end den menneskelige krop. Det er også umuligt ikke at tage højde for det faktum, at henfaldsprodukterne fra tunge isotoper udsætter metalkrystalgitteret for skadelige ændringer, og dette ændrer helt naturligt konfigurationen af plutoniumdele, hvilket i sidste ende kan forårsage et fuldstændigt svigt af en nuklear sprængstof.

I det store hele kan alle disse vanskeligheder overvindes. Og i praksis er sprængstoffer baseret på "reaktor"-plutonium allerede blevet testet gentagne gange. Men det skal forstås, at i nuklear ammunition er deres kompakthed, lave egenvægt, holdbarhed og pålidelighed langt fra den sidste position. I denne forbindelse bruger de udelukkende plutonium af våbenkvalitet.

Designegenskaber af industrielle reaktorer

Praktisk t alt alt plutonium i Rusland blev produceret i reaktorer udstyret med en grafitmoderator. Hver af reaktorerne er bygget op omkring cylindriske grafitblokke.

Når de er samlet, har grafitblokke specielle slidser imellem sig for at sikre kontinuerlig cirkulation af kølevæsken, hvilketder anvendes nitrogen. I den samlede struktur er der også lodret placerede kanaler skabt til passage af vandkøling og brændstof gennem dem. Selve samlingen er stift understøttet af en struktur med huller under kanalerne, der bruges til at sende det allerede bestrålede brændstof. Derudover er hver af kanalerne placeret i et tyndvægget rør støbt af en let og ekstra stærk aluminiumslegering. De fleste af de beskrevne kanaler har 70 brændstofstænger. Kølevandet strømmer direkte rundt om brændstofstavene og fjerner overskydende varme fra dem.

Forøgelse af produktionsreaktorernes kapacitet

Oprindeligt fungerede den første Mayak-reaktor med en kapacitet på 100 termisk MW. Chefen for det sovjetiske atomvåbenprogram, Igor Kurchatov, foreslog imidlertid, at reaktoren skulle fungere ved 170-190 MW om vinteren og 140-150 MW om sommeren. Denne tilgang gjorde det muligt for reaktoren at producere næsten 140 gram ædle plutonium om dagen.

I 1952 blev der udført fuldgyldigt forskningsarbejde for at øge produktionskapaciteten af fungerende reaktorer ved hjælp af følgende metoder:

• Ved at øge strømmen af vand, der bruges til afkøling og strømme gennem de aktive zoner i en nuklear installation.
• Ved at øge modstanden mod fænomenet korrosion, der opstår nær kanalforingen.
• Reduktion af grafitoxidationshastigheden.
• Øger temperaturen inde i brændselscellerne.

Som et resultat er gennemstrømningen af det cirkulerende vand steget betydeligt, efter at afstanden mellem brændstoffet og kanalens vægge er blevet forøget. Det lykkedes også at komme af med korrosion. For at gøre dette valgte vi de bedst egnede aluminiumslegeringer og begyndte aktivt at tilføje natriumbikromat, hvilket i sidste ende øgede blødheden af kølevandet (pH blev omkring 6,0-6,2). Grafitoxidation holdt op med at være et presserende problem, efter at nitrogen blev brugt til at afkøle det (tidligere blev der kun brugt luft).

Da 1950'erne nærmede sig enden, blev innovationer fuldt ud ført ud i livet, hvilket reducerede den meget unødvendige ballondannelse af uran forårsaget af stråling, hvilket i høj grad reducerede varmehærdningen af uranstænger, forbedrede beklædningsmodstanden og forbedrede produktionskvalitetskontrol.

Produktion hos Mayak

"Chelyabinsk-65" er en af de meget hemmelige fabrikker, hvor plutonium af våbenkvalitet blev skabt. Der var flere reaktorer på virksomheden, vi vil lære hver af dem bedre at kende.

Reactor A

Enheden blev designet og bygget under vejledning af den legendariske N. A. Dollezhal. Hun arbejdede med en effekt på 100 MW. Reaktoren havde 1149 vertik alt arrangerede kontrol- og brændstofkanaler i en grafitblok. Den samlede masse af strukturen var omkring 1050 tons. Næsten alle kanaler (undtagen 25) var fyldt med uran, hvis samlede masse var 120-130 tons. 17 kanaler blev brugt til kontrolstænger og 8 tiludfører eksperimenter. Den maksimale designvarmeafgivelse af brændselscellen var 3,45 kW. Først producerede reaktoren omkring 100 gram plutonium om dagen. Plutoniummetal blev først produceret den 16. april 1949.

Teknologiske fejl

Ganske alvorlige problemer blev identificeret næsten øjeblikkeligt, som bestod af korrosion af aluminiumsforinger og brændselscellebelægninger. Uranstængerne svulmede også op og knækkede, og kølevand lækkede direkte ind i reaktorens kerne. Efter hver lækage skulle reaktoren standses i op til 10 timer for at tørre grafitten med luft. I januar 1949 blev kanalforingerne udskiftet. Derefter fandt lanceringen af installationen sted den 26. marts 1949.

Plutonium af våbenkvalitet, hvis produktion ved Reaktor A var ledsaget af alle mulige vanskeligheder, blev produceret i perioden 1950-1954 med en gennemsnitlig enhedseffekt på 180 MW. Den efterfølgende drift af reaktoren begyndte at blive ledsaget af dens mere intensive brug, hvilket helt naturligt førte til hyppigere nedlukninger (op til 165 gange om måneden). Som følge heraf blev reaktoren i oktober 1963 lukket ned og genoptog sin drift først i foråret 1964. Han afsluttede sin kampagne i 1987 og producerede 4,6 tons plutonium over hele perioden med mange års drift.

AB-reaktorer

Det blev besluttet at bygge tre AB-reaktorer ved Chelyabinsk-65-virksomheden i efteråret 1948. Deres produktionskapacitet var 200-250 gram plutonium om dagen. Projektets chefdesigner var A. Savin. Hver reaktor havde 1996 kanaler, 65 af dem var kontrolkanaler. En teknisk nyhed blev brugt i installationerne - hver kanal var udstyret med en speciel kølevæskelækagedetektor. En sådan bevægelse gjorde det muligt at udskifte foringsrørene uden at stoppe driften af selve reaktoren.

Det første driftsår af reaktorerne viste, at de producerede omkring 260 gram plutonium om dagen. Men fra det andet driftsår blev kapaciteten gradvist øget, og allerede i 1963 var dens tal 600 MW. Efter det andet eftersyn var linerproblemet fuldstændig løst, og kapaciteten var allerede på 1200 MW med en årlig plutoniumproduktion på 270 kg. Disse indikatorer forblev indtil den fuldstændige lukning af reaktorerne.

AI-IR-reaktor

Tjeljabinsk-virksomheden brugte denne installation fra 22. december 1951 til 25. maj 1987. Udover uran producerede reaktoren også kobolt-60 og polonium-210. I starten producerede stedet tritium, men begyndte senere at modtage plutonium.

Anlægget til forarbejdning af plutonium af våbenkvalitet havde også tungtvandsreaktorer i drift og den eneste letvandsreaktor (dets navn er Ruslan).

Sibirisk kæmpe

"Tomsk-7" - dette er navnet på anlægget, som huser fem reaktorer til produktion af plutonium. Hver af enhederne brugte grafit til at bremse neutroner og almindeligt vand for at give ordentlig afkøling.

Reactor I-1 arbejdede med systemetafkøling, hvori vandet passerede én gang. De resterende fire enheder var dog forsynet med lukkede primære kredsløb udstyret med varmevekslere. Dette design gjorde det muligt yderligere at generere damp, som igen hjalp med produktionen af elektricitet og opvarmning af forskellige boliger.

"Tomsk-7" havde også en reaktor kaldet EI-2, som til gengæld havde et dobbelt formål: den producerede plutonium og genererede 100 MW elektricitet fra den genererede damp, samt 200 MW termisk energi.

Vigtige oplysninger

Ifølge videnskabsmænd er halveringstiden for plutonium af våbenkvalitet omkring 24.360 år. Kæmpe tal! I denne henseende bliver spørgsmålet særligt akut: "Hvordan håndteres produktionsaffaldet af dette element korrekt?" Den mest optimale mulighed er opførelsen af specielle virksomheder til den efterfølgende forarbejdning af plutonium af våbenkvalitet. Dette forklares af det faktum, at elementet i dette tilfælde ikke længere kan bruges til militære formål og vil blive kontrolleret af en person. Sådan bortskaffes plutonium af våbenkvalitet i Rusland, men USA gik en anden vej og overtrådte dermed sine internationale forpligtelser.

Den amerikanske regering foreslår således at ødelægge højt beriget nukleart brændsel ikke på en industriel måde, men ved at fortynde plutonium og opbevare det i specielle beholdere i en dybde på 500 meter. Det siger sig selv, at i dette tilfælde kan materialet sagtens væreudvinde det fra jorden og genlancere det til militære formål. Ifølge den russiske præsident Vladimir Putin blev landene oprindeligt enige om ikke at ødelægge plutonium ved hjælp af denne metode, men at udføre bortskaffelse ved industrielle faciliteter.

Udgiften til plutonium af våbenkvalitet fortjener særlig opmærksomhed. Ifølge eksperter kan snesevis af tons af dette element meget vel koste flere milliarder amerikanske dollars. Og nogle eksperter har endda anslået 500 tons plutonium af våbenkvalitet så meget som 8 billioner dollars. Beløbet er virkelig imponerende. For at gøre det tydeligere, hvor mange penge det er, lad os sige, at i de sidste ti år af det 20. århundrede var Ruslands gennemsnitlige årlige BNP 400 milliarder dollars. Det vil sige, at den reelle pris på plutonium af våbenkvalitet var lig med tyve årlige BNP i Den Russiske Føderation.