Виробництво плутонія

Щоб отримувати плутоній в достатній кількості, потрібні сильні нейтронні потоки. Такі якраз створюються в атомних реакторах. В принципі, будь-який реактор є джерелом нейтронів, але для промислового виробництва плутонію природно використовувати спеціально розроблений для цього.

Найперший в світі промисловий реактор з виробництва плутонію - B-реактор в Хенфорді. Заробив 26 вересня 1944, потужність - 250 МВт, продуктивність - 6 кг плутонію в місяць. Він містив близько 200 тонн металевого урану,1200 тонн графіту і охолоджувався водою зі швидкістю 5 кубометрів / хв.

Панель завантаження хенфордского реактора касетами з ураном:

С хема його роботи. У реакторі для опромінення урану-238 створюються нейтрони в результаті стаціонарної ланцюгової реакції поділу ядер урану-235. В середньому на одну поділку U-235 виникає 2.5 нейтрона. Для підтримки реакції і одночасного напрацювання плутонію необхідно, щоб у середньому один або два нейтрони поглинулися б U-238, а один викликав би розподіл наступного атома U-235.

Нейтрони, що виникають при розподілі урану володіють дуже великими швидкостями. Атоми урану влаштовані таким чином, що захоплення швидких нейтронів ядрами і U-238 і U-235 малоймовірний. Тому швидкі нейтрони зазнавши кілька зіткнень з оточуючими атомами поступово сповільнюються. При цьому ядра U-238 так сильно поглинають такі нейтрони (проміжних швидкостей), що нічого не залишається для розподілу U-235 і підтримки ланцюгової реакції (U-235 ділиться від повільних, теплових нейтронів).

З цим бореться сповільнювач, що оточує блоки з ураном якесь легке речовина. У ньому нейтрони гальмуються без поглинання, відчуваючи пружні зіткнення, в кожному з яких втрачається мала частина енергії. Добрими сповільнювачами є вода, вуглець. Таким чином, уповільнені до теплових швидкостей нейтрони подорожують по реактору, поки не викличуть поділ U-235 (U-238 поглинає їх дуже слабо). При певній конфігурації сповільнювача і уранових стрижнів створяться умови для поглинання нейтронів і U-238 і U-235.

Ізотопний склад одержуваного плутонію залежить від тривалості перебування в реакторі уранових стрижнів. Значне накопичення Pu-240 відбувається в результаті тривалого опромінення касети з ураном. При маленькому часу перебування урану в реакторі виходить Pu-239 з незначним вмістом Pu-240.

Pu-240 шкідливий для виробництва зброї з наступних причин:

1. Він менш подільний матеріал, ніж Pu-239, тому потрібно трохи більшу кількість плутонію для виготовлення зброї.

2.Друга, набагато важливіша причина. Рівень спонтанного поділу в Pu-240 набагато вище, що створює сильний нейтронний фон.

У перші роки розробки атомної зброї випускання нейтронів (сильний нейтронний фон) було проблемою на шляху до надійного і ефективного заряду через передчасну його детонації. Сильні потоки нейтронів робили складним або неможливим стиснення ядра бомби, що містить декілька кілограмів плутонію, в надкритичний стан - до цього воно руйнувалося найсильнішим, але все-таки не максимально можливим енерговиходом. Прихід змішаних ядер - містять високозбагачений U-235 і плутоній (наприкінці 1940-х) - подолав це ускладнення, коли стало можливим застосовувати щодо маленька кількість плутонію в здебільшого уранових ядрах. Наступне покоління зарядів - пристрої з посиленням за рахунок синтезу (в середині 1950-х) повністю виключили це ускладнення, гарантуючи високу виділення енергії, навіть при малопотужних початкових зарядах поділу.

Плутоній, що проводиться у спеціальних реакторах, містить відносно невеликий відсоток Pu-240 (<7%), плутоній "збройового якості"; в реакторах АЕС відпрацьоване ядерне паливо має концентрацію Pu-240 понад 20%, плутоній "реакторного якості".

В реакторах спеціального призначення уран знаходиться відносно невеликий проміжок часу, протягом якого вигоряє не весь U-235 і не весь U-238 переходить в плутоній, зате утворюється і меншу кількість Pu-240.

Є дві причини для виробництва плутонію з низьким вмістом Pu-240:

Економічна: єдина причина існування плутонієвих спецреакторів. Розпад плутонію в результаті поділу або перетворення його в менш подільний Pu-240 зменшують віддачу і збільшують вартість виробництва (аж до точки, де його ціна буде балансувати з ціною переробки опроміненого палива з маленькою концентрацією плутонію).

Складність звернення: хоча випускання нейтронів не є такою вже серйозною проблемою для конструкторів зброї, воно може створити складнощі у виробництві і з поводженням з таким зарядом. Нейтрони створюють додатковий внесок у професійне опромінення тих, хто збирає або обслуговує зброю (самі нейтрони не мають іонізуючої дії, але вони створюють протони, здатні на це). Насправді заряди, які передбачають безпосередній контакт з людьми, наприклад Davy Crocket, можуть зажадати з цієї причини надчистого плутонію з низьким рівнем випускання нейтронів.

Безпосередня виливка і обробка плутонію виконується вручну в герметичних камерах з рукавичками для оператора. Начебто таких:

Ц е передбачає зовсім невеликий захист людини від випускання нейтронів плутонію. Тому плутоній з великим вмістом Pu-240 обробляється тільки маніпуляторами або жорстко обмежується час роботи з ним кожного працівника. З усіх цих причин (радіоактивність, гірші властивості Pu-240) пояснюється, чому плутоній реакторного якості не застосовується для виготовлення зброї - дешевше напрацьовувати збройовий плутоній в спецреакторах. Хоча і з реакторного теж, по всій видимості, можна виготовити ядерний вибуховий пристрій.

Плутонієве кільце

Ц е кільце з електролітично очищеного металевого плутонію (чистота більш 99.96%). Типове з кілець, що готуються в Лос-Аламосі і відправляються в Рокі Флетс для виготовлення зброї, до недавнього зупинення його виробництва. Маса кільця 5.3 кг, достатня для виготовлення сучасного стратегічного заряду, діаметр - приблизно 11 см. Кільцева форма важлива для забезпечення критичної безпеки.

Висновки: зазначений товар підпадає під рамки державного експортного контролю через те, що може бути використаний в створенні ядерної зброї, що являється загрозою не тільки окремим державам, а й людству в цілому. Тому необхідно точно визначати напрямок слідування такого товару та його призначення(тобто в яких цілях він буде використовуватися).