Pluton bojowy: zastosowanie, produkcja, utylizacja

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Ludzkość zawsze szukała nowych źródeł energii, które mogą rozwiązać wiele problemów. Jednak nie zawsze są bezpieczne. W szczególności więc powszechnie używane dzisiaj reaktory jądrowe, chociaż są w stanie generować po prostu kolosalną ilość takiej energii elektrycznej, jakiej każdy potrzebuje, ciągle niosą ze sobą śmiertelne niebezpieczeństwo. Ale oprócz wykorzystywania energii jądrowej do celów pokojowych, niektóre kraje naszej planety nauczyły się jej używać w wojsku, zwłaszcza do tworzenia głowic nuklearnych. W tym artykule omówimy podstawy takiej niszczycielskiej broni, której nazwa to pluton broni.

Szybkie informacje

Ta zwarta forma metalu zawiera co najmniej 93,5% izotopu 239Pu. Nazwano tak pluton przeznaczony do broni, aby odróżnić go od „brata reaktorowego”. W zasadzie pluton powstaje zawsze w absolutnie każdym reaktorze jądrowym, który z kolei pracuje na nisko wzbogaconym lub naturalnym uranie, który zawiera w większości izotop 238U.

Aplikacje wojskowe

Pluton 239Pu klasy bojowej jest podstawą broni jądrowej. Jednocześnie stosowanie izotopów o liczbach masowych 240 i 242 nie ma znaczenia, ponieważ tworzą one bardzowysoki poziom neutronów, co ostatecznie utrudnia tworzenie i projektowanie wysoce skutecznej amunicji jądrowej. Ponadto izotopy plutonu 240Pu i 241Pu mają znacznie krótszy okres półtrwania niż 239Pu, więc części plutonu bardzo się nagrzewają. W związku z tym inżynierowie zmuszeni są do dodawania dodatkowych elementów do broni jądrowej, aby usunąć nadmiar ciepła. Nawiasem mówiąc, czysty 239Pu jest cieplejszy niż ludzkie ciało. Nie sposób również nie brać pod uwagę faktu, że produkty rozpadu ciężkich izotopów poddają sieć krystaliczną metalu szkodliwym zmianom, a to w sposób całkiem naturalny zmienia konfigurację części plutonu, co w efekcie może spowodować całkowitą awarię nuklearne urządzenie wybuchowe.

Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie te trudności można przezwyciężyć. A w praktyce urządzenia wybuchowe oparte na „reakcyjnym” plutonie były już wielokrotnie testowane. Należy jednak rozumieć, że w amunicji jądrowej ich zwartość, niska masa własna, trwałość i niezawodność są dalekie od ostatniej pozycji. W związku z tym używają wyłącznie plutonu przeznaczonego do broni.

Cechy konstrukcyjne reaktorów przemysłowych

Praktycznie cały pluton w Rosji został wyprodukowany w reaktorach wyposażonych w moderator grafitowy. Każdy z reaktorów zbudowany jest wokół cylindrycznych bloków grafitowych.

Po złożeniu bloki grafitowe mają między sobą specjalne szczeliny, aby zapewnić ciągłą cyrkulację chłodziwa, costosuje się azot. W zmontowanej konstrukcji znajdują się również pionowo usytuowane kanały utworzone do przepuszczania przez nie wody chłodzącej i paliwa. Sam zespół jest sztywno podtrzymywany przez konstrukcję z otworami pod kanałami służącymi do przesyłania już napromieniowanego paliwa. Ponadto każdy z kanałów znajduje się w cienkościennej rurze odlewanej z lekkiego i bardzo wytrzymałego stopu aluminium. Większość opisanych kanałów ma 70 prętów paliwowych. Woda chłodząca przepływa bezpośrednio wokół prętów paliwowych, usuwając z nich nadmiar ciepła.

Zwiększenie mocy reaktorów produkcyjnych

Początkowo pierwszy reaktor Mayak działał z mocą 100 MW cieplnych. Jednak szef sowieckiego programu broni jądrowej Igor Kurczatow zaproponował, aby reaktor miał działać na poziomie 170-190 MW zimą i 140-150 MW latem. Takie podejście pozwoliło reaktorowi wyprodukować prawie 140 gramów cennego plutonu dziennie.

W 1952 roku przeprowadzono pełnoprawne prace badawcze w celu zwiększenia zdolności produkcyjnych działających reaktorów następującymi metodami:

• Poprzez zwiększenie przepływu wody używanej do chłodzenia i przepływającej przez aktywne strefy instalacji jądrowej.
• Poprzez zwiększenie odporności na zjawisko korozji występujące w pobliżu wykładziny kanału.
• Zmniejszenie szybkości utleniania grafitu.
• Podnoszenie temperatury wewnątrz ogniw paliwowych.

W rezultacie przepustowość wody obiegowej znacznie wzrosła po zwiększeniu szczeliny między paliwem a ścianami kanału. Udało nam się również pozbyć się korozji. Aby to zrobić, wybraliśmy najbardziej odpowiednie stopy aluminium i zaczęliśmy aktywnie dodawać dwuchromian sodu, co ostatecznie zwiększyło miękkość wody chłodzącej (pH wynosiło około 6,0-6,2). Utlenianie grafitu przestało być pilnym problemem po tym, jak do jego schłodzenia zastosowano azot (wcześniej stosowano tylko powietrze).

Pod koniec lat pięćdziesiątych w pełni wdrożono innowacje, które ograniczyły wysoce niepotrzebne balonowanie uranu spowodowane promieniowaniem, znacznie zmniejszając hartowanie cieplne prętów uranowych, poprawiając odporność okładziny i poprawiając kontrolę jakości produkcji.

Produkcja w Mayak

"Czelabińsk-65" to jedna z tych bardzo tajnych fabryk, w których stworzono pluton broni. W przedsiębiorstwie było kilka reaktorów, każdy z nich poznamy lepiej.

Reaktor A

Jednostka została zaprojektowana i zbudowana pod kierunkiem legendarnego N. A. Dollezhala. Pracowała z mocą 100 MW. Reaktor miał 1149 ułożonych pionowo kanałów sterowniczych i paliwowych w bloku grafitowym. Całkowita masa konstrukcji wynosiła około 1050 ton. Prawie wszystkie kanały (z wyjątkiem 25) były obciążone uranem, którego łączna masa wynosiła 120-130 ton. Zastosowano 17 kanałów na drążki sterujące i 8 naprowadzenie eksperymentów. Maksymalne projektowane wydzielanie ciepła przez ogniwo paliwowe wyniosło 3,45 kW. Początkowo reaktor produkował około 100 gramów plutonu dziennie. Metaliczny pluton został po raz pierwszy wyprodukowany 16 kwietnia 1949 r.

Wady technologiczne

Niemal natychmiast zidentyfikowano dość poważne problemy, które polegały na korozji aluminiowych wkładek i powłok ogniw paliwowych. Pręty uranu również spęczniały i pękały, a woda chłodząca wyciekała bezpośrednio do rdzenia reaktora. Po każdym wycieku trzeba było zatrzymać reaktor do 10 godzin w celu wysuszenia grafitu powietrzem. W styczniu 1949 r. wymieniono wkłady kanałowe. Następnie 26 marca 1949 r. nastąpiło uruchomienie instalacji.

Pluton bojowy, którego produkcji w Reaktorze A towarzyszyły różnego rodzaju trudności, był produkowany w latach 1950-1954 ze średnią mocą jednostkową 180 MW. Kolejnej pracy reaktora zaczęło towarzyszyć jego intensywniejsze użytkowanie, co w naturalny sposób prowadziło do częstszych przestojów (nawet 165 razy w miesiącu). W rezultacie w październiku 1963 r. reaktor został wyłączony i wznowił pracę dopiero wiosną 1964 r. Swoją kampanię zakończył w 1987 roku i przez cały okres wieloletniej eksploatacji wyprodukował 4,6 tony plutonu.

Reaktory AB

Podjęto decyzję o budowie trzech reaktorów AB w przedsiębiorstwie Czelabińsk-65 jesienią 1948 roku. Ich zdolność produkcyjna wynosiła 200-250 gramów plutonu dziennie. Głównym projektantem projektu był A. Savin. Każdy reaktor miał po 1996 kanałów, 65 z nich było kanałami kontrolnymi. W instalacjach zastosowano nowość techniczną - każdy kanał wyposażono w specjalny detektor wycieku chłodziwa. Takie posunięcie umożliwiło wymianę wkładek bez zatrzymywania pracy samego reaktora.

Pierwszy rok działania reaktorów wykazał, że produkowały one około 260 gramów plutonu dziennie. Jednak od drugiego roku działalności moc była stopniowo zwiększana i już w 1963 roku wynosiła 600 MW. Po drugim remoncie problem wykładzin został całkowicie rozwiązany, a moc wynosiła już 1200 MW przy rocznej produkcji plutonu 270 kilogramów. Wskaźniki te pozostały aż do całkowitego zamknięcia reaktorów.

Reaktor AI-IR

Przedsiębiorstwo Czelabińsk używało tej instalacji od 22 grudnia 1951 do 25 maja 1987. Oprócz uranu w reaktorze produkowano również kob alt-60 i polon-210. Początkowo zakład produkował tryt, ale później zaczął otrzymywać pluton.

Ponadto zakład do przetwarzania plutonu przeznaczonego do broni posiadał działające reaktory ciężkowodne i jedyny reaktor na wodę lekką (nazywa się Rusłan).

Syberyjski gigant

„Tomsk-7” – to nazwa zakładu, w którym mieści się pięć reaktorów do produkcji plutonu. Każda z jednostek wykorzystywała grafit do spowolnienia neutronów i zwykłej wody, aby zapewnić odpowiednie chłodzenie.

Reactor I-1 pracował z systememchłodzenie, w którym woda przechodziła raz. Natomiast pozostałe cztery jednostki zostały wyposażone w zamknięte obiegi pierwotne wyposażone w wymienniki ciepła. Taka konstrukcja umożliwiła dodatkowo wytwarzanie pary, co z kolei pomogło w produkcji energii elektrycznej i ogrzewaniu różnych lokali mieszkalnych.

"Tomsk-7" posiadał również reaktor o nazwie EI-2, który z kolei miał dwojaki cel: produkował pluton i generował 100 MW energii elektrycznej z wytworzonej pary oraz 200 MW energii cieplnej energia.

Ważne informacje

Według naukowców okres półtrwania plutonu przeznaczonego do broni wynosi około 24 360 lat. Duża liczba! W związku z tym pytanie staje się szczególnie ostre: „Jak właściwie radzić sobie z odpadami produkcyjnymi tego pierwiastka?” Najbardziej optymalną opcją jest budowa specjalnych przedsiębiorstw do późniejszego przetwarzania plutonu broni. Wyjaśnia to fakt, że w tym przypadku element nie może być już używany do celów wojskowych i będzie kontrolowany przez osobę. W ten sposób pozbywa się w Rosji plutonu przeznaczonego do broni, ale Stany Zjednoczone poszły inną drogą, łamiąc w ten sposób swoje zobowiązania międzynarodowe.

Tak więc rząd USA proponuje zniszczenie wysoko wzbogaconego paliwa jądrowego nie w sposób przemysłowy, ale przez rozcieńczenie plutonu i przechowywanie go w specjalnych pojemnikach na głębokości 500 metrów. Nie trzeba dodawać, że w tym przypadku materiał można łatwowydobyć go z ziemi i ponownie uruchomić do celów wojskowych. Według prezydenta Rosji Władimira Putina, początkowo kraje zgodziły się zniszczyć pluton nie tą metodą, ale przeprowadzić unieszkodliwianie w zakładach przemysłowych.

Na szczególną uwagę zasługuje koszt plutonu przeznaczonego do broni. Zdaniem ekspertów dziesiątki ton tego pierwiastka może kosztować kilka miliardów dolarów. Niektórzy eksperci szacują nawet, że 500 ton plutonu przeznaczonego do broni wynosi nawet 8 bilionów dolarów. Kwota jest naprawdę imponująca. Aby wyjaśnić, ile to jest pieniędzy, załóżmy, że w ostatnich dziesięciu latach XX wieku średni roczny PKB Rosji wynosił 400 miliardów dolarów. Oznacza to, że w rzeczywistości rzeczywista cena plutonu przeznaczonego do broni była równa dwudziestu rocznemu PKB Federacji Rosyjskiej.