Збройовий плутоній: застосування, виробництво, утилізація

Людство завжди перебувало в пошуках нових джерел енергії, здатних вирішити безліч проблем. Однак далеко не завжди вони є безпечними. Так, зокрема, широко застосовуються сьогодні атомні реактори хоча і здатні виробити просто колосальна кількість такої потрібної всім електричної енергії, все ж несуть в собі смертельну небезпеку. Але, крім використання ядерної енергії в мирних цілях, деякі країни нашої планети навчилися використовувати її і в військових, особливо для створення ядерних боєголовок. У даній статті піде мова про основу такого руйнівного зброї, назва якої - збройовий плутоній.

Коротка довідка

У цій компактній формі металу міститься мінімум 93,5% ізотопу 239Pu. Збройовий плутоній назвали так для того, щоб його було можна відрізнити від «реакторного побратима». В принципі, плутоній завжди утворюється в абсолютно будь-якому ядерному реакторі, який, в свою чергу, працює на низькозбагачений або природному урані, що містить, здебільшого, ізотоп 238U.

Застосування у військовій галузі

Збройовий плутоній 239Pu - основа ядерного озброєння. При цьому застосування ізотопів з масовими числами 240 і 242 неактуально, оскільки вони створюють дуже високий фон нейтронів, що в підсумку ускладнює створення і конструювання високоефективних ядерних боєкомплектів. Крім цього, ізотопи плутонію 240Pu і 241Pu володіють значно меншим періодом напіврозпаду в порівнянні з 239Pu, тому деталі з плутонію сильно нагріваються. Саме в зв`язку з цим в ядерний боєприпас інженери змушені додатково додавати елементи для відводу зайвого тепла. До речі, 239Pu в чистому вигляді тепліше тіла людини. Не можна також не враховувати і факт того, що продукти процесу розпаду важких ізотопів піддають шкідливим змінам кристалічну решітку металу, а це цілком закономірно змінює конфігурацію деталей з плутонію, що, врешті-решт, може викликати повну відмову ядерного вибухового пристрою.

За великим рахунком, усі ці труднощі можна подолати. І на практиці вже неодноразово проходили випробування вибухових пристроїв на основі саме «реакторного» плутонію. Але слід розуміти, що в ядерних боєприпасах далеко не останню позицію займає їх компактність, мала власна маса, довговічність і надійність. У зв`язку з цим в них застосовується виключно збройовий плутоній.

Конструктивні особливості виробничих реакторів

Практично весь плутоній в Росії було вироблено в реакторах, обладнаних графітовим сповільнювачем. Кожен з реакторів зведений навколо цилиндрически зібраних блоків з графіту.

У зібраному вигляді графітові блоки мають між собою спеціальні щілини для забезпечення безперервної циркуляції охолоджувача, в якості якого використовується азот. У зібраної конструкції є і вертикально розташовані канали, створені для проходження по ним водяного охолодження і палива. Сама по собі збірка жорстко спирається на структуру з отворами під каналами, використовуваними для відвантаження вже опроміненого палива. При цьому кожен з каналів знаходиться в тонкостінної труби, відлитими з легкого і особливо міцні алюмінієвого сплаву. Велика частина описуваних каналів має 70 паливних стрижнів. Вода для охолодження протікає безпосередньо навколо стрижнів з паливом, відводячи від них надлишки тепла.

Підвищення потужності виробничих реакторів

Спочатку перший реактор «Маяк» функціонував з потужністю 100 теплових МВт. Однак головний керівник радянської програми по розробці ядерної зброї Ігор Курчатов вніс пропозицію, яке полягало в тому, щоб реактор в зимовий час працював з потужністю 170-190 МВт, а в літній період часу - 140-150 МВт. Такий підхід дозволив реактору виробляти майже 140 грамів дорогоцінного плутонію в добу.

У 1952 році були проведені повноцінні науково-дослідні роботи, з метою збільшення виробничої потужності функціонуючих реакторів такими методами:

• Шляхом збільшення потоку води, використовуваної для охолодження і протікає через активні зони ядерної установки.
• За допомогою нарощування опору явищу корозії, яка виникає поблизу вкладиша каналів.
• Зменшенням швидкості окислення графіту.
• Нарощуванням температури всередині паливних елементів.

В результаті пропускна здатність циркулюючої води значно зросла після того, як був збільшений зазор між паливом і стінками каналу. Від корозії також вдалося позбутися. Для цього вибрали найбільш підходящі алюмінієві сплави і почали активно додавати біхромат натрію, що, в кінцевому рахунку, підвищило м`якість охолоджуючої води (рН став дорівнює порядку 6.0-6.2). Окислення графіту перестало бути актуальною проблемою після того, як для його охолодження стали застосовувати азот (до цього використовувався виключно повітря).

На заході 1950-х нововведення були повністю реалізовані на практиці, що дозволило зменшити викликається радіацією вкрай непотрібне роздування урану, значно знизити теплове зміцнення стрижнів з урану, поліпшити опір оболонки і підвищити контроль якості виробництва.

Виробництво на «Маяку»

"Челябінськ-65" - Один з тих самих секретних заводів, на якому відбувалося створення збройового плутонію. На підприємстві було кілька реакторів, з кожним з яких ми познайомимося ближче.

Реактор А

Установка була спроектована і створена під керівництвом легендарного Н. А. Доллежаля. Працювала вона з потужністю 100 МВт. У реакторі було 1149 вертикально розташованих керуючих і паливних каналів в графітовому блоці. Повна маса конструкції становила близько 1050 тонн. Практично всі канали (крім 25) завантажувалися ураном, повна маса якого становила 120-130 тонн. 17 каналів використовувалися для керуючих стрижнів, а 8 - для проведення експериментів. Максимальний показник проектного тепловиділення паливного елемента дорівнювало 3,45 кВт. На перших порах реактор виробляв близько 100 грам плутонію в день. Вперше металевий плутоній був проведений 16 квітня 1949 року.

технологічні недоліки

Практично відразу були виявлені досить серйозні проблеми, які полягали в корозії алюмінієвих вкладишів і покриття паливних елементів. Також розбухали і ушкоджувалися уранові стрижні і витікала охолоджуюча вода безпосередньо в серцевину реактора. Після кожної протікання реактор доводилося зупиняти на час до 10 годин з метою осушити графіт повітрям. У січні 1949 року були замінені вкладиші в канали. Після цього запуск установки стався 26 березня 1949 року.

Відео: Путін висунув жорсткий ультиматум США

Збройовий плутоній, виробництво якого на реакторі А супроводжувалося всілякими труднощами, вироблявся в період 1950-1954 років при середній потужності агрегату 180 МВт. Подальша робота реактора початку супроводжуватися більш інтенсивним його використанням, що цілком закономірно призвело і до більш частих зупинок (до 165 разів на місяць). У підсумку, в жовтні 1963 року реактор був зупинений і відновив свою роботу лише навесні 1964 року. Свою кампанію він повністю закінчив в 1987 році і за весь період багаторічного функціонування справив 4,6 тонни плутонію.

реактори АВ

На підприємстві "Челябінськ-65" три реактора АВ було вирішено побудувати восени 1948 року. Їх виробнича потужність становила 200-250 грам плутонію в день. Головним конструктором проекту був А. Савін. Кожен реактор налічував 1996 каналів, 65 з них були контрольними. В установках була використана технічна новинка - кожен канал забезпечили спеціальним детектором витоку охолоджуючої рідини. Такий хід дозволив міняти вкладиші без припинення роботи самого реактора.

Відео: США пріпрячут плутоній до кращих часів

Перший рік функціонування реакторів показав, що вони виробляли близько 260 грамів плутонію на добу. Однак вже з другого року роботи потужність поступово нарощували, і вже в 1963 році її показник склав 600 МВт. Після другого капітального ремонту була повністю вирішена проблема з вкладишами, а потужність вже склала 1200 МВт з щорічним виробництвом плутонію 270 кілограм. Ці показники збереглися до повного закриття реакторів.

Реактор АІ-ІР

Челябинское підприємство використовувало цю установку в період з 22 грудня 1951 року до 25 травня 1987 року. Крім урану, реактор також виробляв кобальт-60 і полоній-210. Спочатку на об`єкті виробляли тритій, але пізніше почали отримувати і плутоній.

Також завод з переробки збройового плутонію мав в строю реактори, що працюють на важкій воді і єдиний легководний реактор (ім`я його - «Руслан»).

Сибірський гігант

"Томськ-7" - Саме таку назву носив завод, на якому розташувалися п`ять реакторів для створення плутонію. Кожен з агрегатів застосовував графіт з метою сповільнити нейтрони і звичайну воду для забезпечення належного охолодження.

Реактор І-1 працював з системою охолодження, в якій вода проходила раз. Однак інші чотири установки були забезпечені замкнутими первинними контурами, обладнаними теплообмінниками. Така конструкція дозволяла додатково виробляти ще й пар, який в свою чергу допомагав у виробництві електрики і обігріву різних житлових приміщень.

"Томськ-7" мав також і реактор під назвою ЕІ-2, який, в свою чергу, мав подвійне призначення: виробляв плутоній і за рахунок виробленої пари генерував 100 МВт електроенергії, а також 200 МВт теплової енергії.

Важлива інформація

За запевненням вчених, піврозпад збройового плутонію становить близько 24 360 років. Величезна цифра! У зв`язку з цим особливо гострим стає питання: «Як же правильно повестися з відходами виробництва даного елемента?» Найбільш оптимальним варіантом вважається споруда спеціальних підприємств для подальшої переробки збройового плутонію. Пояснюється це тим, що в такому випадку об`єкт буде відразу не можна буде використовувати у військових цілях і буде підконтрольний людині. Саме так проводиться утилізація збройового плутонію в Росії, проте Сполучені Штати Америки пішли іншим шляхом, порушивши тим самим свої міжнародні зобов`язання.

Так, американський уряд пропонує знищувати високозбагаченого ядерне паливо не промисловим способом, а шляхом розбавлення плутонію і зберігання його в спеціальних ємностях на глибині рівній 500 метрам. Само собою, що в такому разі матеріал легко можна буде в будь-який момент отримати з землі і знову пустити його на військові цілі. Як стверджує президент РФ Володимир Путін, спочатку країни домовлялися знищувати плутоній не таким методом, а проводити утилізацію на промислових об`єктах.

На окрему увагу заслуговує вартість збройового плутонію. За оцінками експертів, десятки тонн цього елементу цілком можуть коштувати кілька мільярдів американських доларів. А деякі фахівці ми зовсім оцінили 500 тонн збройового плутонію аж в 8 трильйонів доларів. Сума реально вражаюча. Щоб було зрозуміліше, наскільки це великі гроші, скажімо, що в останні десять років 20 століття середньорічний показник ВВП Росії становив 400 мільярдів доларів. Тобто, по суті, реальна ціна збройового плутонію дорівнювала двадцяти річним ВВП Російської Федерації.