Զենքի մակարդակի պլուտոնիում. կիրառում, արտադրություն, հեռացում

2024 Հեղինակ: Howard Calhoun | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-17 10:30

Մարդկությունը միշտ եղել է էներգիայի նոր աղբյուրների որոնման մեջ, որոնք կարող են լուծել բազմաթիվ խնդիրներ։ Այնուամենայնիվ, նրանք միշտ չէ, որ ապահով են: Այսպիսով, մասնավորապես, այսօր լայնորեն կիրառվող միջուկային ռեակտորները, թեև ի վիճակի են արտադրել այնպիսի էլեկտրական էներգիայի հսկայական քանակություն, որն անհրաժեշտ է բոլորին, այնուամենայնիվ մահացու վտանգ է պարունակում: Բայց, բացի միջուկային էներգիան խաղաղ նպատակներով օգտագործելուց, մեր մոլորակի որոշ երկրներ սովորել են այն օգտագործել ռազմական ոլորտում, հատկապես միջուկային մարտագլխիկներ ստեղծելու համար։ Այս հոդվածում կքննարկվի նման ավերիչ զենքի հիմքը, որի անվանումը զենքի համար նախատեսված պլուտոնիում է։

Արագ հղում

Մետաղի այս կոմպակտ ձևը պարունակում է 239Pu իզոտոպի առնվազն 93,5%-ը: Զենքի դասի պլուտոնիումն այդպես է կոչվել՝ այն իր «ռեակտոր եղբորից» տարբերելու համար։ Սկզբունքորեն, պլուտոնիումը միշտ ձևավորվում է բացարձակապես ցանկացած միջուկային ռեակտորում, որն, իր հերթին, աշխատում է ցածր հարստացված կամ բնական ուրանի վրա, որը մեծ մասամբ պարունակում է 238U իզոտոպ::

Զինվորական դիմումներ

Զենքի դասի պլուտոնիում 239Pu-ն միջուկային զենքի հիմքն է։ Միևնույն ժամանակ, 240 և 242 զանգվածային թվերով իզոտոպների օգտագործումն անտեղի է, քանի որ դրանք շատնեյտրոնների բարձր ֆոն, ինչը, ի վերջո, դժվարացնում է բարձր արդյունավետ միջուկային զինամթերքի ստեղծումն ու նախագծումը: Բացի այդ, պլուտոնիումի 240Pu և 241Pu իզոտոպներն ունեն շատ ավելի կարճ կիսամյակ, քան 239Pu-ն, ուստի պլուտոնիումի մասերը շատ տաքանում են: Հենց դրա հետ է կապված, որ ինժեներները ստիպված են հավելյալ տարրեր ավելացնել միջուկային զենքին՝ ավելորդ ջերմությունը հեռացնելու համար։ Ի դեպ, մաքուր 239Pu-ն ավելի տաք է, քան մարդու օրգանիզմը։ Անհնար է նաև հաշվի չառնել այն փաստը, որ ծանր իզոտոպների քայքայման արգասիքները մետաղական բյուրեղային ցանցը ենթարկում են վնասակար փոփոխությունների, և դա բնականաբար փոխում է պլուտոնիումային մասերի կոնֆիգուրացիան, ինչը, ի վերջո, կարող է առաջացնել ամբողջական խափանում: միջուկային պայթուցիկ սարք։

Մեծ հաշվով այս բոլոր դժվարությունները հաղթահարելի են: Իսկ գործնականում «ռեակտորային» պլուտոնիումի վրա հիմնված պայթուցիկ սարքերն արդեն բազմիցս փորձարկվել են։ Բայց պետք է հասկանալ, որ միջուկային զինամթերքում դրանց կոմպակտությունը, ցածր սեփական քաշը, ամրությունը և հուսալիությունը հեռու են վերջին դիրքից։ Այս առումով նրանք օգտագործում են բացառապես զենքի համար նախատեսված պլուտոնիում։

Արդյունաբերական ռեակտորների նախագծման առանձնահատկությունները

Ռուսաստանում գործնականում ամբողջ պլուտոնիումը արտադրվել է գրաֆիտի մոդերատորով հագեցած ռեակտորներում: Ռեակտորներից յուրաքանչյուրը կառուցված է գլանաձեւ գրաֆիտային բլոկների շուրջ։

Երբ հավաքվում են գրաֆիտի բլոկները իրենց միջև ունեն հատուկ անցքեր՝ ապահովելու հովացուցիչի շարունակական շրջանառությունը, որըօգտագործվում է ազոտ. Հավաքված կառուցվածքում կան նաև ուղղահայաց տեղակայված ալիքներ, որոնք ստեղծված են դրանց միջով ջրի հովացման և վառելիքի անցման համար։ Հավաքածուն ինքնին կոշտորեն հենված է մի կառուցվածքով, որն ունի անցքեր ալիքների տակ, որոնք օգտագործվում են արդեն ճառագայթված վառելիքը առաքելու համար: Բացի այդ, ալիքներից յուրաքանչյուրը գտնվում է բարակ պատերով խողովակի մեջ, որը ձուլված է թեթև և չափազանց ամուր ալյումինե խառնուրդից: Նկարագրված ալիքների մեծ մասն ունի վառելիքի 70 ձող: Սառեցնող ջուրը հոսում է անմիջապես վառելիքի ձողերի շուրջը՝ հեռացնելով դրանցից ավելորդ ջերմությունը։

Արտադրական ռեակտորների հզորության բարձրացում

Սկզբում «Մայակ»-ի առաջին ռեակտորը գործել է 100 ՄՎտ ջերմային հզորությամբ։ Այնուամենայնիվ, խորհրդային միջուկային զենքի ծրագրի գլխավոր ղեկավար Իգոր Կուրչատովն առաջարկեց, որ ռեակտորը պետք է աշխատի 170-190 ՄՎտ հզորությամբ ձմռանը, իսկ 140-150 ՄՎտ ամռանը: Այս մոտեցումը թույլ տվեց ռեակտորին օրական արտադրել գրեթե 140 գրամ թանկարժեք պլուտոնիում։

1952 թվականին իրականացվել են լիարժեք հետազոտական աշխատանքներ՝ գործող ռեակտորների արտադրական հզորությունը բարձրացնելու նպատակով հետևյալ մեթոդներով.

• Ավելացնելով հովացման համար օգտագործվող ջրի հոսքը և հոսելով միջուկային կայանքի ակտիվ գոտիներով:
• Ավելացնելով դիմադրությունը կոռոզիայի երևույթի նկատմամբ, որը տեղի է ունենում ալիքի երեսպատման մոտ:
• Գրաֆիտի օքսիդացման արագության նվազեցում:
• Վառելիքի բջիջների ներսում ջերմաստիճանի բարձրացում։

Արդյունքում, շրջանառվող ջրի թողունակությունը զգալիորեն աճել է վառելիքի և ջրանցքի պատերի միջև բացը մեծացնելուց հետո: Մեզ հաջողվեց նաև ազատվել կոռոզիայից։ Դա անելու համար մենք ընտրեցինք ամենահարմար ալյումինի համաձուլվածքները և սկսեցինք ակտիվորեն ավելացնել նատրիումի բիքրոմատը, որն ի վերջո բարձրացրեց հովացման ջրի փափկությունը (pH-ը դարձավ մոտ 6.0-6.2): Գրաֆիտի օքսիդացումը դադարեց հրատապ խնդիր լինել այն բանից հետո, երբ ազոտն օգտագործվեց այն սառեցնելու համար (նախկինում օգտագործվում էր միայն օդը):

Երբ 1950-ականները մոտենում էին ավարտին, նորամուծությունները լիովին կիրառվեցին՝ նվազեցնելով ճառագայթման հետևանքով առաջացած ուրանի չափազանց անհարկի փուչիկը, զգալիորեն նվազեցնելով ուրանի ձողերի ջերմային կարծրացումը, բարելավելով երեսպատման դիմադրությունը և բարելավելով արտադրության որակի վերահսկումը:

Արտադրություն Մայակում

«Չելյաբինսկ-65»-ը այն շատ գաղտնի գործարաններից է, որտեղ ստեղծվել է զենքի համար նախատեսված պլուտոնիում։ Ձեռնարկությունում կային մի քանի ռեակտորներ, որոնցից յուրաքանչյուրին մենք ավելի լավ կծանոթանանք։

Ռեակտոր A

Միավորը նախագծվել և կառուցվել է լեգենդար N. A. Dollezhal-ի ղեկավարությամբ: Նա աշխատել է 100 ՄՎտ հզորությամբ։ Ռեակտորն ուներ 1149 ուղղահայաց դասավորված կառավարման և վառելիքի ալիքներ գրաֆիտային բլոկում: Կառույցի ընդհանուր զանգվածը կազմել է մոտ 1050 տոննա։ Գրեթե բոլոր ալիքները (բացի 25-ից) բեռնված էին ուրանով, որի ընդհանուր զանգվածը կազմում էր 120-130 տոննա։ Կառավարման ձողերի համար օգտագործվել է 17 ալիք, իսկ համար՝ 8փորձերի անցկացում. Վառելիքի բջիջի նախագծային առավելագույն ջերմային արտանետումը եղել է 3,45 կՎտ: Սկզբում ռեակտորն օրական արտադրում էր մոտ 100 գրամ պլուտոնիում։ Պլուտոնիումի մետաղը առաջին անգամ արտադրվել է 1949 թվականի ապրիլի 16-ին։

Տեխնոլոգիական թերություններ

Գրեթե անմիջապես հայտնաբերվեցին բավականին լուրջ խնդիրներ, որոնք բաղկացած էին ալյումինե երեսպատման և վառելիքի բջիջների ծածկույթների կոռոզիայից: Ուրանի ձողերը նույնպես ուռել և կոտրվել են, և սառեցնող ջուրը արտահոսել է անմիջապես ռեակտորի միջուկ: Յուրաքանչյուր արտահոսքից հետո ռեակտորը պետք է կանգնեցվեր մինչև 10 ժամ՝ գրաֆիտը օդով չորացնելու համար։ 1949 թվականի հունվարին փոխվել են կապուղու գծերը։ Դրանից հետո ինստալացիայի մեկնարկը տեղի ունեցավ 1949 թվականի մարտի 26-ին։

Զենքի դասի պլուտոնիում, որի արտադրությունը ռեակտոր Ա-ում ուղեկցվում էր բոլոր տեսակի դժվարություններով, արտադրվել է 1950-1954 թվականներին՝ 180 ՄՎտ միջին միավորի հզորությամբ։ Ռեակտորի հետագա աշխատանքը սկսեց ուղեկցվել դրա ավելի ինտենսիվ օգտագործմամբ, ինչը միանգամայն բնականաբար հանգեցրեց ավելի հաճախակի անջատումների (ամսական մինչև 165 անգամ)։ Արդյունքում, 1963 թվականի հոկտեմբերին ռեակտորը դադարեցրեց աշխատանքը և վերսկսեց իր աշխատանքը միայն 1964 թվականի գարնանը։ Նա ավարտեց իր քարոզարշավը 1987 թվականին և արտադրեց 4,6 տոննա պլուտոնիում երկար տարիների գործունեության ընթացքում:

AB ռեակտորներ

Որոշվեց 1948 թվականի աշնանը Չելյաբինսկ-65 ձեռնարկությունում կառուցել երեք AB ռեակտորներ։ Դրանց արտադրական հզորությունը կազմում էր օրական 200-250 գրամ պլուտոնիում։ Նախագծի գլխավոր նախագծողն էր Ա. Սավինը:Յուրաքանչյուր ռեակտոր ուներ 1996 կապուղի, որոնցից 65-ը կառավարման ալիքներ էին։ Տեղակայանքներում կիրառվել է տեխնիկական նորույթ՝ յուրաքանչյուր ալիք հագեցած է եղել հատուկ հովացուցիչ նյութի արտահոսքի դետեկտորով։ Նման քայլը հնարավորություն է տվել փոխել գծերը՝ առանց բուն ռեակտորի աշխատանքը դադարեցնելու։

Ռեակտորների շահագործման առաջին տարին ցույց է տվել, որ նրանք օրական արտադրում են մոտ 260 գրամ պլուտոնիում։ Սակայն շահագործման երկրորդ տարվանից հզորությունը աստիճանաբար ավելացավ, և արդեն 1963 թվականին դրա ցուցանիշը կազմում էր 600 ՄՎտ։ Երկրորդ հիմնանորոգումից հետո գծերի խնդիրն ամբողջությամբ լուծվեց, և հզորությունն արդեն 1200 ՄՎտ էր՝ տարեկան 270 կիլոգրամ պլուտոնիումի արտադրությամբ։ Այս ցուցանիշները պահպանվել են մինչև ռեակտորների ամբողջական փակումը։

AI-IR ռեակտոր

Չելյաբինսկի ձեռնարկությունն օգտագործել է այս տեղադրումը 1951 թվականի դեկտեմբերի 22-ից մինչև 1987 թվականի մայիսի 25-ը: Բացի ուրանից, ռեակտորում արտադրվել են նաև կոբալտ-60 և պոլոնիում-210: Սկզբում տեղանքում տրիտում էր արտադրվում, սակայն հետագայում սկսեցին ստանալ պլուտոնիում։

Նաև, սպառազինության մակարդակի պլուտոնիումի վերամշակման գործարանը գործում էր ծանր ջրի ռեակտորներ և միակ թեթև ջրի ռեակտորը (նրա անունը Ռուսլան է):

Սիբիրյան հսկա

«Տոմսկ-7»՝ այսպես է կոչվում կայանը, որտեղ տեղակայված են պլուտոնիումի արտադրության հինգ ռեակտորներ։ Ստորաբաժանումներից յուրաքանչյուրն օգտագործում էր գրաֆիտ՝ նեյտրոնների դանդաղեցման համար, իսկ սովորական ջուրը՝ պատշաճ սառեցում ապահովելու համար:

Ռեակտոր I-1 աշխատել է համակարգի հետհովացում, որի մեջ ջուրն անցել է մեկ անգամ։ Այնուամենայնիվ, մնացած չորս ագրեգատներին տրամադրվել են ջերմափոխանակիչներով հագեցած փակ առաջնային սխեմաներ: Այս դիզայնը հնարավորություն տվեց լրացուցիչ առաջացնել գոլորշի, որն իր հերթին նպաստեց էլեկտրաէներգիայի արտադրությանը և տարբեր բնակելի տարածքների ջեռուցմանը։

«Տոմսկ-7»-ն ուներ նաև EI-2 կոչվող ռեակտոր, որն իր հերթին ուներ երկակի նպատակ՝ արտադրում էր պլուտոնիում և առաջացած գոլորշուց արտադրում 100 ՄՎտ էլեկտրաէներգիա, ինչպես նաև 200 ՄՎտ ջերմային էներգիա։ էներգիա։

Կարևոր տեղեկություն

Գիտնականների տվյալներով՝ զենքի համար նախատեսված պլուտոնիումի կիսամյակը մոտ 24360 տարի է։ Հսկայական թիվ! Այս առումով հատկապես սուր է դառնում հարցը. «Ինչպե՞ս ճիշտ վարվել այս տարրի արտադրական թափոնների հետ»։ Ամենաօպտիմալ տարբերակը հատուկ ձեռնարկությունների կառուցումն է` զենքի մակարդակի պլուտոնիումի հետագա մշակման համար: Դա բացատրվում է նրանով, որ այս դեպքում տարերքն այլեւս չի կարող օգտագործվել ռազմական նպատակներով եւ վերահսկվելու է անձի կողմից։ Ահա թե ինչպես են Ռուսաստանում ոչնչացնում զենքի արտադրության պլուտոնիումը, սակայն Ամերիկայի Միացյալ Նահանգները գնաց այլ ճանապարհով՝ խախտելով իր միջազգային պարտավորությունները։

Այսպիսով, ԱՄՆ կառավարությունն առաջարկում է ոչնչացնել բարձր հարստացված միջուկային վառելիքը ոչ թե արդյունաբերական ճանապարհով, այլ նոսրացնելով պլուտոնիումը և այն պահելով հատուկ տարաներում՝ 500 մետր խորության վրա։ Անշուշտ կարելի է ասել, որ այս դեպքում նյութը հեշտությամբ կարող է լինելհանել այն գետնից և վերագործարկել ռազմական նպատակներով: Ըստ ՌԴ նախագահ Վլադիմիր Պուտինի՝ ի սկզբանե երկրները պայմանավորվել են ոչնչացնել պլուտոնիումը ոչ թե այս մեթոդով, այլ արդյունաբերական օբյեկտներում ոչնչացնել։

Զենքի համար նախատեսված պլուտոնիումի արժեքը հատուկ ուշադրության է արժանի: Փորձագետների կարծիքով, այս տարրի տասնյակ տոննաները կարող են արժենալ մի քանի միլիարդ ԱՄՆ դոլար։ Իսկ որոշ փորձագետներ նույնիսկ գնահատել են 500 տոննա զենքի համար նախատեսված պլուտոնիում, որը կազմում է 8 տրիլիոն դոլար: Գումարն իսկապես տպավորիչ է։ Որպեսզի ավելի պարզ լինի, թե դա որքան գումար է, ասենք, որ 20-րդ դարի վերջին տասը տարիներին Ռուսաստանի միջին տարեկան ՀՆԱ-ն կազմել է 400 միլիարդ դոլար։ Այսինքն, փաստորեն, զենքի արտադրության պլուտոնիումի իրական գինը հավասար էր Ռուսաստանի Դաշնության տարեկան քսան ՀՆԱ-ին։։