Ядерные материалы

Приложение 3

Минимизация ядерных устройств

Дополнительные побочные изотопы плутония

Захват нейтрона, не сопровождающийся при этом актом деления, создает новые изотопы плутония: Pu-240, Pu-241 и Pu-242. Последние два накапливаются в незначительных количествах.

Pu²³⁹ + n -> Pu²⁴⁰

Pu²⁴⁰ + n -> Pu²⁴¹

Pu²⁴¹ + n -> Pu²⁴²

Возможна и побочная цепочка реакций:

U²³⁸ + n -> U²³⁷ + 2n

U²³⁷ -> (6,75 дней, бета-распад) -> Np²³⁷

Np²³⁷ + n -> Np²³⁸

Np²³⁸ -> (2,1 дня, бета-распад) -> Pu²³⁸

Общую меру облученности (отработанности) топливного элемента можно выразить в мегаватт-днях/тонну (МВт-день/т). Плутоний оружейного качества получается из элементов с небольшим количеством МВт-день/т, в нем образуется меньше побочных изотопов. Топливные элементы в современных водо-водяных реакторах достигают уровня в 33000 МВт-день/т. Типичная экспозиция в оружейном бридерном (с расширенным воспроизводством ядерного горючего) реакторе 1000 МВт-день/т. Плутоний в Хэнфордских реакторах с графитовым замедлителем облучается до 600 МВт-день/т, в Саванне на реакторе на тяжелой воде производится плутоний такого же качества при 1000 МВт-день/т (возможно, из-за того, что часть нейтронов уходит на образование трития). Во время Манхэттенского проекта топливо из природного урана получало всего 100 МВт-день/т, таким образом, получался очень высококачественный плутоний-239 (всего 0,9–1% Pu-240, остальные изотопы еще в меньших количествах)[33].

Минимизации массы и размера устройства способствует применение эффективного делящегося материала – урана-233 и плутония, легкой взрывчатой оболочки и тонкого бериллиевого отражателя.

При небольшой и легкой взрывчатой системе сжатие ядра будет неэффективным, и КПД устройства заметно снизится.

Увеличение слоя отражателя способствует уменьшению массы плутония:

Толщина Плутоний в алфа-фазебериллия (см) (плотность 19,25) (кг)

0,00	10,47
5,22	5,43
8,17	4,66
13,0	3,93
21,0	3,22
32,0	2,47

Правда, толстый рефлектор, снижая критическую массу плутония, очень сильно увеличивает сами габариты устройства. Применение несколько сантиметрового слоя бериллия уменьшает радиус плутониевого ядра до 40–60% от самой толщины отражателя. В некоторых случаях, несмотря на то, что масса бериллиевой оболочки растет пропорционально кубу ее радиуса, разница в плотностях между бериллием и плутонием в 10:1 может дать снижение общей массы системы ядро/рефлектор.

Для нижнего предела диапазона мощности (десятки тонн) достаточно просто перевести плутоний из дельты в альфа состояние. В этом случае даже не требуется классическая имплозионная система, достаточно обеспечить гораздо меньшие давления в 10–20 тыс. атмосфер, этого хватит для схлопывания кристаллической структуры.

Делая минимально возможное по радиусу устройство, придется применять тонкий отражатель, слабую имплозионную систему – таким образом получится очень маломощное устройство с большим удельным расходом делящегося вещества – 10 кг плутония.

Абсолютный минимум массы бомбы определяется минимальной критической массой, достаточной для заметного энергетического выхода. Критическая масса для плутония в альфа-фазе 10,5 кг, еще 20–25% массы требуется для значительного взрыва, итого 13,5 кг. Отражатель из бериллия может уменьшить требуемое количество плутония, но для этого нужно создание эффективной имплозионной системы, увеличивающей общую массу. Так что действительный абсолютный минимум для веса ядерного заряда – 10–15 кг[34].

 

Наибольшее беспокойство с точки зрения увеличения запасов ядерного оружия возникает при непосредственном анализе материалов для ядерного топлива. Это может быть, например, плутоний, содержащийся в отработанном ядерном топливе, которое каждый год заменяется на свежее в ядерных реакторах. Заметим, что для создания атомной бомбы достаточно лишь нескольких килограммов плутония. Более того, в каждом государстве имеется достаточное количество природных запасов урана для создания ядерного оружия.

Плутоний – это вещество с многообразными свойствами, зависящими от источника его происхождения. Он существует в виде различных изотопов, таких как Pu-238, Pu-239, Pu-240, и Pu-241. Все они – «плутоний», но не все являются расщепляющимися. Только изотопы Pu-239 и Pu-241 могут подвергаться реакции ядерного расщепления в реакторах. Плутоний -239 сам по себе является превосходным ядерным топливом и используется для создания ядерного оружия, поскольку имеет достаточно малую критическую массу и низкий коэффициент самопроизвольного распада. Поэтому плутоний -239 часто называют «оружейным плутонием». Он использовался в бомбе, сброшенной на город Нагасаки в 1945 году, и в современном ядерном оружии.

С другой стороны, пригодный для использования в реакторах плутоний производится практически на всех ядерных реакторах и содержится в отработанном ядерном топливе, из которого он может быть выделен после специальной обработки. Этот плутоний не является в чистом виде оружейным. Он содержит до 40% более тяжелых изотопов плутония (обычно это Pu-240), которые накапливаются в топливных элементах в течение длительного времени.

Данное обстоятельство практически не влияет на повторное использование плутония в смешанном оксидном топливе для реакторов (MOX – топливо), но серьезно ограничивает его пригодность для создания ядерного оружия. Вследствие самопроизвольного распада Pu-240 только очень малое содержание этого материала может быть доступно для создания оружия. Конструкция ядерных устройств военного назначения, основанных на использовании плутония, пригодного для применения в обычных реакторах, была бы ненадежна, трудна в изготовлении и пока на практике не реализована[35]. Однако концепция международной ядерной безопасности предполагает, что оба вида плутония могут использоваться для создания оружия, особенно оружия устрашения. Это является основанием для всеобщего запрета переработки и разделения любого плутония из отработанного ядерного топлива.

Формирование: U-238 + нейтрон = > U-239 = > Np-239 = > Pu-239

(Бета-распады U-239 и Np-239: период полураспада 23,5 мин. и 2,35 дней, соответственно)

Pu-239 + нейтрон = > Pu-240

Pu-240 + нейтрон = > Pu-241

В среднем одно из четырех поглощений нейтрона ядром Pu-239 приводит к образованию Pu-240. Pu-241 и Pu-242 формируются при последующих процессах поглощения нейтронов в ядерном топливе. Pu-239, содержащийся в облученном топливе в ядерном реакторе, выгорает так же быстро, как и накапливается, а Pu-240 накапливается устойчиво.

Очень малое количество Pu-238 формируется при поглощении нейтронов ядрами U-235.

Количество:

Обычный реактор мощностью 1000 МВт производит приблизительно 250 кг плутония (особенно Pu-239) каждый год. Эти остатки содержатся в высокоактивном отработанном ядерном топливе, если оно повторно не обработано.

Количество Pu-240 увеличивается со временем, пока тепловыделяющие элементы остаются в реакторе. Pu-240 не расщепляется в реакторе на тепловых нейтронах, но может стать расщепляющимся Pu-241 при дальнейшем поглощении нейтронов. (Pu-240 расщепляется в реакторах на быстрых нейтронах).

Радиоактивность:

Pu-239 испускает при распаде альфа-частицы и превращается в U-235. Период полураспада Pu-239 24390 лет, поэтому он имеет довольно низкий уровень радиоактивности.

Pu-240 испускает при распаде альфа-частицы и превращается в U-236 (другой неделящийся изотоп урана). Его период полураспада – 6600 лет, поэтому он имеет более высокий уровень радиоактивности, чем Pu-239. Изотоп U-236 также испускает нейтроны при спонтанном распаде и превращается в Pu-238 с периодом полураспада 86 лет.

Для обеспечения защиты от альфа-радиоактивности производится герметизация плутония от внешних контактов, например, в пластиковых контейнерах.

Использование:

Тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде Pu-238 (0,56 Вт/г), позволяет использовать его как источник энергии в термоэлектрических генераторах для кардиостимуляторов, космических спутников, навигационных маяков и т.д. Энергия таких плутониевых источников дала, например, возможность космическому спутнику «Вояджер» посылать на Землю изображения планет. Pu-240 также может использоваться для решения подобных задач. В мирных целях изотоп Pu-239 используется в качестве топлива для ядерных реакторов. Изотоп Pu-241 (период полураспада 13 лет) после бета-распада превращается в Америций-241, который используется в качестве наполнителя в большинстве детекторов задымления.

 

 

Таблица 4

Тип	Состав	Происхождение	Использование
Пригодный для использования в реакторах	55–60% Pu-239, более 19% Pu-240, примерно 30% нерасщепляющихся изотопов	Содержится в количестве примерно 1% в составе отработанного ядерного топлива на обычных гражданских реакторах	Как составная часть (5–7%) смешанного оксидного топлива (MOX-топливо) для обычных реакторов. Как топливо для реакторов на быстрых нейтронах.
Оружейный	Pu-239 с содержанием менее 7% Pu-240	Производится на специальных реакторах военного назначения.	Для создания ядерного оружия. Может перерабатываться в топливо для реакторов на быстрых нейтронах или в MOX-топливо

 

Следует отметить, что ядерный реактор, который использует смешанное MOX-топливо, не может более являться производителем плутония, а тот, который и появляется в топливе, еще менее пригоден для производства оружия, чем находящийся в свежем MOX-топливе.

Коммерческий плутоний поэтому намного менее привлекателен для военных целей, чем плутоний, произведенный на специальных реакторах, разработанных для производства Pu-239. Тем не менее появление новых лазерных технологий обогащения делает возможным обогащение коммерческого плутония до уровня оружейного. Следовательно, меры международной ядерной безопасности должны быть направлены и на контроль за увеличением количества пригодного только для гражданских реакторов плутония. (Обычные методы обогащения не могут использоваться для разделения изотопов Pu-239 от Pu-240, так как массы атомов практически равны).