Синтез нових елементів
Виробництво збройового плутонію
Перетворення одних атомів в інші відбувається при взаємодії атомних або субатомних частинок. З таких доступні у великих кількостях тільки нейтрони. Гігаватного ядерний реактор виробляє близько 3,75 кг (або 4 * 10 30) нейтронів протягом року.
Атоми плутонію утворюються в результаті ланцюга атомних реакцій, що починаються з захоплення нейтрона атомом урану-238:
U 238 + n -> U 239 -> Np 239 -> Pu 239
або, точніше:
При продовженні опромінення деякі атоми плутонію-239 здатні в свою чергу захопити нейтрон і перетворитися в більш важкий ізотоп плутоній-240:
Pu 239 + n -> Pu 240
Щоб отримувати плутоній в достатній кількості, потрібні сильні нейтронні потоки. Такі як раз створюються в атомних реакторах. В принципі, будь-який реактор є джерелом нейтронів, але для промислового виробництва плутонію природно використовувати спеціально розроблений для цього.
Схема 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 одночасної напрацювання плутонію необхідно, щоб в середньому один або два нейтрона поглинулися б U-238, а один викликав би розподіл наступного атома U-235.
Нейтрони, що виникають при розподілі урану, мають дуже великими швидкостями. Атоми урану влаштовані таким чином, що захоплення швидких нейтронів ядрами і U-238 і U-235 малоймовірний. Тому швидкі нейтрони, випробувавши 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 яке-небудь 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 розподіл U-235 (U-238 поглинає їх дуже слабо). При певній конфігурації сповільнювач і уранових стрижнів створяться умови для поглинання нейтронів і U-238 і U-235.
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 ділення у Pu-240 набагато вище, що створює сильний нейтронний фон.
У найперші роки розробки атомної зброї випускання нейтронів (сильний нейтронний фон) було проблемою на шляху до надійного і ефективного заряду через передчасної його детонації. Сильні потоки нейтронів робили складним або неможливим стиснення ядра бомби, що містить кілька кілограмів плутонію, в надкритичний стан - до цього воно руйнувалося найсильнішим, але все-таки не максимально можливим Енерговихід. Прихід змішаних ядер - що містять високозбагачений U-235 і плутоній (в кінці 1940-х) - подолав це складне становище, коли стало можливим застосовувати відносно невелика кількість плутонію в здебільшого уранових ядрах. Наступне покоління зарядів - пристрої з посиленням за рахунок синтезу (в середині 1950-х) - повністю виключило це складне становище, гарантуючи високу виділення енергії навіть при малопотужних початкових зарядах ділення.
Плутоній, який виготовляється в спеціальних реакторах, містить відносно невеликий відсоток Pu-240 (<7%), плутония «оружейного качества»; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20% (плутоний «реакторного качества»).
В реакторах спеціального призначення уран знаходиться відносно невеликий проміжок часу, протягом якого вигорає не весь U-235 і не весь U-238 переходить в плутоній, зате утворюється і меншу кількість Pu-240.
Економічна. єдина причина існування плутонієвих спецреакторов. Розпад плутонію в результаті поділу або перетворення його в менш ділиться 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 надають додатковий вплив при професійному опроміненні тих, хто збирає або обслуговує зброю (самі нейтрони не володіють іонізуючим дією, 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 виливок і обробка плутонію виконується вручну в герметичних камерах з рукавичками для оператора.
Всі ці причини (радіоактивність, гірші властивості Pu-240) пояснюють, чому плутоній реакторного якості не застосовується для виготовлення зброї - дешевше напрацьовувати збройовий плутоній в спец. реакторах. Хоча і з реакторного теж, по всій видимості, можна виготовити ядерний вибуховий пристрій.
Це кільце з електролітично очищеного металевого плутонію (чистота понад 99,96%). Типове з кілець, підготовлених в Лос-Аламосі і відправляються в Рокі Флетс для виготовлення зброї, до недавнього призупинення його виробництва. Маса кільця 5,3 кг, достатня для виготовлення сучасного стратегічного заряду, діаметр - приблизно 11 см. Кільцева форма важлива для забезпечення критичної безпеки.