Производство плутония

Кольцо из очищенного плутония чистотой 99,96 %, масса 5,3 кг, диаметр 11 см (достаточно для изготовления активной зоны ядерного оружия). Это изображение Министерства энергетики США находится в открытом доступе.

В другом месте мы исследовали обогащение урана, технологию двойного назначения, которую можно использовать либо для обогащения природного урана для использования в гражданских ядерных энергетических реакторах, либо, путем дальнейшего обогащения, для использования в ядерном оружии.Теперь рассмотрим другой путь к бомбе: производство плутония из природного урана путем облучения в ядерном реакторе и химического разделения. Давайте начнем с некоторых основ.

Если вы хотите создать ядерное оружие деления (либо для использования само по себе, либо в качестве спускового крючка для термоядерного оружия), вам нужна критическая масса делящегося материала, которая сохраняется в докритической конфигурации до тех пор, пока оружие не будет взорвано. затем быстро собираются в критическую конфигурацию, где цепная ядерная реакция может запуститься, производя взрывной выход. Теоретически в ядерном оружии могут использоваться самые разные элементы и изотопы, но с начала ядерной эры в оружии реально использовались только два: уран-235 (U-235) и плутоний-239 (Pu-239). ). Уран существует в природе, но только 0,711% природного урана составляет U-235, поэтому для создания бомбы необходимо провести дорогостоящий и сложный процесс обогащения, чтобы отделить U-235 от 99,284% U-238, который не может поддерживать быструю цепную реакцию, необходимую для оружия.

Плутоний не существует в природе. Период полураспада Pu-239 составляет всего 24 000 лет, поэтому, даже если бы он присутствовал при формировании Земли, он давно бы распался на другие элементы. Но если взять U-238, составляющий подавляющую часть природного урана, и бомбардировать его нейтронами, некоторые ядра поглотят нейтрон, превратив их в U-239 (ядро с теми же 92 протонами, что и U-238, но дополнительный нейтрон). Но это ядро ​​имеет слишком много нейтронов, чтобы быть стабильным, и распадается с периодом полураспада 23,5 минуты в результате бета-распада: испускание бета-частицы (электрона), превращающее один из нейтронов в ядре в протон, который трансмутирует U-239 в элемент 93, нептуний, с получением изотопа Np-239.Np-239, хотя и более стабилен, чем U-239, остается нестабильным и с периодом полураспада 2,36 дня также подвергается бета-распаду, в результате чего образуется Pu-239, который с периодом полураспада 24 000 лет можно считать стабильным. в масштабе человеческого времени. Вот как химики-ядерщики записывают эту последовательность реакций.

Это кажется довольно простым. Все, что нам нужно сделать, это получить природный уран, который в основном представляет собой U-238, бомбардировать его нейтронами, подождать некоторое время, и мы получим плутоний, который, будучи отдельным химическим элементом, может быть отделен от урана рядом химических реакций мы обсудим ниже. Так где же взять нейтроны? Первые атомы плутония были получены на циклотроне в Калифорнийском университете в Беркли, но этот процесс настолько медленный и неэффективный, что он не мог произвести достаточное количество плутония, чтобы его можно было увидеть человеческим глазом, не говоря уже о килограммах, необходимых для его производства. бомба.

Но ядерный реактор также производит обильные нейтроны, которых достаточно от деления урана-235, чтобы облучить урана-238 и начать последовательность реакций, в результате которых образуется плутоний-239. Кроме того, используя замедлитель нейтронов из графита или тяжелой воды, можно построить ядерный реактор, который будет поддерживать деление с использованием природного урана, устраняя необходимость в обогащении урана. (Из соображений стоимости и эффективности большинство атомных электростанций используют обычную легкую воду в качестве замедлителя и теплоносителя, но для этого требуется обогащенное топливо.)

В принципе, вы строите реактор с графитовым или тяжеловодным замедлителем, заправляете его природным ураном, очищенным от урановой руды, запускаете его, даете ему поработать некоторое время, затем вынимаете тепловыделяющие элементы, которые теперь будут содержать Pu-239, выведенный из урановой руды. U-238 в природном уране, с которого вы начали, химически отделить плутоний и передать его создателям бомб. На практике возникает большое количество неудобных деталей, усложняющих процесс.В то время как плутоний для оружейных целей обычно производится в специальных реакторах по производству плутония, использующих топливо из природного урана, любой ядерный реактор, в активной зоне которого содержится U-238 (включая все гражданские энергетические реакторы), будет производить плутоний во время его работы. По причинам, которые мы обсудим ниже, если только реактор не работает очень неэффективно для производства энергии, этот плутоний гораздо менее пригоден для создания бомб, но его можно использовать для использования в оружии, что требует тщательного контроля за отработавшим топливом энергетического реактора. Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ).

Поскольку U-238 облучается нейтронами в реакторе, Pu-239 производится описанным выше процессом, но это не конец истории. В богатой нейтронами среде Pu-239 может захватывать дополнительный нейтрон и превращаться в изотоп Pu-240. Pu-240 химически идентичен Pu-239, но имеет более короткий период полураспада — 6563 года и, что более важно, подвергается спонтанному делению со скоростью, в 41 500 раз превышающей скорость Pu-239. Все эти спонтанные деления высвобождают нейтроны, которые могут спровоцировать предварительную детонацию (или взрыв), при котором ядерное оружие разлетается на части до того, как произойдет предполагаемый взрыв. Этот нейтронный фон от Pu-240 исключает простую конструкцию оружия в сборе, возможную с U-235, и требует гораздо более сложной и трудно доводимой до совершенства конструкции имплозии. Чем выше степень загрязнения плутония плутонием-240, тем более сложной должна быть конструкция оружия, чтобы избежать взрыва.

Чтобы свести к минимуму количество Pu-240, топливные стержни в реакторе по производству плутония следует облучать в течение относительно короткого периода времени: достаточно долго, чтобы преобразовать около 1% U-238 в Pu-239, но не так долго, чтобы слишком большая часть Pu-239 превращается в Pu-240. Плутоний с менее чем 7% Pu-240 считается «оружейным».В энергетическом реакторе тепловыделяющие элементы остаются в реакторе намного дольше, а плутоний, извлеченный из их топливных стержней, может содержать 18% и более Pu-240 — это называется плутонием «реакторного качества». Это не означает, что вы не можете сделать бомбу из реакторного плутония: в 1962 году США провели ядерные испытания бомбы с использованием плутония с высоким содержанием плутония-240, хотя и по сей день точный изотопный состав плутония не разглашается.

Теперь обратимся к тому, как извлекают плутоний из облученного в реакторе топлива. Облученные топливные стержни, извлеченные из реактора, представляют собой высокорадиоактивную колдовскую смесь урана, плутония и продуктов деления, многие из последних сильно радиоактивны и выделяют большое количество тепла. К счастью, наиболее радиоактивные продукты деления обязательно имеют самые короткие периоды полураспада, поэтому топливные стержни сначала сбрасываются в резервуар для выдержки, наполненный водой, и оставляются там до тех пор, пока не спадет наиболее интенсивная радиоактивность.

Далее твэлы растворяют, обычно в азотной кислоте, в результате чего получается жидкость, содержащая все содержимое стержней и их оболочек. Любой материал, который не растворился, отфильтровывается после этой стадии. Затем продукты деления отделяются от урана и плутония (которые имеют похожий, но не идентичный химический состав) с помощью химического процесса, использующего тот факт, что уран и плутоний растворимы в органических растворителях, а продукты деления не растворяются и остаются в водный раствор. Продукты деления удаляются для хранения как высокоактивные ядерные отходы, оставляя смесь урана и плутония в органическом растворителе. Затем его обрабатывают водным сульфатом железа, который отделяет плутоний от урана, который затем можно извлечь и отправить на последующие этапы обработки. Это грубое упрощение процесса PUREX, который используется для переработки ядерного топлива в промышленных масштабах, но это самое главное.Следующее видео демонстрирует этот процесс с использованием реального отработавшего ядерного топлива в лабораторных масштабах.

Одно дело делать это в бардачке, и совсем другое — с тоннами материала, особенно если учесть, что если допустить накопление критической массы плутония (10 кг или меньше в зависимости от обстоятельств) в любом месте процесса, у тебя будет очень плохой день. Излучение отработавших топливных стержней настолько интенсивно, что процесс необходимо проводить в сильно экранированных горячих камерах с дистанционным управлением. Вот видео (с незначительным качеством изображения в некоторых частях), описывающее производство плутония в промышленных масштабах на полигоне в Хэнфорде, США.

В отличие от обогащения урана, которое может использоваться либо для ядерной энергетики, либо для использования в оружии, крупномасштабное производство плутония на самом деле имеет только оружейное применение. Страна с крупной программой гражданской ядерной энергетики может осуществлять переработку топлива с целью извлечения плутония для использования в энергетических реакторах в качестве МОКС-топлива, но стране с зарождающейся ядерно-энергетической программой переработка не нужна: это проще и экономичнее. отправить отработанное топливо в страну с инфраструктурой переработки, такую ​​как Великобритания, Франция или Россия, и получить взамен готовое к использованию МОКС-топливо, и все это под гарантиями МАГАТЭ.

Для ядерного оружия, особенно такого, как боеголовки баллистических ракет, где важна минимизация массы, плутоний — это то, что нужно. Его критическая масса составляет около 1/5 массы U-235, что уменьшает как объем, так и массу. Конструировать оружие с плутонием сложнее, но плутоний можно производить из природного урана в компактных установках, которые легче скрыть и защитить от действий противника, в отличие от заводов по обогащению урана, которые непомерно велики и требуют материалов, которые при закупке на месте открытый рынок, поднимите брови.

Плутоний легче достать, но сложнее использовать.Конструкция оружия более требовательна, и, по сравнению с урановой бомбой, без испытаний трудно быть уверенным, что бомба взорвется. Хотя раньше считалось, что каждая страна, которая пыталась создать ядерное оружие, преуспела с первой попытки, теперь это не так: ядерное испытание Северной Кореи в 2006 году, которое, как считается, было плутониевым имплозивным устройством, по-видимому, имело выход шипения 0,48 килотонн. Основывать свою стратегию на ядерном сдерживании с помощью плутониевого оружия, которое никогда не испытывали, чрезвычайно рискованно, хотя демонстрация инфраструктуры может создать достаточную двусмысленность, чтобы противники не захотели бросать кости.

Вот краткое изложение для читателей, ориентированных на политику, которые зашли так далеко. Есть два пути к ядерному оружию: обогащение урана и производство плутония. Для обогащения урана требуется крупная промышленная инфраструктура, которую относительно легко обнаружить путем мониторинга ее цепочки поставок, но которую можно утверждать, что она предназначена исключительно для программы гражданской ядерной энергетики. Производство плутония может быть осуществлено с помощью реактора на природном уране, который не требует обогащения топлива (но требуется подача реакторного графита или тяжелой воды, которые можно контролировать) и небольшого химического завода. Технически проще создать оружие из урана, чем из плутония. Простейшие урановые бомбы ужасно неэффективны, но гарантированно работают без испытаний. Конструкции плутониевой бомбы более сложны, и гораздо более рискованно полагаться на них без испытания, которое выявит, что страна, которая его проводит, является государством, обладающим ядерным оружием. Международные гарантии против распространения ядерного оружия должны следить за обоими путями к ядерному оружию и должны искать очень разные сигнатуры путей урана и плутония.

Это лекция о том, как работают гарантии МАГАТЭ и каковы их ограничения на практике.

Подтверждение: Это эссе было основано на дискуссиях по электронной почте с Робертом Г.Кеннеди, III, который проживает в американском Атомном городе и знает об этих вещах гораздо больше, чем этот писец. Все ошибки, конечно, мои. Г-н Кеннеди придумал наблюдение: «Плутоний: легко получить, трудно использовать. U-235: трудно достать, легко использовать». который я частично процитировал выше.

Джон Уокер
май 2015 г.

Этот документ находится в открытом доступе.