Plutonium cấp vũ khí: ứng dụng, sản xuất, thải bỏ

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Nhân loại luôn tìm kiếm những nguồn năng lượng mới có thể giải quyết nhiều vấn đề. Tuy nhiên, không phải lúc nào chúng cũng an toàn. Vì vậy, đặc biệt, các lò phản ứng hạt nhân được sử dụng rộng rãi ngày nay, mặc dù chúng có khả năng tạo ra một lượng năng lượng điện khổng lồ mà mọi người cần, vẫn mang một mối nguy hiểm chết người. Nhưng, ngoài việc sử dụng năng lượng hạt nhân cho mục đích hòa bình, một số quốc gia trên hành tinh của chúng ta đã học cách sử dụng nó trong quân sự, đặc biệt là để tạo ra đầu đạn hạt nhân. Bài viết này sẽ thảo luận về cơ sở của một loại vũ khí hủy diệt như vậy, tên của nó là plutonium cấp độ vũ khí.

Tham khảo nhanh

Dạng kim loại nhỏ gọn này chứa ít nhất 93,5% đồng vị 239Pu. Plutonium cấp vũ khí được đặt tên như vậy để phân biệt với “người anh em lò phản ứng” của nó. Về nguyên tắc, plutonium luôn được tạo thành hoàn toàn trong bất kỳ lò phản ứng hạt nhân nào, do đó, chạy bằng uranium tự nhiên hoặc được làm giàu thấp, chứa phần lớn là đồng vị 238U.

Đơn quân sự

Plutonium 239Pu cấp vũ khí là cơ sở của vũ khí hạt nhân. Đồng thời, việc sử dụng các đồng vị có khối lượng 240 và 242 là không thích hợp, vì chúng tạo ra rấtnền neutron cao, điều này cuối cùng gây khó khăn cho việc chế tạo và thiết kế đạn hạt nhân hiệu quả cao. Ngoài ra, các đồng vị plutonium 240Pu và 241Pu có chu kỳ bán rã ngắn hơn nhiều so với 239Pu, vì vậy các bộ phận của plutonium trở nên rất nóng. Liên quan đến điều này là các kỹ sư buộc phải thêm các phần tử bổ sung vào vũ khí hạt nhân để loại bỏ nhiệt dư thừa. Nhân tiện, 239Pu tinh khiết ấm hơn cơ thể người. Cũng không thể không tính đến thực tế là các sản phẩm phân rã của các đồng vị nặng khiến mạng tinh thể kim loại bị thay đổi có hại, và điều này làm thay đổi hoàn toàn cấu hình của các bộ phận plutonium, mà cuối cùng, có thể gây ra hỏng hóc hoàn toàn. một thiết bị nổ hạt nhân.

Nói chung, tất cả những khó khăn này đều có thể vượt qua. Và trên thực tế, các thiết bị nổ dựa trên plutonium "lò phản ứng" đã được thử nghiệm nhiều lần. Nhưng cần hiểu rằng trong các loại vũ khí hạt nhân, độ nhỏ gọn, trọng lượng riêng thấp, độ bền và độ tin cậy của chúng còn xa vị trí cuối cùng. Về vấn đề này, họ sử dụng riêng plutonium cấp vũ khí.

Đặc điểm thiết kế của lò phản ứng công nghiệp

Trên thực tế, tất cả plutonium ở Nga đều được sản xuất trong các lò phản ứng được trang bị bộ điều tiết than chì. Mỗi lò phản ứng được xây dựng xung quanh các khối than chì hình trụ.

Khi được lắp ráp, các khối than chì có các khe đặc biệt giữa chúng để đảm bảo lưu thông liên tục của chất làm mát,nitơ được sử dụng. Trong cấu trúc lắp ráp, cũng có các kênh định vị thẳng đứng được tạo ra để làm mát nước và nhiên liệu qua chúng. Bản thân cụm lắp ráp được hỗ trợ vững chắc bởi một cấu trúc có các lỗ dưới các rãnh được sử dụng để vận chuyển nhiên liệu đã được chiếu xạ. Ngoài ra, mỗi kênh nằm trong một đường ống có thành mỏng được đúc từ hợp kim nhôm siêu nhẹ và cực kỳ chắc chắn. Hầu hết các kênh được mô tả có 70 thanh nhiên liệu. Nước làm mát chảy trực tiếp xung quanh các thanh nhiên liệu, loại bỏ nhiệt dư thừa từ chúng.

Tăng công suất lò phản ứng sản xuất

Ban đầu, lò phản ứng Mayak đầu tiên hoạt động với công suất 100 MW nhiệt. Tuy nhiên, người đứng đầu chương trình vũ khí hạt nhân của Liên Xô, Igor Kurchatov, đề xuất rằng lò phản ứng nên hoạt động ở công suất 170-190 MW vào mùa đông và 140-150 MW vào mùa hè. Cách tiếp cận này cho phép lò phản ứng sản xuất gần 140 gam plutonium quý mỗi ngày.

Năm 1952, công việc nghiên cứu chính thức đã được thực hiện nhằm tăng năng lực sản xuất của các lò phản ứng đang hoạt động bằng các phương pháp sau:

• Bằng cách tăng lưu lượng nước được sử dụng để làm mát và chảy qua các vùng hoạt động của một hệ thống hạt nhân.
• Bằng cách tăng khả năng chống hiện tượng ăn mòn xảy ra gần lớp lót kênh.
• Giảm tốc độ oxy hóa than chì.
• Tăng nhiệt độ bên trong pin nhiên liệu.

Kết quả là lưu lượng nước tuần hoàn đã tăng lên đáng kể sau khi tăng khoảng cách giữa nhiên liệu và thành kênh. Chúng tôi cũng quản lý để loại bỏ sự ăn mòn. Để làm điều này, chúng tôi đã chọn các hợp kim nhôm phù hợp nhất và bắt đầu tích cực thêm natri bichromat, điều này cuối cùng làm tăng độ mềm của nước làm mát (pH trở thành khoảng 6,0-6,2). Quá trình oxy hóa graphit không còn là một vấn đề cấp bách sau khi nitơ được sử dụng để làm mát nó (trước đây chỉ sử dụng không khí).

Khi những năm 1950 kết thúc, các cải tiến đã được áp dụng đầy đủ vào thực tế, làm giảm sự phình to không cần thiết của uranium do bức xạ gây ra, giảm đáng kể nhiệt cứng của thanh uranium, cải thiện độ bền của lớp phủ và cải thiện kiểm soát chất lượng sản xuất.

Sản xuất tại Mayak

"Chelyabinsk-65" là một trong những nhà máy rất bí mật, nơi tạo ra plutonium cấp độ vũ khí. Có một số lò phản ứng tại xí nghiệp, chúng tôi sẽ tìm hiểu kỹ hơn về từng lò.

Lò phản ứng A

Đơn vị được thiết kế và chế tạo dưới sự hướng dẫn của N. A. Dollezhal huyền thoại. Cô ấy đã làm việc với công suất 100 MW. Lò phản ứng có 1149 kênh điều khiển và nhiên liệu được bố trí theo chiều dọc trong một khối than chì. Tổng khối lượng của cấu trúc khoảng 1050 tấn. Hầu hết tất cả các kênh (trừ 25 kênh) đều được nạp uranium, tổng khối lượng của nó là 120-130 tấn. 17 kênh được sử dụng cho các thanh điều khiển và 8 kênh chotiến hành các thí nghiệm. Mức giải phóng nhiệt thiết kế tối đa của pin nhiên liệu là 3,45 kW. Lúc đầu, lò phản ứng tạo ra khoảng 100 gam plutonium mỗi ngày. Kim loại plutonium được sản xuất lần đầu tiên vào ngày 16 tháng 4 năm 1949.

Sai sót về công nghệ

Các vấn đề khá nghiêm trọng đã được xác định gần như ngay lập tức, bao gồm sự ăn mòn của lớp lót nhôm và lớp phủ pin nhiên liệu. Các thanh uranium cũng phồng lên và vỡ ra, và nước làm mát bị rò rỉ trực tiếp vào lõi của lò phản ứng. Sau mỗi lần rò rỉ, lò phản ứng phải dừng lại đến 10 giờ để làm khô than chì bằng không khí. Vào tháng 1 năm 1949, các ống lót kênh được thay thế. Sau đó, việc khởi chạy cài đặt diễn ra vào ngày 26 tháng 3 năm 1949.

Plutonium cấp độ vũ khí, quá trình sản xuất tại Lò phản ứng A kèm theo đủ loại khó khăn, được sản xuất trong giai đoạn 1950-1954 với công suất đơn vị trung bình là 180 MW. Hoạt động sau đó của lò phản ứng bắt đầu đi kèm với việc sử dụng nhiều hơn, điều này khá tự nhiên dẫn đến việc tắt máy thường xuyên hơn (lên đến 165 lần một tháng). Kết quả là vào tháng 10 năm 1963, lò phản ứng bị đóng cửa và chỉ hoạt động trở lại vào mùa xuân năm 1964. Ông đã hoàn thành chiến dịch của mình vào năm 1987 và sản xuất 4,6 tấn plutonium trong suốt thời gian nhiều năm hoạt động.

Lò phản ứng AB

Người ta quyết định xây dựng ba lò phản ứng AB tại xí nghiệp Chelyabinsk-65 vào mùa thu năm 1948. Năng lực sản xuất của họ là 200-250 gam plutonium mỗi ngày. Người thiết kế chính của dự án là A. Savin. Mỗi lò phản ứng có 1996 kênh, 65 trong số đó là kênh điều khiển. Một tính mới kỹ thuật đã được sử dụng trong việc lắp đặt - mỗi kênh được trang bị một bộ phát hiện rò rỉ chất làm mát đặc biệt. Một động thái như vậy giúp nó có thể thay đổi lớp lót mà không phải dừng hoạt động của chính lò phản ứng.

Năm đầu tiên hoạt động của các lò phản ứng cho thấy chúng sản xuất khoảng 260 gam plutonium mỗi ngày. Tuy nhiên, từ năm thứ hai hoạt động, công suất đã được tăng dần và đến năm 1963, con số của nó đã là 600 MW. Sau lần đại tu thứ hai, vấn đề về lớp lót đã được giải quyết hoàn toàn và công suất đã là 1200 MW với sản lượng plutonium hàng năm là 270 kg. Các chỉ số này vẫn duy trì cho đến khi các lò phản ứng đóng cửa hoàn toàn.

Lò phản ứng AI-IR

Doanh nghiệp Chelyabinsk đã sử dụng cài đặt này từ ngày 22 tháng 12 năm 1951 đến ngày 25 tháng 5 năm 1987. Ngoài uranium, lò phản ứng còn tạo ra coban-60 và polonium-210. Ban đầu, trang web sản xuất tritium, nhưng sau đó bắt đầu nhận plutonium.

Ngoài ra, nhà máy xử lý plutonium cấp độ vũ khí đã vận hành lò phản ứng nước nặng và lò phản ứng nước nhẹ duy nhất (tên nó là Ruslan).

Người khổng lồ Siberia

"Tomsk-7" - đây là tên của nhà máy, nơi có 5 lò phản ứng để sản xuất plutonium. Mỗi đơn vị đều sử dụng than chì để làm chậm nơtron và nước thông thường để cung cấp khả năng làm mát thích hợp.

Lò phản ứng I-1 đã làm việc với hệ thốnglàm mát, trong đó nước đi qua một lần. Tuy nhiên, bốn đơn vị còn lại được cung cấp với các mạch sơ cấp kín được trang bị bộ trao đổi nhiệt. Thiết kế này giúp nó có thể tạo ra thêm hơi nước, từ đó giúp sản xuất điện và sưởi ấm cho các khu dân cư khác nhau.

"Tomsk-7" cũng có một lò phản ứng gọi là EI-2, có mục đích kép: nó sản xuất plutonium và tạo ra 100 MW điện từ hơi nước, cũng như 200 MW nhiệt. năng lượng.

Thông tin quan trọng

Theo các nhà khoa học, chu kỳ bán rã của plutonium cấp vũ khí là khoảng 24.360 năm. Số lượng lớn! Về vấn đề này, câu hỏi trở nên đặc biệt gay gắt: "Làm thế nào để xử lý thích hợp chất thải sản xuất của nguyên tố này?" Phương án tối ưu nhất là xây dựng các xí nghiệp đặc biệt để chế biến plutonium cấp độ vũ khí tiếp theo. Điều này được giải thích là trong trường hợp này, phần tử không còn có thể được sử dụng cho mục đích quân sự và sẽ được kiểm soát bởi một người. Đây là cách plutonium cấp độ vũ khí được xử lý ở Nga, nhưng Hoa Kỳ đã đi theo một con đường khác, do đó vi phạm các nghĩa vụ quốc tế của mình.

Vì vậy, chính phủ Hoa Kỳ đề xuất phá hủy nhiên liệu hạt nhân được làm giàu cao không phải theo cách công nghiệp, mà bằng cách pha loãng plutonium và lưu trữ nó trong các thùng chứa đặc biệt ở độ sâu 500 mét. Không cần phải nói rằng trong trường hợp này, vật liệu có thể dễ dàngtrích xuất nó từ mặt đất và phóng lại cho các mục đích quân sự. Theo Tổng thống Nga Vladimir Putin, ban đầu các nước nhất trí tiêu hủy plutonium không phải bằng phương pháp này mà tiến hành tiêu hủy tại các cơ sở công nghiệp.

Giá thành của plutonium cấp vũ khí đáng được quan tâm đặc biệt. Theo các chuyên gia, hàng chục tấn nguyên tố này có thể trị giá vài tỷ đô la Mỹ. Và một số chuyên gia thậm chí đã ước tính 500 tấn plutonium cấp vũ khí tương đương 8 nghìn tỷ đô la. Số tiền thực sự ấn tượng. Để làm rõ hơn số tiền này là bao nhiêu, giả sử trong 10 năm cuối của thế kỷ 20, GDP trung bình hàng năm của Nga là 400 tỷ đô la. Trên thực tế, giá thực tế của plutonium cấp vũ khí bằng 20 GDP hàng năm của Liên bang Nga.