Почему так мало ядерных держав. Плутониевая часть1
Пост написан при поддержке комментраторов под первой частью.
Плутоний, как много в этом слове... Когда-то (ага, до позавчера примерно) я думал что плутоний — это что-то про грязную бомбу, террористов, а ещё планета такая есть (ну почти), это не совсем так, хотя и очень близко. Изотопов (видов?) плутония довольно много, но мы поговорим только про Pu-238 и Pu-239, именно им пытливый военный гений человеческий мозг придумал применение.
В отличие от урана, который можно просто пойти и накопать, Pu в природе встречается крайне редко, поэтому добыча его нецелесообразна. В промышленных масштабах плутоний получают двумя путями: облучением урана, содержащегося в ядерных реакторах; и облучением в реакторах трансурановых элементов, выделенных из отходов ядерной промышленности.
Не буду подробно разбирать типы реакторов, отмечу лишь, что почти все они могут использоваться для производства Плутония, а первые реакторы и вовсе строились именно с этой целью. Но есть нюанс — плутоний бывает разный, как мы помним.
Реакторы — отдельная, огромная тема. Это и подлодки, и исследования и электричество в каждый дом и получение новых элементов... Поговорим о них как-нибудь в следующий раз) Тем более это ж не так интересно как взорвать что-нибудь...
Получение плутония
Учёные делят смеси плутония на три вида:
оружейный плутоний (содержащий не менее 94 % изотопа 239Pu)
топливный плутоний (от 7 до 18 % 240Pu)
реакторный плутоний (содержание 240Pu более 18 %)
Плутоний в реакторе может "перегореть" и испортиться. Слишком капризен. Для того, чтобы он был пригодным для использования в бомбах, его нужно вытащить вовремя. Иначе вместо 239-го получим кашу из всех изотопов, кроме нужного. Если в двух словах. Хотим оружейный — готовим стержни "альденте", хотим 238 — жарим в батин суп, а оттуда уже с божьей помощью выделим. Альденте нужен, чтобы не образовалось много 240-го плутония, который токсичен, нестабилен и может привести к спонтанной реакции. Такое нам не надо — в идеале баланс: максимально много Pu-239 и как можно меньше Pu-240.
Чикагская поленница-1 — первый в мире успешно работавший искусственный ядерный реактор. Построен в 1942. Позднее станет прототипом проекта Манхэттен. В огромный массив графита заталкивали бруски урана для получения плутония
Я думал, что голубое свечение — это фотошоп, есть варианты что за огонёчки? Современный графитовый реактор.
В процессе нагрева урана в реакторах возникает Pu-238/239 (и множество разной бяки). Но его ещё нужно как-то достать. Для этого ТВЭЛы (те самые урановые ломы — ТеплоВыделительные ЭЛементы) растворяют в кислоте. Раствор, в зависимости от глубины выгорания топлива, содержит 250—300 грамм U, и до 3 грамм Pu в каждом литре. Раствор фильтруют и готовят к экстракции. Далее с помощью магии, такой-то матери и молотка отделяют зёрна (уран и плутон) от плевел. Затем уран очищают, концентрируют и извлекают. Этот комплекс мероприятий называется — Plutonium-Uranium Recovery by Extraction или PUREX процесс, если кратко. Всё легко и просто, справится даже школьник.
Из тонны отработанного ядерного топлива получается 5-10 кило плутония.
Далее он идёт на разные нужды. 238-й используется в энергетике и космических проектах из-за огромной тепловой мощности. Генераторы, обогрев приборов, когда-то даже в кардиостимуляторах использовался...
А 239-й, ради которого мы все сюда и пришли, имеет меньшую критическую массу (критическая масса для голого шара из металлического 239Pu составляет примерно 10 кг, а для шара в водяном отражателе примерно 5,2 кг) и быстрее и эффективнее делиться при распаде, что делает его столь желанным для ВПК... Стоит понимать что прогрессия геометрическая и на дистанции она даёт колоссальный прирост мощности. Ну и в энергетике он, конечно же, тоже применяется
Табличка для понимания увеличения эффективности. 1-й столбик количество делений. 2-й деление плутония. В последней колонке уран для наглядности
Следует упомянуть, что производство и работа с плутонием действительно более опасная и дорогая, хоть и менее требовательна к технологиям. Pu очень токсичен, радиоактивен и долго разлагается. Огромные усилия и деньги нужны на постобработку (повторное использование, захоронение).
И ещё момент. Скрыть от мировой общественности и спецслужб производство плутония гораздо проще, чем обогащение урана. Строишь себе "энергетический" графитовый реактор — вполне нормальная практика. А топливо можно специально недооблучать, чтобы получить «оружейный» плутоний. И это технически почти не отличимо от нормальной эксплуатации — особенно в странах, не подписавших ДНЯО. Правда, как потом этот плутоний незаметно перерабатывать в пригодный для эксплуатации никто не знает...
Теперь про бабахи
Бомба, вошедшая в историю. Вспышка продолжалась 70 секунд, «ядерный гриб» достиг высоты 67 км, а диаметр «шляпки» – 95 км. Ударная волна трижды обогнула землю
Вы мне напихали под прошлым постом, что урановыми бомбами друг друга только дикари по головам лупят. И были совершенно правы(не не совершенно, но очень. уран всё таки находит применение даже в современном оружии). Это действительно устаревшие технологии, которые являлись всего лишь вехой (тем не менее очень важной!) на пути к поистине разрушительным технологиям. Ну и не стоит забывать, что от урана мы всё равно никак не уйдём, потому что без U не будет и Pu.
Дело в том, что бомб пушечного типа было произведено всего 5 единиц, а испытана только одна (так уж совпало, что это было одновременно и боевым применением) — тот самый Little Boy в Хиросиме. Остальные после разобрали. Всё из-за ужасного КПД — менее 1% урана взорвалось... Тот самый случай когда овчинка выделки не стоит.
Когда (5 апреля 1944-го года) получили первые граммы оружейного плутония учёные — этот металл фонил в тысячи раз сильнее урана!!! Значит он опаснее и это плохая новость. Впрочем, хорошая новость ровно такая же — это оружие в конце концов, а не кукурузная мука. Но есть и нюанс, из-за такого сильного нейтронного фона пушечная схема подрыва (когда 2-мя кусками активного вещества просто "стреляют друг в друга) была совершенно невозможна.
Детонаторы подрывают 2 вида взрывчатки — одна помедленнее, другая побыстрее, чтобы взрывная волна одновременно со всех сторон давила на сферу из плутония
Но, на пути уничтожения людьми себе подобных такое маленькое препятствие не значит ровным счётом ничего. Был второй вариант, как заставить бабаху бабахать. Имплозия. Или, другими словами, обжатие. Схему целиком описывать не буду, но для любителей ссылку оставлю. Если простыми словами: большой плутониевый пустотелый шарик будто сминают взрывом, заставляя тот сжиматься и уплотняться в маленький цельнометаллический. Всё ради того, чтобы максимально быстро нарастить критическую массу и одновременно отсрочить взрыв. Чем дольше будет длиться реакция до взрыва, тем больше плутония прореагирует и тем мощнее будет бабах. Это как пытаться рукой остановить поток воды. Чем дольше держишь, тем сильнее заструячит.
Метод подрыва был доработан и опробован 16 июля 45-го учеными США. А спустя 3 недели, 9 августа, плутониевая колыбаха разворотила Нагасаки. И начался сущий ад... испытания ЯО с плутонием: 29 августа 1949 СССР взорвали почти точную копию американского толстяка; 3 октября 1952 Великобритания, так же испытали устройство очень похожее на детище звёздно-полосатых; 13 февраля 1960 Франция; 16 октября 1964 Китай; Индия 18 мая 1974; 28 мая 1998 Пакистан и КНДР 9 октября 2006
Ну и Израиль стоит особняком... инцидент Vela 22 сентября 1979... Израильское государство ничего не знает и на полигоне ЮАР ничего не взрывали. Африканцы так и сказали, мы не скажем, что это были евреи.
Как развивались плутониевые заряды
Стоит отметить, что плутониевые бабахи не были ультимативным оружием судного дня. Особенно как противоматериальное средство. Живую силу косило, это правда, но количество жертв точно могло быть меньше, если бы были известны способы избегания ядерного излучения.
Был случай, когда США хотело поиграть мускулами, но.... гулко пукнули в июле 46-го, когда пригласили полмира на 23-х килотонный фейерверк. Поставили на якорь в бухте атолла Бикини 95 кораблей (списанных или захваченных, война ж была) и жахнули по ним ядеркой. Ну они думали, что жахнули, а по факту пукнули — затонуло всего лишь 2 корабля из всей эскадры...
Аналогичные испытания проводили и в СССР, правда не позорились на толпу при этом, но тезис подтвердили — при огромных затратах пользы не так уж и много. Если учитывать воздействие на технику и инженерные сооружения. В отличие от людей и животных... В результате учений тысячи его участников (и не участников тоже) получили разные дозы радиоактивного облучения. Постановлением Верховного Совета Российской Федерации от 27.12.91 г. № 2123-1 участники Тоцких учений отнесены к ветеранам подразделений особого риска подпункт «а» с предоставлением соответствующих выплат и льгот.
Короче, в том виде оружие было буквально пулей из говна... Но, прогресс на месте не стоит
Сравнение толстяка и Дэви Кро́кетт — ядерный надкалиберный боеприпас, доставляемый к цели с помощью безоткатного орудия. 4.5 тонны против 24 кило...
И учёные придумали 2 варианта развития ядрёных головок. Увеличение мощности для уничтожения Звезды Смерти городов. Или снижение массы для применения с управляемыми носителями для точечных ударов. Массу снизили с помощью увеличения числа детонаторов. Это позволило почти в 3 раза снизить вес взрывчатки вокруг заряда, что отразилось на размерах и весе бомбы MK-5 уже в 1950-м году. И этот эффект можно масштабировать.
Вот почему бомбы такие тяжёлые
А второй вариант — подвесить плутониевое ядро (уже не пустотелое и уменьшенное в 2 раза, потому как нужно соблюдать плотность) в центре чтобы толкатели при имплозии не толкали по ядру, а били его. А можно подвесить пустотелую сферу из плутония, внутри которой подвешенное ядро... Тогда 2 удара будет... что и было отражено в MK-6, мощность которой увеличилась на 20%.
Но это всё цветочки. Цепная реакция — это когда нейтрон фигачит по ядру, из которого в свою очередь вылетают ещё 2-3 нейтрона (в случае с плутонием, чаще 3), фигачат по ядрам и пошло поехало. И как я выше говорил, задача не дать разлететься им раньше времени. Главное запустить этот нейтрон — это база. И вот мы имеем 3 составляющих: масса плутония, время реакции (ну или удерживания делящегося вещества на месте, что не получиться делать слишком долго) и количество начальных нейтронов... что если мы запустим не 1, а сразу 1000 нейтронов? Вот в этом направлении прогресс и двинулся родив нехитрое устройство, которое помещали в самый центр заряда
При имплозии перемешивается полоний с бериллием и мы получаем много много начальных нейтронов, которые начинают выбивать нейтроны из ядер Pu-239, что значительно сокращает реакцию.
Проблема в недолговечности такого изобретения. Срок годности полония - 5 месяцев, а затем разбор бомбы с заменой детальки специальными дорогими дядьками в очках и халатах. Проблему решила лучевая трубка, которая в нужный момент облучает заряд со скоростью 15000 нейтронов в наносекунду... Именно это позволило увеличить мощность взрывов при том же размере активного вещества. А так же сделало устройство бомбы более предсказуемым, управляемым и безопасным.
Впрочем до термоядерного оружия остался шажок. И шажок этот — немного дейтерий-тритиевой смеси, которую мы положим аккурат в серёдочку нашей бабахи. Чтобы сгорая в пламени ядерного взрыва она угандошила вообще всё запустила термоядерный синтез. Помните 15000 нейтронов в наносекунду в лучевой трубке? Термояд быстрее в 10²³ раз, что позволяет прореагировать большему количеству Pu-239 (или урану) пока тот не начал разлетаться!! Я таких цифр даже не знаю, но разница сумасшедшая. Это как сравнивать костёр и солнце...Вершина злого человеческого гения!
Немного про деньги
В итоге развёл конечно, но сами понимаете, всё очень примерно.
Стоимость Pu-238 примерно $4 000 (видел цены и 1000 и 2000 за грамм, но покупать не пробовал, может обманывают), а оружейный Pu-239 от $5 500 до $6 500 за грамм, что сильно дешевле урана, кстати. Сильно не пинайте, цены из интернета. Но, думаю, всем понятно, что даже обладая деньгами так просто это не купить, потому реальная стоимость сильно выше и измеряется не только баблом.
Обвес такой бомбы тоже выходит дороже, чем у урановой дубинки. По моим прикидкам от 50 до 500 миллионов вечнозелёных. Минимальные вложения при которых это вообще взорвётся. Без всякой гарантии, что она у вас не пизданёт в руках сработает там, где надо. Ну и смело плюсуем сюда средство доставки, логистику, персонал, безопасность (секретность)... короче, пара истребителей последнего поколения выйдет дешевле... Хотя, они так красиво не бабахают...
Тритий, кстати стоит $30 000 за грамм, (производство в РФ есть, если кому интересно), дейтерий — пучок за пятачок. Но стоит понимать, что термоядерная бомба сложнее в изготовлении. И дороже. А ещё, по таким современным технологиям информации очень мало. Я уж не говорю о том, что немного ссыкотно запросы такие делать, потом доказывай, что науки ради)
Справки для. Исторические программы (например, Манхэттен) стоили $2 млрд в ценах 1940-х, что сегодня эквивалентно $25–30 млрд. Но нужно понимать, что это не только бомба, но и вся сопутка и разработка. Для ядерной державы цены на такие игрушки сильно ниже.
Р-36М2 "Воевода" — современное ядерное оружие россии
Запасы и производство
Самыми большими запасами плутония обладают РФ и США, но мы скорее всего на первом месте по объёмам, потому как и объёмы выработки больше и остановили производство позже.
Прямо сейчас плутоний вроде как не делают, хотя попадалась новость, что США в этом заинтересован, а точно, вот же она. Но в любом случае возобновить производство плутония в России не проблема от слова совсем. Подходящие для этого реакторы есть.
Но... запасы настолько велики, что 2 сентября 1998 года президенты России и США приняли Совместное заявление «О принципах обращения и утилизации плутония, заявленного как не являющегося более необходимым для целей обороны». Соглашение предусматривало переработку 34 тонн плутония каждой из сторон Но осенью 2016 года Россия направила США уведомление о приостановлении действия соглашения, в связи с неисполнением США взятых на себя обязательств. И никто в итоге ничего не утилизировал. Ну а чего добру пропадать, так-то дорогая штука (стоимость партии плутония для уничтожения оценивалась примерно в $3,5 млрд)...
Полноценные испытания (именно надкритические, с полноценной реакцией, с грибком — по взрослому) оказывается довольно давно никто не проводил. Никто не играл атомными мышцами и не бахал ядерки (кроме Северной Кореи. Те недавно получили новую пугалку и никак не могут наиграться — последние испытания в 2016). США последний раз аж в 92-м году взрывала пустыню. СССР ещё раньше — в конце 90-го. А РФ вообще самая мирная), технически мы проводили испытания только субкритические. Такие дела)
Хотя есть новость от начала года, что США хотят снова побряцать плутониеыми шарами:
Сейчас самым старым образцам плутония около 80 лет», — отметил ученый-ядерщик из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса Иван Отеро. Так как со временем плутоний радиоактивно распадается, высвобождая атомы гелия, образующиеся из него пузырьки могут повреждать металлический плутоний. «Нам нужно знать, оказывают ли пузырьки гелия или повреждения кристаллической решетки значительное влияние на реакцию материала
В 2023-м президент Владимир Путин заявил, что в США звучат предложения провести реальные, а не компьютерные испытания своего ядерного оружия и поэтому нужно «обеспечить готовность к испытанию российского ядерного оружия». «Первыми мы, разумеется, этого делать не будем, но если США проведут испытание, то и мы проведем», — пояснил глава государства.
Но субкритические (это без пепла ядерного огня которые) испытания проводят все и регулярно.
Немного не по теме
Оказывается, люди частенько воруют теряют ядерные материалы. В отчете, опубликованном в прошлом году Международным агентством по ядерной энергии, было установлено, что за последние двадцать лет люди приобретали ядерный материал «для торговли или злонамеренного использования» 270 раз.
Разумеется, больше всего радиоактивных материалов пропадает в США и России. В 2009 году аудит Министерства энергетики США выявил, что треть лабораторий «неточно учитывает количество и местонахождение конкретных ядерных материалов». Фактически, Министерство энергетики (америкосовское, по РФ не нашёл данных) могло недосчитаться порядка 15 килограммов обогащенного урана и 45 граммов плутония.
Пруфы, ссылки, полезности:
ЛКИ | Ядерное оружие - ОРУЖЕЙНАЯ ПАЛАТА
Пьюрекс-процесс — Википедия
Чем опасно, что Россия приостановила соглашение по плутонию | Carnegie Endowment for International Peace
Декларации по гражданскому плутонию на 2023 год - IPFM Blog
PRIS - Reactor status reports - In Operation & Suspended Operation - By Type
Обнародованы подробности истории с кражей плутония в США | Атомная энергия 2.0
США весной проведут тестовый подрыв оружейного плутония — РБК
США возобновляют производство плутониевых сердечников для ядерных боеголовок после 35 лет «перерыва»
Атомный полигон Бикини — Википедия
Ядерная бомба Mark 5 — Википедия
Пнуть @Cool38, @ProfMoriarty, @Alex2902,
UPD есть экскурсии на АЭС для пикабутян?
Я к экзаменам так прилежно не готовился, как к этому посту... Часов 30 времени ушло на этот пост... Напишите, следовало его делить на 2 поста или нет. И по прежнему жду от вас поправок, уточнений, дополнений. Всех благ!
UPD:
Поправочка, многоуважаемый @IKiss, внёс уточнение, что ядерок с "пушечным типом" подрыва было сделано больше пяти — противобункерные МК8 и МК11 были с пушечной схемой. Судя по всему было произведено 40 штук МК8, а впоследствии их заменили на 11-ю версию, не увеличивая общее количество.
