Plutonium van wapenkwaliteit: toepassing, productie, verwijdering

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

De mensheid is altijd op zoek geweest naar nieuwe energiebronnen die veel problemen kunnen oplossen. Ze zijn echter niet altijd veilig. Dus in het bijzonder de kernreactoren die tegenwoordig veel worden gebruikt, hoewel ze in staat zijn om eenvoudig een kolossale hoeveelheid van dergelijke elektrische energie op te wekken die iedereen nodig heeft, brengen nog steeds een dodelijk gevaar met zich mee. Maar naast het gebruik van kernenergie voor vreedzame doeleinden, hebben sommige landen van onze planeet geleerd om het in het leger te gebruiken, vooral om kernkoppen te maken. Dit artikel bespreekt de basis van zo'n destructief wapen, waarvan de naam plutonium voor wapens is.

Snelle referentie

Deze compacte vorm van het metaal bevat ten minste 93,5% van de 239Pu-isotoop. Plutonium van wapenkwaliteit werd zo genoemd om het te onderscheiden van zijn "reactorbroer". In principe wordt plutonium altijd gevormd in elke kernreactor, die op zijn beurt draait op laagverrijkt of natuurlijk uranium, dat voor het grootste deel de isotoop 238U bevat.

Militaire toepassingen

Plutonium 239Pu van wapenkwaliteit is de basis van kernwapens. Tegelijkertijd is het gebruik van isotopen met massagetallen 240 en 242 niet relevant, omdat ze zeereen hoge achtergrond van neutronen, wat het uiteindelijk moeilijk maakt om zeer effectieve nucleaire munitie te maken en te ontwerpen. Bovendien hebben de plutoniumisotopen 240Pu en 241Pu een veel kortere halfwaardetijd dan 239Pu, waardoor plutoniumdelen erg heet worden. In verband hiermee worden ingenieurs gedwongen om extra elementen aan een kernwapen toe te voegen om overtollige warmte af te voeren. Trouwens, pure 239Pu is warmer dan het menselijk lichaam. Het is ook onmogelijk om geen rekening te houden met het feit dat de vervalproducten van zware isotopen het metaalkristalrooster aan schadelijke veranderingen onderwerpen, en dit verandert heel natuurlijk de configuratie van plutoniumdelen, wat uiteindelijk kan leiden tot een volledig falen van een nucleair explosief.

Over het algemeen kunnen al deze moeilijkheden worden overwonnen. En in de praktijk zijn explosieven op basis van "reactor" plutonium al herhaaldelijk getest. Maar het moet duidelijk zijn dat in nucleaire munitie hun compactheid, laag eigen gewicht, duurzaamheid en betrouwbaarheid verre van de laatste positie zijn. In dit opzicht gebruiken ze uitsluitend plutonium van wapenkwaliteit.

Ontwerpkenmerken van industriële reactoren

Praktisch al het plutonium in Rusland werd geproduceerd in reactoren die waren uitgerust met een grafietmoderator. Elk van de reactoren is gebouwd rond cilindrische grafietblokken.

Als ze zijn gemonteerd, hebben grafietblokken speciale sleuven ertussen om een continue circulatie van de koelvloeistof te garanderen, diestikstof wordt gebruikt. In de geassembleerde structuur zijn er ook verticaal geplaatste kanalen gecreëerd voor de doorgang van waterkoeling en brandstof er doorheen. Het geheel zelf wordt stevig ondersteund door een structuur met gaten onder de kanalen die worden gebruikt om de reeds bestraalde brandstof te vervoeren. Bovendien bevindt elk van de kanalen zich in een dunwandige buis gegoten uit een lichtgewicht en extra sterke aluminiumlegering. De meeste van de beschreven kanalen hebben 70 splijtstofstaven. Het koelwater stroomt direct rond de splijtstofstaven, waardoor overtollige warmte wordt afgevoerd.

Verhogen van de capaciteit van productiereactoren

Aanvankelijk werkte de eerste Mayak-reactor met een capaciteit van 100 thermische MW. Het hoofd van het Sovjet-kernwapenprogramma, Igor Kurchatov, stelde echter voor om de reactor in de winter op 170-190 MW en in de zomer op 140-150 MW te laten werken. Door deze aanpak kon de reactor bijna 140 gram kostbaar plutonium per dag produceren.

In 1952 werd volwaardig onderzoekswerk uitgevoerd om de productiecapaciteit van functionerende reactoren op de volgende manieren te vergroten:

• Door de waterstroom die wordt gebruikt voor koeling te vergroten en door de actieve zones van een nucleaire installatie te stromen.
• Door de weerstand te verhogen tegen het fenomeen van corrosie dat optreedt in de buurt van de kanaalvoering.
• Verlagen van de snelheid van grafietoxidatie.
• De temperatuur in de brandstofcellen verhogen.

Als gevolg hiervan is de doorvoer van het circulerende water aanzienlijk toegenomen nadat de opening tussen de brandstof en de wanden van het kanaal is vergroot. We zijn er ook in geslaagd om van corrosie af te komen. Om dit te doen, kozen we de meest geschikte aluminiumlegeringen en begonnen we actief natriumbichromaat toe te voegen, wat uiteindelijk de zachtheid van het koelwater verhoogde (pH werd ongeveer 6,0-6,2). Oxidatie van grafiet was niet langer een urgent probleem nadat stikstof werd gebruikt om het te koelen (voorheen werd alleen lucht gebruikt).

Toen de jaren vijftig ten einde liepen, werden innovaties volledig in de praktijk gebracht, waardoor het hoogst onnodige opbollen van uranium veroorzaakt door straling werd verminderd, de warmteharding van uraniumstaven aanzienlijk werd verminderd, de bekledingsweerstand werd verbeterd en de kwaliteitscontrole van de fabricage werd verbeterd.

Productie bij Mayak

"Chelyabinsk-65" is een van die zeer geheime fabrieken waar plutonium van wapenkwaliteit werd gemaakt. Er waren verschillende reactoren in de onderneming, we zullen ze allemaal beter leren kennen.

Reactor A

De eenheid is ontworpen en gebouwd onder leiding van de legendarische N. A. Dollezhal. Ze werkte met een vermogen van 100 MW. De reactor had 1149 verticaal opgestelde stuur- en brandstofkanalen in een grafietblok. De totale massa van de constructie was ongeveer 1050 ton. Bijna alle kanalen (behalve 25) waren geladen met uranium, waarvan de totale massa 120-130 ton was. 17 kanalen werden gebruikt voor controlestaven en 8 voorexperimenten uitvoeren. De maximale ontwerpwarmteafgifte van de brandstofcel was 3,45 kW. Aanvankelijk produceerde de reactor ongeveer 100 gram plutonium per dag. Plutoniummetaal werd voor het eerst geproduceerd op 16 april 1949.

Technologische gebreken

Er werden vrijwel onmiddellijk vrij ernstige problemen vastgesteld, die bestonden uit corrosie van aluminium voeringen en brandstofcelcoatings. Ook de uraniumstaven zwollen en braken, en koelwater lekte rechtstreeks in de kern van de reactor. Na elk lek moest de reactor tot 10 uur worden stilgelegd om het grafiet met lucht te drogen. In januari 1949 werden de kanaalvoeringen vervangen. Daarna vond de lancering van de installatie plaats op 26 maart 1949.

Plutonium van wapenkwaliteit, waarvan de productie in Reactor A met allerlei moeilijkheden gepaard ging, werd in de periode 1950-1954 geproduceerd met een gemiddeld eenheidsvermogen van 180 MW. De daaropvolgende werking van de reactor begon gepaard te gaan met een intensiever gebruik, wat natuurlijk leidde tot frequentere stilstanden (tot 165 keer per maand). Als gevolg hiervan werd de reactor in oktober 1963 stilgelegd en pas in het voorjaar van 1964 weer in bedrijf genomen. Hij voltooide zijn campagne in 1987 en produceerde 4,6 ton plutonium gedurende de gehele periode van vele jaren van operatie.

AB-reactoren

Er werd besloten om in de herfst van 1948 drie AB-reactoren te bouwen in de onderneming Chelyabinsk-65. Hun productiecapaciteit was 200-250 gram plutonium per dag. De hoofdontwerper van het project was A. Savin. Elke reactor had 1996 kanalen, waarvan 65 controlekanalen. In de installaties werd een technische noviteit gebruikt: elk kanaal was uitgerust met een speciale koelvloeistoflekdetector. Een dergelijke beweging maakte het mogelijk om de voeringen te verwisselen zonder de werking van de reactor zelf te stoppen.

Het eerste jaar dat de reactoren in bedrijf waren, toonde aan dat ze ongeveer 260 gram plutonium per dag produceerden. Vanaf het tweede jaar van exploitatie werd de capaciteit echter geleidelijk verhoogd, en al in 1963 bedroeg het 600 MW. Na de tweede revisie was het voeringprobleem volledig opgelost en was de capaciteit al 1200 MW met een jaarlijkse plutoniumproductie van 270 kilogram. Deze indicatoren bleven bestaan tot de volledige sluiting van de reactoren.

AI-IR-reactor

De onderneming Tsjeljabinsk gebruikte deze installatie van 22 december 1951 tot 25 mei 1987. Naast uranium produceerde de reactor ook kob alt-60 en polonium-210. Aanvankelijk produceerde de site tritium, maar begon later plutonium te ontvangen.

De fabriek voor de verwerking van plutonium van wapenkwaliteit had ook zwaarwaterreactoren en de enige lichtwaterreactor (de naam is Ruslan).

Siberische reus

"Tomsk-7" - dit is de naam van de fabriek, die vijf reactoren huisvest voor de productie van plutonium. Elk van de eenheden gebruikte grafiet om neutronen te vertragen en gewoon water om voor een goede koeling te zorgen.

Reactor I-1 werkte met het systeemkoeling, waarbij het water een keer passeerde. De overige vier units waren echter voorzien van gesloten primaire circuits met warmtewisselaars. Dit ontwerp maakte het mogelijk om bovendien stoom op te wekken, wat op zijn beurt hielp bij de productie van elektriciteit en verwarming van verschillende woongebouwen.

"Tomsk-7" had ook een reactor genaamd EI-2, die op zijn beurt een tweeledig doel had: hij produceerde plutonium en genereerde 100 MW elektriciteit uit de gegenereerde stoom, evenals 200 MW thermische energie.

Belangrijke informatie

Volgens wetenschappers is de halfwaardetijd van plutonium van wapenkwaliteit ongeveer 24.360 jaar. Enorm aantal! In dit opzicht wordt de vraag bijzonder acuut: "Hoe op de juiste manier omgaan met het productieafval van dit element?" De meest optimale optie is de bouw van speciale ondernemingen voor de daaropvolgende verwerking van plutonium van wapenkwaliteit. Dit wordt verklaard door het feit dat in dit geval het element niet meer voor militaire doeleinden kan worden gebruikt en door een persoon zal worden gecontroleerd. Dit is hoe plutonium van wapenkwaliteit in Rusland wordt verwijderd, maar de Verenigde Staten van Amerika sloegen een andere weg in en schonden daarmee hun internationale verplichtingen.

Zo stelt de Amerikaanse regering voor om hoogverrijkte splijtstof niet op industriële wijze te vernietigen, maar door plutonium te verdunnen en op te slaan in speciale containers op een diepte van 500 meter. Het spreekt voor zich dat in dit geval het materiaal gemakkelijk kan wordenhet uit de grond halen en opnieuw lanceren voor militaire doeleinden. Volgens de Russische president Vladimir Poetin kwamen de landen aanvankelijk overeen om plutonium niet op deze manier te vernietigen, maar om het in industriële installaties op te ruimen.

De kosten van plutonium van wapenkwaliteit verdienen speciale aandacht. Volgens deskundigen kunnen tientallen tonnen van dit element enkele miljarden dollars kosten. En sommige experts hebben zelfs geschat dat 500 ton plutonium van wapenkwaliteit tot 8 biljoen dollar kan oplopen. Het bedrag is echt indrukwekkend. Om het duidelijker te maken hoeveel geld dit is, laten we zeggen dat in de laatste tien jaar van de 20e eeuw het gemiddelde jaarlijkse BBP van Rusland $ 400 miljard bedroeg. Dat wil zeggen, in feite was de werkelijke prijs van plutonium van wapenkwaliteit gelijk aan twintig jaarlijkse BBP van de Russische Federatie.