Про старение плутония
Оригинал взят у tnenergy в post
В неожиданно популярном предыдущем посте про СУОП постоянно всплывает вопрос, что плутоний очень быстро деградирует и хоть на свалку выкидывай - не годится никуда. Кажется это статья Бориса Алестара, откуда пришла эта чушь. Давайте разбираться.
В руках у Луиса Альвареса контейнер с первым в истории человечества плутониевым ядром атомной бомбы.
Итак, что вообще гипотетически может испортится в плутонии?
Специальный образец плутония с высоким содержанием альфа-активного Pu238 и его распухание из-за деградации кристаллической решетки под воздействием внутреннего альфа-облучения.
Итог: плутонивое ядро ядерной бомбы имеет срок службы, который зависит от исходного изотопного состава, а профилактика требует наличия радиохимических и пирометаллургических линий для химической очистки плутония и изготовления нового ядра из очищенного материала. Эти процессы требуются чаще в начале “жизненного цикла” оружейного плутония, и для плутония, изготовленного до 1988 года в настоящее время сходят на нет - сроки профилактики ядерного оружия можно увеличить.
Установка по переплавке плутония в лаборатории LANL, и расплавленный плутоний в ней.
Основной проблемой для плутониевого заряда является накопление америция, однако проблема эта давно решенная. Даже в линии производства МОКС топлива на Железногорском ГХК есть “установка переочистки плутония УПП" (ссылка на дисертацию, защищенной по этой установке), на которой осуществляется отделение и концентрация америция от плутония - похожая установка давно существует и на Маяке.
В США радиохимические мощности по работе с плутонием сохранились на заводе Y-12 в Окридже (документ, из которого можно понять, что завод продолжает заниматься переочисткой плутония), а с 2007 года работает линия по переплавке плутониевых ядер и изготовлению новых в LANL. Впрочем основной комплекс в Хэнфорде, который занимался как извлечением плутония из ОЯТ реакторов, расположенных тут же, так и очисткой, переочисткой, изготовлением ядер и хранением плутония был закрыт в 1988 и в настоящее время разобран. Тем не менее рассчитывать на то, что ядерное оружие США “протухло” не стоит - имеющихся мощностей вполне хватает, что бы поддерживать несколько тысяч боезарядов в рабочем состоянии, тем более, что плутоний с годами, как мы выяснили, только улучшается.
В неожиданно популярном предыдущем посте про СУОП постоянно всплывает вопрос, что плутоний очень быстро деградирует и хоть на свалку выкидывай - не годится никуда. Кажется это статья Бориса Алестара, откуда пришла эта чушь. Давайте разбираться.
В руках у Луиса Альвареса контейнер с первым в истории человечества плутониевым ядром атомной бомбы.
Итак, что вообще гипотетически может испортится в плутонии?
- Сам плутоний, который “работает” в бомбе (изотоп 239) распадается темпом аж 0,0028% в год - причем распадается он в основном в другой оружейный материал - U235. Первые заметные изменения в бомбе по этой причине произойдут лет через 300-400.
- Однако в плутонии оружейного качества, как мы знаем, только 90-95% 239 изотопа, есть и другие (типичный состав Weapon Grade: 93% Pu239, 4% Pu240, 2,2% Pu241, 0.6% Pu242, 0,15% Pu238 и 0,05% Pu243). Изотопный состав плутония с точки зрения обозримых длительностей (например 50 лет) почти не меняется - единственные изотопы плутония, которые распадаются относительно быстро (241 - 14 лет и 238 - 88 лет), только мешаются в бомбе. Получается, что вылеживаясь, изотопный состав плутония становится только лучше. По этой причине бомба не деградирует.
- Есть, правда, проблемка - 2,2% быстрораспадающегося изотопа Pu241 постепенно превращаются в изотоп америция Am241 - а это слабо гамма-излучающий нуклид, который имеет период полураспада 433 лет (т.е. его концентрация непрерывно растет, пока не распадается основная часть Pu241). Am241 начинает портить своим гамма-излучением элементы бомбы и ходящих мимо боеприпаса людей, к тому же является нейтронным ядом. Максимально допускаемая концентрация в боеприпасе Am241 - от 0,5 до 1%. Именно накопление Am241 является определяющим “старение” ядерного боеприпаса. Получается довольно неожиданная вещь - уже через 5-8 лет плутониевое ядро бомбы сделанное из материала с высоким содержанием Pu241 надо извлекать, и отправлять на переплавку с очисткой от америция - иначе бомба рискует не взорваться (из-за деградации, например, взрывчатки от гамма-излучения). Однако через 3-4 таких переочисток Pu241 в таком плутонии заканчивается, и дальше трогать плутоний не нужно. Получается, что первые 28 лет жизни плутония его надо регулярно переплавлять и очищать от америция, но затем, с потерей ~2% массы ситуация устаканивается, и плутоний перестает деградировать.
- Следующий механизм деградации - это воздействие радиации распада плутония на сам материал плутониевого ядра. Плутоний (почти все изотопы) предпочитает распадаться через альфа-распад, а вылетающие альфа-частицы повреждают материал, от чего он охрупчивается из-за повреждения решетки, в нем накапливается гелий, и металл увеличивается в размере (что называется ядерным распуханием). Интересно, что такие изменения материала положительно влияют на свойства плутония, как ядерной взрывчатки, но, увы, не добавляют надежности конкретному механическому изделию - ядерной бомбе. Поэтому раз в 15-30 лет плутониевое ядро надо отжигать или переплавлять, чтобы возвращать ему исходные свойства.
Специальный образец плутония с высоким содержанием альфа-активного Pu238 и его распухание из-за деградации кристаллической решетки под воздействием внутреннего альфа-облучения.
Итог: плутонивое ядро ядерной бомбы имеет срок службы, который зависит от исходного изотопного состава, а профилактика требует наличия радиохимических и пирометаллургических линий для химической очистки плутония и изготовления нового ядра из очищенного материала. Эти процессы требуются чаще в начале “жизненного цикла” оружейного плутония, и для плутония, изготовленного до 1988 года в настоящее время сходят на нет - сроки профилактики ядерного оружия можно увеличить.
Установка по переплавке плутония в лаборатории LANL, и расплавленный плутоний в ней.
Основной проблемой для плутониевого заряда является накопление америция, однако проблема эта давно решенная. Даже в линии производства МОКС топлива на Железногорском ГХК есть “установка переочистки плутония УПП" (ссылка на дисертацию, защищенной по этой установке), на которой осуществляется отделение и концентрация америция от плутония - похожая установка давно существует и на Маяке.
В США радиохимические мощности по работе с плутонием сохранились на заводе Y-12 в Окридже (документ, из которого можно понять, что завод продолжает заниматься переочисткой плутония), а с 2007 года работает линия по переплавке плутониевых ядер и изготовлению новых в LANL. Впрочем основной комплекс в Хэнфорде, который занимался как извлечением плутония из ОЯТ реакторов, расположенных тут же, так и очисткой, переочисткой, изготовлением ядер и хранением плутония был закрыт в 1988 и в настоящее время разобран. Тем не менее рассчитывать на то, что ядерное оружие США “протухло” не стоит - имеющихся мощностей вполне хватает, что бы поддерживать несколько тысяч боезарядов в рабочем состоянии, тем более, что плутоний с годами, как мы выяснили, только улучшается.