Ядерная алхимия

Автор: Maks Окт 6, 2019

У американского зонда «Новые горизонты», изучающего границы Солнечной системы, и китайской станции «Чанъэ-4», совершившей посадку на обратную сторону Луны, есть нечто общее — радиоизотопные источники энергии, работающие на российском плутонии. Запасы редчайшего трансуранового элемента в нашей стране начали нарабатывать еще при советской власти, однако десятилетиями технология его производства оставалась тайной за семью печатями.

В то время, когда начались первые опыты по овладению энергией атомного ядра, периодическая таблица элементов заканчивалась ураном — тяжелым металлом, названным в честь самой далекой планеты из известных в XVIII веке. Физики подозревали, что за ним в таблице должны находиться еще более тяжелые (трансурановые) элементы, которые в природе встречаются крайне редко. Но, может быть, их можно получить искусственно?

Цепная реакция распада

Первый шаг в направлении синтеза трансурановых элементов предприняла в 1934 году группа молодых итальянских ученых во главе с Энрико Ферми. Они знали, что если бомбардировать нейтронами ядра одного элемента, то в результате поглощения образуются ядра другого, стоящего в периодической таблице на одну клетку дальше. Что произойдет, если бомбардировать ядра урана? Однако, проведя серию опытов, итальянцы вместо нового элемента получили намного более легкие лантан и барий. Оказалось, что ядро урана под воздействием нейтронов взрывообразно расщепляется с выделением энергии. В результате был открыт путь к управляемой цепной реакции распада, на которой и основывается современная атомная энергетика.

Трансурановые элементы были открыты позднее — весной 1940 года американский физик Эдвин Макмиллан экспериментировал с циклотронами и наконец-то получил элемент,  который назвал нептунием, используя простой принцип: он стоит в периодической таблице следом за ураном — точно так же, как планета Нептун в Солнечной системе находится сразу за Ураном. Новый элемент оказался очень радиоактивным и быстро распадался; причем в результате получался еще более тяжелый и стабильный элемент, названный плутонием.

Физики очень быстро обнаружили, что свойства плутония таковы, что он куда лучше подходит для организации цепной реакции распада, чем природный уран, — сравнительно небольшого количества хватало, чтобы сделать атомную бомбу. С этого момента всякие исследования в области ядерной физики были взяты под контроль правительствами и засекречены.

Уральский «Маяк»

Кольцо из чистого плутонияИзотопы плутония накапливаются в любом ядерном реакторе, работающем на обычном природном уране низкого обогащения. Однако «оружейный» плутоний-239, который может быть использован в бомбе, быстро «выгорает». Поэтому главной задачей было вовремя отделить его от других изотопов, что потребовало строительства реактора особой конструкции. Первое такое сооружение, получившее обозначение «реактор В», американские военные начали возводить в марте 1943 года на территории города Хэнфорда (штат Вашингтон). В нем был наработан плутоний, который затем использовался в атомном устройстве «Гаджет», взорванном в ходе испытаний 16 июля 1945 года на полигоне штата Нью-Мексико, и в бомбе «Толстяк», сброшенной 9 августа 1945 года на Нагасаки.

Советские физики сравнительно поздно включились в «гонку» по созданию принципиально нового оружия. При этом они долгое время недооценивали значение плутония, который позволял уменьшить размеры бомбы при одновременном увеличении мощности взрыва. Первые его крупицы из урана, облученного в циклотроне, радиохимик Борис Курчатов (брат Игоря Курчатова, возглавлявшего советский атомный проект) выделил только в 1946 году.

Более или менее значительные количества нового элемента были получены после запуска экспериментального реактора Ф-1 в Лаборатории №2, территориально расположенной в подмосковном районе Покровское-Стрешнево. Особенность технологии наработки плутония состоит в том, что реактор периодически надо выводить на форсированный режим.

Поскольку серьезной биологической защиты у Ф-1 не было, около здания отмечался высокий радиационный фон. Поэтому во время работы на форсированном режиме реактором управляли из специального бункера, расположенного на расстоянии полукилометра, а на крыше загорался большой красный фонарь, предупреждавший сотрудников об опасности.

Опыт эксплуатации Ф-1 позволил приступить к строительству на Урале комбината по производству плутония (комбинат №817).

Место под него было выбрано в 15 километрах к востоку от города Кыштыма, находящегося в Челябинской области. Прежде всего там был построен реактор для облучения урана нейтронными потоками («объект А»). Отделение плутония от урана осуществлялось на радиохимическом заводе («объект Б»), который был введен в эксплуатацию в декабре 1948 года. В то же самое время рядом возводился химико-металлургический завод («объект В»), где плутоний очищали и перерабатывали в металл для бомб. Долгое время комбинат фигурировал в документах под обозначением Челябинск-40; сегодня он известен во всем мире как производственное объединение «Маяк» в городе Озерске.

Первая порция «продукта» поступила на «объект В» 26 февраля 1949 года. Растворы привозили на обычной машине в металлических контейнерах, затем разливали в специальные «стаканы». Освоение процесса шло трудно: большое количество примесей осложняло очистку. Физик Лия Сохина, работавшая на заводе, вспоминала: «Можно определенно сказать, что если реакторное производство и металлургию плутония освоили и подняли мужчины (женщин-физиков и металлургов было мало), то химическую технологию выделения плутония из облученных урановых блоков и очистку плутония до спектрально чистого состояния вынесли на своих плечах в основном женщины, молодые девушки. При этом надо сказать, что на химиках лежала самая неблагодарная, самая «грязная» и вредная работа».

Нередко на рабочие места технологов становились ученые из Москвы, старающиеся вникнуть в суть возникающих проблем. Неожиданности подстерегали их на каждом шагу: то оксалат плутония начинал гореть в сушильном шкафу, то осадки пироксида разлагались с выбросом раствора из «стакана». Тем не менее к июню 1949 года на заводе было накоплено достаточно плутония для изготовления атомной бомбы РДС-1. Ее успешные испытания были проведены 29 августа 1949 года на Семипалатинском полигоне.

Дороже золота

Политика глобального противостояния требовала создания арсенала из сотен атомных бомб. Готовый плутоний поступал в Саров (Арзамас-16), расположенный на границе Горьковской области и Мордовской автономной республики, где разместилось Конструкторское бюро №11 (КБ-11). Там был запущен завод №551, выпускавший от 20 атомных бомб в год, которые складировались в железобетонных бункерах, находившихся под охраной войск Министерства госбезопасности. Параллельно шло переоборудование дальних бомбардировщиков и обучение экипажей. Регулярное проведение испытательных взрывов и быстрое наращивание ядерного арсенала, о котором, несмотря на секретность, знали западные эксперты, заставило «ястребов» в Вашингтоне отказаться от планов атомной войны с СССР.

За полвека в США было наработано 103,4 тонны «оружейного» плутония, а в СССР — около 170 тонн. При этом для одной бомбы типа «Толстяк» или РДС-1 достаточно шести килограммов. Понятно, что существующих запасов вполне достаточно для поддержки боеготовности, поэтому работа комбинатов была остановлена, а «избытки» плутония постепенно утилизируются.

В начале нового века между Россией и США было подписано несколько соглашений, предусматривающих переработку «оружейного» плутония в так называемое МОКС-топливо, которое используется в реакторах на быстрых нейтронах типа БН-600 и БН-800, работающих в составе белоярской АЭС. Кроме того, изотопы плутония нашли применение в медицине и малой энергетике — например, в Р14ТЭГ (радио-изотопный термоэлектрический генератор), которые ставят на спутники и межпланетные аппараты. Тяжелый искусственный металл, служивший самой страшной взрывчаткой в мировой истории, сегодня помогает нам осваивать внеземное пространство.

Антон ПЕРВУШИН



, ,   Рубрика: Гениальные изобретения

Предыдущая
⇐ ⇐
⇐ ⇐
Следущая
⇒ ⇒
⇒ ⇒



Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

SQL запросов:58. Время генерации:0,157 сек. Потребление памяти:8.72 mb