Уран или плутоний что мощнее
Разница между плутонием и ураном
Содержание:
Ключевые области покрыты
1. Что такое плутоний
— определение, свойства, радиоактивность
2. Что такое уран
— определение, свойства, радиоактивность
3. В чем разница между плутонием и ураном
— Сравнение основных различий
Ключевые термины: плутоний (Pu), радиоактивный распад, трансуран, уран (U)
Что такое плутоний
Рисунок 1: Атомная структура плутония
Плутоний является высоко радиоактивным элементом. Это имеет тенденцию подвергаться альфа-распаду, который включает в себя распад через высвобождение альфа-частиц. 239 Пу и 241 Пу (следы) являются делящимися. Это означает, что они могут выдержать цепную реакцию ядерного деления. Важно, чтобы эти изотопы использовались в ядерном оружии.
Плутоний обычно имеет четыре степени окисления. Это +3, +4, +5 и +6. Соединения этих состояний окисления являются красочными. Цвет соединения зависит от степени окисления плутония. Хотя очень следовые количества 238 Пу и 239 Пу можно найти в природе, эти количества ничтожно малы. Его получают в основном как искусственный элемент, производя его из 238 U (Уран-238).
Что такое уран
Рисунок 2: Бисквит из металлического урана
Существует несколько изотопов урана. 238 U является наиболее распространенным изотопом (изобилие около 99%) среди них. 234 U и 235 Вы также можете найти в значительных количествах. Эти изотопы урана имеют очень высокий период полураспада. Поэтому уран считается слаборадиоактивным элементом. 235 U особенный, потому что это делящийся элемент.
Разница между плутонием и ураном
Определение
Трансурановые элементы
Плутоний: Плутоний является трансурановым элементом.
Уран: Уран не является трансурановым элементом.
радиоактивность
Плутоний: Плутоний очень радиоактивен.
Уран: Уран является слабо радиоактивным элементом.
Вхождение
Плутоний: Встречаемость плутония в природе незначительна.
Уран: Уран является естественным элементом.
Количество электронов
Плутоний: Плутоний имеет шесть электронов.
Уран: У урана три электронных электрона.
Период полураспада
Плутоний: Период полураспада плутония сравнительно очень низок.
Уран: Период полураспада урана сравнительно очень высок.
Точка кипения
Плутоний: Точка кипения плутония составляет 3228 о C.
Уран: Температура кипения урана составляет около 4131 о C.
Заключение
Плутоний и Уран являются элементами, которые находятся в серии актинидов периодической таблицы. Они отличаются друг от друга в нескольких свойствах, как обсуждалось в этой статье выше. Основное различие между плутонием и ураном заключается в том, что плутоний высоко радиоактивен, тогда как уран слабо радиоактивен.
Рекомендации:
Все знают, что из сочетания урана и плутония ничего хорошего не выйдет. Но многие не в курсе, что означают такие термины, как изотопы, деление, тритий, «желтый пирог», такие аббревиатуры, как ВОУ, НОУ, РПКСН и ОВИ. Так что давайте разберемся.
Ядерное оружие
Также термин «ядерное оружие» может относится к транспортному средству, перевозящему ракеты, истребители, невидимые бомбардировщики и мобильные пусковые установки.
Межконтинентальная баллистическая ракета (МБР)
По данным на 2018 год, США имеет в своем распоряжении 400 МБР с ядерными боеголовками и еще 400 боеголовок на складах. У России же имеется 318 ракет, готовых к запуску, и еще 1138 боеголовок (у некоторых ракет их больше одной).
Радиоактивное заражение
Ядерные снаряды неизбежно ведут к загрязнению территории: опасные вещества распространяются через облака пыли, остаются в грязи, песке, гальке и обломках, оставшихся после взрыва.
Бомбы, взорванные близко к земле, сильно увеличивают загрязнение, так как опасные вещества попадают в почву, остаются на обломках и распространяются на сотни километров.
Изотопы
Каждый элемент Периодической таблицы имеет уникальный состав, но они также различаются по весу или изотопам. Например, обычно водород имеет наименьший среди всех элементов атомный вес и обозначается как 1H (протий). В таком случае его ядро состоит из одного положительно заряженного протона. Если добавляется нейтрон (незаряженная частица), то водород обозначается как 2H (дейтерий). Если добавляется два нейтрона, то это уже называется тритием, 3H.
Три этих изотопа водорода имеют почти одинаковый химический состав и могут, например, связываться с кислородом, образуя воду. Но их ядерные свойства существенно различаются: так, дейтерий и тритий могут подпитывать термоядерные взрывы, потому что их дополнительные нейтроны могут стимулировать слияние атомов водорода в атомы гелия (которые, в свою очередь, имеют два протона) намного эффективнее, чем 1H.
Деление
Нейтроны также могут возникать при делении, равно как и высокоэнергетические фотоны света, называемые гамма-лучами.
При всем этом происходит совсем небольшая потеря в массе. Согласно формуле Эйнштейна (E = mc2), вещество – примерно 0.1% – преобразуется в энергию, которую заключают нейтроны, гамма-лучи и продукты деления.
Уран (включая 238U, 235U и 233U)
Хоть плутоний (о котором речь пойдет дальше) является более предпочтительным элементом для изготовления снарядов, 235U использовался в бомбе «Малыш» («Little Boy»), которую США сбросили на Хиросиму в 1945 году.
Цепная реакция деления и критичность
235U делает особенным то, что он достаточно легко делится, при этом создавая в процессе по 2-3 нейтрона. Часто они имеют энергию, подходящую для того, чтобы их захватили другие атомы 235U, и деление продолжилось. Если делящиеся атомы находятся достаточно близко друг к другу и при этом есть достаточное количество нейтронов, это может привести к цепной ядерной реакции.
Существует также особое свойство, называемое критичностью, – когда количество поглощенных и образованных нейтронов равно, реакция сохраняется.
Этот процесс подконтрольно используется в ядерных реакторах с рядом мер предосторожности. В ядерном оружии, соответственно, цепная реакция никак не контролируется.
Плутоний (238Pu, 239Pu и 240Pu)
Плутоний – радиоактивный металл, который почти не встречается в природе, чаще всего используется его изотоп 239Pu – основной элемент в современном ядерном оружии.
Побочным продуктом 239Pu является 240Pu – он может стать причиной преждевременного взрыва, так как является достаточно радиоактивным.
«Желтый пирог»
Это порошок оксида урана, который производится путем выщелачивания урана из природных руд и его дальнейшего химического насыщения. Несмотря на свое название, чаще всего это соединение имеет коричневый или черный цвет.
Порошок представляет собой концентрированную форму природного урана – около 99,72% 238U и 0,72% 235U. Он очень важен, так как его можно обработать и использовать для получения и обогащения 235U.
Центрифуга
Изотопы 235U и 238U химически идентичны и имеют почти одинаковый вес, так что их очень трудно разделить. Проще всего это можно сделать с помощью центрифуги. Процесс начинается с превращения «желтого пирога» в гексафторид урана (UF6), затем вещество нагревается, а образующийся в процессе газ попадает в центрифугу – высокую трубку, скорость вращения которой выше скорости звука.
За счет вращения более тяжелый 238U прибивается к стенке, тогда как 235U остается в середине. Каскады таких центрифуг, объединенные в цепи, далее разделяют и концентрируют каждый изотоп. Обогащенный 235U газ проходит вверх по трубке, пока не будет достигнут нужный уровень концентрации. В то же время 238U движется вниз, пока не станет совсем чистым, без 235U.
Так, для получения 235U, пригодного для создания вооружения, тысячи таких центрифуг работают круглый год.
Высокообогащенный уран (ВОУ) и низкообогащенный уран (НОУ)
Но сейчас его редко используют: чаще его применяют в специальных реакторах на подводных лодках и морских кораблях, где он может быть преобразован в плутоний или изотопы, используемые в медицине (например, молибден-99 помогает диагностировать некоторые сердечные и раковые заболевания).
Низкообогащенный уран имеет концентрацию 235U менее 20% и чаще всего используется в качестве топлива на АЭС.
Дейтерид лития (гидрид лития)
В процессе также образуется много нейтронов. Они, как пули, влетают в ближайшие 238U и разрывают их, увеличивая силу снаряда.
Баллистические ракеты подводных лодок (БРПЛ)
Это ядерные ракеты, которые запускаются с подводных лодок. По состоянию на 2018 год в распоряжении США находится 1920 БРПЛ, тогда как у России – около 770.
Основная особенность этого вида вооружений состоит в мобильности, а также в том, что БРПЛ трудно отследить. Дальность поражение некоторых моделей может достигать 12000 км, что примерно равняется 30% земной окружности. Этого достаточно, чтобы ударить с берега по любой точке континента.
Атомные подводные лодки (АПЛ)
Такие судна могут находиться под водой в течение 90 дней и перевозить более десятка БРПЛ с ядерными боеголовками. В России насчитывается около 11 атомных подлодок, тогда как в США – около 14.
Полная, поддающаяся проверке и необратимая денуклеаризация (CVID – Complete, verifiable, and irreversible denuclearization)
Стратегия, проводившаяся для полного ядерного разоружения Ливии. Администрация Трампа также придерживалась ее в ходе первых переговоров с Ким Чен Ыном.
Эксперты считают, что Северная Корея не пойдет на такие условия, потому что тогда им придется отказаться от ядерной энергии и разработки ракет, с помощью которых можно отправлять в космос людей или запускать спутники.
Отягощает дело и неприятный исторический прецедент: хоть ливийский правитель Муаммар Каддафи следовал требованиям США, его все же убили.
Также есть некоторые сведения, согласно которым администрация Трампа выдвинет более приемлемый для Северной Кореи план ядерного разоружения.
Ядерное сдерживание
Это идея о том, что возможно сохранить мир, если на угрозу ядерного нападения отвечать встречной угрозой.
В 1995 году, через несколько лет после окончания Холодной войны, чиновники аппарата Рейгана писали: «Ядерное сдерживание должно поселить страх в сердце противника, страх, что, не достигнув своих целей, он потеряет гораздо больше, чем возможно было получить – страх наказания. Это должно, в конченом счете, посеять страх исчезновения – либо самих лидеров противника, либо их национальной независимости, либо и того, и другого. Тем не мене всегда должен оставаться путь к спасению, если они решат сменить курс».
Развитие конструкций ядерных зарядов
Использование ядерных устройств в военных целях основано на свойстве атомов тяжелых химических элементов распадаться на атомы более легких элементов с выделением энергии в виде электромагнитного излучения (гама- и рентгеновского диапазона), а также в виде кинетической энергии разлетающихся элементарных частиц (нейтронов, протонов и электронов) и ядер атомов более легких элементов (цезия, стронция, иода и других)
Наиболее востребованными тяжелыми элементами являются уран и плутоний. Их изотопы при делении своего ядра выделяют от 2 до 3 нейтронов, которые в свою очередь вызывают деление ядер соседних атомов и т.д. В веществе возникает самораспространяющаяся (т.н. цепная) реакция с выделением большого количества энергии. Для запуска реакции требуется определенная критическая масса, объем которой будет достаточен для захвата нейтронов ядрами атомов без вылета нейтронов за пределы вещества. Критическая масса может быть уменьшена с помощью отражателя нейтронов и инициирующего источника нейтронов
Запуск реакции деления производится путем соединения двух подкритических масс в одну надкритическую или путем обжатия сферической оболочки надкритической массы в сферу, увеличивая тем самым концентрацию делящегося вещества в заданном объеме. Соединение или обжатие делящегося вещества осуществляется с помощью направленного взрыва химического взрывчатого вещества.
Кроме реакции деления тяжелых элементов, в ядерных зарядах применяется реакция синтеза легких элементов. Термоядерный синтез требует нагрева и сжатия вещества до нескольких десятков миллионов градусов и атмосфер, что можно обеспечить только за счет энергии, выделяющейся при реакции деления. Поэтому термоядерные заряды конструируются по двухступенчатой схеме. В качестве легких элементов используют изотопы водорода тритий и дейтерий (требующие минимальных значений температуры и давления для запуска реакции синтеза) или химическое соединение — дейтерид лития (последний под действием нейтронов от взрыва первой ступени делится на тритий и гелий). Энергия в реакции синтеза выделяется в виде электромагнитного излучения и кинетической энергии нейтронов, электронов и ядер атомов гелия (т.н. альфа-частиц). Энерговыделение реакции синтеза в расчете на единицу массы в четыре раза превышает подобный показатель реакции деления
Тритий и продукт его самораспада дейтерий используют также в качестве источника нейтронов для инициации реакции деления. Тритий или смесь изотопов водорода под действием сжатия плутониевой оболочки частично вступает в реакцию синтеза с выделением нейтронов, которые переводят плутоний в надкритичное состояние.
Основными компонентами современных ядерных зарядов являются следующие:
— стабильный (самопроизвольно не делящийся) изотоп урана U-238, добываемый из урановой руды или (в виде примеси) из фосфатной руды;
— радиоактивный (самопроизвольно делящийся) изотоп урана U-235, добываемый из урановой руды или нарабатываемый из U-238 в ядерных реакторах;
— радиоактивный изотоп плутония Pu-239, нарабатываемый из U-238 в ядерных реакторах;
— стабильный изотоп водорода дейтерий D, добываемый из природной воды или нарабатываемый из протия в ядерных реакторах;
— радиоактивный изотоп водорода тритий T, нарабатываемй из дейтерия в ядерных реакторах;
— стабильный изотоп лития Li-6, добываемый из руды;
— стабильный изотоп бериллия Be-9, добываемый из руды;
— октоген и триаминотринитробензол, химические взрывчатые вещества.
Критическая масса шара, выполненного из U-235 с диаметром 17 см, составляет 50 кг, критическая масса шара, выполненного из Pu-239 с диаметром 10 см — 11 кг. С помощью отражателя нейтронов из бериллия и источника нейтронов из трития критическую массу можно снизить соответственно до 35 и 6 кг.
Для устранения риска самопроизвольного срабатывания ядерных зарядов в них используют т.н. оружейный Pu-239, очищенный от других, менее стабильных изотопов плутония до уровня 94%. С периодичность 30 лет плутоний очищают от продуктов самопроизвольного ядерного распада его изотопов. С целью увеличения механической прочности плутоний сплавляют с 1 массовым процентом галлия и покрывают тонким слоем никеля для защиты от окисления
Температура радиационного саморазогрева плутония в процессе хранения ядерных зарядов не превышает 100 градусов Цельсия, что ниже температуры разложения химического ВВ.
Самыми первыми конструкциями ядерных зарядов деления были «Малыш» и «Толстяк», разработанные в США в середине 1940-х годов. Последний тип заряда отличался от первого сложной аппаратурой синхронизации подрыва многочисленных электродетонаторов и большим поперечным габаритом.
«Толстяк» был выполнен по имплозивной схеме – полую сферу из делящегося вещества (плутоний Pu-239) окружали оболочка из урана U-238 (толкатель), оболочка из алюминия (гаситель) и оболочка (генератор имплозии), набранная из пяти- и шестигранных сегментов химического взрывчатого вещества, на внешней поверхности которых были установлены электродетонаторы. Каждый сегмент представлял собой детонационную линзу из двух видов ВВ с различной скоростью детонации, преобразовывавших расходящуюся волну давления в сферическую сходящуюся волну, равномерно сжимавшую алюминиевую оболочку, которая в свою очередь сжимала урановую оболочку, а та – плутониевую сферу до смыкания её внутренней полости. Алюминиевый гаситель был использован, чтобы воспринять отдачу волны давления при её переходе в материал с большей плотностью, урановый толкатель – для инерционного удержания плутония в ходе реакции деления. Во внутренней полости плутониевой сферы был расположен источник нейтронов, изготовленный из радиоактивного изотопа полония Po-210 и бериллия, который под действием альфа-излучения полония испускал нейтроны. Коэффициент использования делящегося вещества составлял порядка 5 процентов, период полураспада радиоактивных осадков — 24 тысячи лет
Бериллиевый отражатель нейтронов представляет собой металлическую оболочку толщиной до 40 мм, источник нейтронов – газообразный тритий, заполняющий полость в плутонии, или пропитанный тритием гидрид железа с титаном, хранящийся в отдельном баллоне (бустере) и выделяющий тритий под действием нагрева электричеством непосредственно перед применением ядерного заряда, после чего тритий по газопроводу подается внутрь заряда. Последнее техническое решение позволяет кратно варьировать мощность ядерного заряда в зависимости от объема перекачиваемого трития, а также облегчает замену газовой смеси на новую каждые 4-5 лет, поскольку период полураспада трития составляет 12 лет. Избыточное количество трития в составе бустера позволяет снизить критическую массу плутония до 3 кг и существенно повысить действие такого поражающего фактора как нейтронное излучение (за счет снижения действия других поражающих факторов — ударной волны и светового излучения). В результате оптимизации конструкции коэффициент использования делящегося вещества увеличился до 20%, в случае избытка трития – до 40%.
Пушечная схема была упрощена за счет перехода к радиально-осевой имплозии посредством выполнения массива делящегося вещества в виде полого цилиндра, сминаемого взрывом двух торцевых и одного аксиального заряда ВВ
Имплозивная схема была оптимизирована (SWAN) за счет выполнения внешней оболочки ВВ в форме эллипсоида, позволившего уменьшить количество детонационных линз до двух единиц, разнесенных к полюсам эллипсоида — разность в скорости прохождения детонационной волны в поперечном сечении детонационной линзы обеспечивает одновременный подход ударной волны к сферической поверхности внутреннего слоя ВВ, детонация которого равномерно обжимает оболочку из бериллия (совмещающего функции отражателя нейтронов и гасителя отдачи волны давления) и сферу из плутония с внутренней полостью, заполненную тритием или его смесью с дейтерием
Наиболее компактной реализацией имплозивной схемы (примененной в советском 152-мм снаряде) является выполнение взрывчато-бериллиево-плутониевой сборки в виде полого эллипсоида с переменной толщиной стенки, обеспечивающей расчетную деформацию сборки под действием ударной волны от взрыва ВВ в конечную сферическую конструкцию
Несмотря на различные технические усовершенствования мощность ядерных зарядов деления оставалась ограниченной уровнем 100 Ктн в тротиловом эквиваленте из-за неустранимого разлета внешних слоев делящегося вещества в процессе взрыва с исключением вещества из реакции деления.
Однако мощность «слойки» также была ограничена уровнем 1 Мтн из-за начала протекания реакции деления и синтеза во внутренних слоях и разлета непрореагировавших внешних слоев. С целью преодоления этого ограничения была разработана схема обжатия легких элементов реакции синтеза рентгеновским излучением (вторая ступень) от реакции деления тяжелых элементов (первая ступень). Огромное давление потока рентгеновских фотонов, выделяющихся в реакции деления, позволяет 10-кратно обжать дейтерид лития с увеличением плотности в 1000 раз и нагреть в процессе сжатия, после чего литий подвергается воздействию потока нейтронов от реакции деления, превращаясь в тритий, который вступает в реакции синтеза с дейтерием. Двухступенчатая схема термоядерного заряда является наиболее чистой по выходу радиоактивности, поскольку вторичные нейтроны от реакции синтеза дожигают непрореагировавший уран/плутоний до короткоживущих радиоактивных элементов, а сами нейтроны гасятся в воздухе при пробеге порядка 1,5 км.
С целью равномерного обжима второй ступени корпус термоядерного заряда выполняют в форме скорлупы арахиса, располагая сборку первой ступени в геометрическом фокусе одной части скорлупы, а сборку второй ступени – в геометрическом фокусе другой части скорлупы. Сборки подвешены в объеме корпуса с помощью наполнителя из пенопласта или аэрогеля. По правилам оптики рентгеновское излучение от взрыва первой ступени концентрируется в сужении между двумя частями скорлупы и равномерно распределяется по поверхности второй ступени. С целью увеличения отражательной способности в рентгеновском диапазоне внутренняя поверхность корпуса заряда и внешняя поверхность сборки второй ступени покрываются слоем из плотного вещества: свинца, вольфрама или урана U-238. В последнем случае термоядерный заряд становится трехступенчатым – под действием нейтронов от реакции синтеза U-238 превращается в U-235, атомы которого вступают в реакцию деления и увеличивают мощность взрыва
Трехступенчатая схема была заложена в конструкции советской авиабомбы АН-602, расчетная мощность которой составляла 100 Мтн. Перед проведением испытания третья ступень была исключена из её состава путем замены урана U-238 на свинец из-за риска расширения зоны радиоактивных осадков от деления U-238 за пределы испытательного полигона. Фактическая мощность двухступенчатой модификации АН-602 составила 58 Мтн. Дальнейшее наращивание мощности термоядерных зарядов можно производить путем увеличения количества термоядерных зарядов в составе объединенного взрывного устройства. Однако в этом нет необходимости по причине отсутствия адекватных им целей – современный аналог АН-602, размещенный на борту подводного аппарата «Посейдон», имеет радиус разрушений ударной волной зданий и сооружений в 72 км и радиус пожаров в 150 км, что вполне достаточно для уничтожения таких мегаполисов как Нью-Йорк или Токио
Конструкция подобного заряда может быть выполнена в виде имплозивной сборки, включающее две эллипсоидные детонационные линзы (химическое ВВ из октогена, инертный материал из полипропилена), три сферические оболочки (нейтронный отражатель из бериллия, пьезоэлектрический генератор из иодида цезия, делящееся вещество из плутония) и внутреннюю сферу (термоядерное топливо из дейтерида лития)
Под действием сходящейся волны давления иодид цезия вырабатывает сверхмощный электромагнитный импульс, поток электронов генерирует в плутонии гамма-излучение, выбивающее нейтроны из ядер, инициируя тем самым самораспространяющуюся реакцию деления, рентгеновское излучение сжимает и нагревает дейтерид лития, поток нейтронов вырабатывает из лития тритий, который вступает в реакцию с дейтерием. Центростремительная направленность реакций деления и синтеза обеспечивает 100-процентное использование термоядерного топлива.
Дальнейшее развитие конструкций ядерных зарядов в направлении минимизации мощности и радиоактивности возможно за счет замены плутония на устройство лазерного сжатия капсулы со смесью трития и дейтерия.