Оружейный плутоний

Оружейный плутоний — это изотоп плутония-239 (²³⁹Pu) высокой степени чистоты, специально произведённый или выделенный для использования в ядерном оружии. Он относится к классу делящихся материалов, способных поддерживать цепную ядерную реакцию деления с выделением огромного количества энергии в виде взрыва. Основным отличием оружейного плутония от реакторного (энергетического) является его изотопный состав, минимизирующий содержание нежелательных изотопов, в первую очередь плутония-240 (²⁴⁰Pu), который склонен к спонтанному делению и может вызвать преждевременный подрыв заряда.

История

Открытие и первые исследования

Плутоний был впервые синтезирован в 1940 году группой учёных под руководством Гленна Сиборга в Калифорнийском университете в Беркли. Изначально он рассматривался как побочный продукт при облучении урана нейтронами. Однако уже в 1941 году было установлено, что изотоп ²³⁹Pu обладает критической массой, достаточной для создания ядерного взрывного устройства, и является более эффективным делящимся материалом, чем уран-235.

Манхэттенский проект

В рамках Манхэттенского проекта (1942–1946) в США была построена первая в мире промышленная установка для наработки оружейного плутония — реактор B-Reactor в Хэнфордском комплексе (штат Вашингтон). Он был введён в строй в сентябре 1944 года. Плутоний, полученный в этом реакторе, был использован в первом ядерном испытании «Тринити» (16 июля 1945 года) и в бомбе «Толстяк», сброшенной на Нагасаки 9 августа 1945 года.

Развитие в СССР

В СССР работы по созданию оружейного плутония начались в 1943 году под руководством И. В. Курчатова. Первый промышленный реактор для наработки плутония — «А-1» (позднее известный как «Аннушка») — был запущен 22 июня 1948 года на комбинате № 817 (ныне ПО «Маяк» в Озёрске, Челябинская область). 29 августа 1949 года на Семипалатинском полигоне было проведено испытание первой советской атомной бомбы РДС-1, в которой использовался плутоний, наработанный на этом реакторе.

Получение

Производство в ядерных реакторах

Оружейный плутоний получают в специальных реакторах-наработчиках (бридерах или реакторах на тепловых нейтронах) путём облучения урана-238 нейтронами. Основная реакция: ²³⁸U + n → ²³⁹U → ²³⁹Np → ²³⁹Pu. Ключевой особенностью является короткое время облучения (обычно от нескольких недель до нескольких месяцев), что позволяет минимизировать накопление ²⁴⁰Pu, образующегося при захвате лишнего нейтрона ядром ²³⁹Pu.

Химическое выделение

После облучения урановые блоки (твэлы) выдерживаются для распада короткоживущих изотопов, а затем подвергаются радиохимической переработке. Наиболее распространённый метод — пурекс-процесс (PUREX), основанный на экстракции плутония и урана трибутилфосфатом (ТБФ) из азотнокислого раствора. В результате получается плутоний в виде диоксида (PuO₂) или металлического плутония.

Критерии качества

Основным критерием качества оружейного плутония является содержание изотопа ²⁴⁰Pu. Для оружейных целей оно не должно превышать 7–10% (обычно менее 5%). Плутоний с содержанием ²⁴⁰Pu от 10 до 18% называется «оружейным низкого качества» или «реакторным», а выше 18% — «реакторным» и для прямого использования в оружии непригоден из-за высокого нейтронного фона и тепловыделения.

Свойства

Физические

• Плотность: 19,86 г/см³ (для α-фазы при комнатной температуре).
• Температура плавления: 639,5 °C.
• Температура кипения: 3228 °C.
• Аллотропия: плутоний имеет шесть аллотропных модификаций (α, β, γ, δ, δ', ε), что затрудняет его механическую обработку. Для оружейных целей часто используется δ-фаза, стабилизированная добавлением галлия (1–3% по массе), что делает материал более пластичным и устойчивым.

Ядерные

• Критическая масса: для чистого ²³⁹Pu в сферической форме с отражателем нейтронов составляет около 10–15 кг (в зависимости от конструкции).
• Сечение деления тепловыми нейтронами: 748 барн (для ²³⁹Pu).
• Период полураспада: 24 110 лет (для ²³⁹Pu).
• Спонтанное деление: ²³⁹Pu имеет низкую вероятность спонтанного деления (около 10 событий/кг·с), что делает его безопасным для хранения и сборки. ²⁴⁰Pu, напротив, имеет высокую скорость спонтанного деления (около 1000 событий/кг·с), что создаёт нейтронный фон и может вызвать преждевременный подрыв.

Токсичность

Оружейный плутоний является высокотоксичным радионуклидом. Основную опасность представляет альфа-излучение, которое при попадании внутрь организма (ингаляция, заглатывание) вызывает поражение лёгких, печени и костной ткани. Период биологического выведения из организма составляет десятки лет. Работа с плутонием требует строгих мер радиационной защиты.

Конструкция ядерного заряда

Имплозивная схема

Оружейный плутоний используется в ядерных зарядах, основанных на принципе имплозии (взрывного обжатия). Заряд состоит из:

• Плутониевого ядра (пит): сфера из металлического плутония (обычно стабилизированного δ-фазы), массой 6–10 кг.
• Нейтронного отражателя (тампер): слой из бериллия, урана-238 или вольфрама, окружающий пит, который отражает нейтроны обратно в зону деления и замедляет разлёт материала.
• Взрывчатых линз: система из 32–60 зарядов обычного взрывчатого вещества (ВВ), расположенных вокруг тампера. При одновременном подрыве они создают сферически-симметричную ударную волну, сжимающую пит до сверхкритической плотности.
• Нейтронного инициатора: небольшое устройство в центре пита, содержащее бериллий и полоний-210 (или тритий), которое при сжатии испускает мощный импульс нейтронов, запускающий цепную реакцию.

Преимущества перед ураном-235

• Меньшая критическая масса: для ²³⁹Pu требуется в 3–4 раза меньше материала, чем для ²³⁵U.
• Более высокое сечение деления: позволяет создавать более компактные и лёгкие заряды, что критично для ракетных боеголовок.
• Возможность наработки: плутоний образуется из распространённого ²³⁸U, в то время как ²³⁵U требует сложного и дорогостоящего процесса обогащения.

Нераспространение и контроль

Договоры и режимы

• Договор о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО, 1968): запрещает передачу оружейного плутония неядерным государствам.
• Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ, 1996): ограничивает возможности разработки новых типов зарядов.
• Соглашения между РФ и США: программы по сокращению запасов оружейного плутония (например, СНВ-1, СНВ-2, СНВ-3).
• Программа «Мегатонны в мегаватты» (1993–2013): предусматривала переработку оружейного плутония из демонтированных боеголовок в топливо для атомных электростанций (МОКС-топливо).

Проблемы утилизации

Утилизация оружейного плутония представляет сложную техническую и политическую задачу. Основные методы:

• Сжигание в реакторах: смешивание с ураном для производства МОКС-топлива.
• Иммобилизация: включение в керамические матрицы (например, цирконолит) для долговременного захоронения.
• Хранение: в виде металлических слитков в специальных контейнерах под строгим контролем МАГАТЭ.

Запасы оружейного плутония в мире оцениваются в сотни тонн (по оценкам, у США — около 90 тонн, у России — около 130 тонн, у других ядерных держав — значительно меньше).

Интересные факты

• Первый ядерный заряд «Тринити» содержал 6,2 кг оружейного плутония, из которых в реакцию деления вступило лишь около 1 кг.
• В СССР для наработки оружейного плутония использовались реакторы типа «А-1», «И-1», «АВ-1», «АВ-2» и «АД-1»/«АД-2»/«АДЭ-1»/«АДЭ-2» (на ПО «Маяк» и ГХК в Железногорске). Последний из них, реактор АДЭ-2, был остановлен в 2010 году.
• Металлический плутоний самовозгорается на воздухе в виде порошка, поэтому все операции проводятся в среде инертного газа (аргон, азот).
• Плутоний-239, используемый в оружии, не встречается в природе в значимых количествах — он полностью искусственный.

Источники

• Seaborg, G. T. (1946). The Transuranium Elements. McGraw-Hill.
• Cochran, T. B., & Paine, C. E. (1995). The Amount of Plutonium and Highly Enriched Uranium Needed for Nuclear Weapons. Natural Resources Defense Council.
• Бюллетень по атомной энергии (Россия). «Оружейный плутоний: свойства, производство, утилизация». 2005.
• IAEA Safeguards Glossary (2001). International Atomic Energy Agency.
• «Ядерное оружие СССР: история создания и развития». Под ред. В. Н. Михайлова. 1997.