Як одержують збройовий плутоній. Збройовий плутоній. Тяжкі ізотопи плутонію

"Збройовим" його називають, щоб відрізнити від "реакторного". Плутоній утворюється в будь-якому ядерному реакторі , що працює на природному або низькозбагаченому урані, що містить в основному ізотоп 238 U при захопленні їм надлишкових нейтронів . Але в міру роботи реактора збройовий ізотоп плутонію швидко вигоряє, в результаті в реакторі накопичується велика кількість ізотопів 240 Pu, 241 Pu і 242 Pu, що утворюються при послідовних захватах кількох нейтронів - оскільки глибина вигоряння зазвичай визначається економічними факторами. Чим менше глибина вигоряння, тим менше ізотопів 240 Pu, 241 Pu і 242 Pu буде містити плутоній, виділений з опроміненого ядерного палива, але тим менша кількість плутонію в паливі утворюється.

Спеціальне виробництво плутонію для зброї, що містить майже виключно 239 Pu, потрібно, в основному, тому, що ізотопи з масовими числами 240 і 242 створюють високий нейтронний фон, що утруднює конструювання ефективних ядерних боєприпасів, крім того, 240 Pu і 241 Pu мають напіврозпаду, ніж 239 Pu, через що плутонієві деталі нагріваються, і в конструкцію ядерного боєприпасу доводиться додатково вводити елементи тепловідведення. Додатково, продукти розпаду важких ізотопів псують кристалічну решітку металу, що може призвести до зміни форми деталей з плутонію, що може призвести до відмови ядерного вибухового пристрою.

В принципі, всі ці труднощі переборні, і були успішно випробувані ядерні вибухові пристрої з «реакторного» плутонію, однак у боєприпасах, де не останню роль відіграє компактність, мала вага, надійність і довговічність, застосовується виключно спеціально зроблений збройовий плутоній. Критична маса металевих 240 Pu і 242 Pu дуже велика, 241 Pu – дещо більше, ніж у 239 Pu.

Виробництво

Утилізація

З кінця 1990-х США та Росія розробляли угоди щодо утилізації надлишкового збройового плутонію.

Див. також

Напишіть відгук про статтю "Збройовий плутоній"

Примітки

Посилання

• , Canadian Coalition for Nuclear Responsibility
• , Amory B. Lovins , February 28, 1980, Nature , Vol. 283, No. 5750, pp. 817-823
• Garwin Richard L. The Nuclear Fuel Cycle: Does Reprocessing Make Sense? /// B. van der Zwaan. - World Scientific, 1999. - P. 144. - ISBN 978-981-02-4011-0.

Уривок, що характеризує Збройовий плутоній

Хвороба його йшла своїм фізичним порядком, але те, що Наталя називала: це сталося з ним, сталося з ним два дні перед приїздом князівни Марії. Це була остання моральна боротьба між життям і смертю, в якій смерть здобула перемогу. Це була несподівана усвідомлення того, що він ще дорожив життям, яке представлялося йому в любові до Наташі, і останній, підкорений напад жаху перед невідомим.
Це було ввечері. Він був, як звичайно після обіду, у легкому гарячковому стані, і думки його були надзвичайно зрозумілі. Соня сиділа за столом. Він задрімав. Раптом відчуття щастя охопило його.
"А, це вона увійшла!" – подумав він.
Справді, на місці Соні сиділа Наталка, що тільки-но нечутними кроками увійшла.
Відколи вона почала ходити за ним, він завжди відчував це фізичне відчуття її близькості. Вона сиділа на кріслі, боком до нього, затуляючи собою від нього світло свічки, і в'язала панчоху. (Вона навчилася в'язати панчохи з тих пір, якраз князь Андрій сказав їй, що ніхто так не вміє ходити за хворими, як старі няні, які в'яжуть панчохи, і що у в'язанні панчохи є щось заспокійливе.) Тонкі пальці її швидко перебирали зрідка стикаються спиці, і задумливий профіль її опущеного обличчя був ясно видно йому. Вона зробила рух - клубок скотився з її колін. Вона здригнулася, озирнулася на нього і, затуляючи свічку рукою, обережним, гнучким і точним рухом зігнулася, підняла клубок і сіла в колишнє становище.
Він дивився на неї, не ворушившись, і бачив, що їй потрібно було після свого руху зітхнути на всі груди, але вона не наважувалася цього зробити і обережно переводила подих.
У Троїцькій лаврі вони говорили про минуле, і він сказав їй, що, якби він був живий, він би дякував вічно бога за свою рану, яка звела його знову з нею; але з того часу вони ніколи не говорили про майбутнє.
«Могло чи не могло це бути? - думав він тепер, дивлячись на неї і прислухаючись до легкого сталевого звуку спиць. - Невже тільки потім так дивно звела мене з нею доля, щоб мені померти?.. Невже мені відкрилася істина життя тільки для того, щоб я жив на брехні? Я люблю її найбільше у світі. Але що робити мені, якщо я люблю її?» - Сказав він, і він раптом мимоволі застогнав, за звичкою, яку він придбав під час своїх страждань.
Почувши цей звук, Наташа поклала панчоху, перегнулась ближче до нього і раптом, помітивши його очі, що світилися, підійшла до нього легким кроком і нахилилася.
- Ви не спите?
- Ні, я давно дивлюся на вас; я відчув, коли ви увійшли. Ніхто, як ви, але дає мені ту м'яку тишу... того світла. Мені так і хочеться плакати від радості.
Наталя ближче присунулася до нього. Обличчя її сяяло захопленою радістю.
- Наташа, я дуже люблю вас. Більше всього на світі.
- А я? - Вона відвернулася на мить. - Чому ж занадто? - сказала вона.
- Чому занадто?.. Ну, як ви думаєте, як ви відчуваєте до душі, щиро буду, я живий? Як вам здається?
- Я впевнена, я впевнена! - майже скрикнула Наталка, пристрасним рухом взявши його за обидві руки.
Він помовчав.
- Як би добре! - І, взявши її руку, він поцілував її.
Наташа була щаслива та схвильована; і одразу ж вона згадала, що цього не можна, що йому потрібний спокій.
- Але ви не спали, - сказала вона, пригнічуючи свою радість. - Постарайтеся заснути... будь ласка.
Він випустив, потиснувши її, її руку, вона перейшла до свічки і знову сіла в колишнє положення. Двічі вона озирнулася на нього, очі його світилися назустріч. Вона задала собі урок на панчосі і сказала собі, що доти вона не озирнеться, поки не скінчить його.
Справді, незабаром після цього він заплющив очі і заснув. Він спав недовго і раптом у холодному поті тривожно прокинувся.
Засинаючи, він думав все про те, про що він думав усе від часу, - про життя і смерть. І більше про смерть. Він почував себе ближче до неї.
"Любов, кохання? Що таке любов? – думав він. – Кохання заважає смерті. Кохання є життя. Все, що я розумію, я розумію тільки тому, що люблю. Все є, все є тільки тому, що я люблю. Все пов'язане однією нею. Любов є богом, і померти – значить мені, частинці любові, повернутися до спільного та вічного джерела». Думки ці здалися йому втішними. Але це були лише думки. Чогось бракувало в них, що то було односторонньо особисте, розумове – не було очевидності. І був той самий неспокій і неясність. Він заснув.
Він бачив уві сні, що він лежить у тій же кімнаті, в якій він лежав насправді, але що він не поранений, а здоровий. Багато різних осіб, нікчемних, байдужих, є перед князем Андрієм. Він розмовляє з ними, сперечається про щось непотрібне. Вони збираються їхати кудись. Князь Андрій смутно нагадує, що все це мізерно і що в нього є інші, найважливіші турботи, але продовжує говорити, дивуючи їх, якісь порожні, дотепні слова. Потроху, непомітно всі ці особи починають зникати, і все замінюється одним питанням про зачинені двері. Він встає і йде до дверей, щоб засунути засувку та замкнути її. Тому, що він встигне або не встигне замкнути її, залежить все. Він іде, поспішає, ноги його не рухаються, і він знає, що не встигне замкнути двері, але все ж болісно напружує всі свої сили. І болісний страх охоплює його. І цей страх є страхом смерті: за дверима стоїть воно. Але коли він безсило ніяково підповзає до дверей, це щось страшне, з іншого боку вже, натискаючи, ломиться в неї. Щось не людське – смерть – ломиться у двері, і треба втримати її. Він ухоплюється за двері, напружує останні зусилля – замкнути вже не можна – хоч утримати її; але сили його слабкі, незручні, і, надавливаемая жахливим, двері відчиняються і знову зачиняються.
Ще раз воно натиснуло звідти. Останні надприродні зусилля марні, і обидві половинки відчинилися беззвучно. Воно увійшло, і воно смерть. І князь Андрій помер.
Але в ту ж мить, як він помер, князь Андрій згадав, що він спить, і в ту саму мить, як він помер, він, зробивши над собою зусилля, прокинувся.
«Так, то була смерть. Я помер – я прокинувся. Так, смерть – пробудження! - раптом просвітліло в його душі, і завіса, що приховувала досі невідоме, була піднята перед його душевним поглядом. Він відчув як би визволення раніше пов'язаної в ньому сили і ту дивну легкість, яка з того часу не залишала його.
Коли він, прокинувшись у холодному поті, заворушився на дивані, Наташа підійшла до нього і спитала, що з ним. Він не відповів їй і, не розуміючи її, глянув на неї дивним поглядом.
Це було те, що сталося з ним за два дні до приїзду князівни Марії. З того ж дня, як говорив лікар, виснажлива лихоманка набула поганого характеру, але Наталка не цікавилася тим, що говорив лікар: вона бачила ці страшні, більше для неї безперечні, моральні ознаки.
З цього дня почалося для князя Андрія разом із пробудженням від сну – пробудженням від життя. І щодо тривалості життя воно не здавалося йому повільніше, ніж пробудження від сну щодо тривалості сновидіння.

Давайте коротко пригадаємо історію підписання СОУП-2000 із двох різних сторін: 1) конкретно про плутонію та 2) у зв'язку з договорами СНО-I та СНО-III - договір про Скорочення Наступальних Озброєнь.

СНО-2 докладно аналізувати немає сенсу, але коротко торкнемося. У 1993 року президент РФ Єльцин Б.Н. та президент США Джордж Буш підписали договір СНО-ІІ. Якщо коротко, то по ньому сторони зобов'язалися відмовитися від використання балістичних ракет з головними частинами індивідуального наведення, що розділяються. Мотив зрозумілий - надто вже небезпечно, занадто великий ризик ескалації міжнародної напруги та глобального конфлікту. Але 1993 був занадто бурхливим в Росії, щоб справа дійшла до ратифікації цього договору, доля якого виявилася дуже короткою. ЗС РФ, а потім Держдума проводили дебати, вносили зміни до 2002 року, в якому США в односторонньому порядку вийшли з договору про обмеження ПРО. У відповідь уряд Росії просто відмовився від ратифікації СНО-2.

Джордж Буш (США) та Михайло Горбачов (СРСР), Фото: gazeta.eot.su

Але підписання СНО-II та відмова від його ратифікації не скасували дію СНО-I, підписаного ще СРСР та США у далекому 1991 році 31 липня Горбачовим та Джорджем Бушем-старшим. За цим договором СРСР мав обмежити себе 6'000 ядерних боєголовок, а США - 8'500. Виконання договору утруднено «невеликою проблемою» - розпався СРСР. Проте 23 травня 1992 р. був підписаний Лісабонський договір, сторонами якого були США, Росія, Білорусь, Україна та Казахстан, відповідно до якого до СНО-1 приєдналися останні три держави. Білорусь, Україна та Казахстан – держави, на території яких у 1992 році залишалися колишні спільні ядерні арсенали СРСР. За Лісабонським договором Білорусь, Україна та Казахстан взяли на себе зобов'язання або знищити ядерну зброю, яка опинилась на їх території, або передати її Росії. 6 грудня 2001 року Росія та США заявили, що повністю виконали свої зобов'язання щодо СНО-1.

Що означали скорочення ядерних боєголовок для нашого та американського атомних проектів? Частина напрацьованих у роки холодної війни запасів збройового урану і збройового плутонію виявилися просто зайвими для оборонних програм обох держав. Це стало основою угоди, та був контракту ВОУ-НОУ 1993-1994 років і початком підготовки СОУП. З плутонією питання технічно значно складніше, ніж із ураном: у 1992 ще ніхто не розумів, яким способом можна позбутися небезпечної радіоактивної речовини з періодом піврозпаду 24'000 років. Перший крок був очевидним: Росія та США зобов'язалися закрити та ліквідувати всі атомні реактори з напрацювання збройового плутонію.

«Не зовсім поки що розуміємо, як знищувати, але вже нові запаси робити точно не будемо».

У ті ж роки свій перший досвід з виробництва МОКС-палива почала напрацьовувати Франція, але в технології, що використовується в цій країні, використовувався плутоній тільки і виключно з ВЯП (відпрацьованого ядерного палива). Як використати для тієї ж мети плутоній збройовий, було абсолютно незрозуміло, але вже тоді провідні фахівці розуміли, що саме переробка збройового плутонію в МОКС-паливо і його спалювання в реакторах АЕС і є найнадійнішим способом його утилізації. У жовтні 1996 року експерти кількох країн провели зустріч у Парижі, за підсумками якої переробка збройового плутонію в МОКС-паливо була визнана кращою схемою утилізації, а так звана іммобілізація була визнана додатковим варіантом.

Іммобілізація, якщо коротко - технологічний прийом, при якому плутоній включають до складу хімічно стійкого з'єднання з якимись іншими хімічними елементами, отриману «суміш» в комплекті з уповільнювачами нейтронів (щоб застрахуватися від ланцюгової реакції поділу) поміщають у капсулу з особливого сорту скла, капсулу поміщають у сталевий контейнер, сталевий контейнер "ховають" у глибоких геологічних формаціях. Казка про кощеєву голку на новий лад, що викликає здоровий скепсис. Хімічна сполука як створюється, і руйнується, при цьому меч-кладенец не потрібно. Вічне зберігання в глибоких геологічних структурах - теоретично чудовий захід, жодного разу поки що не реалізований на практиці, а не просто про якусь радіоактивну речовину, а про найважливіший компонент атомної та термоядерної зброї.

З 1998 року діяла російсько-американська міжурядова угода про науково-технічне співробітництво в галузі поводження з плутонієм, що виводиться з військових програм, експерти розпочали вироблення всіх пунктів Угоди-2000. Спочатку планувалося розпочати утилізацію не пізніше 2007 року: по 34 тонни для кожної сторони зі швидкістю не менше ніж 2 тонни на рік. Але технологія не бажала здаватися швидко і просто - тому були додаткові протоколи 2006 і 2010 років, за останнім з яких фактичне знищення збройового плутонію мало розпочатися в 2018 році. При цьому єдиною можливою технологією було обрано основний варіант: МОКС-паливо - реактор АЕС. Будь-яка зміна можлива лише за письмовою згодою обох сторін - очевидно, що таким чином Росія вже тоді страхувалася від спроб США використати іммобілізацію.

Енергоблок № 4 Білоярської АЕС із реактором на швидких нейтронах БН-800, Фото: sdelanounas.ru

Страховка була цілком логічною для Росії та Росатому насамперед саме з технічних причин. Ні наші звичайні АЕС, ні реактор на швидких нейтронах БН-600 МОКС-паливо ще не використали, перехід на нього – не найдешевше задоволення, що потребує серйозних інвестицій. Проте Росія послідовно і акуратно виконувала взяті на себе зобов'язання: будувала реактор БН-800, розробляла технологію переробки в МОКС-паливо збройового плутонію, акуратно завершивши цю розробку будівництвом унікального заводу в Залізногірську. Це єдиний світ завод, здатний перетворити на МОКС-паливо плутоній і з ВЯП, і плутоній збройовий. І знову очевидно, що і тут Росатом перестраховувався: не перероблятимемо збройовий за угодою зі США - пустимо в хід нашу ВЯП, просуваючи практичну реалізаціютехнології замкнутого ядерного паливного циклу Не зробимо цього – потенційно можемо отримати «мертвий» завод, закопані в бетон державні інвестиції.

США з технологією «збройовий плутоній – МОКС-паливо – реактор АЕС» не впоралися від слова «зовсім». Немає ні технології, ні тим більше заводу з виробництва МОКС-палива. Немає жодного промислового реактора на швидких нейтронах. Не отримано жодної ліцензії МАГАТЕ на використання МОКС-палива у звичайних реакторах. При цьому, згідно з протоколом до СОУП від 2010 року, нагадую, практичне знищення плутонію мало розпочатися в 2018 році - тобто в американців залишалося в запасі не більше півтора року. І навіть у тому випадку, якби Росія заплющила на все це очі та погодилася на горезвісну іммобілізацію, американці не здатні за такий термін реалізувати і її: ну, немає в них жодного сховища у глибокій геологічній формації! Проект Юкка-Маунтін заморожений, залишений без фінансування, жодної певної позиції щодо цього проекту немає ні мадам Клінтон, ні пана Трампа. Прийом РАВ у сховищі WIPP як було припинено після пожежі у 2014 році, так і не відновлюється досі «з технічних причин». Куди "іммобілізувати", вибачте?

Володимир Путін (Росія), Фото: http://politikus.ru/

З огляду на все сказане, складається враження, що сьогоднішній закон немає жодного сенсу називати якимось «ультиматумом» з нашого боку. На наш погляд, Володимир Володимирович загалом врятував імідж США від неминучої ганьби: якби не його ініціатива про припинення дії СОУП, новий президент Америки просто змушений був би зізнатися в тому, що його держава не здатна виконувати взяті на себе зобов'язання. через свою технологічну неспроможність. Але й прощати цих безнадійних хлопців Росія не має наміру - умови, на яких Росія готова відновити дію СОУП, вимагають повної зміни всієї зовнішньої політикиСША. «Нічого особистого, тільки бізнес» - якщо панове американці раптом забули ними ж вигадану приказку, їм її пригадали. Жорстко? Безперечно.

Але ні Путін особисто, ні Росатом, зокрема, ні Росія взагалі не винні в тому, що у нинішнього покоління американських атомників руки ростуть із... м-м-м... не з плечей, загалом. Те, що Буш-молодший відмовився від внесення на розгляд Конгресу США договору про співпрацю з Росією в атомній галузі через «агресію Росії в Південній Осетії та Абхазії» - теж не наш головний біль. Був у американців шанс перейняти успішний досвід у найрізноманітніших напрямках атомного проекту – вони від нього відмовилися. Самостійно вони змогли лише загрожувати 7,7 млрд доларів на освоєння технології переробки збройового плутонію в МОКС-паливо, видавши на-горА нульовий результат.

Якою може бути доля збройового плутонію, не потрібного для оборонних програм, сьогодні можна лише гадати. Росія в односторонньому порядку знищувати його не має наміру, розроблена технологія, реалізована для заводу в Залізногірську, дозволяє займатися вирішенням проблем ВЯП та замкненого паливного циклу – тут ми нічого не втратили. Але призупинення дії СОУП-2000 дає найсерйозніші аргументи найтривожнішим настроям, підживлюючи примару нової «холодної війни». Мова - про СНО-III, підписаний Росією та США 10 березня 2010 року та ратифікований у 2011.

Барак Обама (США) та Дмитро Медведєв (Росія), Фото: Defence.ru

Цей договір містить нові обмеження кількості ядерних боєзарядів, але варто пам'ятати, що при його ратифікації Державною Думоюбуло прийнято ще й заяву депутатів, в якій зазначено необхідність відстеження будівництва системи американської ПРО в Європі, а також виведення з континенту тактичної ядерної зброї США. Ці заяви були відповіддю на резолюцію, прийняту Сенатом США при ратифікації СНО-ІІІ:

"Новий договір не накладає організацій на створення системи ПРО".

Очевидно, що обидві сторони забезпечили собі можливість виходу із СНО-III, («хочете обмежити нашу ПРО? Ми виходимо зі СНО!» проти «хочете продовжувати розгортати ПРО? Ми виходимо із СНО!»), а 34 тонни плутонію, що залишаються не знищеними, роблять такий вихід є досить «зловісним». Нагадуємо, що військові фахівці для якоїсь «умовної» боєголовки в наш час вважають за необхідне всього 25 кг збройового плутонію. Калькулятор підкаже, якою кількістю нової ядерної зброї може обернутися відмова від СНО-ІІІ: теоретично це дозволяє створити 1'360 нових боєголовок і Росії, і Сполученим Штатам.

Міжконтинентальна балістична ракета "Тополя-М", Фото: 3mv.ru

Але врахуємо ще одну технічну деталь. До складу атомної бомби крім оружейного плутонію входить ще й збройовий уран. Збройовий уран - компонент і термоядерна бомба. Якщо хтось забув, збройовим вважається уран, вміст ізотопу уран-235, в якому становить 90%. За взаємною домовленістю, напрацювання збройового урану припинено по обидва боки океану, але ж ми гіпотезу будуємо, виходячи з того, що новий виток ескалації напруженості буде зовсім вже тугим, чи не так? У США кількість підприємств, потенційно здатних напрацьовувати збройовий уран, дорівнює нулю (за що, зрозуміло, окреме «дякую» чоловікові нового кандидата на пост президента США, який так вдало приватизував Американську Збагачувальну Компанію). У Росії ж кількість таких підприємств дорівнює чотирьом. Ось з урахуванням цієї обставини давайте, нарешті, і перекладемо текст нового закону зрозумілою мовою. Так, це лише наш «самопальний» варіант перекладу, але критикам доведеться починати з пошуку дірок у логіці. А ми, як завжди, будемо раді почути конструктивну критику. На наш погляд, "переклад" виглядає приблизно так.

«Пан американські партнери! Ви не здатні утилізувати плутоній, оскільки ви просто не навчаєтесь, оскільки ви загнали свою атомну галузь у клоаку. Давайте забудемо про це СОУП, нехай «зайвий» збройовий плутоній залишиться для вас і для нас стратегічним резервом. Але при цьому ні ви, ні ми не забудемо, що збройовий уран ви напрацювати просто не зможете: самі ви з центрифугами не впоралися, а придбати технологію на стороні вам не дозволить Договір про нерозповсюдження ядерної зброї. І, навіть якщо ви покладете з приладом і на нього, ви за часом програєте років 5-10: поки ви збудуєте заводи, поки освоїте нову для вас технологію, ми нові боєголовки встигнемо створити і поставити на бойове чергування. Давайте дивитися правді в очі: ви, панове партнери, ядерну гонку озброєнь проти нас не здатні виграти за жодних розкладів. Тому востаннє пропонуємо: давайте жити мирно, займаючись кожен своїми справами. Що таке "займатися своїми справами", зрозуміти не можете? Немає проблем, перераховуємо» - і далі текстом йдуть умови повернення Росії до дії СОУП-2000.

Варто, мабуть, ще раз звернути увагу на те, що безнадійне відставання США в атомному проекті - не результат якихось підступів, інтриг з боку Росії. Не бігав Путін з Кирієнком із чорними пістолетами, підмітних листів не писали, всі – «Сама-сама-сама». Американці не відстали - вони просто стали на гальмо, самозаспокоїлися після перемоги в холодній війні, після краху СРСР. А Росія, її Росатом - крокували собі та крокували.

Плутоній
Атомний номер	94
Зовнішній виглядпростої речовини
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса)	244,0642 а. е. м. (/моль)
Радіус атома	151 пм
Енергія іонізації (Перший електрон)	491,9 (5,10) кДж / моль (еВ)
Електронна конфігурація	5f 6 7s 2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус	n/a пм
Радіус іона	(+4e) 93 (+3e) 108 пм
Електронегативність (за Полінгом)	1,28
Електродний потенціал	Pu←Pu 4+ -1,25В Pu←Pu 3+ -2,0В Pu←Pu 2+ -1,2В
Ступені окиснення	6, 5, 4, 3
Термодинамічні властивості простої речовини
щільність	19,84/см³
Молярна теплоємність	32,77 Дж/(моль)
Теплопровідність	(6,7) Вт /( ·)
Температура плавлення	914
Теплота плавлення	2,8 кДж/моль
Температура кипіння	3505
Теплота випаровування	343,5 кДж/моль
Молярний обсяг	12,12 см³/моль
Кристалічні грати простої речовини
Структура ґрат	моноклінна
Параметри ґрат	a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8
Відношення c/a	—
Температура Дебая	162

Плутоній- радіоактивний хімічний елемент групи актиноїдів, що широко використовувався у виробництві ядерної зброї(т.з. «збройовий плутоній»), а також (експериментально) як ядерне паливо для атомних реакторів цивільного та дослідницького призначення. Перший штучний елемент, отриманий у доступних для зважування кількостях (1942).

У таблиці справа наведено основні властивості α-Pu - основної алотропної модифікації плутонію при кімнатній температурі та нормальному тиску.

Історія плутонію

Ізотоп плутонію 238 Pu був вперше штучно отриманий 23 лютого 1941 року групою американських учених на чолі з Гленном Сіборг шляхом опромінення ядер уранудейтронами. Примітно, що тільки після штучного одержання плутоній було виявлено в природі: у мізерно малих кількостях 239 Pu зазвичай міститься в уранових рудах як продукт радіоактивного перетворення урану.

Знаходження плутонію у природі

В уранових рудах внаслідок захоплення нейтронів (наприклад, нейтронів із космічного випромінювання) ядрами урану утворюється нептуній(239 Np), продуктом β-розпаду якого є природний плутоній-239. Однак плутоній утворюється в таких мікроскопічних кількостях (0,4-15 частин Pu на 10 12 частин U), що про його видобуток з уранових руд не може бути мови.

походження назвиплутоній

У 1930 році астрономічний світ був схвильований чудовою новиною: відкрито нову планету, про існування якої давно говорив Персіваль Ловелл, астроном, математик і автор фантастичних нарисів про життя на Марсі. На основі багаторічних спостережень за рухами Уранаі НептунаЛовелл дійшов висновку, що за Нептуном в сонячної системиповинна бути ще одна, дев'ята планета, що віддалена від Сонця в сорок разів далі, ніж Земля.

Ця планета, елементи орбіти якої Ловелл розрахував ще в 1915 році, була виявлена ​​на фотографічних знімках, отриманих 21, 23 і 29 січня 1930 р. астрономом К. Томбо в обсерваторії Флагстафф ( США) . Планету назвали Плутоном. На ім'я цієї планети, розташованої в сонячній системі за Нептуном, був названий плутонієм 94-й елемент, штучно отриманий наприкінці 1940 р. з ядер атомів уранугрупою американських учених на чолі із Г. Сіборгом.

Фізичні властивостіплутонію

Існує 15 ізотопів плутонію - У найбільших кількостях виходять ізотопи з масовими числами від 238 до 242:

238 Pu -> (період напіврозпаду 86 років, альфа-розпад) -> 234 U,

Цей ізотоп використовується майже виключно в РІТЕГ космічного призначення, наприклад, на всіх апаратах, що відлітали далі орбіти Марса.

239 Pu -> (період напіврозпаду 24 360 років, альфа-розпад) -> 235 U,

Цей ізотоп найбільше підходить для конструювання ядерної зброї та ядерних реакторів на швидких нейтронах.

240 Pu -> (період напіврозпаду 6580 років, альфа-розпад) -> 236 U, 241 Pu -> (період напіврозпаду 14.0 років, бета-розпад) -> 241 Am, 242 Pu -> (період напіврозпаду 370 000 років, альфа -розпад) -> 238 U

Ці три ізотопи серйозного промислового значення не мають, але виходять, як побічні продукти, при отриманні енергії в ядерних реакторах на урані, шляхом послідовного захоплення кількох нейтронів ядрами урану-238. Ізотоп 242 з ядерних властивостей найбільш схожий на уран-238. Америций-241, що виходив при розпаді ізотопу 241, використовувався в детекторах диму.

Плутоній цікавий тим, що від температури затвердіння до кімнатної зазнає шість фазових переходів більше, ніж будь-який інший хімічний елемент. При останньому щільність збільшується стрибком на 11%, в результаті відливки з плутонію розтріскуються. Стабільною за кімнатної температури є альфа-фаза, характеристики якої і наведені в таблиці. Для застосування зручнішою є дельта-фаза, що має меншу щільність, і кубічні об'ємно-центровані грати. Плутоній у дельта-фазі дуже пластичний, тоді як альфа-фаза тендітна. Для стабілізації плутонію у дельта-фазі застосовується легування тривалентними металами (у перших ядерних зарядах використовувався галій).

Застосування плутонію

Перший ядерний заряд на основі плутонію було підірвано 16 липня 1945 року на полігоні Аламогордо (випробування під кодовою назвою «Трініті»).

Біологічна роль плутонію

Плутоній високотоксичний; ГДК для 239 Pu у відкритих водоймах та повітрі робочих приміщень становить відповідно 81,4 та 3,3*10 −5 Бк/л. Більшість ізотопів плутонію мають високу величину щільності іонізації і малої довжиною пробігу частинок, тому його токсичність обумовлена ​​не так його хімічними властивостями (ймовірно, у цьому відношенні плутоній токсичний не більше, ніж інші важкі метали), скільки іонізуючою дією на навколишні тканини організму. Плутоній належить до групи елементів із особливо високою радіотоксичністю. В організмі плутоній робить великі незворотні зміни в скелеті, печінці, селезінці, нирках, спричиняє рак. Максимально допустимий вміст плутонію в організмі не повинен перевищувати десятих часток мікрограма.

Художні твори пов'язані з темоюплутоній

— Плутоній використовувався для машини De Lorean DMC-12 у фільмі «Назад» у майбутнє як паливо для накопичувача потоку для переміщення в майбутнє або минуле.

— З плутонію складався заряд атомної бомби, підірваної терористами в Денвері, США, у творі Тома Кленсі «Всі страхи світу»

- Кендзабуро Ое «Записки пінчранера»

- У 2006 році компанією "Beacon Pictures" був випущений фільм "Плутоній-239" ( Pu-239)

Хімія

Плутоній Pu - елемент № 94 пов'язані дуже великі надії та дуже великі побоювання людства. У наші дні це один із найважливіших, стратегічно важливих елементів. Це найдорожчий з технічно важливих металів - він набагато дорожчий за срібло, золото і платину. Він справді дорогоцінний.

Передісторія та історія

Спочатку були протони-галактичний водень. В результаті його стиснення і подальших ядерних реакцій утворилися найнеймовірніші «зливки» нуклонів. Серед них, цих «злитків», були, мабуть, і по 94 протони. Оцінки теоретиків дозволяють вважати, що близько 100 нуклонних утворень, до складу яких входять 94 протони та від 107 до 206 нейтронів, настільки стабільні, що їх можна вважати ядрами ізотопів елемента № 94.
Але всі ці ізотопи – гіпотетичні та реальні – не настільки стабільні, щоб зберегтися до наших днів з моменту утворення елементів сонячної системи. Період напіврозпаду найдовгоживучого ізотопу елемента №94 – 81 млн. років. Вік Галактики вимірюється мільярдами років. Отже, «перворідний» плутоній не мав шансів дожити до наших днів. Якщо він і утворювався при великому синтезі елементів Всесвіту, то ті давні його атоми давно «вимерли», подібно до того, як вимерли динозаври та мамонти.
У XX ст. нової ери, нашої ери, цей елемент було відтворено. Зі 100 можливих ізотопів плутонію синтезовано 25. У 15 з них вивчені ядерні властивості. Чотири знайшли практичне застосування. А відкрили його зовсім недавно. У грудні 1940 р. при опроміненні урану ядрами важкого водню група американських радіохіміків на чолі з Гленном Т. Сіборгом виявила невідомий насамперед випромінювач альфа-частинок з періодом піврозпаду 90 років. Цим випромінювачем виявився ізотоп елемента № 94 з масовим числом 238. У тому ж році, але за кілька місяців раніше Е.М. Макміллан і Ф. Ейбельсон отримали перший елемент, важчий за уран, - елемент № 93. Цей елемент назвали нептунієм, а 94-й - плутонієм. Історик виразно скаже, що ці назви беруть початок у римській міфології, але по суті походження цих назв швидше не міфологічне, а астрономічне.
Елементи № 92 і 93 названі на честь далеких планет сонячної системи – Урана та Нептуна, але й Нептун у сонячній системі – не останній, ще далі пролягає орбіта Плутона – планети, про яку досі майже нічого не відомо… Подібна ж побудова спостерігаємо і на «лівому фланзі» менделєєвської таблиці: uranium – neptunium – plutonium, проте про плутонію людство знає набагато більше, ніж про Плутон. До речі, Плутон астрономи відкрили лише за десять років до синтезу плутонію – майже такий самий відрізок часу розділяв відкриття Урану – планети та урану – елементу.

Загадки для шифрувальників

Перший ізотоп елемента № 94 – плутоній-238 у наші дні знайшов практичне застосування. Але на початку 40-х років про це не думали. Отримувати плутоній-238 у кількостях, що становлять практичний інтерес, можна лише спираючись на потужну ядерну промисловість. Тоді вона лише зароджувалася. Але вже було ясно, що, звільнивши енергію, укладену в ядрах важких радіоактивних елементів, можна отримати зброю небаченої раніше сили. З'явився Манхеттенський проект, який нічого не мав, крім назви, спільної з відомим районом Нью-Йорка. Це була загальна назва всіх робіт, пов'язаних із створенням у США перших атомних бомб. Керівником Манхеттенського проекту був призначений не вчений, а військовий - генерал Гровс, який «ласково» величав своїх високоосвічених підопічних «битими горщиками».
Керівників "проекту" плутоній-238 не цікавив. Його ядра, як, втім, ядра всіх ізотопів плутонію з парними масовими числами, нейтронами низьких енергій не діляться, тому він міг служити ядерної вибухівкою. Проте перші не дуже виразні повідомлення про елементи № 93 і 94 потрапили до друку лише навесні 1942 р.
Чим це пояснити? Фізики розуміли: синтез ізотопів плутонію з непарними масовими числами - справа часу і недалекого. Від непарних ізотопів чекали, що, подібно до урану-235, вони зможуть підтримувати ланцюгову ядерну реакцію. У них, ще не отриманих, декому бачилася потенційна ядерна вибухівка. І ці надії плутоній, на жаль, виправдовував.
У шифровках на той час елемент № 94 іменувався інакше, як... міддю . А коли виникла потреба у самій міді (як конструкційному матеріалі для якихось деталей), то в шифровках поряд із «міддю» з'явилася «справжня мідь».

«Дерево пізнання добра і зла»

У 1941 р. було відкрито найважливіший ізотоп плутонію - ізотоп з масовим числом 239. І майже відразу підтвердилося передбачення теоретиків: ядра плутонію-239 ділилися тепловими нейтронами. Понад те, у процесі їх розподілу народжувалося щонайменше число нейтронів, ніж із розподілі урану-235. Негайно були намічені шляхи отримання цього ізотопу у великих кількостях.
Минули роки. Тепер уже ні для кого не секрет, що ядерні бомби, що зберігаються в арсеналах, начинені плутонієм-239 і що їх цих бомб достатньо, щоб завдати непоправної шкоди всьому живому на Землі.
Поширена думка, що з відкриттям ланцюгової ядерної реакції (неминучим наслідком якого стало створення ядерної бомби) людство поспішило. Можна думати по-іншому або вдавати, що думаєш по-іншому, - приємніше бути оптимістом. Але й перед оптимістами неминуче постає питання відповідальності вчених. Ми пам'ятаємо тріумфальний червневий день 1954, день, коли дала струм перша атомна електростанція в Обнінську. Але ми не можемо забути і серпневий ранок 1945 р. – «ранок Хіросіми», «чорний день Альберта Ейнштейна»... Пам'ятаємо перші повоєнні роки та нестримний атомний шантаж – основу американської політики тих років. А хіба мало тривог пережило людство у наступні роки? Причому ці тривоги багаторазово посилювалися свідомістю, що якщо спалахне нова світова війна, ядерна зброя буде пущено в хід.
Тут можна спробувати довести, що відкриття плутонію не додало людству побоювань, що, навпаки, було лише корисно.
Припустимо, трапилося так, що з якоїсь причини або, як сказали б за старих часів, з волі божої, плутоній виявився недоступним ученим. Хіба зменшилися б тоді наші страхи та побоювання? Анітрохи не бувало. Ядерні бомби робили б з урану-235 (і в не меншій кількості, ніж з плутонію), і ці бомби «з'їдали» ще більші, ніж зараз, частини бюджетів.
Зате без плутонію не існувало б перспектив мирного використання ядерної енергії та великих масштабів. Для «мирного атома» просто забракло б урану-235. Зло, завдане людству відкриттям ядерної енергії, не врівноважувалося б, навіть частково, досягненнями «доброго атома».

Як виміряти, з чим порівняти

Коли ядро ​​плутонію-239 ділиться нейтронами на два уламки приблизно рівної маси, виділяється близько 200 Мев енергії. Це у 50 млн. разів більше енергії, що звільняється у найвідомішій екзотермічній реакції С + O 2 = СO 2 . «Згоряючи» в ядерному реакторі, грам плутонію дає 2107 ккал. Щоб не порушувати традиції (а в популярних статтях енергію ядерного пального прийнято вимірювати позасистемними одиницями – тоннами вугілля, бензину, тринітротолуолу тощо), зауважимо і ми: це енергія, укладена у 4 т вугілля. А у звичайний наперсток міститься кількість плутонію, енергетично еквівалентна сорока вагонам гарних березових дров.
Така сама енергія виділяється і при розподілі нейтронами ядер урану-235. Але основну масу природного урану (99,3%!) становить ізотоп 238 U, який можна використовувати, тільки перетворивши уран на плутоній.

Енергія каміння

Оцінимо енергетичні ресурси, укладені у природних запасах урану.
Уран - розсіяний елемент, і він є всюди. Кожному, хто побував, наприклад, у Карелії, напевно, запам'яталися гранітні валуни та прибережні скелі. Але мало хто знає, що у тонні граніту до 25 г урану. Граніти становлять майже 20% ваги земної кори. Якщо рахувати лише уран-235, то в тонні граніту укладено 3,5-105 ккал енергії. Це дуже багато, але...
На переробку граніту та вилучення з нього урану потрібно витратити ще більше енергії - близько 106-107 ккал/т. От якби вдалося як джерело енергії використати не тільки уран-235, а й уран-238, тоді граніт можна було б розглядати хоча б як потенційну енергетичну сировину. Тоді енергія, отримана з тонни каменю, становила б від 8-107 до 5-108 ккал. Це рівноцінно 16-100 т вугілля. І тут граніт міг би дати людям майже в мільйон разів більше енергії, ніж усі запаси хімічного палива на Землі.
Але ядра урану-238 нейтронами не поділяються. Для атомної енергетики цей ізотоп марний. Точніше, був би марним, якби його не вдалося перетворити на плутоній-239. І що особливо важливо: на це ядерне перетворення практично не потрібно витрачати енергію – навпаки, у цьому процесі енергія виробляється!
Спробуємо розібратися, як це відбувається, але спочатку кілька слів про плутонію.

У 400 тисяч разів менше, ніж радію

Вже говорилося, що ізотопи плутонію не збереглися від часу синтезу елементів при освіті нашої планети. Але це не означає, що плутонію у Землі немає.
Він постійно утворюється в уранових рудах. Захоплюючи нейтрони космічного випромінювання і нейтрони, що утворюються при мимовільному (спонтанному) розподілі ядер урану-238, деякі - дуже мало - атоми цього ізотопу перетворюються на атоми урану-239. Ці ядра дуже нестабільні, вони випускають електрони і цим підвищують свій заряд. Утворюється нептуній – перший трансурановий елемент. Нептуній-239 також дуже нестійкий, і його ядра випускають електрони. Усього за 56 годин половина нептунія-239 перетворюється на плутоній-239, період напіврозпаду якого вже досить великий – 24 тис. років.
Чому не добувають плутоній з уранових руд? Мала, надто мала концентрація. «У грам видобуток - на рік праці» - це про радію, а плутонію в рудах міститься в 400 тис. разів менше, ніж радію. Тому не тільки здобути – навіть виявити «земний» плутоній надзвичайно важко. Зробити це вдалося лише після того, як було вивчено фізичні та хімічні властивості плутонію, отриманого в атомних реакторах.
Накопичують плутоній у ядерних реакторах. У потужних потоках нейтронів відбувається та сама реакція, що й уранових рудах, але швидкість утворення та накопичення плутонію в реакторі набагато вища - у мільярд мільярдів разів. Для реакції перетворення баластного урану-238 на енергетичний плутоній-239 створюються оптимальні (не більше допустимого) умови.
Якщо реактор працює на теплових нейтронах (нагадаємо, що їх швидкість - близько 2000 м за секунду, а енергія - частки електронвольта), то з природної суміші ізотопів урану отримують кількість плутонію, трохи меншу, ніж кількість урану-235, що «вигорів». Небагато, але менше, плюс неминучі втрати плутонію при хімічному виділенні його з опроміненого урану. До того ж ланцюгова ядерна реакція підціджується в природній суміші ізотопів урану лише до того часу, поки не витрачено незначну частку урану-235. Звідси закономірний висновок: «тепловий» реактор на природному урані - основний тип реакторів, що діють, - не може забезпечити розширеного відтворення ядерного пального. Але що тоді перспективно? Для відповіді це питання порівняємо хід ланцюгової ядерної реакції в урані-235 і плутонії-239 і введемо до наших міркувань ще одне фізичне поняття.
Найважливіша характеристика будь-якого ядерного пального - середня кількість нейтронів, що випускаються після того, як ядро ​​захопило один нейтрон. Фізики називають його ця-числом і позначають грецькою літерою ц. У «теплових» реакторах на урані спостерігається така закономірність: кожен нейтрон породжує у середньому 2,08 нейтрона (?=2,08). Вміщений у такий реактор плутоній під дією теплових нейтронів дає η=2,03. Але ще є реактори, що працюють на швидких нейтронах. Природну суміш ізотопів урану в такий реактор завантажувати марно: ланцюгова реакція не піде. Але якщо збагатити "сировину" ураном-235, вона зможе розвиватися і в "швидкому" реакторі. При цьому ц дорівнює вже 2,23. А плутоній, поміщений під обстріл швидкими нейтронами, дасть η 2,70. До нашого розпорядження надійде «зайвих повнейтронів». І це зовсім не мало.

Простежимо, потім витрачаються отримані нейтрони. У кожному реакторі один нейтрон потрібен підтримки ланцюгової ядерної реакції. 0,1 нейтрона поглинається конструкційними матеріалами установки. «Надлишок» йде на накопичення плутонію-239. В одному випадку "надлишок" дорівнює 1,13, в іншому - 1,60. Після «згоряння» кілограма плутонію в «швидкому» реакторі виділяється колосальна енергія та накопичується 1,6 кг плутонію. А уран і в «швидкому» реакторі дасть тугішу енергію та 1,1 кг нового ядерного пального. І в тому і в іншому випадку є розширене відтворення. Але не можна забувати про економіку.
З низки технічних причин цикл відтворення плутонію займає кілька років. Припустимо, що п'ять років. Значить, на рік кількість плутонію збільшиться лише на 2%, якщо η=2,23, та на 12%, якщо η=2,7! Ядерне пальне - капітал, а всякий капітал має давати, скажімо, 5% річних. У першому випадку наявні великі збитки, тоді як у другому - великий прибуток. Цей примітивний приклад ілюструє «вагу» кожної десятої в ядерній енергетиці.
Важливе та інше. Ядерна енергетика має встигати за зростанням потреби в енергії. Розрахунки показують: його умову можна здійснити у майбутньому лише тоді, коли η наближається до трьох. Якщо ж розвиток ядерних енергетичних джерел відставатиме від потреб суспільства в енергії, то залишиться два шляхи: або загальмувати прогрес, або брати енергію з якихось інших джерел. Вони відомі: термоядерний синтез, енергія анігіляції речовини та антиречовини, але поки що технічно недоступні. І не відомо коли вони будуть реальними джерелами енергії для людства. А енергія важких ядер вже давно стала для нас реальністю, і сьогодні у плутонію як головного «постачальника» енергії атома немає серйозних конкурентів, окрім, можливо, урану-233.

Сума багатьох технологій

Коли в результаті ядерних реакцій в урані накопичиться необхідна кількість плутонію, його необхідно відокремити не тільки від самого урану, а й від уламків поділу - як урану, так і плутонію, що вигоріли в ланцюговій ядерній реакції. Крім того, в урано-плутонієвій масі є і кілька нептуній. Найскладніше відокремити плутоній від нептунія та рідкісноземельних елементів (лантаноїдів). Плутонію як хімічному елементу певною мірою не пощастило. З погляду хіміка, головний елемент ядерної енергетики - лише один із чотирнадцяти актиноїдів. Подібно до рідкоземельних елементів, всі елементи актінієвого ряду дуже близькі між собою за хімічними властивостями, будова зовнішніх електронних оболонок атомів всіх елементів від актинія до 103-го однаково. Ще неприємніше, що хімічні властивості актиноїдів подібні до властивостей рідкісноземельних елементів, а серед уламків розподілу урану і плутонію лантаноїдів хоч відбавляй. Зате 94-й елемент може бути в п'яти валентних станах, і це «підсолоджує пігулку» - допомагає відокремити плутоній і від урану, і від уламків поділу.
Валентність плутонію змінюється від трьох до семи. Хімічно найбільш стабільні (а отже, найбільш поширені та найбільш вивчені) з'єднання чотиривалентного плутонію.
Поділ близьких за хімічними властивостями актиноїдів - урану, нептунія та плутонію - може бути заснований на різниці у властивостях їх чотирьох- та шестивалентних сполук.

Немає потреби докладно описувати всі стадії хімічного поділу плутонію та урану. Зазвичай поділ їх починають з розчинення уранових брусків в азотній кислоті, після чого уран, нептуній, плутоній і осколкові елементи, що містяться в розчині, «розлучають», застосовуючи для цього вже традиційні радіохімічні методи - осадження, екстракцію, іонний обмін та інші. Кінцеві плутонійсодержащіе продукти цієї багатостадійної технології - його двоокис PuO 2 або фториди - PuF 3 або PuF 4 . Їх відновлюють до металу парами барію, кальцію або літію. Однак отриманий у цих процесах плутоній не годиться на роль конструкційного матеріалу - тепловиділяючих елементів енергетичних ядерних реакторів із нього не зробити, заряду атомної бомби не відлити. Чому? Температура плавлення плутонію - всього 640 ° С - цілком досяжна.
При яких «ультращадних» режимах не відливали деталі з чистого плутонію, у виливках при затвердінні завжди з'являться тріщини. При 640°С твердіє плутоній утворює кубічну кристалічну решітку. У міру зменшення температури густина металу поступово зростає. Але температура досягла 480°С, і тут несподівано щільність плутонію різко падає. До причин цієї аномалії докопалися досить швидко: за цієї температури атоми плутонію перебудовуються в кристалічній решітці. Вона стає тетрагональною і дуже «пухкою». Такий плутоній може плавати у своєму розплаві, як лід на воді.
Температура продовжує падати, ось вона досягла 451 ° С, і атоми знову утворили кубічні грати, але розташувалися на більшій, ніж у першому випадку, відстані один від одного. При подальшому охолодженні грати стає спочатку орторомбічним, потім моноклінним. Усього плутоній утворює шість різних кристалічних форм! Дві їх відрізняються чудовим властивістю - негативним коефіцієнтом температурного розширення: зі зростанням температури метал не розширюється, а стискається.
Коли температура досягає 122°З атоми плутонію вшосте перебудовують свої ряди, щільність змінюється особливо сильно - від 17,77 до 19,82 г/см 3 . Більше, ніж на 10%!
Відповідно зменшується обсяг зливка. Якщо проти напруги, що виникали на інших переходах, метал ще міг встояти, то в цей момент руйнація неминуче.
Як тоді виготовити деталі з цього дивовижного металу? Металурги легують плутоній (додають у нього незначні кількості необхідних елементів) і одержують виливки без жодної тріщини. Із них і роблять плутонієві заряди ядерних бомб. Вага заряду (він визначається насамперед критичною масою ізотопу) 5-6 кг. Він легко помістився б у кубику з розміром ребра 10 див.

Тяжкі ізотопи плутонію

У плутонії-239 у незначній кількості містяться і вищі ізотопи цього елемента – з масовими числами 240 та 241. Ізотоп 240 Pu практично некорисний – це баласт у плутонії. З 241 отримують америцій - елемент № 95. У чистому вигляді, без домішки інших ізотопів, плутоній-240 і плутоній-241 можна отримати при електромагнітному розділенні плутонію, накопиченого в реакторі. Перед цим плутоній додатково опромінюють нейтронними потоками з певними характеристиками. Звичайно, все це дуже складно, тим більше, що плутоній не тільки радіоактивний, але і дуже токсичний. Робота з ним потребує виняткової обережності.
Один з найцікавіших ізотопів плутонію – 242 Pu можна отримати, опромінюючи тривалий час 239 Pu у потоках нейтронів. 242 Pu дуже рідко захоплює нейтрони і тому «вигоряє» в реакторі повільніше за інші ізотопи; він зберігається і після того, як інші ізотопи плутонію майже повністю перейшли в уламки або перетворилися на плутоній-242.
Плутоній-242 є важливим як «сировина» для порівняно швидкого накопичення вищих трансуранових елементів у ядерних реакторах. Якщо в звичайному реакторі опромінювати плутонію-239, то на накопичення з грамів плутонію мікрограмових кількостей, наприклад, каліфорнія-252 потрібно близько 20 років.
Можна скоротити час накопичення вищих ізотопів, збільшивши інтенсивність потоку нейтронів у реакторі. Так і роблять, але тоді не можна опромінювати велику кількість плутонію-239. Адже цей ізотоп ділиться нейтронами, і в інтенсивних потоках виділяється дуже багато енергії. Виникають додаткові складнощі з охолодженням реактора. Щоб уникнути цих складнощів, довелося б зменшити кількість плутонію, що опромінюється. Отже, вихід Каліфорнію став би знову мізерним. Замкнуте коло!
Плутоній-242 тепловими нейтронами не ділиться, його і у великих кількостях можна опромінювати в інтенсивних нейтронних потоках... Тому в реакторах із цього ізотопу «роблять» і накопичують у вагових кількостях всі елементи від америцію до фермію.
Щоразу, коли вченим вдавалося отримати новий ізотоп плутонію, вимірювали період напіврозпаду його ядер. Періоди напіврозпаду ізотопів важких радіоактивних ядер із парними масовими числами змінюються закономірно. (Цього не можна сказати про непарні ізотопи.)
Зі збільшенням маси зростає і «час життя» ізотопу. Кілька років тому найвищою точкою цього графіка був плутоній-242. А далі як піде ця крива – з подальшим зростанням масового числа? У точку 1, яка відповідає часу життя 30 млн. років, чи точку 2, яка відповідає вже 300 млн. років? Відповідь на це питання була дуже важливою для наук про Землю. У першому випадку, якби 5 млрд років тому Земля повністю складалася з 244 Pu, зараз у всій масі Землі залишився б тільки один атом плутонію-244. Якщо ж вірне друге припущення, то плутоній-244 може бути в Землі в таких концентраціях, які можна було б виявити. Якби пощастило знайти у Землі цей ізотоп, наука отримала б найціннішу інформацію про процеси, що відбувалися для формування нашої планети.

Періоди напіврозпаду деяких ізотопів плутонію

Декілька років тому перед вченими постало питання: чи варто намагатися знайти важкий плутоній у Землі? Для відповіді на нього потрібно було перш за все визначити період напіврозпаду плутонію-244. Теоретики було неможливо розрахувати цю величину з необхідною точністю. Вся надія була лише на експеримент.
Плутоній-244 накопичили у ядерному реакторі. Опромінювали елемент № 95 – америцій (ізотоп 243 Am). Захопивши нейтрон, цей ізотоп переходив до америцій-244; америцій-244 в одному з 10 тис. випадків переходив у плутоній-244.
З суміші америцію з кюрієм виділили препарат плутонію-244. Зразок важив лише кілька мільйонних часток грама. Але їх вистачило для того, щоб визначити період напіврозпаду цього найцікавішого ізотопу. Він дорівнював 75 ​​млн. років. Пізніше інші дослідники уточнили період напіврозпаду плутонію-244, але ненабагато – 81 млн. років. У 1971 р. сліди цього ізотопу знайшли в рідкісноземельному мінералі бастнезіті.
Багато спроб вчені, щоб знайти ізотоп трансуранового елемента, що живе довше, ніж 244 Pu. Але всі спроби залишилися марними. У свій час покладали надії на кюрій-247, але після того, як цей ізотоп був накопичений у реакторі, з'ясувалося, що його період напіврозпаду всього 16 млн. років. Побити рекорд плутонію-244 не вдалося, - це довготривалий з усіх ізотопів трансуранових елементів.
Ще більш важкі ізотопи плутонію схильні до бета-розпаду, і їхній час життя лежить в інтервалі від декількох днів до кількох десятих секунди. Ми знаємо, що в термоядерних вибухах утворюються всі ізотопи плутонію, аж до 257 Pu. Але їхній час життя - десяті частки секунди, і вивчити багато короткоживучих ізотопів плутонію поки що не вдалося.

Можливості першого ізотопу плутонію

І насамкінець – про плутонію-238 – найперший із «рукотворних» ізотопів плутонію, ізотоп, який спочатку здавався безперспективним. Насправді, це дуже цікавий ізотоп. Він схильний до альфа-розпаду, тобто його ядра мимовільно випускають альфа-частинки - ядра гелію. Альфа-частинки, породжені ядрами плутонію-238, несуть велику енергію; розсіявшись у речовині, ця енергія перетворюється на тепло. Яка велика ця енергія? Шість мільйонів електронвольт звільняються при розпаді одного атомного ядра плутонію-238. У хімічній реакції та сама енергія виділяється при окисленні кількох мільйонів атомів. У джерелі електрики, що містить один кілограм плутонію-238, розвивається теплова потужність 560 Вт. Максимальна потужність такого ж за масою хімічного джерела струму – 5 ватів.
Існує чимало випромінювачів із подібними енергетичними характеристиками, але одна особливість плутонію-238 робить цей ізотоп незамінним. Зазвичай альфа-розпад супроводжується сильним гамма-випромінюванням, що проникає через великі товщі речовини. 238 Pu – виняток. Енергія гамма-квантів, що супроводжують розпад його ядер, невелика, захиститися від неї нескладно: випромінювання поглинається тонкостінним контейнером. Мала й можливість мимовільного розподілу ядер цього ізотопу. Тому він знайшов застосування у джерелах струму, а й у медицині. Батарейки з плутонієм-238 є джерелом енергії в спеціальних стимуляторах серцевої діяльності.
Але 238 Pu не найлегший з відомих ізотопів елемента № 94, отримані ізотопи плутонію з масовими числами від 232 до 237. Період напіврозпаду найлегшого ізотопу – 36 хвилин.

Плутоній – велика тема. Тут розказано найголовніше з найголовнішого. Адже вже стала стандартною фраза, що хімія плутонію вивчена набагато краще, ніж хімія таких «старих» елементів, як «залізо». Про ядерні властивості плутонію написано цілі книги. Металургія плутонію - ще один дивовижний розділ людських знань... Тому не треба думати, що, прочитавши цю розповідь, ви по-справжньому дізналися плутоній - найважливіший метал XX ст.

• ЯК ВЗЯТЬ ПЛУТОНІЙ. Радіоактивний та токсичний плутоній потребує особливої ​​обережності під час перевезення. Сконструйовано контейнер спеціально для його транспортування – контейнер, який не руйнується навіть у разі авіаційних катастроф. Зроблений він досить просто: це товстостінний посуд з нержавіючої сталі, оточений оболонкою з червоного дерева. Очевидно, плутоній того вартий, але уявіть, якою товщиною повинні бути стінки, якщо відомо, що контейнер для перевезення всього двох кілограмів плутонію важить 225 кг!
• Отрута та протиотрута. 20 жовтня 1977 р. агентство «Франс Прес» повідомило: знайдено хімічну сполуку, здатну виводити з людини плутоній. Через кілька років про це з'єднання стало відомо чимало. Це комплексне з'єднання – лінійний катехінамід карбоксилази, речовина класу хелатів (від грецького – «хела» – клешня). У цю хімічну клешню і захоплюється атом плутонію, вільний чи пов'язаний. У лабораторних мишей за допомогою цієї речовини з організму виводили до 70% поглиненого плутонію. Вважають, що надалі ця сполука допоможе вилучати плутоній і з відходів виробництва, і з ядерного пального.

Металевий плутоній використовується в ядерній зброї та служить як ядерне паливо. Оксиди плутонію використовуються як енергетичне джерело для космічної техніки і знаходять своє застосування у ТВЕЛах. Плутоній використовується у елементах живлення космічних апаратів. Ядра плутонію-239 здатні до ланцюгової ядерної реакції при впливі на них нейтронів, тому цей ізотоп можна використовувати як джерело атомної енергії. Частіше використання плутонію-239 в ядерних бомбах обумовлено тим, що плутоній займає менший обсяг у сфері, отже можна виграти у вибуховій силі бомби за рахунок цієї властивості. Ядро плутонію при ядерній реакції випускає в середньому близько 2,895 нейтрону проти 2,452 нейтрону у урану-235. Проте витрати на виробництво плутонію приблизно в шість разів більші порівняно з ураном-235.

Ізотопи плутонію знайшли своє застосування при синтезі трансплутонієвих елементів. Таким чином, змішаний оксид плутонію-242 у 2009 р. та бомбардування іонами кальцію-48 у 2010 році того ж ізотопу були використані для отримання унунквадію. В Оук-Ріджській національній лабораторії тривале нейтронне опромінення Pu використовується для отримання 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf та 25399Es та 257100Fm. За винятком Pu, всі трансуранові елементи, що залишилися, проводилися в минулому в дослідницьких цілях. Завдяки нейтронному захопленню ізотопів плутонію в 1944 році Г. Т. Сіборгом і його групою був здобутий перший ізотоп америція - 24195Am Am). Для підтвердження того, що актиноїдів всього 14 був зроблений в 1966 в Дубні синтез ядер резерфордія під керівництвом академіка Г. Н. Флерова:

24294Pu + 2210Ne → 260104Rf + 4n.

δ-Стабілізовані сплави плутонію застосовуються при виготовленні паливних елементів, так як вони мають кращі металургійні властивості в порівнянні з чистим плутонієм, який при нагріванні зазнає фазових переходів.

Надчистий плутоній використовується в ядерній зброї ВМФ США і застосовується на кораблях і підводних човнах під ядерним захистом зі свинцю, що знижує дозове навантаження на команду.

Плутоній-238 і плутоній-239 є найбільш ізотопами, що широко синтезуються.

• Перший ядерний заряд на основі плутонію було підірвано 16 липня 1945 року на полігоні Аламогордо.

Ядерну зброю

Плутоній часто застосовувався в ядерних бомбах. Історичним фактом є скидання ядерної бомби на Нагасакі 1945 р. США. Бомба, скинута на це місто, містила 6,2 кг плутонію. Потужність вибуху становила 21 кілотонну. До кінця 1945 року загинуло 60-80 тис. Чоловік. Через 5 років загальна кількість загиблих, з урахуванням померлих від раку та інших довгострокових впливів вибуху, могла досягти або навіть перевищити 140 000 людей.

Принцип, яким відбувався ядерний вибух за участю плутонію, полягав у конструкції ядерної бомби. «Ядро» бомби складалося зі сфери, наповненої плутонієм-239, яка в момент зіткнення із землею стискалася до мільйона атмосфер за рахунок конструкції і завдяки цій сфері вибуховій речовині. Після удару ядро ​​розширювалося обсягом і щільності за десяток мікросекунд, у своїй стислива збірка проскакувала критичний стан теплових нейтронах і ставала істотно надкритичної на швидких нейтронах, тобто починалася ланцюгова ядерна реакція з участю нейтронів і ядер елемента. При цьому слід враховувати, що бомба не повинна була вибухнути передчасно. Однак це практично неможливо, оскільки, щоб стиснути плутонієву кулю за десяток наносекунд всього на 1 см, потрібно надати речовині прискорення, що в десятки трильйонів перевищує прискорення вільного падіння. Під час кінцевого вибуху ядерної бомби температура підвищується до десятків мільйонів градусів. Слід зазначити, що у час створення повноцінного ядерного заряду досить 8-9 кг цього елемента.

Усього один кілограм плутонію-239 може зробити вибух, який буде еквівалентний 20000 т тротилу. Навіть 50 г елемента при розподілі всіх ядер зроблять вибух, що дорівнює детонації 1000 т тротилу. Цей ізотоп є єдиним відповідним нуклідом для застосування в ядерній зброї, оскільки присутність хоча б 1% Pu призведе до утворення великої кількості нейтронів, які не дозволять ефективно застосовувати гарматну схему заряду ядерної бомби. Інші ізотопи розглядаються лише через їх шкідливу дію.

Плутоній-240 може бути в ядерній бомбі в малих кількостях, проте якщо його вміст буде підвищено, відбудеться передчасна ланцюгова реакція. Цей ізотоп має високу ймовірність спонтанного поділу, що унеможливлює великий відсоток його вмісту в матеріалі, що ділиться.

За даними телеканалу Al-Jazeera, Ізраїль має близько 118 боєголовок із плутонієм як радіоактивну речовину. Вважається, що Південна Корея має близько 40 кг плутонію, кількості якого є достатньо для виробництва 6 ядерних ракет. За оцінками МАГАТЕ у 2007 році плутонію, що виробляється в Іраку, вистачало на дві ядерні боєголовки на рік. У 2006 році Пакистан розпочав будівництво ядерного реактора, який дозволить напрацьовувати близько 200 кг радіоактивного елемента на рік. У перерахунку кількість ядерних боєголовок, ця цифра становитиме приблизно 40-50 бомб.

Між Росією та США було підписано кілька договорів упродовж першого десятиліття 21 століття. Так, зокрема, у 2003 р. було підписано договір про переробку 68 т плутонію на Балаківській АЕС у MOX-паливо до 2024 року. У 2007 році країни підписали план про утилізації Росією 34 т плутонію, створеного для російських збройових програм. У 2010 році було підписано договір про утилізацію ядерної зброї, зокрема плутонію, кількості якої вистачило б на виробництво 17 тис. ядерних боєголовок.

У 2010 році 17 листопада між США та Казахстаном було підписано угоду про закриття промислового ядерного реактора БН-350 у місті Актау, яке виробляло електроенергію за рахунок плутонію. Цей реактор був першим у світі та Казахстані дослідно-промисловим реактором на швидких нейтронах; термін його роботи становив 27 років.

Ядерне забруднення

У період, коли починалися ядерні випробування, в основі яких лежав плутоній, і коли його радіоактивні властивості лише починалися вивчатися, в атмосферу було викинуто понад 5 т елемента. З 1970-х років частка плутонію в радіоактивному зараженні атмосфери Землі почала зростати.

У північно-західну частину Тихого океану плутоній потрапив переважно завдяки ядерним випробуванням. Підвищений вміст елемента пояснюється проведенням ядерних випробувань США на території Маршаллових Островів у Тихоокеанському полігоні в 1950-х роках. Основне забруднення від цих випробувань припало на 1960 року. Виходячи з оцінки вчених, знаходження плутонію в тихому океані підвищено порівняно із загальним розповсюдженням ядерних матеріалів на землі. За деякими розрахунками, доза опромінення, що походить від цезію-137, на атолах Маршаллових островів становить приблизно 95%, а на інші 5 припадають ізотопи стронцію, америцію та плутонію.

Плутоній в океані переноситься завдяки фізичним та біогеохімічним процесам. Час знаходження плутонію в поверхневих водах океану становить від 6 до 21 року, що зазвичай коротше, ніж у цезію-137. На відміну від цього ізотопу, плутоній є елементом, що частково реагує з навколишнім середовищем і утворює 1-10 % нерозчинних сполук від загальної маси, що потрапила в навколишнє середовище. Плутоній в океані випадає на дно разом із біогенними частинками, з яких він відновлюється в розчинні форми внаслідок мікробного розкладання. Найбільш поширеними з його ізотопів у морському середовищі є плутоній-239 та плутоній-240.

У січні 1968 року американський літак B-52 з чотирма зарядами ядерної зброї в результаті неуспішної посадки розбився на льоду поблизу Тулі, на території Гренландії. Зіткнення викликало вибух та фрагментацію зброї, внаслідок чого плутоній потрапив на крижину. Після вибуху верхній шар забрудненого снігу було знесено, і в результаті утворилася тріщина, через яку плутоній потрапив у воду. Для зменшення шкоди природі було зібрано приблизно 1,9 млрд літрів снігу і льоду, які могли зазнати радіоактивного забруднення. Згодом виявилося, що один із чотирьох зарядів так і не був знайдений.

Відомий випадок, коли радянський космічний апарат Космос-954 24 січня 1978 з ядерним джерелом енергії на борту при неконтрольованому сході з орбіти впав на територію Канади. Ця пригода призвела до потрапляння в навколишнє середовище 1 кг плутонію-238 на площу близько 124 000 м².

Попадання плутонію в довкілля пов'язане не лише з техногенними обставинами. Відомі випадки витоку плутонію як із лабораторних, так і із заводських умов. Було близько 22 аварійних випадків витоку з лабораторій урану-235 та плутонію-239. Протягом 1953-1978 років. аварійні випадки спричинили втрату від 0,81 до 10,1 кг Pu. Події на промислових підприємствах сумарно призвели до смерті двох людей у ​​м. Лос-Аламос через два випадки аварій та втрат 6,2 кг плутонію. У місті Саров у 1953 та 1963 роках. приблизно 8 та 17,35 кг потрапило за межі ядерного реактора. Один із них призвів до руйнування ядерного реактора у 1953 році.

Рівні радіоактивності ізотопів станом на квітень 1986 року.

Відомий випадок аварії на Чорнобильській АЕС, який стався 26 квітня 1986 року. Внаслідок руйнування четвертого енергоблоку в навколишнє середовище було викинуто 190 т радіоактивних речовин на площу близько 2200 км². Вісім із 140 т радіоактивного палива реактора опинилися у повітрі. Забруднена площа становила 160 000 км². Для ліквідації наслідків було мобілізовано значні ресурси, понад 600 тис. осіб брали участь у ліквідації наслідків аварії. Сумарна активність речовин, викинутих у навколишнє середовище, склала, різним оцінкам, До 14×10 Бк, у тому числі:

• 1,8 ЕБк - 13153I,
• 0,085 ЕБк - 13755Cs,
• 0,01 ЕБк - 9038Sr
• 0,003 ЕБк - ізотопи плутонію,
• частку благородних газів припадало близько половини від сумарної активності.

В даний час більшість жителів забрудненої зони отримує менше 1 мЗв на рік понад природний фон.

Джерело енергії та тепла

Як відомо, атомна енергія застосовується для перетворення на електроенергію за рахунок нагрівання води, яка випаровуючись і утворюючи перегріту пару обертає лопатки турбін електрогенераторів. Перевагою даної технології є відсутність будь-яких парникових газів, які надають згубний вплив на навколишнє середовище. Станом за 2009 рік 438 атомних станцій у всьому світі генерували приблизно 371,9 ГВт електроенергії. Однак мінусом ядерної промисловості є ядерні відходи, яких у рік відпрацьовується приблизно 12000 т. Дана кількість відпрацьованого матеріалу є досить складним завданням перед співробітниками АЕС. До 1982 року було підраховано, що акумульовано ~300 т плутонію.

Пігулка діоксиду плутонію-238.

Жовто-коричневий порошок, що складається з діоксиду плутонію, може витримувати нагрівання до температури 1200 °C. Синтез сполуки відбувається за допомогою розкладання тетрагідроксиду або тетранітрату плутонію в атмосфері кисню:

.

Отриманий порошок шоколадного кольору спікається та нагрівається у струмі вологого водню до 1500 °C. При цьому утворюються пігулки щільністю 10,5-10,7 г/см³, які можна використовувати як ядерне паливо. Діоксид плутонію є найбільш стабільним та інертним з оксидів плутонію і за допомогою нагрівання до високих температур розкладається на складові, і тому застосовується при переробці та зберіганні плутонію, а також його подальшого використання як джерела електроенергії. Один кілограм плутонію еквівалентний приблизно 22 млн. кВт·год теплової енергії.

У СРСР було вироблено кілька РІТЕГів Топаз, призначених для генерації електрики для космічних апаратів. Ці апарати були призначені працювати з плутонієм-238, який є α-випромінювачем. Після падіння Радянського СоюзуСША закупили кілька таких апаратів для вивчення їхнього пристрою та подальшого застосування у своїх довготривалих космічних програмах.

РІТЕГ зонда Нові Горизонти.

Цілком гідною заміною плутонію-238 можна було б назвати полоній-210. Його тепловиділення становить 140 Вт/г, а лише один грам може розігрітися до 500 °C. Однак через його надзвичайно малий для космічних місій період напіврозпаду застосування цього ізотопу в космічної галузісильно обмежена.

Плутоній-238 у 2006 р. при запуску зонда New Horizons до Плутона знайшов своє застосування як джерело живлення для зонда. Радіоізотопний генератор містив 11 кг високочистого діоксиду Pu, що виробляв у середньому 220 Вт електроенергії протягом усього шляху. Висловлювалися побоювання про невдалий запуск зонда, проте він все ж таки відбувся. Після запуску зонд розвинув швидкість 36 000 миль/год завдяки силам гравітації Землі. У 2007 році завдяки гравітаційному маневру навколо Юпітера його швидкість підвищилася ще на 9 тис. миль, що дозволить йому наблизитися до мінімальної відстані до Плутона в липні 2015 року і потім продовжити своє спостереження за поясом Койпера.

Зонди Галілео та Кассіні були також обладнані джерелами енергії, в основі яких лежав плутоній. Ізотоп буде застосовуватися і на майбутніх місіях, наприклад, марсохід Curiosity отримуватиме енергію завдяки плутонію-238. Його спуск на поверхню Марса заплановано провести в серпні 2012 року. Марсохід використовуватиме останнє покоління РІТЕГів, зване Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Цей пристрій буде виробляти 125 Вт електричної потужності, а через 14 років - 100 Вт. Для роботи марсохода вироблятиметься 2,5 кВт·год енергії за рахунок розпаду ядер. Плутоній-238 є оптимальним джерелом енергії, що виділяє 0,56 Вт·г. Застосування цього ізотопу з телуридом свинцю, який використовується як термоелектричний елемент, утворює дуже компактне і довготривале джерело електрики без будь-яких рушійних частин конструкції, що дозволяє «заощадити» простір космічних апаратів.

РІТЕГ SNAP-27, що застосовувався в місії Аполлон-14.

Декілька кілограмів PuO 2 використовувалися не лише на Галілео, а й на деяких місіях Аполлонів. Генератор електроенергії SNAP-27, теплова та електрична потужність якого становила 1480 Вт та 63,5 Вт відповідно, містив 3,735 кг діоксиду плутонію-238. Для зменшення ризику вибуху або інших можливих подій використовувався берилій як термостійкий, легкий і міцний елемент. SNAP-27 був останнім типом генераторів, що використовували NASA для космічних місій; Попередні типи використовували інші джерела електроенергії.

При проведенні пасивного сейсмічного експерименту на Місяці в місії Аполлон-11 було використано два радіоізотопні теплові джерела потужністю 15 Вт, які містили 37,6 г діоксиду плутонію у вигляді мікросфер. Генератор був використаний у місіях Аполлона-12, 14, 15, 16, 17. Він був покликаний забезпечувати електроенергією наукове обладнання, встановлене на космічних апаратах. Під час місії Аполлона-13 відбулося сходження місячного модуля з траєкторії, внаслідок чого він згорів у щільних шарах атмосфери. Усередині SNAP-27 був використаний вищезгаданий ізотоп, який оточений стійкими до корозії матеріалами і зберігатиметься в них ще 870 років.

Плутоній-236 та плутоній-238 застосовується для виготовлення атомних електричних батарей, термін служби яких досягає 5 і більше років. Їх застосовують у генераторах струму, що стимулюють роботу серця. Станом на 2003 р. у США було 50-100 осіб, які мають плутонієвий кардіостимулятор. Застосування плутонію-238 може поширитись на костюми водолазів та космонавтів. Берилій разом із вищезазначеним ізотопом застосовується як джерело нейтронного випромінювання.

У 2007 р. Великобританія розпочала знесення найстарішої ядерної електростанції Calder Hall на плутонії, яка розпочала свою роботу 17 жовтня 1956 року та завершила 29 вересня 2007 року.

Реактори-розмножувачі

Схематичне зображення реакторів-розмножувачів на швидких нейтронах з рідкометалевим теплоносієм, з інтегральним та петлевим компонуванням обладнання.

Для отримання більших кількостей плутонію будуються реактори-розмножувачі, які дозволяють напрацьовувати значну кількість плутонію. Реактори названі саме «розмножувачами» тому, що з їх допомогою можливе отримання матеріалу, що ділиться в кількості, що перевищує його витрати на отримання.

У будівництво перших реакторів даного типу почалося ще до 1950 р. У СРСР та Великобританії до їх створення приступили на початку 1950 рр. . Проте перші реактори було створено вивчення нейтронно-фізичних характеристик реакторів з жорстким спектром нейтронів. Тому перші зразки мали продемонструвати не великі виробничі кількості, а можливість реалізації технічних рішень, закладених у перші реактори такого типу.

Відмінність реакторів-розмішувачів від звичайних ядерних реакторів полягає в тому, що нейтрони в них не сповільнюються, тобто відсутній уповільнювач нейтронів, щоб їх якомога більше прореагувало з ураном-238. Після реакції утворюються атоми урану-239, який надалі утворює плутоній-239. У таких реакторах центральна частина, що містить діоксид плутонію в збідненому діоксиді урану, оточена оболонкою ще збіднішого діоксиду урану-238, в якій і утворюється Pu. Використовуючи разом U та U такі реактори можуть виробляти з природного урану енергії в 50-60 разів більше, дозволяючи таким чином використовувати запаси найбільш придатних для переробки уранових руд. Коефіцієнт відтворення розраховується ставленням виробленого ядерного палива до витраченого. Однак досягнення високих показників відтворення є нелегким завданням. ТВЕЛи в них повинні охолоджуватися чимось відмінним від води, яка зменшує їхню енергію. Було запропоновано використання рідкого натрію як охолодний елемент. У реакторах-розмножувачах використовують збагачений більше 15% за масою уран-235, для досягнення необхідного нейтронного опромінення та коефіцієнта відтворення приблизно 1-1,2.

Нині економічно вигідніше отримання урану з уранової руди, збагаченої до 3 % ураном-235, ніж розмноження урану плутоній-239 із застосуванням урану-235, збагаченого на 15 %. Простіше кажучи, перевагою бридерів є здатність у процесі роботи не лише виробляти електроенергію, а й утилізувати непридатний як ядерне паливо уран-238.