Важнейшая характеристика любого ядерного горючего — среднее число нейтронов, испускаемых после того, как ядро захватило один нейтрон. Физики называют его эта -числом обозначают греческой буквой- q. В «тепловых» реакторах на уране наблюдается такая закономерность: каждый нейтрон «порождает» в среднем 2,08 нейтрона (q =2,08). Помещенный в такой реактор плутоний под действием тепловых нейтронов дает q=2,03. Но ведь есть еще реакторы, работающие на быстрых нейтронах. Естественную смесь изотопов урана в такой реактор загружать бесполезно: цепная реакция не пойдет. Но если обогатить «сырье» ураном-235, она сможет развиться и, в «быстром» реакторе. При этом q будет равно уже 2,23. А плутоний, помещенный под обстрел быстрыми нейтронами, даст q равное 2,70. В наше распоряжение поступит «лишних полнейтрона». И это совсем не мало.
Проследим, на что тратятся полученные нейтроны. В любом реакторе один нейтрон нужен для поддержания цепной ядерной реакции. 0,1 нейтрона поглощается конструктивными материалами установки. «Избыток» идет на накопление плутония-239. В одном случае «избыток» равен 1,13, в другом — 1,60. После «сгорания» килограмма плутония в «быстром» реакторе выделяется энергия в 2,25 · 107 и накапливается 1,6 кг плутония. А уран и в «быстром» реакторе даст ту же энергию и 1,1 кг нового ядерного горючего. И в том, и в другом случае налицо расширенное воспроизводство. Но нельзя забывать об экономике.
В силу ряда технических причин цикл воспроизводства плутония занимает несколько лет. Допустим, что пять лет. Значит, в год количество плутония увеличится только на 2%, если q = 2,23, и на 12%, если q = 2,7! Ядерное горючее — капитал, а всякий капитал должен давать, скажем, 5% годовых. В первом случае налицо большие убытки, а во втором — большая прибыль. Этот примитивный пример иллюстрирует «вес» каждой десятой числа q в проблеме ядерной энергетики.
Важно и другое. Ядерная энергетика должна поспевать за ростом потребности в энергии. Расчеты показывают: это условие выполнимо в будущем только тогда, когда q приближается к трем. Если же развитие ядерных энергетических источников будет отставать от потребностей общества в энергии, то останется два пути: либо «затормозить прогресс», либо брать энергию из каких-то других источников.
Извлечение
Когда в результате ядерных реакций в уране накопится необходимое количество плутония, его необходимо отделить не только от самого урана, но и от осколков деления — как урана, так и плутония, выгоревших в цепной ядерной реакции. Кроме того, в урано -плутониевой массе есть и некоторое количество нептуния. Сложнее всего отделить плутоний от нептуния и редкоземельных элементов (лантаноидов). Плутонию как химическому элементу в какой-то мере не повезло. С точки зрения химика, главный элемент ядерной энергетики — всего лишь один из четырнадцати актинидов. Подобно редкоземельным элементам, все элементы актиниевого ряда очень близки между собой по химическим свойствам, строение внешних электронных оболочек атомов всех элементов от актиния до 103-го одинаково. Еще неприятнее, что химические свойства актинидов подобны свойствам редкоземельных элементов, а среди осколков деления урана и плутония лантаноидов хоть отбавляй. Но зато 94-й элемент может находиться в пяти валентных состояниях, и это «подслащивает пилюлю» — помогает отделить плутоний и от урана, и от осколков деления.
Валентность плутония меняется от трех до семи. Химически наиболее стабильны (а следовательно, наиболее распространены и наиболее изучены) соединения четырехвалентного плутония.
Разделение близких по химическим свойствам актинидов — урана, нептуния и плутония — может быть основано на разнице в свойствах их четырех- и шестивалентных соединений. Сначала урановые бруски растворяют в азотной кислоте. Азотная кислота — сильный окислитель при растворении и уран, и плутоний, и примеси окисляются. Нульвалентные атомы плутония превращаются в ионы Рu6+. Плутоний растворяется вместе с ураном. Из этого раствора его восстанавливают до трехвалентного состояния сернистым газом, а затем осаждают фторидом лантана. Осадок кроме плутония содержит нептуний редкоземельные элементы. Но основная масса вещества уран — остается в растворе и отделяется от плутония.
Полученный осадок растворяют вновь и окисляют нептуний до четырехвалентного состояния броматом калия. На плутоний этот реактив не действует, и при вторичном осаждении тем же LаF3 трехвалентный плутоний переходит в осадок, а нептуний остается в растворе.
Чтобы отделить осколки дарения, плутоний снова окисляют до шестивалентного состояния и вновь добавляют фторид лантана. Теперь редкоземельные элементы переходят в осадок, а плутоний остается в растворе...
Из множества известных ныне методов выделения плутония следует упомянуть об экстракции плутония органическими растворителями и выделении плутония на ионообменных колонках. Эти методы представляются химикам, работающим с плутонием, наиболее перспективными.
Металл
Теперь, наконец, о металле. Выделить соединения плутония из раствора — задача несложная. Известны десятки способов, позволяющих это сделать. Затем полученные соединения плутония превращают в химически чистый тетрафторид PuF4, который при 1200° С восстанавливают парами бария. Так получают чистый плутоний. Но это еще не конструкционный материал: тепловыделяющие элементы энергетических ядерных реакторов (или даже детали атомной бомбы) из него не сделать. Почему? Нужна как минимум, «болванка» — отливка. При изготовлении плутониевых изделий пользуются преимущественно методом литья. Температура плавления металлического плутония — 640° С — вполне достижима, но...
Перелив расплавленный плутоний из тигля в нужную форму, начинают его охлаждать до комнатной температуры, — в процессе затвердевания в отливке непременно появятся трещины. Может быть, охлаждение идет слишком быстро? Как ни меняли режимы, отливка неизменно разрушалась. Значит, загвоздка не в температурном режиме. Что же тогда происходит ?
В жидком металле атомы движутся беспорядочно. С понижением температуры, когда металл начинает затвердевать, атомы уже колеблются около центров, расположенных в строго определенном порядке, например в вершинах кубов, тетраэдров и т. д., в зависимости от кристаллического строения того или иного металла.
В кристаллах атомы упакованы, как правило, плотнее, чем в жидкостях. Большинство веществ, исключая лед, типографский сплав гарт и немногие другие, затвердевая, уменьшаются в объеме — плотность их увеличивается.
Плутоний начинает затвердевать при температуре 640° С, при этом его атомы образуют кристаллическую решетку в виде кубов. По мере уменьшения температуры плотность металла постепенно растет. Но вот температура достигла 480° С, и тут неожиданно плотность плутония резко падает. До причин этой аномалии докопались довольно быстро: при этой температуре атомы плутония перестраиваются в кристаллической решетке. Она становится тетрагональной и очень «рыхлой». Такой плутоний может плавать в собственном расплаве, как лед на воде.
Температура продолжает падать, вот она достигла 451° С, и атомы снова образовали кубическую решетку, но расположились на большем, чем в первом случае, расстоянии друг от друга. При дальнейшем охлаждение решетка становится сначала орторомбической, затем моноклинной. Всего плутоний образует шесть различных кристаллических форм. Две из них отличаются замечательным свойством — отрицательным коэффициентом температурного расширения: с ростом температуры металл не расширяется, а сжимается. Совершенно необычное поведение!
Когда температура достигает 122° С и атомы плутония в шестой раз перестраивают свои ряды, плотность меняется особенно сильно — от 17,77 до 19,82 г/см3. Больше чем на 10%! Соответственно уменьшается объем слитка. Если против напряжений, возникавших на других переходах, металл еще мог устоять, то в этот момент разрушение неизбежно.
Как же тогда изготовить деталь из этого удивительного металла? Металлурги легируют плутоний (добавляют в него незначительные количества нужных элементов) и получают отливки без единой трещины. Из них и делают плутониевые заряды ядерных бомб. Вес заряда (он определяется прежде всего критической массой изотопа) 5—6 килограммов. Он без труда поместился бы в кубике с размером ребра 10 сантиметров.
Тяжелые изотопы
В плутонии-239 в незначительном количестве содержатся и высшие изотопы этого элемента — с массовыми числами 240 и 241. Изотоп 240Рu практически бесполезен — это балласт в плутонии. Из 241-го получают америций — элемент № 95. В чистом виде, без примеси других изотопов, плутоний-240 и плутоний-241 можно получить при электромагнитном разделении плутония, накопленного в реакторе. Перед этим плутоний дополнительно облучают нейтронными потоками со строго определенными характеристиками. Конечно, все это очень сложно, тем более что плутоний не только радиоактивен, но и весьма токсичен. Работа с ним требует исключительной осторожности.
Один из самых интересных изотопов плутония — 242Рu можно подучить, облучая длительное время 239Рu в потоках нейтронов. 242Рu очень редко захватывает нейтроны и потому «выгорает» в реакторе медленнее остальных изотопов; он сохраняется и после того, как остальные изотопы плутония почти полностью перешли в осколки или превратились в плутоний-242.
Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. Если в обычном реакторе облучать плутонии-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-251 потребуется около 20 лет.