Термоядерное оружие

Из физических методов разделения изотопов урана наиболее дешевым оказался диффузионный метод. Диффузией называется проникновение вещества в окружающую среду. Диффузия может происходить и через пористые перегородки. Не все вещества диффундируют с одинаковой скоростью. Чем легче частицы вещества (молекулы), тем быстрее они распространяются. Если бы можно было приготовить соединения урана, которые хорошо испаряются при сравнительно низких температурах, то, заставив такие вещества проникать сквозь пористые перегородки, можно было бы разделить изотопы урана: соединения, содержащие более легкий изотоп, диффундировали бы несколько быстрее.

Такое при обычных условиях твердое соединение урана, давление пара которого равно 1 атм при 54,6° C, существует — это фтористый уран UF₆. В настоящее время известны химические методы получения из урановых руд фтористого урана. Это соединение весьма ядовито, поэтому при работе с ним приходится соблюдать ряд предосторожностей.

Если фтористый уран, приготовленный из природного урана, заставить в виде пара проникать через специально приготовленную пористую перегородку, как показано на рис. 19, и отделить 60% вещества, которое прошло сквозь перегородку, от тех 50%, которые еще не успели продиффундировать, то оказывается, что первая часть несколько обогащена легким изотопом урана, а во второй части содержание легкого изотопа понижено. Если из первой части химическими методами выделить металлический уран, то в нем окажется уже не 0,720% урана 235, а около 0,722%. Если такой несколько обогащенный фтористый уран заставить еще раз диффундировать через пористую перегородку и снова отделить первую часть, то содержание в ней урана 235 опять немного повысится. Необходимо произвести несколько тысяч таких последовательных обогащений фтористого урана, чтобы в конце концов получить продукт, содержащий уран 235 почти без примеси урана 238.

Рис. 19. Схема первой ступени диффузионного обогащения урана:

1 — изотопный состав природного урана; 2 — насос, подающий фтористый уран; 3 — электромотор, приводящий во вращение насос; 4 — труба с пористой стенкой, через которую происходит диффузия; 5 — концентрическая труба, в которой собирается уран, обогащенный легким изотопом; 6 — изотопный состав обогащенной части; 7 — изотопный состав части, содержащей меньшее количество легкого изотопа урана

Для постройки таких газодиффузионных заводов необходимо изготовить надежно работающие пористые перегородки, огромное количество труб различных диаметров из нержавеющих материалов, большое число насосов различной величины для перекачивания газов и к ним электромоторы различной мощности. Длина трубопроводов на таком заводе исчисляется сотнями километров, причем все соединения труб и насосов не должны пропускать наружу даже следов фтористого урана. Все операции на таком заводе должны быть автоматизированы.

Потребляя большие количества фтористого урана, завод диффузионного разделения выдает два продукта — фтористый уран, содержащий почти чистый уран 235, и фтористый уран, сильно обогащенный ураном 238.

На металлургическом заводе из первого продукта выделяют уран 235 небольшими порциями, масса которых меньше критической. Из второго продукта выделяется уран, содержащий около 99,7% урана 238. Первый продукт является весьма ценным ядерным горючим. Второй же продукт в течение ряда лет считался отходом и почти не находил применения.

Сравнительно недавно найден был способ использовать этот продукт для изготовления трехфазных урановых бомб. Кроме того, уран 238 может быть использован в атомных реакторах, воспроизводящих ядерное горючее.

Завод диффузионного разделения изотопов урана — огромное предприятие, оснащенное передовой техникой и полностью автоматизированное. Такой завод потребляет большое количество электроэнергии, так что обслуживающая его электростанция должна иметь мощность порядка 1 млн. квт. В атомной промышленности часто пользуются не природным ураном, а обогащенным, содержащим повышенный процент урана 235.

На диффузионном заводе обогащенный уран можно получать, если значительно уменьшить число ступеней обогащения. Ясно, что постройка и эксплуатация такого завода должна стоить значительно дешевле, чем постройка и эксплуатация завода, на котором получается чистый изотоп урана 235.

Плутоний