Британская программа обеспечения боеспособности ядерных боеприпасов при их длительном хранении. Физическое старение материалов.

В конструкции современных ядерных боеприпасов применяется целый ряд материалов, весьма разнообразных по своим свойствам. С тем, чтобы поддерживать боеприпасы в технически безопасном и надежном состоянии в течение всего срока их пребывания на вооружении, необходимо на как можно более ранней стадии выявить все проблемы, имеющие отношение к физическому старению боеприпасов и материалов, из которых они изготовлены.

В дополнение к проведению фундаментальных исследований в области материаловедения британскими специалистами периодически проводятся изъятия боеприпасов из состава арсенала и их демонтаж с целью проведения соответствующих исследований и проверки технического состояния арсенала. Некоторые компоненты, о которых известно, что они имеют ограниченный срок годности, находятся вне пределов герметически закрытого «ядерного пакета» (nuclear package). Процесс замены таких компонентов является сравнительно простым. Так, например, тритий, который со временем распадается (период полураспада составляет 12,3 года), регулярно заменяется через заранее запланированные промежутки времени.

Однако замена компонентов, находящихся внутри «ядерного пакета», представляет собой гораздо более сложную проблему. Стремясь найти способы ее решения, британские ученые продолжают исследование вопросов, связанных с возможным ухудшением свойств материалов, находящихся внутри «ядерного пакета» (таких как плутоний и химические взрывчатые вещества). Применительно к плутонию ими уже выявлен целый ряд механизмов его старения:

– плутоний довольно легко вступает в химические реакции и поэтому подвержен воздействию обычной коррозии;

– плутоний подвергается внутреннему разрушению, которое происходит вследствие его радиоактивного распада. С течением времени плутоний-239 распадается до урана-235 (период полураспада 24 400 лет) с образованием иона гелия.

Энергичный выброс положительно заряженных ядер урана и гелия приводит к значительному изменению внутренней структуры плутония. Однако измерения характеристик физически стареющего плутония показывают, что в целом кристаллическая структура сохранилась в образцах, имеющих возраст более 30 лет. Британские специалисты с большой степенью уверенности предполагают, что это объясняется процессом самопроизвольного отжига плутония.

В то же время, учитывая уникальную природу плутония, британские ученые-ядерщики выражают уверенность в необходимости проведения дополнительных исследований с тем, чтобы выявить характер поведения этого одного из наиболее необычных материалов. Так, одной из главных проблем, которые изучают британские специалисты, является рост гелиевых пузырей внутри металлического плутония. По оценке английских ученых, до 2500 атомов плутония смещаются со своих мест под воздействием каждого уранового ядра, обладающего высокой энергией, которая высвобождается в результате радиоактивного распада. Эти атомы урана пробиваются сквозь кристаллическую структуру плутония и оставляют «дыры» на своем пути.

Последствия этого процесса настолько значительны, что в среднем в течение 10 лет каждый атом плутония будет смещен со своего первоначального местоположения. Ионы гелия также вносят изменения во внутреннюю структуру плутония, хотя и менее существенным образом. Захватив по два электрона из металлического плутония, они образуют атомы гелия, которые проникают сквозь металл, объединяются с другими такими же атомами и образуют пузырьки газа внутри металла.

Еще одной проблемой, как подчеркивают британские специалисты, является изучение свойств самого плутония, который представляет собой уникальный металл с очень необычными свойствами. Как следствие, исследование его природы и попытки понять, какие физические процессы можно по отношению к нему применять, являются чрезвычайно сложными проблемами. В дополнение к тому, что плутоний является делящимся и радиоактивным материалом, он токсичен и довольно легко вступает в химические реакции. Это означает, что при работе с плутонием требуется применять специальные методы обращения с ним.

Сравнительно небольшие изменения температуры, давления и химических условий могут вызвать изменение конфигурации электронной оболочки плутония, что ведет к изменению его физических свойств. Одна из особенно аномальных характеристик плутония состоит в том, что твердый плутоний последовательно превращается в шесть различных фаз при нагревании его от комнатной температура до его расплавления при температуре 6500С. Каждая фаза отличается от других и имеет, например, свое собственное строение кристаллической решетки, свою плотность и свое удельное электрическое сопротивление. Все это может представить огромные трудности при изготовлении и хранении плутония и изделий из него. Однако было обнаружено, что если к расплавленному плутонию добавить небольшое количество галлия (не более 10%), то весьма ковкую и пластичную дельта-фазу (δ-phase) можно охладить до комнатной температуры, что дает возможность формовать и отливать металлический плутоний, придавая изделиям из него требуемую форму.