Thread by @EternalPhysics

یکی‌ از دردسر‌های بزرگ استفاده از پلوتونیوم 239 در سلاح هسته ای، پروسه پیر شدن این ماده استراتژیک به مرور زمان است که نیاز به توجه ویژه‌ای دارد.

در رشته توییت زیر که در ارتباط با فاز‌های مختلف پلوتونیوم نوشته بودم، به این موضوع مهم اشاره کردم که از ۷ فاز پلوتونیوم تنها میتوان از فاز دلتا برای

https://twitter.com/EternalPhysics/status/1406228181686919170

ساخت هسته یک بمب هسته‌ای به علت پایداری و امکان کارکرد خوب در این فاز و قابلیت فشرده شدن بالا، استفاده کرد. اما این فاز به مرور زمان بعد از چند دهه شاهد تغیراتی در خود خواهد بود که دیگر برای کاربرد در سلاح هسته‌ای مناسب نخواهند بود و هسته ها باید تعویض بشوند. هنگامی که

از مدرن سازی تسلیحات آمریکا و یا دیگر قدرت‌های هسته ای صحبت میشود ، یعنی‌ تعویض این هسته پلوتونیومی که نقش کلیدی در این سلاح را دارد. البته این یک مشکل عمده برای کشور‌های است که چندین هزار بمب هسته‌ای پلوتونیومی دارند.

نکته جالب این پیری بر خلاف خیلی‌ مواد دیگر این است که پیری در پلوتونیوم هم از درون (خود تابشی) و از هم برون پدیدار میشود! از یک طرف با قرار گرفتن در هوای مرطوب بسیار شدیدتر از آهن زنگ میزند و از سوی دیگر در نتیجه تجزیه هسته‌ای با ارسال پرتو آلفا،

ساختار کریستالی خود را از درون مورد آسیب قرار میدهد که به این تابش از درون خود تابشی گفته می‌‌شود. این رویداد رادیواکتیوی دو ذره هسته ای پرانرژی تولید می کند - یک ذره آلفا و یک هسته اورانیوم. این ذرات در کمتر از یک فمتو ثانیه یعنی‌ ۱۰ به توان منفی‌ ۱۵ ثانیه ایجاد می شوند.

ذره آلفا دارای انرژی 5 میلیون الکترون ولت (MeV) و دامنه تقریباً 10 میکرومتر در ساختار کریستالی پلوتونیوم را در می‌‌نوردد. پارتیکل هایی آلفا دو الکترون از فلز پلوتونیوم گرفته و به صورت اتم هلیوم در شبکه کریستالی پلوتونیوم ساکن می شوند. ذره آلفای سبک تقریباً 99.9 درصد انرژی

خود را به الکترون ها از دست می دهد و شبکه پلوتونیوم را گرم می کند. بدین روی هرگاه که دست به فلز پلوتونیوم بزنید (توصیه نمیکنم که این کار را کنید) گرما را احساس خواهید کرد.

از این مکانیسم برای تولید برق از گرما در باتری‌های پلوتنیومی نیز استفاده میشود که به این موضوع در رشته توییت دیگری خواهیم پرداخت.

برخی از جابجایی های اتمی در نزدیکی انتهای این محدوده پیمایش پارتیکل‌های آلفا در درون کریستال اتفاق می افتد و اتم های پلوتونیوم از جایگاه ثابت خود در درون شبکه کریستالی خارج شده و در بین اتم‌ها قرار می‌گیرند، و یک جای خالی‌ (Vacancy) از خود به جای میگذارند.

از سوی دیگر پس از تجزیه اتم‌ پلوتونیوم، اتم‌ اورانیوم تولید میشود که خود حامل ۸۵ کیلو الکترون ولت انرژی است که دارای دامنه حرکت ۱۲ نانو متری در شبکه کریستالی پلوتنیوم می‌‌باشد که بیشترین خسارت را به ساختار کریستالی پلوتونیوم میزند زیرا که سه چهارم از انرژی خود را

به اتم‌های پلوتونیومی دیگر در شبکه کریستالی منتقل کرده و باعث جابجایی اتم‌های پلوتونیومی میشود. پس از هر تجزیه هسته‌ای که به سبب آن ذرات آلفا و هسته اورانیوم تولید میشوند، این دو ذره با تقریبا ۲۰۰۰۰ اتم پلوتونیوم در شبکه کریستالی درگیر شده که باعث

جابجایی ۱۰ درصد از این اتم‌ها می‌‌شوند. فعل و انفعالات این نقص های زنده مانده (Vacancy) با ریزساختار و تکامل آنها به عنوان تابعی از زمان و دما ، میزان اثرات خود تابش بر خصوصیات پلوتونیوم را تعیین می کند.

تجمع هلیوم رادیوژنیک می تواند به طور قابل توجهی بر خصوصیات پلوتونیوم تأثیر بگذارد. هلیوم در فلزات حلالیت بسیار کمی دارد زیرا پیوندی با دیگر اتم‌ها نمیخورند. به راحتی از طریق شبکه پخش می شوند تا اینکه در یکی از جای های خالی گیر کنند.

خوشه های جای خالی هلیوم (Helium-Vacancy) می توانند حرکت کرده و با هم ادغام شوند و به طور بالقوه به صورت حباب های هلیوم درآیند که باعث ورم یا باد کردن فلز پلوتونیوم می شوند. فارغ از این حباب‌های هلیومی که در درون فلز پدیدار میشوند، همچنین رشد جاهای خالی‌ (Vacancy) که

آن‌ها هم به آسانی در ساختار کریستالی حرکت میکنند مشکل حتی بزرگتری را برای حفظ خصوصیات پلوتونیوم فلزی ایجاد میکنند که اصطلاحا void swelling گفته میشود و در تصویر زیر می‌بینید.

به غیر از خود تابشی، هم چنین با مسائل پایداری ترمودینامیکی هم روبرو هستیم. در هسته پلوتنیومی تنها پلوتونیوم به کار گرفته نمی‌شود، بلکه برای پایداری در دمای اتاق از مقدار کمی‌ هم گالیوم استفاده میشود. اما همین عنصر که باعث پایداری پلوتونیوم میشود، به مرو زمان از

ساختار کریستالی تغییر مکان می‌‌دهد و به عبارتی شروع به حرکت می‌کند. این حرکت که باعث ایجاد تغییر در ابعاد، چگالی‌ و فشار‌های درون ساختاری در کریستال میشود که به دلیل نامتعادل بودن فاز دلتا در دمای اتاق و علاقه کریستال پلوتونیوم‌-گالیوم برای رسیدن به وضعیت تعادل از نظر انرژی،

رخ می‌‌دهد. در واقع کریستال پلوتونیوم‌-گالیوم برای رسیدن به پایین‌ترین سطح انرژی از نظر ترمودینامیکی به مرور زمان این تغییر فاز را می‌ دهد. روند این تغییر فاز همچنین توسط پروسهٔ خود تابشی تسریع میشود.

بدین روی برای جلوگیری از پیری پلوتونیومی در زرادخانه تسلیحات اتمی‌ خود آمریکا مبالغ هنگفت میلیاردی در دو سایت برای ساخت مجموعه‌های تفکیک پلوتونیوم از سوخت راکتور‌ها و ساخت هسته پلوتونیومی جدید، سرمایه گذاری کرده،

کاری که ایران از اقدام به آن در قالب برجام منع شد. قرار است آمریکا سالیانه ۸۰ هسته پلوتونیومی جدید تولید کند.

t.me/T_neutrino