Плутоний 238 применение. Катастрофические риски при использовании изотопа

Плутоний-238 - исключительно опасное вещество. Оно применяется в строительстве и создании ядерных бомб. В промышленности его получают только в ядерных реакторах. До перестройки в СССР Соединенные Штаты занимались производством изотопа на своей территории.

Производство плутония-238 для США

Чтобы производить плутоний-238, было необходимо выполнять очень трудоемкую и грязную работу. На 150 кг готового плутония приходилось целых 50 тысяч контейнеров с отходами. Эра президента Горбачева отличилась альтруизмом. Перестроечная элита решила, что негоже засорять земли братьев-американцев. С 1988 года плутоний-238 производился только в России.

В 1992 году производственное объединение под названием «Маяк» подписало договор на поставку в Америку целых пяти килограммов вещества, известного как плутоний-238. Производство в России расположено в далеком городе Озерске, более известном как Челябинск-40. Прибыль от данного контракта оценивалась в сумму порядка 6 миллионов долларов. Количества произведенного плутония могло бы хватить на запуск от 3 до 6 спутников с ядерными установками. Многие исследователи полагают, что фактически все подобные запуски Америки после развала Советского Союза происходили только на произведенном в России изотопе.

Сотрудничество или подлость?

В начале 20 века произошел небольшой, но все-таки показательный скандал. Дело в том, что Соединенные Штаты использовали спутники с ядерными установками для шпионства за Россией. Сделаны они были на российском же изотопе. Несмотря ни на что, производство плутония-238 не остановилось, а поставки в Америку продолжались. Кроме того, уже к 2003 году между российской компанией «Техснабэкспорт» и Американским представительством был заключен договор на обеспечение диоксидом этого изотопа.

Однако тот плутоний-238, что производился на территории России, уже не удовлетворял ненасытный американский аппетит. Ведь Штатам было необходимо начинать разработку ПРО в космическом пространстве. Поэтому они решили заново начать производство изотопа у себя.

Причины производства изотопа Америкой

Программа по выработке изотопа была рассчитана Штатами на 30 лет, во время которых предполагалось произвести порядка 158 кг этого опасного вещества. Как российские, так и иностранные средства массовой информации успели обратить внимание на тот факт, что это происходит впервые после окончания холодной войны со Штатами. Так или иначе, этот старт производства связывают с возможными военными программами Штатов в космическом пространстве. Не добавляет спокойствия и тот факт, что начало производства изотопа по времени совпадает со стартом разработок противоракетной обороны.

Разные страны, разные цены

Интересно, что по условиям договора с российской компанией «Техснабэкспорт» цена одного килограмма изотопа составляет 1 млн долларов. В то время как Америка выделяет в сто раз больше средств на плутоний-238. Производство в России все это время происходило по демпинговым ценам - таков неутешительный вывод. В российском обществе высказывались разные мнения по поводу такого «сотрудничества» со Штатами. В Федеральном агентстве по атомной энергии считают, что эти продажи так или иначе выгодны и необходимы для экономики. Кроме того, Россия может продавать плутоний-238 в 32 страны всего мира. Чем объясняется такой спрос и зачем нужен этот изотоп?

Плутоний-238: применение

На самом деле этот изотоп является побочным продуктом плутония-239. А он, в свою очередь, выступает главным компонентом в составе ядерного оружия. В эпоху холодной войны, которая и послужила причиной космической гонки, с какой-то стороны это было очень удобно. Например, плутоний-239 производился в Южной Каролине для создания ядерных бомб. А его побочный продукт отдавался для производства космических спутников и зондов. После того как производитель в Южной Каролине под названием «Саванна-Ривер» был закрыт, Штаты начали закупать изотоп у России.

Плутоний-238 - это идеальное топливо, используемое для космических исследований. Его излучение является радиоактивным. Но, находясь в другом материале, изотоп относительно безопасен. Например, часто плутоний-238 заключают в иридиевые гранулы. Они светятся красным светом, и от них исходит большое количество тепла. Пока иридиевые гранулы сохраняют целостность, изотоп является безопасным. Гранулы помещают в особые генераторы, которые способствуют превращению тепла в электричество. Благодаря этому космические спутники до сих пор исследуют космические просторы, ведь процесс выработки электричества таким образом может длиться целыми десятилетиями.

Современные запасы плутония-238

По многим данным, на Земле запасы этого вещества стремительно уменьшаются. Недавно в американском журнале Nature была опубликована статья, согласно которой сейчас у NASA осталось всего лишь 35 кг изотопа. И в качестве топлива может использоваться только половина из всего этого количества. Планируемый полет на Марс уже заберет 5 кг плутония-238. Россия также в настоящий момент больше не продает этот изотоп. Возможно, у нас он тоже на исходе.

Катастрофические риски при использовании изотопа

Не так давно американскими военными был сбит космический спутник. Сделали это якобы для того, чтобы предупредить его неподконтрольное падение. Пентагон сообщил, что спутник весом в 5 тонн рассыпался на три тысячи осколков над Тихим океаном. Каждый из осколков по своим размерам был примерно сравним с футбольным мячом. На борту шпионского спутника было порядка 500 кг гидразина - ракетного топлива, которое обладает высокой токсичностью. А также в нем было некоторое количество изотопа плутония-238 - точные цифры Пентагон не сообщил.

Угроза для всего человечества

Но на самом деле одной из самых опасных угроз для всей земли является изотоп плутоний-238. Характеристики его таковы, что всего лишь 450 граммов этого вещества способны вызвать рак у всего человечества. плутония-238 составляет порядка 90 лет. Так что эти «футбольные мячи» еще долго будут отравлять планету и ее обитателей.

Однако это далеко не первый в истории ядерный удар со стороны космоса. За все время космических исследований было запущено 49 спутников с ядерными установками. 36 из них запущены Россией и Советским Союзом, 13 - Штатами. Сейчас на орбитах на высоте от 800 до 1000 км находятся 50 спутников с ядерными фрагментами. Чтобы не оставить потомкам человечества в качестве "наследства" ядерную смерть, доктор технических наук Хусейн Чеченов предлагает заменить плутоний-238 менее опасным ураном-235.

Угроза, к счастью, миновавшая Россию

Осенью 2016 года уже ожидалось падение американского спутника под названием UARS, который, по счастливой случайности, пролетел мимо. Предполагалось несколько дат падения объекта - сначала это было 17 сентября, затем - 23-е. В новостях по каким-то причинам не было сказано, что фактически это даже не спутник, а самая настоящая ядерная бомба. Скорее всего, это было сделано, чтобы не распространять панику среди населения. Ведь этот спутник наполнял плутоний-238. Фото космического объекта позволяет предположить, что размеры UARS сопоставимы с размерами троллейбуса.

По прогнозам NASA, он должен был упасть в средней полосе России. Если бы это действительно произошло, в течение нескольких дней порядка 300 тыс. человек в Москве могли бы умереть от отека легких. Но UARS по какой-то причине задержался и упал на землю лишь 24 сентября, рухнув в воды океана недалеко от Канады. Плутония-238 в нем было порядка 30 кг. Канаду уже не первый раз посещает смертоносный космический спутник. В первый раз правительству удалось сбить приближающийся объект на подлете к континенту, и он также упал в океан.

Открытие изотопов плутония началось с 1940 года, когда был получен плутоний-238. В настоящее время он считается одним из важнейших нуклидов. Годом позднее был открыт самый важный нуклид — плутоний-239, впоследствии нашедший свое применение в ядерной и космической промышленности. Химический элемент является актиноидом, один из его изотопов, который упомянут выше, входит в основную тройку делящихся изотопов. Как известно, изотопы всех актиноидов являются радиоактивными, так как они нестабильны, могли найти свое применение и в медицине, если бы не их жесткое радиоизлучение, в том числе плутония.

Наиболее важные ядерные свойства нуклидов плутония перечислены в таблице:

Кольцо чистого, электрорафинированного оружейного плутония. Кольцо весит 5,3 кг, имеет размер 11 см в диаметре. Эта форма не позволяет ему иметь критический размер.

Из изотопов плутония на данный момент известно о существовании 19-ти его нуклидов с массовыми числами 228-247. Только 4 из них нашли свое применение. Свойства изотопов имеют некоторую характерную особенность, по которой можно судить об их дальнейшем изучении — четные изотопы имеют большие периоды полураспада, чем нечетные.

Министерство энергетики США делит смеси плутония на три вида:

1. оружейный плутоний
2. топливный плутоний и
3. реакторный плутоний

Термин «сверхчистый плутоний» используется для описания смеси изотопов плутония, в которых содержатся 2-3 процента Pu .

Всего два изотопа этого элемента являются более способными к ядерному делению, нежели остальные; более того, это единственные изотопы, которые подвергаются ядерному делению при действии тепловых нейтронов. Среди продуктов взрыва термоядерных бомб обнаружены также Рu и Рu , периоды полураспада которых несоизмеримо малы.

Изотопы и синтез

Методы экстракции плутония и урана.

Известны около 20 изотопов плутония, все они радиоактивны. Самым долгоживущим из них является плутоний-244, с периодом полураспада 80,8 млн лет; плутоний-242 имеет более короткий период полураспада — 372 300 лет; плутоний-239 — 24 110 лет". Все остальные изотопы имеют период полураспада меньше 7 тыс. лет. Этот элемент имеет 8 метастабильных состояний, периоды полураспада этих изомеров не превышают 1 с.

Массовое число известных изотопов элемента варьируется от 228 до 247. Все они испытывают один или несколько типов радиоактивного распада:

• электронный захват с образованием изотопов нептуния;
• бета-минус-распад с образованием изотопов америция;
• альфа-распад с образованием изотопов урана;
• спонтанное деление с образованием широкого спектра дочерних изотопов элементов из средней части периодической таблицы, многие из которых β-активны.

Основным каналом распада наиболее лёгких изотопов плутония является альфа-распад, хотя канал электронного захвата для них также открыт. Основным каналом распада лёгких изотопов плутония является электронный захват, с ним конкурирует альфа-распад. Основными каналами радиоактивного распада изотопов с массовыми числами между 236 и 244 являются альфа-распад и спонтанное деление. Основным каналом распада изотопов плутония, массовые числа которых превосходят 244, является бета-минус-распад в изотопы америция. Плутоний-241 является членом "вымершего" радиоактивного ряда нептуния.

Бета-стабильными являются изотопы с массовыми числами 236, 238, 239, 240, 242, 244.

Синтез плутония

Плутоний в промышленных масштабах получается двумя путями:

1. облучением урана, содержащегося в ядерных реакторах;
2. облучением в реакторах трансурановых элементов, выделенных из отработанного топлива.

После облучения в обоих случаях выполняется отделение химическими способами плутония от урана, трансурановых элементов и продуктов деления.

Плутоний-238

Плутоний-238, использующийся в радиоизотопных генераторах энергии, лабораторно может синтезироваться в обменной-реакции на уране-238:

В данном процессе дейтрон попадает в ядро урана-238, в результате чего образуется нептуний-238 и два нейтрона. Далее нептуний-238 испытывает бета-минус-распад в плутоний-238. Именно в этой реакции был впервые получен плутоний. Однако она неэкономична. В промышленности плутоний-238 получают двумя путями:

• выделением из облучённого ядерного топлива, поэтому чистый плутоний-238 таким методом не нарабатывается
• с помощью нейтронного облучения в реакторах нептуния-237.

Цена одного килограмма плутония-238 составляет примерно 1 млн долларов США.

Плутоний-239

Плутоний-239, делящийся изотоп, используемый в ядерном оружии и в ядерной энергетике, промышленно синтезируется в ядерных реакторах с помощью следующей реакции при участии ядер урана и нейтронов с помощью бета-минус-распада и с участием изотопов нептуния как промежуточного продукта распада:

Нейтроны, излучаемые при делении урана-235, захватываются ураном-238 с образованием урана-239; затем через цепочку двух β-распадов образуются нептуний-239 и далее плутоний-239. Сотрудники засекреченной британской группы Tube Alloys , которые занимались изучением плутония во время 2-ой мировой войны, предсказали существование данной реакции в 1940 г.

Тяжёлые изотопы плутония

Ядерные циклы, позволяющие получать более тяжёлые изотопы плутония.

Более тяжёлые изотопы нарабатываются в реакторах из Pu по цепочке последовательных нейтронных захватов, каждый из которых увеличивает массовое число нуклида на единицу.

Свойства некоторых изотопов

Изотопы плутония претерпевают радиоактивный распад, вследствие которого выделяется тепловая энергия. Разные изотопы излучают разное количество тепла. Тепловыделение обычно записывается в пересчёте на Вт/кг или мВт/кг. В случаях, когда плутоний присутствует в больших количествах и нет теплоотвода, тепловая энергия может расплавить содержащий плутоний материал.

Все изотопы плутония способны к ядерному делению и излучают γ-частицы.

НАСА испытывает острый дефицит плутония-238 для источников питания космических аппаратов. На данное время НАСА обладает запасом в 35 кг плутония, из которых только 17 кг соответствуют необходимому качеству для создания источников питания космических аппаратов, что примерно соответствует трём «атомным батарейкам», используемым в марсоходе «Curiosity». Оставшиеся 18 кг не соответствуют необходимому уровню тепловыделения для применения в MMRTG (РИТЭГ).

Изотоп Pu-238 имеет интенсивность самопроизвольного деления 1.1x10 6 делений/с*кг (удельная радиоактивность 17.5 кюри/г - что в 2.6 раза больше Pu-240) и очень высокую тепловую мощность: 567 Вт/кг. Сильное излучение нейтронов и нагрев делают его очень неудобным для обращения и это ограничивает его применение в основном в источниках питания. В качестве оружейного плутония используется Pu-239.

США использовали РИТЭГи с плутонием-238 на 24 космических аппаратах. К числу аппаратов, «питавшихся» плутонием-238, относятся американские «Вояджеры», запущенные в 1977 году к Юпитеру и Сатурну и уже достигшие границ Солнечной системы. Плутоний использовался и в околоземных спутниках и в программе Аполло. Должен был использовать такой источник питания и «Марс-96 » (270 г плутония для обогрева и питания российского марсохода).

Плутониевые источники питания применены и в других космических аппаратах для исследования дальнего космоса, где использование солнечных батарей затруднено или невозможно:

• КА «Галилей», вращавшийся вокруг Юпитера потребовал 15,6 кг плутония-238.
• КА «Кассини», работающий на орбите Сатурна несет 32,7 кг плутония-238.
• КА «Новые горизонты», подлетающий в настоящее время к Плутону, имеет на борту 10,9 кг плутония-238.
• Марсоход «Curiosity» получает необходимую энергию от 4,8 кг плутония-238

В США в 1988 году было прекращено производство плутония-238 и с тех пор использовались накопленные запасы. В 1992 году США подписали пятилетний договор о покупке изотопа у России в объеме 10 кг и возможностью увеличения поставок не более чем до 40 кг. Договор несколько раз продлевался, пока в середине декабря 2009 года Россия не уведомила США, что не сможет поставлять в ближайшие два года 10 кг плутония-238 для источников питания космических аппаратов. Россия настаивала перезаключить договор о покупке на новых условиях.

В 2009 году Национальном совете по научным исследованиям (NRC) был подготовлен доклад рекомендовавший возобновить производство плутония-238, чтобы избежать задержки или полной отмены будущих научных миссий.

Несмотря на сравнительно малую сумму в 75-150 миллионов долларов, необходимую для восстановления производства, непростая бюджетная ситуация в США и бюрократические особенности американского государственного механизма похоронили на несколько лет старт работ по восстановлению производства изотопа. Как обычно в США в таких ситуациях заинтересованные лица и организации выносят «сор из избы» на публику, призывая к патриотическим чувствам и привлекая к лоббированию политиков:

«Не будет большим преувеличением сказать, что будущее бесспорного лидерства США в области планетных исследований в 21 веке зависит от плутония-238, – сказал в интервью интернет-газете Space.com Алан Стерн, руководитель миссии «Новые горизонты». – Мы еще сможем предпринять одну исследовательскую миссию после “Кьюриосити”, но это все. Это какое-то сумасшествие. Безответственно подходить так близко к краю пропасти».

«Я считаю, что в подкомитете, контролирующем бюджет Министерства энергетики, сидят люди, которые настроены против возобновления производства плутония-238, – сказал в интервью Space.com Алан Стерн. – У них достаточно власти, чтобы не допустить это, что они уже весьма эффективно делают в течение ряда лет. Нам нужно обращаться к русским, чтобы попасть на орбитальную станцию, мы уже не можем исследовать Луну так, как в те времена, когда я был еще мальчишкой, а теперь еще и лишимся способности исследовать Солнечную систему до самых ее границ. Это ослабляет Соединенные Штаты и ничего, кроме чувства глубокого разочарования, вызвать не может. Нужно открыто назвать имена тех людей, которые блокируют возобновление производства плутония-238. Это – антипатриоты».

В 2012 году, после нескольких попыток, администрации Обамы удалось протащить через Конгресс финансирование для восстановления производства плутония-238, при условии, что НАСА оплатит ремонт устаревшей инфраструктуры в Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико. По окончании ремонта Департамент энергетики начнет выпускать 1,5 килограмма плутония-238 в год. Это позволит довести оставшиеся 18 кг плутония к необходимому уровню тепловыделения для использования в MMRTG. Даже если производство плутония не сразу выйдет на запланированные 1,5 кг в год, запаса плутония хватает на ближайшее десятилетие. Пока НАСА планирует только одну миссию с использованием плутония - Марс 2020 , проект идентичный марсоходу «Curiosity». О планах относительно оставшегося плутония пока неизвестно. НАСА необходимо запланировать расширение производства необходимого изотопа и также возродить закрытый в 2013 году проект

Он поистине драгоценен.

Предыстория и история

Вначале были протоны – галактический водород. В результате его сжатия и последовавших затем ядерных реакций образовались самые невероятные «слитки» нуклонов. Среди них, этих «слитков», были, по-видимому, и содержащие по 94 протона. Оценки теоретиков позволяют считать, что около 100 нуклонных образований, в состав которых входят 94 протона и от 107 до 206 нейтронов, настолько стабильны, что их можно считать ядрами изотопов элемента №94.

Но все эти изотопы – гипотетические и реальные – не настолько стабильны, чтобы сохраниться до наших дней с момента образования элементов солнечной системы. Период полураспада самого долгоживущего изотопа элемента №94 – 75 млн лет. Возраст Галактики измеряется миллиардами лет. Следовательно, у «первородного» плутония не было шансов дожить до наших дней. Если он и образовывался при великом синтезе элементов Вселенной, то те давние его атомы давно «вымерли», подобно тому как вымерли динозавры и мамонты.

В XX в. новой эры, нашей эры, этот элемент был воссоздан. Из 100 возможных изотопов плутония синтезированы 25. У 15 из них изучены ядерные свойства. Четыре нашли практическое применение. А открыли его совсем недавно. В декабре 1940 г. при облучении урана ядрами тяжелого водорода группа американских радиохимиков во главе с Гленном Т. Сиборгом обнаружила неизвестный прежде излучатель альфа-частиц с периодом полураспада 90 лет. Этим излучателем оказался изотоп элемента №94 с массовым числом 238. В том же году, но несколькими месяцами раньше Э.М. Макмиллан и Ф. Эйбельсон получили первый элемент, более тяжелый, чем уран, – элемент №93. Этот элемент назвали нептунием , а 94-й – плутонием. Историк определенно скажет, что названия эти берут начало в римской мифологии, но в сущности происхождение этих названий скорее не мифологическое, а астрономическое.

Элементы №92 и 93 названы в честь далеких планет солнечной системы – Урана и Нептуна, но и Нептун в солнечной системе – не последний, еще дальше пролегает орбита Плутона – планеты, о которой до сих пор почти ничего не известно... Подобное же построение наблюдаем и на «левом фланге» менделеевской таблицы: uranium – neptunium – plutonium, однако о плутонии человечество знает намного больше, чем о Плутоне. Кстати, Плутон астрономы открыли всего за десять лет до синтеза плутония – почти такой же отрезок времени разделял открытия Урана – планеты и урана – элемента.

Загадки для шифровальщиков

Первый изотоп элемента №94 – плутоний-238 в наши дни нашел практическое применение. Но в начале 40-х годов об этом и не думали. Получать плутоний-238 в количествах, представляющих практический интерес, можно, только опираясь на мощную ядерную промышленность. В то время она лишь зарождалась. Но уже было ясно, что, освободив энергию, заключенную в ядрах тяжелых радиоактивных элементов, можно получить оружие невиданной прежде силы. Появился Манхэттенский проект, не имевший ничего, кроме названия, общего с известным районом Нью-Йорка. Это было общее название всех работ, связанных с созданием в США первых атомных бомб. Руководителем Манхэттенского проекта был назначен не ученый, а военный – генерал Гровс, «ласково» величавший своих высокообразованных подопечных «битыми горшками».

Руководителей «проекта» плутоний-238 не интересовал. Его ядра, как, впрочем, ядра всех изотопов плутония с четными массовыми числами, нейтронами низких энергий* не делятся, поэтому он не мог служить ядерной взрывчаткой. Тем не менее первые не очень внятные сообщения об элементах №93 и 94 попали в печать лишь весной 1942 г.

* Нейтронами низких энергий мы называем нейтроны, энергия которых не превышает 10 кэВ. Нейтроны с энергией, измеряемой долями электронвольта, называются тепловыми, а самые медленные нейтроны – с энергией меньше 0,005 эВ – холодными. Если же энергия нейтрона больше 100 кэВ, то такой нейтрон считается уже быстрым.

Чем это объяснить? Физики понимали: синтез изотопов плутония с нечетными массовыми числами – дело времени, и недалекого. От нечетных изотопов ждали, что, подобно урану-235, они смогут поддерживать цепную ядерную реакцию. В них, еще не полученных, кое-кому виделась потенциальная ядерная взрывчатка. И эти надежды плутоний, к сожалению, оправдывал.

В шифровках того времени элемент №94 именовался не иначе, как... медью. А когда возникла необходимость в самой меди (как конструкционном материале для каких-то деталей), то в шифровках наряду с «медью» появилась «подлинная медь».

«Древо познания добра и зла»

В 1941 г. был открыт важнейший изотоп плутония – изотоп с массовым числом 239. И почти сразу же подтвердилось предсказание теоретиков: ядра плутония-239 делились тепловыми нейтронами. Более того, в процессе их деления рождалось не меньшее число нейтронов, чем при делении урана-235. Тотчас же были намечены пути получения этого изотопа в больших количествах...

Прошли годы. Теперь уже ни для кого не секрет, что ядерные бомбы, хранящиеся в арсеналах, начинены плутонием-239 и что их, этих бомб, достаточно, чтобы нанести непоправимый ущерб всему живому на Земле.

Распространено мнение, что с открытием цепной ядерной реакции (неизбежным следствием которого стало создание ядерной бомбы) человечество явно поторопилось. Можно думать по-другому или делать вид, что думаешь по-другому, – приятнее быть оптимистом. Но и перед оптимистами неизбежно встает вопрос об ответственности ученых. Мы помним триумфальный июньский день 1954 г., день, когда дала ток первая атомная электростанция в Обнинске. Но мы не можем забыть и августовское утро 1945 г. – «утро Хиросимы», «черный день Альберта Эйнштейна»... Помним первые послевоенные годы и безудержный атомный шантаж – основу американской политики тех лет. А разве мало тревог пережило человечество в последующие годы? Причем эти тревоги многократно усиливались сознанием, что, если вспыхнет новая мировая война, ядерное оружие будет пущено в ход.

Здесь можно попробовать доказать, что открытие плутония не прибавило человечеству опасений, что, напротив, оно было только полезно.

Допустим, случилось так, что по какой-то причине или, как сказали бы в старину, по воле божьей, плутоний оказался недоступен ученым. Разве уменьшились бы тогда наши страхи и опасения? Ничуть не бывало. Ядерные бомбы делали бы из урана-235 (и в не меньшем количестве, чем из плутония), и эти бомбы «съедали» бы еще большие, чем сейчас, части бюджетов.

Зато без плутония не существовало бы перспективы мирного использования ядерной энергии в больших масштабах. Для «мирного атома» просто не хватило бы урана-235. Зло, нанесенное человечеству открытием ядерной энергии, не уравновешивалось бы, пусть даже частично, достижениями «доброго атома».

Как измерить, с чем сравнить

Когда ядро плутония-239 делится нейтронами на два осколка примерно равной массы, выделяется около 200 МэВ энергии. Это в 50 млн раз больше энергии, освобождающейся в самой известной экзотермической реакции C + O 2 = CO 2 . «Сгорая» в ядерном реакторе, грамм плутония дает 2·10 7 ккал. Чтобы не нарушать традиции (а в популярных статьях энергию ядерного горючего принято измерять внесистемными единицами – тоннами угля, бензина, тринитротолуола и т.д.), заметим и мы: это энергия, заключенная в 4 т угля. А в обычный наперсток помещается количество плутония, энергетически эквивалентное сорока вагонам хороших березовых дров.

Такая же энергия выделяется и при делении нейтронами ядер урана-235. Но основную массу природного урана (99,3%!) составляет изотоп 238 U, который можно использовать, только превратив уран в плутоний...

Энергия камней

Оценим энергетические ресурсы, заключенные в природных запасах урана.

Уран – рассеянный элемент, и практически он есть всюду. Каждому, кто побывал, к примеру, в Карелии, наверняка запомнились гранитные валуны и прибрежные скалы. Но мало кто знает, что в тонне гранита до 25 г урана. Граниты составляют почти 20% веса земной коры. Если считать только уран-235, то в тонне гранита заключено 3,5·10 5 ккал энергии. Это очень много, но...

На переработку гранита и извлечение из него урана нужно затратить еще большее количество энергии – порядка 10 6 ...10 7 ккал/т. Вот если бы удалось в качестве источника энергии использовать не только уран-235, а и уран-238, тогда гранит можно было бы рассматривать хотя бы как потенциальное энергетическое сырье. Тогда энергия, полученная из тонны камня, составила бы уже от 8·10 7 до 5·10 8 ккал. Это равноценно 16...100 т угля. И в этом случае гранит мог бы дать людям почти в миллион раз больше энергии, чем все запасы химического топлива на Земле.

Но ядра урана-238 нейтронами не делятся. Для атомной энергетики этот изотоп бесполезен. Точнее, был бы бесполезен, если бы его не удалось превратить в плутоний-239. И что особенно важно: на это ядерное превращение практически не нужно тратить энергию – напротив, в этом процессе энергия производится!

Попробуем разобраться, как это происходит, но вначале несколько слов о природном плутонии.

В 400 тысяч раз меньше, чем радия

Уже говорилось, что изотопы плутония не сохранились со времени синтеза элементов при образовании нашей планеты. Но это не означает, что плутония в Земле нет.

Он все время образуется в урановых рудах. Захватывая нейтроны космического излучения и нейтроны, образующиеся при самопроизвольном (спонтанном) делении ядер урана-238, некоторые – очень немногие – атомы этого изотопа превращаются в атомы урана-239. Эти ядра очень нестабильны, они испускают электроны и тем самым повышают свой заряд. Образуется нептуний – первый трансурановый элемент. Нептуний-239 тоже весьма неустойчив, и его ядра испускают электроны. Всего за 56 часов половина нептуния-239 превращается в плутоний-239, период полураспада которого уже достаточно велик – 24 тыс. лет.

Почему не добывают плутоний из урановых руд? Мала, слишком мала концентрация. «В грамм добыча – в год труды» – это о радии, а плутония в рудах содержится в 400 тыс. раз меньше, чем радия. Поэтому не только добыть – даже обнаружить «земной» плутоний необыкновенно трудно. Сделать это удалось только после того, как были изучены физические и химические свойства плутония, полученного в атомных реакторах.

Когда 2,70 >> 2,23

Накапливают плутоний в ядерных реакторах. В мощных потоках нейтронов происходит та же реакция, что и в урановых рудах, но скорость образования и накопления плутония в реакторе намного выше – в миллиард миллиардов раз. Для реакции превращения балластного урана-238 в энергетический плутоний-239 создаются оптимальные (в пределах допустимого) условия.

Если реактор работает на тепловых нейтронах (напомним, что их скорость – порядка 2000 м в секунду, а энергия – доли электронвольта), то из естественной смеси изотопов урана получают количество плутония, немногим меньшее, чем количество «выгоревшего» урана-235. Немногим, но меньшее, плюс неизбежные потери плутония при химическом выделении его из облученного урана. К тому же цепная ядерная реакция поддерживается в природной смеси изотопов урана только до тех пор, пока не израсходована незначительная доля урана-235. Отсюда закономерен вывод: «тепловой» реактор на естественном уране – основной тип ныне действующих реакторов – не может обеспечить расширенного воспроизводства ядерного горючего. Но что же тогда перспективно? Для ответа на этот вопрос сравним ход цепной ядерной реакции в уране-235 и плутонии-239 и введем в наши рассуждения еще одно физическое понятие.

Важнейшая характеристика любого ядерного горючего – среднее число нейтронов, испускаемых после того, как ядро захватило один нейтрон. Физики называют его эта-числом и обозначают греческой буквой η. В «тепловых» реакторах на уране наблюдается такая закономерность: каждый нейтрон порождает в среднем 2,08 нейтрона (η = 2,08). Помещенный в такой реактор плутоний под действием тепловых нейтронов дает η = 2,03. Но 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 развиваться и в «быстром» реакторе. При этом η будет равно уже 2,23. А плутоний, помещенный под обстрел быстрыми нейтронами, даст η, 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 колоссальная энергия 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 η = 2,23, и на 12%, если η = 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 η в ядерной энергетике.

Сумма многих технологий

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 актиноидов. 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 актиноидов 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 актиноидов – урана, нептуния и плутония – может быть основано на разнице в свойствах их четырех- и шестивалентных соединений.

Нет нужды подробно описывать все стадии химического разделения плутония и урана. Обычно разделение их начинают с растворения урановых брусков в азотной кислоте, после чего содержащиеся в растворе уран, нептуний, плутоний и осколочные элементы «разлучают», применяя для этого уже традиционные радиохимические методы – соосаждение с носителями, экстракцию, ионный обмен и другие. Конечные плутонийсодержащие продукты этой многостадийной технологии – его двуокись PuO 2 или фториды – PuF 3 или PuF 4 . Их восстанавливают до металла парами бария, кальция или лития. Однако полученный в этих процессах плутоний не годится на роль конструкционного материала – тепловыделяющих элементов энергетических ядерных реакторов из него не сделать, заряда атомной бомбы не отлить. Почему? Температура плавления плутония – всего 640°C – вполне достижима.

При каких бы «ультращадящих» режимах ни отливали детали из чистого плутония, в отливках при затвердевании всегда появятся трещины. При 640°C твердеющий плутоний образует кубическую кристаллическую решетку. По мере уменьшения температуры плотность металла постепенно растет. Но вот температура достигла 480°C, 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°C, и атомы снова образовали кубическую решетку, но расположились на большем, чем в первом случае, расстоянии друг от друга. При дальнейшем охлаждении 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.

Когда температура достигает 122°C и атомы плутония в шестой раз перестраивают свои ряды, плотность меняется особенно сильно – от 17,77 до 19,82 г/см 3 . 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 детали 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 кг. Он без труда поместился бы в кубике с размером ребра 10 см.

Тяжелые изотопы

В плутонии-239 в незначительном количестве содержатся и высшие изотопы этого элемента – с массовыми числами 240 и 241. Изотоп 240 Pu практически бесполезен – этот балласт в плутонии. Из 241-го получают америций – элемент №95. В чистом виде, без примеси других изотопов, длутоний-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 – 242 Pu можно получить, облучая длительное время 239 Pu в потоках нейтронов. 242 Pu 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 плутоний-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-251 потребуется около 20 лет.

Можно сократить время накопления высших изотопов, увеличив интенсивность потока нейтронов в реакторе. Так и делают, но тогда нельзя облучать большое количество плутония-239. Ведь этот изотоп делится нейтронами, и в интенсивных потоках выделяется слишком много энергии. Возникают дополнительные сложности с охлаждением контейнера и реактора. Чтобы избежать этих сложностей, пришлось бы уменьшить количество облучаемого плутония. Следовательно, выход калифорния стал бы снова мизерным. Замкнутый круг!

Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках... Поэтому в реакторах из этого изотопа «делают» и накапливают в весовых количествах все элементы от калифорния до эйнштейния.

Не самый тяжелый, но самый долгоживущий

Всякий раз, когда учеными удавалось получить новый изотоп плутония, измеряли период полураспада его ядер. Периоды полураспада изотопов тяжелых радиоактивных ядер с четными массовыми числами меняются закономерно. (Этого нельзя сказать о нечетных изотопах.)

Рис. 8.

Посмотрите на график, где отражена зависимость периода полураспада четных изотопов плутония от массового числа. С увеличением массы растет и «время жизни» изотопа. Несколько лет назад высшей точки этого графика был плутоний-242. А дальше как пойдет эта кривая – с дальнейшим ростом массового числа? В точку 1 , которая соответствует времени жизни 30 млн, лет, или в точку 2 , которая отвечает уже 300 млн лет? Ответ на этот вопрос был очень важен для наук о Земле. В первом случае, если бы 5 млрд лет назад Земля целиком состояла из 244 Pu, сейчас во всей массе Земли остался бы только один атом плутония-244. Если же верно второе предположение, то плутоний-244 может быть в Земле в таких концентрациях, которые уже можно было бы обнаружить. Если бы посчастливилось найти в Земле этот изотоп, наука получила бы ценнейшую информацию о процессах, происходивших при формировании нашей планеты.

Несколько лет назад перед учеными встал вопрос: стоит ли пытаться найти тяжелый плутоний в Земле? Для ответа на него нужно было прежде всего определить период полураспада плутония-244. Теоретики не могли рассчитать эту величину с нужной точностью. Вся надежда была только на эксперимент.

Плутоний-244 накопили в ядерном реакторе. Облучали элемент №95 – америций (изотоп 243 Am). Захватив нейтрон, этот изотоп переходил в америций-244; америций-244 в одном из 10 тыс. случаев переходил в плутоний-244.

Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония-244. Образец весил всего несколько миллионных долей грамма. Но их хватило для того чтобы определить период полураспада этого интереснейшего изотопа. Он оказался равным 75 млн лет. Позже другие исследователи уточнили период полураспада плутония-244, но ненамного – 82,8 млн лет. В 1971 г. следы этого изотопа нашли в редкоземельном минерале бастнезите.

Много попыток предпринимали ученые, чтобы найти изотоп трансуранового элемента, живущий дольше, чем 244 Pu. Но все попытки остались тщетными. Одно время возлагали надежды на кюрий-247, но после того, как этот изотоп был накоплен в реакторе, выяснилось, что его период полураспада всего 14 млн лет. Побить рекорд плутония-244 не удалось, – это самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов.

Еще более тяжелые изотопы плутония подвержены бета-распаду, и их время жизни лежит в интервале от нескольких дней до нескольких десятых секунды. Мы знаем наверное, что в термоядерных взрывах образуются все изотопы плутония, вплоть до 257 Pu. Но их время жизни – десятые доли секунды, и изучить многие короткоживущие изотопы плутония пока не удалось.

Возможности первого изотопа

И напоследок – о плутонии-238 – самом первом из «рукотворных» изотопов плутония, изотопе, который вначале казался бесперспективным. В действительности это очень интересный изотоп. Он подвержен альфа-распаду, т.е. его ядра самопроизвольно испускают альфа-частицы – ядра гелия. Альфа-частицы, порожденные ядрами плутония-238, несут большую энергию; рассеявшись в веществе, эта энергия превращается в тепло. Как велика эта энергия? Шесть миллионов электрон-вольт освобождается при распаде одного атомного ядра плутония-238. В химической реакции та же энергия выделяется при окислении нескольких миллионов атомов. В источнике электричества, содержащем один килограмм плутония-238, развивается тепловая мощность 560 ватт. Максимальная мощность такого же по массе химического источника тока – 5 ватт.

Существует немало излучателей с подобными энергетическими характеристиками, но одна особенность плутония-238 делает этот изотоп незаменимым. Обычно альфа-распад сопровождается сильным гамма-излучением, проникающим через большие толщи вещества. 238 Pu – исключение. Энергия гамма-квантов, сопровождающих распад его ядер, невелика, защититься от нее несложно: излучение поглощается тонкостенным контейнером. Мала и вероятность самопроизвольного деления ядер этого изотопа. Поэтому он нашел применение не только в источниках тока, но и в медицине. Батарейки с плутонием-238 служат источником энергии в специальных стимуляторах сердечной деятельности.

Но 238 Pu не самый легкий из известных изотопов элемента №94, получены изотопы плутония с массовыми числами от 232 до 237. Период полураспада самого легкого изотопа – 36 минут.

Плутоний – большая тема. Здесь рассказано главное из самого главного. Ведь уже стала стандартной фраза, что химия плутония изучена гораздо лучше, чем химия таких «старых» элементов, как железо. О ядерных свойствах плутония написаны целые книги. Металлургия плутония – еще один удивительный раздел человеческих знаний... Поэтому не нужно думать, что, прочитав этот рассказ, вы по-настоящему узнали плутоний – важнейший металл XX в.