Калифорний: факты и фактики

Откуда взялся калифорний на Земле? Предположительно, из ядерного взрыва. Мощный поток нейтронов, возникающих в процессе цепной реакции, вызывает серию ядерных превращений примерно по такой схеме: атом урана или плутония захватывает нейтрон и если не делится, то претерпевает распад — испускает либо альфа-, либо бета-частицу. В первом случае он перепрыгивает через один элемент назад, а во втором становится следующим элементом. Захватив новый нейтрон, тот, в свою очередь, может претерпеть бета-распад и увеличить свой номер еще на единицу. А может до того поймать еще один нейтрон и стать более тяжелым изотопом следующего элемента — это называется r-процесс. Так, в те несколько долей секунды, которые длится активная фаза взрыва и плотность потока нейтронов высока, неизбежно образуется какое-то количество атомов тяжелых элементов и, в частности, калифорния. Во всяком случае, так утверждает Томас Альбрехт-Шмитт из университета штата Флорида, опубликовавший соответствующую статью о калифорнии в сентябрьском номере журнала «Nature Chemistry» за 2014 год. Причем образуются какие-то долгоживущие изотопы, коль скоро их обнаружили при анализе мест ядерных взрывов 40-х годов. Кстати, самые долгоживущие изотопы: калифорний-251 с периодом полураспада 898 лет и калифорний-249 — 345 лет. То есть родившиеся в ядерных и термоядерных испытаниях атомы калифорния вполне могут сохраниться до сих пор. Однако поскольку соответствующие документы о последствиях ядерных взрывов были засекречены, официально рождение калифорния приходится на опыты Гленна Сиборга в феврале 1950 года по бомбардировке мишеней в циклотроне в Беркли: для калифорния мишенью служил кюрий, а снарядом — альфа-частица. Как пишет Альбрехт-Шмитт, есть подозрения, что калифорний вместе с порождающим его кюрием, а также америцием имеется и в отработанном ядерном топливе. Поскольку атомщики заинтересованы в переработке этого топлива, сейчас активно развивается химия калифорния и других тяжелых актиноидов: очищать от них нужно и само топливо, и получающиеся при этом жидкие отходы. Ведь калифорний спососо6ен спонтанно делиться, а дополнительный расщепляющийся элемент в придачу к урану в топливном стержне совсем не нужен, и, кроме того, активность всех трех элементов очень велика — убрав их, можно снизить вредоносность таких жидких отходов.

Где во Вселенной рождается калифорний? Как и в атомном взрыве — там, где есть мощные потоки нейтронов: это взрывы и слияния звезд. Первое наблюдение в режиме реального времени слияния нейтронных звезд позволило внести некоторую конкретику в этот процесс. Напомним, что такая возможность представилась астрофизикам в результате фиксации 17 августа 2017 года гравитационной волны детекторами LIGO и VIRGO, благодаря чему удалось быстро вычислить координаты события и направить туда телескопы (см. «Химию и жизнь» 2017 №11). В ходе этих наблюдений было детально охарактеризовано явление килоновой — последствия слияния нейтронных звезд или поглощения нейтронной звезды черной дырой. Мощность свечения при этом в тысячу раз больше, чем при образовании новой — результата слияния, например, красных карликов, но в тысячу раз меньше, чем у сверхновой — взрыва одной звезды. Сейчас считается, что килоновые из-за огромной плотности потока нейтронов ответственны за образование большей части тяжелых изотопов элементов, стоящих после железа, вследствие упомянутого r-процесса. В ходе вспышки астрономы наблюдали дополнительный разогрев стремительно расширяющегося облака продуктов взрыва и для объяснения его прибегли к гипотезе, что это связано с делением ядер изотопов, которые сформировались ранее при нейтронной бомбардировке: при этом может высвобождаться очень много энергии. Однако существует ли элемент, который даст основной вклад? Расчет показывает, что это калифорний-254. Он получается в результате цепочки бета-распадов предшественников, которые все живут считаные мгновения: на весь калифорниевый синтез уходит от силы два часа времени. А сам этот изотоп — долгоживущий, его период полураспада составляет 60 дней. То есть основной разогрев от деления его ядер приходится на период 25—100 дней после слияния звезд: именно такие временные рамки разогрева и были получены в результате наблюдений. Другие же изотопы как калифорния, так и иных спонтанно делящихся элементов живут либо слишком мало, либо слишком долго и не могут обеспечить наблюдаемый разогрев продуктов взрыва. Видимо, дальнейшие наблюдения таких слияний позволят подтвердить или опровергнуть эту точку зрения — в первом случае телескопы в инфракрасном диапазоне будут видеть вспышку в несколько раз дольше, чем во втором (arXiv:1806.09724v1 [astro-ph.HE]).

Как получают калифорний? Его делают в специальных реакторах с большим потоком нейтронов. Таких реакторов на Земле два — в американском Окридже и в нашем Димитровграде. На первый приходится 70% изготавливаемого калифорния-252, а годовой объем этого производства составляет примерно 25 мг. Чтобы сделать калифорний, надо сначала получить фермий и с помощью нейтронов обратить его в берклий-249. Тот, поймав нейтрон, станет берклием-250 и за счет бета-распада обратится в калифорний-250. Получив еще два нейтрона, он и станет желаемым калифорнием-252. Стоит калифорний в сотни тысяч раз дороже золота — десятки миллионов долларов за грамм.

Зачем нужен калифорний-252? Этот наиболее востребованный изотоп не распадается — он делится, причем период его полураспада не мал и не велик — 2,6 года. При делении получаются не только осколки, но и много нейтронов с широким спектром энергий — один миллиграмм калифорния-252 в секунду выделяет 2,5 млрд нейтронов. Неудивительно, что на его основе сделали множество нейтронных источников. Они нужны для нескольких видов работы. Вот их перечень. Нейтроны помогают проводить нейтрон-активационный анализ на присутствие какого-то элемента. Схема его такова: нейтрон попадает в атом элемента и превращает его в радиоактивный изотоп. При распаде тот дает, например, гамма-квант, который удается зафиксировать. Так легко обнаруживать взрывчатку — в ней много атомов азота, и они светятся под нейтронным лучом. Мощный нейтронный поток от калифорниевого источника позволяет эту процедуру проводить быстро — в 80-х годах их стали устанавливать в аэропортах для борьбы с террористами. Сейчас, правда, на смену приходят другие источники нейтронов, менее опасные и не такие дорогие. Благодаря высокой проникающей способности нейтроны калифорния проходят сквозь почву и позволяют находить противопехотные и противотанковые мины. Используют их и для просвечивания крупных металлических конструкций — в них ищут дефекты. Важны такие портативные источники и для геологов — вызывая свечение воды и нефти, они дают пространственное расположение нефтеносных слоев под буровой. Очень важная функция калифорниевых источников — запуск ядерной реакции в топливных блоках атомных электростанций: нейтроны нужны для инициации цепной реакции. Третья большая область применения — онкология. Нейтроны оказывают гораздо более разрушительное действие на клетки, нежели мягкие виды облучения. Поэтому в 80-х годах калифорний начали применять при неоперабельных видах рака в различных полостях — раке матки, раке желудка. Как правило, сначала опухоль насыщают бором, он-то и ловит нейтроны калифорния, обеспечивая высокую дозу вторичного облучения именно в нужном месте. Нельзя сказать, что удается достичь существенного успеха — рак и был и остается неизлечимой болезнью. Но вот, например, свежие данные врачей из Полицейского госпиталя Гуандуна («Chinese Journal of Cancer»), которые лечили калифорниевым облучением рак матки. Спустя три года после лечения у пациенток с первой стадией не было замечено следов болезни в 86% случаев, а общая выживаемость составила 90%, при 2 и 3 стадиях, соответственно 65 и 85%, а вот при четвертой стадии получилось гораздо хуже — 0 и 17%. При этом, согласно китайской статистике, при химиотерапии выживаемость за пять лет при 2 и 3 стадиях рака составляет 53—74%, а для 4 стадии — 20—30%. В общем, медики внимательно присматриваются к этому новому методу лечения и пытаются подобрать более эффективные методики, только дело это небыстрое.

Зачем калифорний физикам? Этот элемент участвует в уникальных экспериментах, которыми физики пытаются выяснять пути синтеза новых элементов. Один из них — опыты по изучению ионов с большим содержанием нейтронов, которые проводят в Аргоннской национальной лаборатории Минэнерго США на установке CARIBU (Californium Rare Isotope Breeder Upgrade). Источником этих ионов как раз и служит калифорний-252. При его спонтанном делении образуются осколки — ионы менее тяжелых элементов, которые еще не пришли в равновесие и содержат много лишних нейтронов. Их бережно собирают и охлаждают в ловушке, заполненной гелием, разделяют с помощью магнитных полей, электронным пучком сдирают значительную часть электронных оболочек, и такие полуголые ядра собирают в пучки, которые либо отправляют в линейный ускоритель, где разгоняют до высоких энергий, либо отправляют в установку низкоэнергетических пучков. Эти ионы и служат объектами либо инструментами исследований. Есть предложения использовать калифорниевые ионы для решения чрезвычайно важного вопроса: постоянна ли постоянная тонкой структуры — одна из важнейших фундаментальных констант, определяющих конфигурацию нашего мира. Подозрения о том, что она меняется либо с течением времени, либо в пространстве, стали закрадываться после выявления особенностей спектров свечения квазаров — они как раз расположены на границе видимой Вселенной, то есть очень давно и далеко от нас. По идее, заметить аномалии в поведении постоянной тонкой структуры можно и на Земле, проследив за изменениями спектральных линий в точнейших атомных часах. Однако в имеющихся часах точность измерения слишком мала для этого. Ее можно поднять, если использовать ионы, потерявшие много электронов, и весьма перспективными оказываются ионы радиоактивных актиноидов — Cf¹⁵⁺, Es ¹⁶⁺ и Es ¹⁷⁺ (arXiv:1502.01096v1 [physics.atom-ph]). А вот у калифорния-249 есть совершенно неожиданное использование — именно из него была сделана мишень весом в 10 мг, бомбардировкой которой ядрами кальция-48 был получен самый тяжелый элемент таблицы Менделеева — 118, оганессон. К сожалению, калифорний оказался последним мало-мальски стабильным элементом, из которого можно сделать мишень, — остальные живут столь мало, что провести опыты по их бомбардировке проверенным кальцием-48 нельзя. Поэтому после синтеза оганессона физики взяли паузу и ищут новые идеи для дальнейшего продвижения в сторону гипотетического острова стабильности со сверхтяжелыми элементами. Сейчас в Дубне строят фабрику тяжелых элементов — модернизируют ускоритель тяжелых ионов, чтобы вести обстрел мишени десятикратно более мощным пучком. Предполагается, что такой пучок из ядер титана-44 при ударе о мишень из калифорния даст первые изотопы 119-го элемента.

Калифорниевые источники, изготавливаемые американской компанией «Frontier Technology» Фото: Frontier Technology Corporation

Можно ли из калифорния сделать атомную пулю? Нет, только маленький ракетный снаряд. Расчет тут простой. Спонтанно-делящийся элемент может взорваться в результате развития цепной реакции. Однако его масса должна быть больше критической – при меньшей массе нейтронов для поддержания цепной реакции не хватит. Критическая масса калифорния-252 – 2,7 кг. При плотности 15 г/см^³ это будет цилиндр высотой 15 см и диаметром 2 см. И по размеру, и по массе это соответствует ударной части противотанкового снаряда. Однако при огромной стоимости калифорния нет никакого смысла использовать такой снаряд, чтобы вывести из строя многократно более дешевый танк. Поэтому использовать калифорний в качестве компонента вооружений можно только в фантастических произведениях.