Нептуний: факты и фактики

Мотыляев А.
(«ХиЖ», 2019, №6)

pic_2019_06_22.jpgКакое отношение имеет нептуний к атомной бомбе? Самое прямое. Уран-238, поймав нейтрон от деления урана-235, становится короткоживущим ураном-239. Тот, испустив бета-электрон, превращается в следующий элемент Периодической таблицы. А это и есть нептуний, изотоп 239. Он также нестабилен, и, избавившись еще от одного бета-электрона с периодом полураспада 2,33 дня, порождает плутоний-239. Вот этот плутоний и служит зарядом для атомной бомбы, которая взрывается гораздо лучше, чем сделанная из другого делящегося изотопа — урана-235. Из-за малого времени жизни нептуний-239 не выделяют, но он неизбежный участник наработки оружейного плутония.


Можно ли из нептуния сделать бомбу? Да — из долгоживущего изотопа нептуния-237; его период полураспада 2,2 млн лет, и он, подобно урану-235 и плутонию-239, способен делиться при попадании в ядро лишнего нейтрона. Однако у него есть недостатки. Во-первых, шар критической массы весит более 50 кг (диаметр — 18 см). Это примерно как у урана-235 и много больше, чем у плутония-239. Зато радиоактивность нептуния в тысячу раз больше, чем у плутония. Иными словами, работать с ним гораздо сложнее. В природе нептуний практически отсутствует — получают его в атомных реакторах. При этом в реакторе электростанции его вырабатывается раз в пятнадцать меньше, чем плутония-239. В общем, все эти обстоятельства привели к тому, что не стал нептуний зарядом атомной бомбы.

Однако специалисты по ядерной безопасности выражают некоторую тревогу в связи с тем, что оборот урана и плутония как известных материалов для изготовления бомбы, строго регулируется, а в отношении нептуния ситуация несколько сложнее. Так, исследователи из Лос-Аласмосской национальной лаборатории Минэнерго США отмечают в статье, которую опубликовал журнал «Talanta» в октябре 2016 года, что сейчас в 130 странах имеется 704 предприятия и 563 базы хранения, откуда злоумышленники могут похить ядерные материалы, в частности, нептуний. И если эксперты не готовы к идентификации этого элемента, ситуация не очень хороша. Для проверки такой готовности, в своей лаборатории они приготовили 4 грамма оксида нептуния, поместили его в стандартный контейнер, куда обычно криминалисты помещают подозрительные вещества и передали на экспертизу, чтобы выяснить, откуда этот нептуний мог взяться. При этом исследователи столкнулись с тем, что подходящих стандартов для калибровки аппаратуры под нептуний-237 нет; им пришлось всё изобретать с нуля, используя перекрестные исследования разными методами. Итог оказался неплохим. Так, было определено, что этот нептуний получен из несколько раз переработанного ядерного топлива и при этом его уже использовали для производства плутония-238, причем давно. В США есть всего два таких производства — Окриджская лаборатория и предприятие в Саванна-Ривер. Оттуда нептуний и был получен.


pic_2019_06_22-1.jpg

Робот проверяет пеллеты из нептуния-237 перед закладкой их в реактор для нейтроной бомбардировки

Фото: Oak Ridge National Laboratory

Откуда берется нептуний-237? Из того же урана-238, что и нептуний-239. Дело в том, что этот изотоп урана способен на хитрости: поймав нейтрон, он может не сразу испытать распад, а выплюнуть два нейтрона, став ураном-237, который и превратится в нептуний-237. Вероятность этой реакции невелика, оттого и наработка нептуния в реакторе идет медленнее, чем плутония.


Как открыли нептуний? Это была почти детективная история, подробности которой можно прочитать в статье кандидата технических наук В.И. Кузнецова (см. «Химию и жизнь», 1973, 10). Начало положил Энрико Ферми в 30-е годы. Его заинтересовал вопрос — а что будет, если обстрелять нейтронами мишень из какого-то элемента? В отличие от альфа-частиц (второй снаряд, имевшийся тогда в руках исследователей), они лишены заряда и могут легко проникнуть в глубь ядра, вызвав ядерную реакцию. Какую — тогда было неизвестно. В своей римской лаборатории он и стал обстреливать все имевшиеся под рукой элементы. Какие-то на нейтроны никак не реагировали, какие-то давали остаточную радиацию.

Но вот дело дошло до урана. Ферми ожидал, что получится следующий элемент, с номером 93, а по своим химическим свойствам он будет подобен рению (тогда еще не знали, что существует семейство актиноидов, и ставили уран под вольфрамом, в седьмой ряд таблицы Менделеева, следующий же элемент оказывался под рением). Однако уран давал много радиоактивных продуктов. Среди них вроде выделили нечто похожее на радиоактивный рений, но оставались какие-то сомнения. Тем временем немцы Отто Ган и Фриц Штрассман, работая в Берлине, обнаружили, что ядро урана при бомбардировке делится и дает ядра доурановых элементов. То есть найденный радиоактивный рений вполне мог быть именно рением, а не элементом 93.

Открытие деления заинтересовало многих физиков. В частности, Эдвин Макмиллан в Калифорнийском университете в Беркли стал изучать спектр осколков деления урана. Опыт был поставлен остроумно. В качестве детектора взяли пачку папиросной бумаги, на первый лист нанесли оксид урана и поставили эту мишень под мощнейший, несравнимо более сильный, чем у Ферми, поток нейтронов: его получали с помощью синхротрона. Исследователи анализировали радиоактивность каждого листка бумаги: чем легче осколок, тем дальше он должен был отлететь.

И вот в первом листке была обнаружена радиоактивность с двумя периодами полураспада — 23 минуты и 2,3 дня. С первым было ясно — это уран-239: его тяжелое ядро не могло покинуть исходный лист бумаги. Логично было предположить, что второй период принадлежит его дочернему продукту — 239-му изотопу 93-го элемента. Тщательные опыты, проведенные вместе с коллегой Филиппом Эйбельсоном, который случайно в это время приехал в Беркли к другу на каникулы, доказали: да, это новый элемент; его назвали нептунием, исходя из того, что в Солнечной системе Нептун следует за Ураном.


Что такое седьмая валентность нептуния? Это важное открытие советских химиков. Нептуний входит в семейство актиноидов, и по своим химическим свойствам он должен быть близок к актинию и проявлять валентность два или три. Однако уже уран нарушает это правило. А нептуний и плутоний оказались рекордсменами — они способны отдать другим атомам все семь электронов, которые находятся на трех внешних оболочках. Теоретически плутоний мог бы отдать и восемь, но этого обнаружить не удалось.

История открытия была такова. Нептуний неизбежно получается при разделении продуктов ядерной реакции, в частности при очистке оружейного плутония. Отрабатывая технологию очистки, исследователи накопили некоторое количество нептуния. Н.Н. Крот, тогда молодой специалист, поинтересовался у руководителя, академика В.И. Спицына, что ему с этим элементом делать. «Как что? Исследовать свойства!» — ответил тот. Тогда-то и возникла идея окислить нептуний как можно сильнее. В конце концов дошли до раствора его шестивалентного соединения и пропустили сквозь него сильнейший окислитель — озон. Ничего не произошло. Может быть, нужно изменить кислотность среды? Добавили щелочь, и раствор позеленел. Так проявило себя семивалентное соединение нептуния. Аналогично получили иссиня-черный раствор семивалентного соединения плутония.

После того как американцы узнали об открытии, они расстроились — зеленые соединения нептуния им тоже приходилось получать, но изменение окраски приписывали примесям. Крот впоследствии отмечал, что к успеху привели глубокие рассуждения о том, как должна быть устроена эта, трансурановая, часть таблицы Менделеева (см. «Химию и жизнь», 1970, 5). Вообще же глубокое понимание химии нептуния необходимо потому, что его требуется извлекать из отработанного ядерного топлива вместе с другими актиноидами.


Где используют нептуний? Помимо прямого участия этого элемента в наработке оружейного плутония-239, его самый долгоживущий изотоп служит сырьем для изготовления плутония-238. Этот плутоний не способен к делению, зато он оказывается незаменимым элементом для изготовления долгодействующих источников энергии, которые применяют в космических аппаратах. Раньше его использовали для питания кардиостимуляторов и для оснащения арктических исследовательских станций. Именно плутоний-238 снабжает энергией автоматические космические станции «Вояджеры», которые летают в космосе уже 40 лет и продолжают ежедневно передавать сигналы с некоторых своих приборов. Например, получив в ноябре 2018 года сообщение с «Вояджера-2» — от прибора, измеряющего поток плазмы в окружающем пространстве, исследователи поняли, что этот аппарат вышел за пределы гелиосферы, то есть покинул Солнечную систему. На этом же корабле работают приборы для изучения космических лучей, частиц малых энергий и магнетометр. На «Вояджере-1», покинувшем Солнечную систему в 2012 году, работающих приборов сохранилось меньше.

Получают плутоний-238, бомбардируя нептуний-237 нейтронами. Поэтому ядерное разоружение сыграло злую шутку с исследователями космоса: соглашения между США и СССР, а потом РФ положили к 90-м годам конец плутониевому производству в обеих странах. Стало быть, весь мировой запас плутония-238 был сделан до этих соглашений, тем более, что специально нарабатывать и хранить изотоп с периодом полураспада около 90 лет – не очень разумно. При этом накопленный в СССР плутоний-238 в количестве 40 кг было решено, согласно постановлению премьер-министра правительства РФ В.С. Черномырдина от 25 декабря 1992 года, продать США для проведения космических исследований.

В 2009 году поставки плутония-238 из РФ в США прекратились. И в США с их обширной космической программой к 2011 году наметился кризис: только запущенная в 1997 году к Сатурну станция «Кассини» увезла 33 кг плутония-238 в своих трех энергетических блоках. А были еще и марсоходы, и экспедиция «Нью Хорайзн» к Плутону, и другие полеты к дальним планетам, куда солнечный свет почти не попадает и энергию можно взять только от радиоактивного источника. В результате в 2016 году у НАСА оставалось лишь 34 кг плутония-238, причем в виде сырья: у этого изотопа период полураспада мал и сделанный 40–50 лет назад элемент уже на четверть распался. Специалисты предполагают, что из этого запаса можно извлечь лишь 16 кг плутония, пригодного для получения энергии. Поговаривают, что именно с дефицитом плутония было связано фиаско экспедиции ЕКА к комете Чурюмова–Герасименко: тогда спускаемый модуль «Филы» попал в тень от камня и не смог выполнить свою программу, поскольку энергию он получал от солнечных батарей, а солнечный свет из-за камня на них не попадал. Радиоактивный источник энергии так бы не подвел.

pic_2019_06_23.jpg

Вынутые из реактора нептуниевые пеллеты растворили, извлекли плутоний-238, а потом превратили его в оксид

Фото: Oak Ridge National Laboratory

И вот в 2013 году в США стали восстанавливать производство плутония-238. Для этого в Окриджской лаборатории организовали изготовление гранул из оксида нептуния-237. Эти гранулы загружают в высокопоточный исследовательский реактор, где они подвергаются интенсивному нейтронному обстрелу и из нептуния получается плутоний. Затем его очищают. В декабре 2015 года, впервые с 1985-го, в Окридже получили 50 граммов плутония-238, а к 2025 году планируют нарабатывать 1,5 кг в год. Не сказать, что это много — на марсоход «Кьюриосити» пошло 4,6 кг плутония. Нептуний же получают из хранилища атомных материалов, которое расположено в Айдахо, — там хранится, дожидаясь своего часа, нептуний, извлеченный из ядерного топлива.


Как нептуний поможет поддерживать режима нераспространения ядерного оружия? За счет разбавления плутония. Суть проблемы выглядит так. Оружейный плутоний во времена гонки ядерных вооружений получали в специальных реакторах, где образуется практически исключительно плутоний-239. Таких реакторов на Земле больше нет — их заглушили в рамках программы ядерного разоружения. В реакторе атомной электростанции образуется не только плутоний-239, но и другие его изотопы. Среди относительно долгоживущих это изотопы 238, 240, 241, 242. Разница между ними состоит в том, что нечетные изотопы участвуют в цепной реакции, ведущей к взрыву, а четные — ее гасят. Поэтому из реакторного плутония атомную бомбу сделать можно, но ее мощность будет гораздо меньше, чем у бомбы из оружейного плутония, в чем убедились, в частности, индусы. Разделять же изотопы плутония очень хлопотно, это требует хорошего развития высоких технологий, прежде всего точного машиностроения.

Такую деятельность невозможно скрыть от пристального ока ядерных держав. А эти державы совсем не горят желанием терять монополию на обладание самым грозным оружием и поэтому всячески соблюдают договор о нераспространении ядерного оружия — один из немногих доживших до 20-х годов XXI века реликтов, обеспечивавших международную безопасность во время холодной войны. Страны-изготовители топлива для атомных электростанций обязательно забирают отработанное топливо и складируют его у себя: так плутоний не только не попадет в дурные руки, но даже и мысли об этом ни у кого не возникнет.

Однако развитие атомной энергетики как экологически чистого способа получения энергии (она не дает выбросов углекислого газа, но несравнимо более эффективна, чем солнечно-ветровая), а также требования эффективного бизнеса неизбежно приведут к строительству атомных станций и в странах с нестабильными режимами, верить которым на слово нельзя. Чтобы подвести надежную технологическую базу возникла идея испортить плутоний. Это можно сделать, добавив в урановое топливо нептуний-237. В реакторе он станет ловить нейтроны, что не очень хорошо, так как снижает эффективность реакции, и превращаться в плутоний-238. Считается, что можно подобрать такой состав топлива с нептунием, когда эффективность его горения в реакторе не уменьшится, а плутоний окажется безнадежно загрязнен неделящимся изотопом и непригодным для создания атомной бомбы. Эта идея противоречит желанию атомщиков многократно использовать плутоний как топливо, однако если соображения безопасности возьмут верх, производство нептуния-237 ожидает блестящее будущее безотносительно к необходимости заправки космических аппаратов.



Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 6/2019) на с. 22 — 24.

123

Разные разности

07.08.2020 16:00:00

Планета Проксима b не случайно привлекает пристальное внимание астрономов. Ведь сразу после ее открытия выяснилось, что это почти Земля: массу оценили в 1,3 земных, причем расположена планета в обитаемой зоне, где возможна жидкая вода. Теперь же к расследованию присоединился точнейший спектрограф ESPRESSO.

>>
07.07.2020 18:00:00

…проект ИТЭР по созданию крупнейшего в мире термоядерного реактора прошел важную веху — на место установлено основание криостата, самая большая и тяжелая часть токамака...

…созданы структуры для фотосинтеза, более эффективного, чем природный, — капли размером с клетку, содержащие мембраны хлоропластов шпината и компоненты ферментативного цикла для синтеза органических молекул из углекислого газа…

…каждая третья женщина европейского происхождения имеет «неандертальский» вариант рецептора гормона прогестерона, связанный с повышенной рождаемостью, более редким кровотечением на ранних сроках беременности и меньшим количеством выкидышей…


>>
20.05.2020 18:30:00

Вакцины – какие, сколько и на какой стадии?

Даже когда острая фаза пандемии COVID-19 закончится и меры карантина больше не будут нужны, сам вирус никуда не денется, а продолжит жить среди нас. Самый эффективный способ от него защититься – сделать вакцину.

>>
18.05.2020 19:00:00

Коронавирусы: в семье не без урода

Найдены молекулярные отличия более патогенных коронавирусов от менее патогенных. Пока не вполне ясно, как эти отличия работают. Но возможно ученые смогут понять, почему настолько похожие инфекционные агенты приводят к таким разным последствиям для человека.

>>
13.05.2020 17:00:00

…из-за снижения транспортных потоков во время пандемии коронавируса уменьшились сейсмические шумы в коре Земли; специалисты считают, что это облегчит мониторинг слабых землетрясений, вулканической активности и других сейсмических событий...

…6 марта с мыса Канаверал стартовала миссия Space X CRS-20, которая доставит на МКС 250 пробирок со стволовыми клетками человека; на протяжении месяца они будут развиваться в кости, хрящи и другие ткани в условиях невесомости...

…по мере того как на рынок выходят художественные произведения, разработанные с помощью генеративных алгоритмов и когнитивной робототехники, встает вопрос об авторском праве на них…

>>