12 апреля 2015

Элемент №98

Вестник Атомпрома

250 миллионов долларов за 1 грамм, столько стоит ни золото, ни платина, и даже бриллианты столько не стоят, а калифорний стоит, потому что это самый редкий металл на Земле, и добывают его только в двух местах на планете.

Что же такое калифорний и чем он может быть полезен человечеству?

НИИ атомных реакторов в Димитровграде, пожалуй, единственное место в России, где можно заглянуть в действующий ядерный реактор. Голубое свечение ядерного топлива, наблюдаемое под технологическим люком, называется свечением Вавилова-Черенкова. Бета-частицы электронные или позитронные движутся в воде с огромной скоростью, и их энергия превращается в свет.

Один из димитровградских реакторов – это реактор бассейнового типа. В нём слой воды над активной зоной выполняет роль мощного экрана, предотвращающего выход радиоактивных продуктов деления наружу. Поэтому радиационный фон на поверхности не опасен для человека. Он, конечно, превышает естественный, но не настолько, чтобы причинить вред людям.

Второй реактор в НИИ СМ-3 как раз является местом рождения калифорния. Название реактора СМ-3 расшифровывается нескромно как «Самый мощный», но это действительно так, у этого реактора самый мощный поток нейтронов, настолько мощный, что он позволяет производить любые изотопы, такой вот «универсальный солдат».

Всего в Димитровграде 6 действующих ядерных реакторов, но этот СМ пользуется наибольшим уважением, во-первых, он один из старожилов в институте, заработал еще в октябре 1961-го, а во-вторых, равных ему в этом полушарии до сих пор нет.

«Другого такого реактора нет, – поясняет Сергей Сазонтов, главный инженер реакторных установок СМ-3, – на планете Земля только у нас можно получать в достаточном объеме калифорний, эйнштейний, берклий. Материалы, которые требуют высочайших плотностей нейтронов».

В этом длинном списке изотопов есть еще кюрий, он стал знаменит 2 года назад, когда марсоход Кьюриосити совершил мягкую посадку на красной планете. Именно благодаря спектрометрам с альфа-источниками на основе кюрия-244 ученые смогли получить данные о составе грунта на Марсе. С такой же миссией димитровградский кюрий отправился на зонде Розетта на комету Чурюмова-Герасименко, о чём мы рассказывали в Вестнике в 2014 году.

Вот как работает подобный спектрометр: на пластины из кремния наносится тонкий слой металлического кюрия-244. Это мощный альфа-излучатель. Альфа-частицы, попадая на исследуемую поверхность, возбуждают атомы из которых она состоит и появляется, так называемое вторичное излучение. Его регистрируют детекторы, и таким образом ученые узнают точный состав грунта, как бы далеко он ни находился, даже на Марсе.

«Мы разработали специальную технологию, которая позволяет получать уникальные источники, – рассказывает Михаил Рябинин, начальник радио-химической лаборатории НИИАР, однако, пока мы эту технологию зарубежным друзьям, как говорится, не рассказываем.

Вот почему заказы на кюрий из Димитровграда теперь расписаны на годы вперед. Уже известно, что эти изотопы в 2020 году вновь полетят на Марс во время большой экспедиции, а также на один из космических астероидов, его название пока не сообщается.

Мал золотник, но очень дорог, почему даже самые крупные заказчики могут себе позволить лишь миллиграммы калифорния?

Активный кюрий пользуется спросом не только в космосе, но и на Земле, в частности потому, что с его помощью получают один из самых редких, эффективных и дорогих на планете металлов – калифорний. Калифорний – радиоактивный химический элемент 7-го периода таблицы Менделеева, порядковый номер 98. Известно 17 изотопов калифорния, наиболее стабильным из которых является 251, его период полураспада 900 лет. Однако наибольшее применение нашел изотоп калифорния 252, период полураспада которого чуть больше 2,5 лет. Калифорний является чрезвычайно дорогим металлом, цена 1 грамма 252 изотопа, по разным данным, составляет от 10 до 250 миллионов долларов.

«Чем калифорний хорош? Почему он такой примечательный? – отвечает Ростислав Кузнецов, директор отделения радионуклидных источников и препаратов НИИАР. – Потому что это очень мощный источник нейтронов. Если мы возьмем количество калифорния, которое будет вмещаться в малюсенькую спичечную головку, то это будет по интенсивности нейтронного излучения эквивалентно ядерному реактору.

Есть мнение, что в огромных количествах изотопы калифорния образуются при взрывах сверхновых звезд, а вот на Земле этот элемент в природе не встречается, его можно получить только искусственным путем с помощью облучения в реакторе мишеней из того самого кюрия. Это самый быстрый способ накопления дорогого калифорния, он занимает примерно полтора года. Есть и другие пути, например бомбардировать заряженными частицами плутоний, но в этом случае ждать придется долго, процесс получения калифорния, даже в самом мощном реакторе, займет целых 8 лет, а из 10 килограммов плутония можно получить максимум 1 грамм калифорния.

Элемент будущего лечит, диагностирует, ищет наркотики, определяет дефекты сборки.

Но с наработки в реакторе все только начинается, впереди сложный радио-химический процесс отделения ценного изотопа от побочных продуктов. Это происходит в так называемых горячих камерах, которые на самом деле совсем не горячие, температура в них комнатная, а вот меры безопасности повышенные. В горячих камерах мишени, извлечённые из реактора, встречаются с механическими руками операторов.

Ловкость механических рук операторов достойна отдельного внимания, с помощью этих, казалось бы, неуклюжих устройств, они могут зажигать спички, продевать нитки в иголки и совершать много других невероятных операций.

Конечно, прежде чем получить допуск к радиоактивным материалам, операторы тренируются на тренажерах, но и после этого резку мишеней и сварку капсул доверяют далеко не всем.  После того как мишени прошли химическую переработку, выделенный целевой нуклид калифорний помещают в источники ионизирующего излучения.

Процесс изготовления источников занимает ни много ни мало – 4 месяца, радиохимия не терпит суеты. После извлечения из реактора материал должен отдохнуть, чтобы в нем распались короткоживущие нуклиды, и только потом переработка, изготовление источников, и далее по технологической цепочке.

Финальный этап производства – упаковка и транспортировка. В безопасные свинцовые контейнеры кладут не больше 100 микрограммов калифорния. Такая мощная защита нужна совсем не от воров, а от радиации. Один миллиграмм калифорния по силе нейтронного излучения можно сравнить с целым реактором. Перевозят такие контейнеры в основном по земле и воде или заказывают отдельные чартеры. Получатели этих посылок производства находятся по всему миру: Турция, Китай, Австралия, Малайзия.

В Димитровграде признаются, что заказы на калифорний приходят постоянно, но объем производства изотопа ограничен, поэтому покупателям приходится стоять в очереди, иногда пол-года, а иногда и год.

Самая очевидная сфера использования калифорния – медицина. Микрочастичка изотопа, помещенная на кончик тончайшей иглы, способна точечно воздействовать на опухоль, не повреждая другие ткани. По схожему принципу работает известный нейтронный нож, но эксперты уверяют, что калифорниевые источники гораздо эффективнее гамма- и бета-излучения.

Значимое, но не единственное. Возможности калифорния можно перечислять долго – это и пусковой источник для ядерных реакторов, и индикатор для разведки новых месторождений нефти и газа. Кроме того, это очень перспективный изотоп для так называемого нейтронно-активационного анализа. К примеру, именно с помощью такого анализа был обнаружен мышьяк в волосах Наполеона, что позволило предположить, что императора отравили. Также, нейтронные источники – это разнообразные таможенные порталы, радиография для поиска взрывчатых веществ.

В США калифорний используется в источниках, которые просвечиваютдетали самолетов и части реакторов. Этот метод анализа очень дорогостоящий, но он позволяет, не разбирая объект, определить внутренние дефекты. Кроме того, элемент № 98 позволяет обнаружить все виды наркотиков, даже если они запаяны, к примеру, в патронные гильзы.

Однако эксперты признают, что пока это чаще всего лишь эксперименты, широко использовать возможности калифорния человечество начнет не раньше XXII века, а пока запас всего калифорния на Земле не превышает 11 граммов.

Возможности калифорния, в том числе потенциальные, можно перечислять еще долго, но останавливают сложность и дороговизна его производства, так что, по мнению ученых, еще долгое время калифорний будет оставаться самым дорогим и самым редким металлом на Земле.