Америций: факты и фактики

Чем америций дорог химикам? Актиноидной теорией; именно ее пришлось придумать первооткрывателю 95-го элемента Гленну Сиборгу, чтобы найти надежный способ его выделения из массы продуктов распада урана.

История вышла такая. К концу войны американцам, создававшим атомную бомбу, стало ясно, что взрывчатое вещество — плутоний-239 — нужно тщательно очищать: чем больше примесей, тем больше критическая масса плутония, при которой происходит атомный взрыв, соответственно, бомба обходится дороже. Но от чего нужно очищать плутоний? Его получают в атомном реакторе, где уран-238 облучается нейтронами, возникшими при ядерном распаде урана-235. При этом возникают и другие изотопы. Какие, что с ними происходит — в то время никто не знал. Решение было найдено: смоделировать процесс с помощью ускорителя частиц. В распоряжении участников Манхэттенского проекта был циклотрон Эрнеста Лоуренса (это в честь него назван знаменитый американский ядерный центр — Лоуренсовская национальная лаборатория Минэнерго США). В нем и стали бомбардировать мишень из плутония-239 сначала нейтронами, а потом ядрами дейтерия, однако безрезультатно. Мысль ученых работала так. Предыдущие элементы — уран, нептуний, плутоний — по химическим свойствам оказались похожими друг на друга и совсем не похожими на вольфрам, осмий и рений, под которыми они должны бы располагаться в таблице Менделеева. В частности, все они проявляли валентность +6. Из предположения, что и следующий элемент, 95-й, продолжит эту тенденцию, возникло мнение, что отделить его химически будет очень сложно. Поэтому понадеялись на физические следы — испускание альфа-частиц; сомнений в том, что искомый элемент будет радиоактивным, не было.

Однако новых альфа-излучателей после бомбардировки плутония нейтронами заметить не получалось. А должны они возникать? Да. Плутоний-239, захватив нейтрон, становился плутонием-240. Тот, получив нейтрон, — плутонием-241. В конце концов пересыщенное нейтронами ядро должно стать нестабильным — испустив бета-электрон, превратив нейтрон в протон, стать ядром следующего элемента. После нескольких месяцев неудач решили перешагнуть через неполучающийся 95-й элемент и провели бомбардировку альфа-частицами — она должна была давать элемент 96. И опять по излучению продуктов реакции новых элементов замечено не было.

Так пришлось задуматься о тяжелом процессе химического выделения элементов с неизвестными свойствами. На что может быть похож искомый 95-й? В принципе, уже можно было догадаться, что тяжелые элементы не следуют общему ходу таблицы, а образуют ряд, подобный лантаноидам. Но где его начало? Многие физики предполагали, что это уран, который еще в 1961 году в некоторых учебниках располагался на месте нынешнего курчатовия. Этот ряд называли трансуранами, а характерной для них валентностью была +6. Сиборг же, внимательно присмотревшись к свойствам протактиния, урана, плутония, предположил, что ряд начинается актинием и тогда 95-й элемент оказывается по свойствам близким к европию, то есть проявляет валентность +3. А связано это с тем, что по мере утяжеления элемента в ряду актиноидов экранирующая способность f-электронов падает и валентность снижается до той, что присуща лантаноидам, — оба ряда оказываются родственниками.

Эта идея оправдалась — с ее помощью из раствора плутония удалось выделить смесь элементов 95 и 96: облучение нейтронами плутония неизбежно порождает 96-й элемент — он получается при попадании нейтрона в дочерний 95-й. Вот их-то разделить действительно сложно. Согласно легенде, кто-то из химиков Сиборга предложил называть эти элементы пандемониумом и делириумом: первое можно перевести как «скопление демонов», а второе — от латинского delirium, «безумие». Но лингвистический экстремизм не прошел: 95-й элемент назвали америцием, взяв кальку с его ближайшего родственника европия, а 96-й — кюрием.

История открытия америция не обошлась без курьеза. Когда в 1945 году гриф секретности с Манхэттенского проекта был частично снят и физикам разрешили сообщить об открытых в ходе его выполнения химических элементах, это хотели сделать на конференции Американского химического общества 16 ноября. Однако за пять дней до того, выступая по радио, Гленн Сиборг проболтался. Отвечая на вопрос любознательного школьника, что они еще нашли в реакторе кроме нептуния и плутония, он сказал: «Ваши учителя теперь должны знать, что в Периодической таблице не девяносто два элемента, а все девяносто шесть».

Чем хорош америций? Хорош не всякий америций, а изотоп америций-241. Его период полураспада велик — 433 года, тем не менее его радиоактивность велика: такой америций светится в темноте. При этом америций-241 испускает и альфа-частицы, и гамма-кванты. У этих гамма-квантов энергия невелика, и от них можно защититься свинцовой оболочкой небольшой толщины. Это делает америций неплохим источником альфа-частиц, с которым удобно работать. А учитывая то обстоятельство, что в атомном реакторе его образуется относительно много, такой изотоп удается использовать, выделив его из отработанного топлива АЭС.

Как используют америций-241? Он есть в каждом современном доме — крошечный кусочек америция имеется в датчике дыма. Испускаемые америцием-241 альфа-частицы ионизируют воздух и создают слабый электроток в датчике. Дым же току препятствует, и датчик срабатывает. Из америция-241 и бериллия-9 делают источники нейтронов для так называемого нейтрон-активационного анализа: образец бомбардируют нейтронами, которые, внедряясь в ядра, вызывают наведенную радиацию. По возникающим спектрам излучения судят о наличии и количестве того или иного элемента в образце. Этим методом, в частности, можно выявлять подделки предметов искусства. Такой анализ проводят и с помощью нейтронов, образующихся в атомном реакторе, но это требует командировки в соответствующий центр. Использовать компактный источник несколько проще, но метод становится менее чувствительным.

Америций-бериллиевый источник работает так. Вылетевшая из америция альфа-частица попадает в бериллий, и тот становится радиоактивным углеродом-13, который избавляется от лишнего нейтрона, становясь углеродом-12. В общем, на каждый миллион альфа-частиц, вылетевших из америция, получается 30 нейтронов. Они дают вполне достаточный поток для того, чтобы находить в веществе тот или иной элемент.

Америциевые и америций-бериллиевые источники служат также для измерения толщины стенок различных металлических изделий и многих других технологических нужд.

Оценка минимальной массы элемента, определяемой с помощью америций-бериллиевого источника нейтронов («Applied Radiation and Isotopes»)

Полетит ли америций в космос? Возможно, во всяком случае, с 2014 года Еврокомиссия финансировала работы по созданию америциевого источника энергии для космических аппаратов. Для изучения дальних объектов Солнечной системы, а также неосвещенных участков любых космических объектов солнечная энергетика не годится. Именно исследователи из Европейского космического агентства убедились в этом на собственном горьком опыте — при провале в 2016 году экспедиции «Розетта» к комете Чурюмова — Герасименко. Напомним, что тогда посадочный модуль «Филы» в силу цепи случайностей после спуска на поверхность кометы оказался в тени и на остатках энергии смог выполнить лишь ничтожную часть своей программы. В результате продолжавшаяся десять лет экспедиция порадовала пользователей Интернета красивыми картинками кометы в разные моменты ее полета вокруг Солнца, а вот главное — установление ее строения и химического состава — до конца выполнено не было. Мощный источник энергии, в котором радиоактивный элемент нагревает термоэлектрический преобразователь, будь он установлен на борту «Фил», защитил бы от такого конфуза.

В XX веке оптимальным элементом для таких источников питания считали плутоний-238. Он образуется в атомном реакторе, но его не отделяют от остальных изотопов плутония, а получают облучением нейтронами нептуния, который выделяют из отработанного топлива АЭС. Технология эта очень затратная, но во время соревнования двух систем деньги на нее находились. В 1988 году в США прекратили производство этого изотопа и закупали его в СССР, а потом в РФ, пока отечественное производство также не было прекращено. В общем, запасы плутония-238 были потрачены на американские экспедиции, исследовавшие Юпитер («Галилео», «Улисс»), Сатурн («Кассини») или Плутон («Нью Хорайзн»), а возобновлять производство никто не собирается из-за дороговизны. Америций-241 может послужить неплохой заменой плутонию-238, хотя он и уступает ему в четыре раза по теплотворной способности, рассчитанной на единицу массы. Однако в том плутонии, что получается из отработанного топлива АЭС, америция много, и его становится все больше по мере старения этого топлива — плутоний-241 с периодом полураспада 18  лет постоянно превращается в америций. Исследователи из Лестерского университета, которые были главными в этом евросоюзовском проекте, подсчитали, что в их распоряжении 120 тонн выделенного из отработанного топлива плутония, в которых имеются две-три тонны америция-241. Если придумать эффективный метод выделения этого изотопа, можно сделать много надежных и мощных источников электричества для космических экспедиций. Важное отличие америциевого источника от плутониевого в том, что за двести лет работы его мощность упадет лишь на 30%, в то время как у плутониевого — на все 80%. Получается, что, если предположить продолжение экспедиций к окраинам Солнечной системы, без тщательных исследований по технологии и материаловедению америция не обойтись. Правда, с учетом кризисного состояния мировой космонавтики надежд на это немного.

Чем плох америций? Своей радиоактивностью, большим временем жизни и происхождением из плутония-241. Этот изотоп плутония неизбежно образуется в реакторе атомной электростанции и присутствует в составе плутония, взрывающегося в атомной и термоядерной бомбах. Таким образом, сначала плутоний-241, а потом и рождающийся из него америций всегда присутствуют в местах атомных испытаний и аварий на атомных электростанциях. И если главные опасные изотопы — цезия и иода — за несколько десятилетий фактически исчезают, то содержание америция только нарастает — плутоний-241 постоянно в него превращается. Со временем радиоактивный америций становится главным радиоактивным элементом, представляющим опасность для человека в загрязненных районах.

Как много америция получается после аварий на АЭС? Найти такие сведения нелегко. Например, сколько плутония-241 утекло в океан из АЭС Фукусима и сколько америция в результате ежегодно оказывается в организмах обитателей Тихого океана — не сообщается. А вот в Чернобыле оценки сделаны: из реактора вылетело примерно полтора килограмма плутония-241, который, будучи тяжелым элементом, практически полностью осел на почву в тридцатикилометровой зоне отчуждения, где и превращается сейчас в америций. Какова его дальнейшая судьба?

Актиноиды не играют никакой роли в живых организмах, поэтому они преимущественно покидают организм. Америций не составляет исключения: коэффициент всасывания его в желудке и кишечнике — одна десятитысячная доля, растения его тоже почти не усваивают. Поэтому сильнее всего плутоний и америций накапливают кабаны, у которых почва составляет до 2% съеденной пищи — в почве загрязненной зоны радиоактивные частицы, естественно, содержатся. В первую очередь страдает печень кабана — там америция в несколько раз больше, чем в содержимом желудка. По оценкам специалистов Полесского государственного радиационно-экологического заповедника («Известия НАН Беларуси. Серия биологических наук», 2014, 3, 94—100), через легкие в организм кабана попадает в тысячу раз меньше плутония и америция, чем со съеденной почвой (у человека главный путь попадания плутония — именно через легкие). Из этого исследования можно сделать вывод, что предложения вовлечь некоторые земли чернобыльской зоны в хозяйственный оборот должны учитывать особенности поведения америция и плутония в гео- и биосфере.

К сожалению, в научной печати почти не обсуждается вопрос о поведении плутония и америция в морских организмах. Один из немногих установленных фактов — губки, как и растения, не употребляют поглощенный америций, он образует нанометровые отложения на скелете и на внешней поверхности этих организмов, а также откладывается в вакуолях клеток. Хорошо, что губок человек не ест, а то такая частичка, попав в организм, может где-то застрять и стать долговременным источником внутреннего облучения.

Частицы европия (им моделируют америций), образовавшиеся в межклеточном пространстве (вверху) и в вакуолях (внизу) губки («Environmental Science and Technology»)

Каков главный источник америция на Земле? Первенство принадлежит не авариям на АЭС, а ядерным испытаниям, даже для регионов, не слишком удаленных от места аварии. В результате взрывов атомных зарядов, особенно в атмосфере, произошло как глобальное, то есть распределенное по всему земному шару, так и локальное, в месте проведения испытания, выпадение радиоактивных веществ. В частности, плутония-241, который превращается в опасный америций, глобально выпало 95 кг. Эти элементы неизбежно оказываются и в организме человека. Вот, например, эксперимент, который поставили польские медики («Journal of the Radioanalytical and Nuclear Chemistry»). Они собрали коллекцию костей, удаляемых у жителей Кракова и его окрестностей при замене тазобедренного сустава, и проанализировали содержание в них изотопов плутония и америция. Оказалось, что основную дозу этих элементов пациенты получили в 60-х годах именно из-за глобального выпадения, причем те, кто были в то время детьми, собрали больше плутония. Как предполагают авторы, у детей такие элементы выводятся хуже. Чернобыльский же вклад был практически незаметен — его оценили менее чем в 5%. Интересно, что сильную корреляцию содержания америция в костях исследователи выявили с двумя привычками обследованных пациентов: курением сигарет и поеданием грибов.

В океане область повышенного загрязнения америцием и плутонием порой оказывается за тысячи километров от источника («Scientific Reports»). Так, американцы и французы проводили испытания на атоллах в Океании (последние — вплоть до 90-х годов XX века). Северное экваториальное течение разносило и разносит выпавший при этом плутоний и образующийся из него америций в двух направлениях: на север, мимо Филиппин и далее с течением Куросио в Восточно-Китайское море, и на юг в виде течения Минданао к островам Индонезии. Игра течений столь причудлива, что максимум америциевого загрязнения нашли у берегов лежащего уже в Индийском океане острова Сумба, входящего в состав Малых Зондских островов. Вклад от глобального выпадения в отложениях у Сумбы также удалось заметить, но он был относительно небольшим на фоне американских и французских взрывов. Отсюда следует, что в глобализованном мире, в котором продукты питания легко переносятся с одной стороны земного шара на другую, шанс проглотить частицу америция есть буквально у каждого, была поблизости авария или нет. Того америция, что нынче рассеивается в море и на земле, хватит на несколько сот лет, пока он весь не распадется и не станет более безопасным нептунием-237 с периодом полураспада 2,2 млн лет.

Америций и плутоний, образовавшиеся при атомных взрывах в Океании (кружок) сконцетрировались за тысячи километров (крестик) («Scientific Reports»)

Насколько опасен америций для человека? Напрямую никто такие опыты не проводил; об опасности судят по радиоактивности этого элемента, а она высока. Однако порой случаются несчастные случаи со счастливым исходом. Например, в 1983 году один молодой человек вдохнул аэрозоль из оксидов плутония и америция («Radiation Protection Dosimetry»). После этого он стал объектом пристального внимания медиков, которые следили, как радиоактивные элементы из него выходят. А вдохнул он много, получив внутреннее облучение раз в двадцать больше допустимого годового уровня. И что? А ничего: вплоть до 2013 года, когда проходило очередное обследование, этот человек пребывал в добром здравии.