Полоний: факты и фактики

Откуда у нас взялся полоний? От Жоржа Абрамовича Коваля (1913—2006), которому в 2007 году присвоили звание Героя Российской Федерации. Мать Жоржа, родом из еврейского местечка под Минском, была социалисткой, ушла из отцовской семьи, работала на стекольном заводе и мечтала о своем доме. Ее жених, столяр, на родине не мог заработать много денег, поэтому уехал в США, где разбогател. Вскоре и невеста переехала к нему. Появились дети. Старший, Жорж, поступил в университет, но тут наступила Великая депрессия, и семья, привлеченная бесплатным советским образованием, вернулась на родину. Жорж окончил Московский химико-технологический институт им. Д.И. Менделеева, где занимался химией газов, но затем был приглашен на работу в разведку. Вскоре он вернулся в США. С началом войны молодого человека призвали в армию, однако отправили работать по специальности (все-таки два курса американского университета он окончил) — в Окриджскую национальную лабораторию. Да-да, законспирированный советский разведчик волею случая оказался в самом центре американского ядерного проекта. Там-то он и обратил внимание, в частности, на усилия американцев по созданию технологии получения полония. Жоржу сильно повезло — он сумел вернуться в СССР незадолго до того, как ФБР начало интересоваться им.

Зачем ядерщикам полоний? Из полония делали взрыватель (его называют инициатор реакции) для атомной бомбы. Только для этого нужен не всякий полоний, а изотоп полоний-210. Его период полураспада не мал и не велик — 138 дней, то есть поток создаваемых им частиц высок, но металл не исчезает на глазах. Излучает он только альфа-частицы, доля гамма-квантов ничтожна, а получается из него стабильный свинец-206. Следовательно, никаких неожиданных новых источников радиации не образуется. Если обернуть его оболочкой из вещества, в котором альфа-частицы вызывают превращение с эмиссией нейтронов, а такие имеются, получится мощный нейтронный источник. А нейтроны как раз и способны инициировать ядерную реакцию.

Однако у такого взрывателя есть важный недостаток — он достаточно быстро портится. Поэтому после первых упражнений с атомной бомбой, когда на примере Хиросимы и Нагасаки американцы продемонстрировали эффективность этого чудовищного оружия массового поражения, начались поиски других взрывателей. Они были найдены, и сейчас полоний в этом качестве не используют.

Где еще применяют полоний-210? Создание производства таких чрезвычайно опасных материалов — дело весьма недешевое, и оно должно было окупиться. После того как полоний отыграл свою роль в создании ядерных вооружений, естественно, возникла мысль использовать его для чего-то еще. Одно очевидное применение: источники нейтронов для разного рода исследований. Другое: источники энергии, прежде всего для космических аппаратов; самый яркий пример — источник тепла для советских луноходов, который помогал аппарату сохранить работоспособность после заката Солнца. У полониевого источника есть два преимущества — самое высокое удельное теплосодержание на единицу объема и отлаженное производство практически в неограниченном количестве. Недостаток — быстрый расход: за год мощность падает на 4/5.

Однако главное использование полония сейчас — это ионизация воздуха летящими из него альфа-частицами. Одно время это свойство использовали для облегчения зажигания топлива в двигателях внутреннего сгорания: немного полония добавляли в сплав для электрода свечи зажигания и топливо вспыхивало легче. Теперь же контейнер с небольшим количеством полония применяют для устранения заряда с самых разных поверхностей — от частиц порошков до автомобилей перед покраской. Для этого выпускают ионизаторы со сменными полониевыми картриджами, сохраняющими активность в течение года. Иногда ионизатор прикрепляют к кисточке для сметания пыли. Первую такую щетку придумали американцы из «Nuclear Products Company» (ныне скромно NRD, что означает «Nuclear Radiation Development») в 1949 году, и с тех пор эта компания остается лидером в выпуске радиоактивных антистатических устройств. Для безопасности слой полония окружен слоями меди, серебра и никеля — они не позволяют разлетаться частичкам радиоактивного металла, при этом альфа-частицы легко проходят сквозь эти слои и, соединяясь с электронами на обрабатываемой поверхности, снимают с нее заряд, сами же превращаются в атомы гелия-4 и улетают прочь.

Как создавали производство полония в СССР? Полоний можно получать двумя способами — реакторным и ускорительным. В обоих случаях сырьем служит висмут-209, который нужно поместить под сильный поток нейтронов. Поскольку такой поток сам собой образуется в атомном реакторе, первым был использован реакторный способ. Мишень из висмута ставят в специальный канал реактора, и за несколько месяцев облучения в ней накапливается достаточно большая для извлечения порция полония. Извлечение этого чрезвычайно опасного элемента требует жестких мер безопасности. Поначалу, когда надо было быстро создавать копию американской атомной бомбы, химики взяли привычную им жидкую технологию разделения элементов: мишень растворяли, проводили химические реакции и в конце концов осаждали искомый металл на металлические подложки. Способ этот был не самым совершенным, поскольку давал большое количество жидких радиоактивных отходов. Поэтому после окончания ядерной гонки инженеры задумались над его совершенствованием и перешли на сухую технологию — извлечение полония из расплава металлов. Так, на высокоавтоматизированном производстве полоний до сих пор получают из висмутовых мишеней по технологии, созданной в НИИ-9 (позднее ВНИИ неорганических материалов им. А.А. Бочвара), под руководством доктора технических наук Е.В. Ершовой. Некоторое понятие о специфике работы с полонием можно получить из воспоминаний Ю.Г. Клабукова, опубликованный в электронной библиотеке истории Росатома (http://elib.biblioatom.ru). Луноход торопились запустить до полета американцев на Луну, рассказывает он, поэтому производство достаточно большого количества полония нужно было организовать очень быстро. А достаточное количество — это десятки тысяч кюри в сутки при том, что активность одного грамма полония — 4,5 кКи.

Для работы взяли уже проверенную схему; висмутовые блоки в алюминиевой оболочке проходили аппарат расчехловки, попадали в плавильник, и расплавленный висмут потоком с заданной скоростью протекал по тарелкам дистилляционной колонки, отдавая полоний, а сам оказывался в отстойнике для переработки. Полученный конденсат полония отправляли для дальнейших операций. Вся установка была герметична, и ею управляли дистанционно.

Надо было спешить, и монтаж вели без проверок, в том виде, как агрегаты поступали с завода-изготовителя. Это приводило к накладкам. При первой же попытке прогрева контура выяснилось, что вода не поступает в большинство точек охлаждения. Причина была в том, что строители заварили подающую трубу, не очистив ее от песка. При опробовании песок спокойно лежал на дне трубы, но, когда включили все оборудование, он поднялся и засорил всю систему. Пришлось перебирать несколько сот метров трубы. Когда загрузили пробные, то есть необлученные, висмутовые блоки, на сливе из плавильника возник козел — оказалось, что это место не прогревается и металл застыл. Охлаждать и все выгружать времени не было, на дворе ночь, магазины закрыты. Начальник цеха привез из гаража две паяльные лампы, и два сотрудника забрались непосредственно под раскаленный плавильник с тонной расплавленного висмута — отогревать козла. Риск был велик: при неправильном отогреве висмут мог разорвать трубу, как замерзающая вода. К счастью, все обошлось, но ракета с тем луноходом потерпела аварию, и обогнать американцев не удалось.

А когда делали полоний для Лунохода-2, случилось такое происшествие. Отработавшую колонку сменили на резервную. И полоний перестал извлекаться. Что делать? Искать сбой режима? Но весь облученный висмут был израсходован и лежал в отстойнике, нарабатывать новую партию — задержка за год. Вскрытие показало: колонка собрана неправильно, расплавленный висмут сливался прямо в отстойник. Подающую висмут трубу переварили, но чего это стоило! Вот цитата: «…Резать электросваркой стенку аппарата, в котором тысячи кюри полония! Сварщик работает в неудобной позе, со всех сторон торчат железяки, а его отделяют от ада только стекло шлема и тонкая пленка скафандра. Одно неверное движение — и жизнь зависит от размера и места разрыва скафандра. А по нервам бьют непрерывное полыхание красного фонаря, вой сирены и необходимость уложиться в несколько минут из-за высокого гамма-фона. Да, это было, люди делали свое дело не просто по приказу начальства, они понимали, что от них зависит запуск ракеты с луноходом — результат труда многих тысяч людей. Мы еще помнили горечь от поражения в “Лунной гонке” с американцами».

Чем опасен полоний? Главная его опасность связана с высоким удельным энерговыделением. Из-за него монолитный полоний может сам собой расплавиться и начать испаряться. Даже твердый полоний нестабилен: от него постоянно отщепляются мельчайшие частицы, то есть слиток полония всегда окружен облачком ядовитого аэрозоля. Если его случайно вдохнуть, организм получит высокую дозу облучения. Альфа-частицы обладают малой проникающей способностью, но большой разрушающей силой, поэтому вокруг каждой частички полония внутри организма возникает зона серьезного поражения. Согласно немногочисленным данным, полученным на людях и крысах, полоний поражает костный мозг, вызывая проблемы с кроветворением, и разрушает слизистую оболочку кишечника (если попадает туда вместе с пищей).

Сколько природного полония получает человек? Полоний-210 всегда есть в окружающей среде, поскольку он образуется в числе продуктов распада урана-238. В фосфорных удобрениях содержание урана и его продуктов повышено, соответственно, культурные растения обогащены этими элементами, в частности полонием. Считается, что при всей ничтожности своего содержания полоний-210 обеспечивает 7% всей дозы радиации, которую получает человек из продуктов питания. Больше всего полония в дыме сигарет, и есть мнение, что он существенно повышает риск рака гортани и легких у курильщиков. Так, 20 сигарет, выкуренных за день, дают 123 мБк полония-210, или 45 Бк в год, а нормальная активность полония в анализе мочи здорового человека должна быть менее 20 мБк.

Справка

Беккерель, Бк, — единица измерения радиоактивности, означает число распадов в секунду.

Кюри, Ки, — внесистемная единица измерения радиоактивности, один кюри равен 37 ГБк