Калифорний: факты и фактики

А. Мотыляев
pic_2018_10_30.jpg

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.

pic_2018_10_31.jpg
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/см³ 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.

Разные разности
Желтки против пожелтения
Пробы красочного слоя, взятые с картин художников эпохи Возрождения, показали, что в них помимо пигментов и масла присутствуют еще и небольшие следы белка, который мог попасть в краску вместе с желтком. Действительно точно известно, что Леонардо да&n...
Споры против полиуретана
Ученые создали биоразлагаемый материал с помощью почвенных штаммов бактерии Bacillus subtilis, способных разрушать термополиуретан. Решение очень простое — подмешать бактерии к полимерам. Причем не сами бактерии, а их споры, которые остаютс...
Бактериофаги против дезодорантов
Метагеномный анализ кожной флоры позволил найти главного злоумышленника, виновного в резком запахе пота — это бактерии Staphylococcus hominis. Но можно ли от них избавиться, не убивая другие кожные бактерии? Исследователи предложили логичное реш...
Липучка против трипсов
Химики ищут замену инсектицидам, подсматривая за тем, как разные растения сами защищаются от вредных насекомых. Некоторые растения выделяют липкие вещества из так называемых железистых волосков. К ним прилипают насекомые-вредители и погибают. Эта стр...