Нептуний: факты и фактики

Какое 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 180 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.

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.

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.

Робот проверяет пеллеты из нептуния-237 перед закладкой их в реактор для нейтроной бомбардировки Фото: Oak Ridge National Laboratory

Вынутые из реактора нептуниевые пеллеты растворили, извлекли плутоний-238, а потом превратили его в оксид Фото: Oak Ridge National Laboratory

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.