Но все эти изотопы — гипотетические и реальные — не настолько стабильны, чтобы сохраниться до наших дней с момента образования элементов солнечной системы. Период полураспада самого долгоживущего изотопа элемента № 94 — 75 миллионов лет. Возраст Галактики измеряется миллиардами лет. Следовательно, у “первородного” плутония не было шансов дожить до наших дней. Если он и образовывался при великом синтезе элементов Вселенной, то те давние его атомы давно “вымерли”, подобно тому как вымерли динозавры и мамонты.

Не Уран оказался последней планетой солнечной системы. Еще дальше от Солнца проходит орбита Нептуна, но и Нептун не последний, за ним — Плутон, планета, о которой до сих пор почти ничего не известно... Подобное построение наблюдается и на “левом фланге” менделеевской таблицы: uranium — neptunium—plutonium, однако о плутонии человечество знает намного больше, чем о Плутоне. Кстати, Плутон астрономы открыли всего за десять лет до синтеза плутония, — почти такой же отрезок времени разделял открытия Гершеля и Клапрота.

Руководителей “проекта” плутоний-238 не интересовал. Его ядра, как, впрочем, ядра всех изотопов плутония с четными массовыми числами, нейтронами низких энергий (Нейтронами низких энергий мы называем нейтроны, энергия которых не превышает 10 кэв. Нейтроны с энергией, измеряемой долями электрон-вольта, называются тепловыми, а самые медленные нейтроны — с энергией меньше 0,005 эв — холодными. Если же энергия нейтрона больше 100 кэв, то такой нейтрон считается уже быстрым.) не делятся, поэтому он не мог служить ядерной взрывчаткой. Тем не менее первые не очень внятные сообщения об элементах № 93 и 94 попали в печать лишь весной 1942 года.

Распространено мнение, что с открытием цепной ядерной реакции (неизбежным следствием которого стало создание ядерной бомбы) человечество явно поторопилось. Можно думать по-другому или делать вид, что думаешь по-другому, — приятнее быть оптимистом. Но и перед: оптимистами неизбежно встает вопрос об ответственности ученых. Мы помним триумфальный июньский день 1954 года, день, когда дала ток первая атомная электростанция в Обнинске. Но мы не можем забыть и августовское утро 1945 года — “утро Хиросимы”, “черный день Альберта Эйнштейна”... Те, кому сегодня семьдесят и больше, помнят первые послевоенные годы и безудержный атомный шантаж — основу американской политики тех лет. А разве мало тревог пережило человечество в последующие годы?

Когда ядро плутония-239 делится нейтронами на два осколка примерно равной массы, выделяется около 200 Мэв энергии. Это в 50 миллионов раз больше энергии, освобождающейся в самой известной экзотермической реакции C + O₂ = CO₂. “Сгорая” в ядерном реакторе, грамм плутония дает 2 ·10⁷ килокалорий. Чтобы не нарушать традиции (а в популярных статьях энергию ядерного горючего принято измерять внесистемными единицами— тоннами угля, бензина, тринитротолуола и т. д.), заметим и мы: это энергия, заключенная в четырех тоннах угля. А в обычный наперсток помещается количество плутония, энергетически эквивалентное сорока вагонам хороших березовых дров.

Такая же энергия выделяется и при делении нейтронами ядер урана-235. Но основную массу природного урана (99,3%!) составляет изотоп ²³⁸U, который можно использовать, только превратив уран в плутоний...

На переработку гранита и извлечение из него урана нужно затратить еще большее количество энергии — порядка 10⁶ -10⁷ килокалорий. Вот если бы удалось в качестве источника энергии использовать не только уран-235, а и уран-238, тогда гранит можно было бы рассматривать хотя бы как потенциальное энергетическое сырье. Тогда энергия, полученная из тонны камня, составила бы уже от 8 ·10⁷ до 2 ·10⁸ килокалорий. Это равноценно 16— 40 тоннам угля. И в этом случае гранит мог бы дать людям почти в миллион раз больше энергии, чем все запасы химического топлива на Земле.

Уже говорилось, что изотопы плутония не сохранились со времени синтеза элементов при образовании нашей планеты. Но это не означает, что плутония в Земле нет. Он все время образуется в урановых рудах. Захватывая нейтроны космического излучения и нейтроны, образующиеся при самопроизвольном (спонтанном) делении ядер урана-238, некоторые — очень немногие — атомы этого изотопа превращаются в атомы урана-239. Эти ядра очень нестабильны, они испускают электроны и тем самым повышают свой заряд. Образуется нептуний — первый трансурановый элемент. Нептуний-239 тоже весьма неустойчив, и его ядра испускают электроны. Всего за 56 часов половина нептуния-239 превращается в плутоний-239, период полураспада которого уже достаточно велик — 24 тысячи лет.

Когда 2,70 >> 2,23 (напомним, что в математике знак >> означает “много больше”)

Важнейшая характеристика любого ядерного горючего — среднее число нейтронов, испускаемых после того, как ядро захватило один нейтрон. Физики называют его эта-числом обозначают греческой буквой h. В “тепловых” реакторах на уране наблюдается такая закономерность: каждый нейтрон “порождает” в среднем 2,08 нейтрона (h =2,08). Помещенный в такой реактор плутоний под действием тепловых нейтронов дает h=2,03. Но ведь есть еще реакторы, работающие на быстрых нейтронах. Естественную смесь изотопов урана в такой реактор загружать бесполезно: цепная реакция не пойдет. Но если обогатить “сырье” ураном-235, она сможет развиться и, в “быстром” реакторе. При этом h будет равно уже 2,23. А плутоний, помещенный под обстрел быстрыми нейтронами, даст h равное 2,70. В наше распоряжение поступит “лишних полнейтрона”. И это совсем не мало.

Проследим, на что тратятся полученные нейтроны. В любом реакторе один нейтрон нужен для поддержания цепной ядерной реакции. 0,1 нейтрона поглощается конструктивными материалами установки. “Избыток” идет на накопление плутония-239. В одном случае “избыток” равен 1,13, в другом — 1,60. После “сгорания” килограмма плутония в “быстром” реакторе выделяется энергия в 2,25 · 10⁷ и накапливается 1,6 кг плутония. А уран и в “быстром” реакторе даст ту же энергию и 1,1 кг нового ядерного горючего. И в том, и в другом случае налицо расширенное воспроизводство. Но нельзя забывать об экономике.

В силу ряда технических причин цикл воспроизводства плутония занимает несколько лет. Допустим, что пять лет. Значит, в год количество плутония увеличится только на 2%, если h = 2,23, и на 12%, если h = 2,7! Ядерное горючее — капитал, а всякий капитал должен давать, скажем, 5% годовых. В первом случае налицо большие убытки, а во втором — большая прибыль. Этот примитивный пример иллюстрирует “вес” каждой десятой числа h в проблеме ядерной энергетики.

Важно и другое. Ядерная энергетика должна поспевать за ростом потребности в энергии. Расчеты показывают: это условие выполнимо в будущем только тогда, когда h приближается к трем. Если же развитие ядерных энергетических источников будет отставать от потребностей общества в энергии, то останется два пути: либо “затормозить прогресс”, либо брать энергию из каких-то других источников.

Известно, что грамм вещества, прореагировавшего в гипотетическом пока термоядерном реакторе, даст энергию, в несколько раз большую, чем грамм плутония, разделившегося в реальном ядерном реакторе наших дней. Еще больше энергии выделится при взаимодействии грамма электронов и позитронов. Однако электронно-позитронные энергетические установки “строят” пока только писатели-фантасты. А вот о термоядерных энергетических устройствах иногда говорят как о деле почти решенном. Действительно, когда физики плохо понимали, что же происходит в плазме, казалось, что вот-вот будет создан управляемый источник термоядерной энергии. Тем более что каждый день перед глазами великолепный пример действующего термоядерного реактора — Солнце. Интенсивные исследования плазмы дали многое для понимания процессов, происходящих в веществе, попавшем в свое четвертое состояние. Одни из результатов этих работ стало ясное понимание того, что создать искусственный вариант нашего светила не так просто, как казалось. Сегодня еще не намечен даже реальный путь решения этой задачи. Во всяком случае, надежды на близкое освоение термоядерной энергии исчезли. Конечно, наступят времена, когда и энергия легких ядер станет доступна. Но как и когда это будет сделано? На этот вопрос пока невозможно ответить.

Когда в результате ядерных реакций в уране накопится необходимое количество плутония, его необходимо отделить не только от самого урана, но и от осколков деления — как урана, так и плутония, выгоревших в цепной ядерной реакции. Кроме того, в урано-плутониевой массе есть и некоторое количество нептуния. Сложнее всего отделить плутоний от нептуния и редкоземельных элементов (лантаноидов). Плутонию как химическому элементу в какой-то мере не повезло. С точки зрения химика, главный элемент ядерной энергетики — всего лишь один из четырнадцати актиноидов. Подобно редкоземельным элементам, все элементы актиниевого ряда очень близки между собой по химическим свойствам, строение внешних электронных оболочек атомов всех элементов от актиния до 103-го одинаково. Еще неприятнее, что химические свойства актиноидов подобны свойствам редкоземельных элементов, а среди осколков деления урана и плутония лантаноидов хоть отбавляй. Но зато 94-й элемент может находиться в пяти валентных состояниях, и это “подслащивает пилюлю” — помогает отделить плутоний и от урана, и от осколков деления.

Разделение близких по химическим свойствам актиноидов — урана, нептуния и плутония — может быть основано на разнице в свойствах их четырех- и шестивалентных соединений. Сначала урановые бруски растворяют в азотной кислоте. Азотная кислота — сильный окислитель при растворении и уран, и плутоний, и примеси окисляются. Нульвалентные атомы плутония превращаются в ионы Рu⁶⁺. Плутоний растворяется вместе с ураном. Из этого раствора его восстанавливают до трехвалентногс состояния сернистым газом, а затем осаждают фторидом лантана. Осадок кроме плутония содержит нептуний редкоземельные элементы. Но основная масса вещества уран — остается в растворе и отделяется от плутония.

Полученный осадок растворяют вновь и окисляют нептуний до четырехвалентного состояния броматом калия. На плутоний этот реактив не действует, и при вторичном осаждении тем же LаF₃ трехвалентный плутоний переходит в осадок, а нептуний остается в растворе.

Теперь, наконец, о металле. Выделить соединения плутония из раствора — задача несложная. Известны десятки способов, позволяющих это сделать. Затем полученные соединения плутония превращают в химически чистый тетрафторид PuF₄, который при 1200° С восстанавливают парами бария. Так получают чистый плутоний. Но это еще не конструкционный материал: тепловыделяющие элементы энергетических ядерных реакторов (или даже детали атомной бомбы) из него не сделать. Почему? Нужна как минимум, “болванка” — отливка. При изготовлении плутониевых изделий пользуются преимущественно методом литья. Температура плавления металлического плутония — 640° С — вполне достижима, но...

В кристаллах атомы упакованы, как правило, плотнее, чем в жидкостях. Большинство веществ, исключая лед, типографский сплав гарт и немногие другие, затвердевая, уменьшаются в объеме — плотность их увеличивается.

Когда температура достигает 122° С и атомы плутония в шестой раз перестраивают свои ряды, плотность меняется особенно сильно — от 17,77 до 19,82 г/см³. Большее чем на 10%! Соответственно уменьшается объем слитка. Если против напряжений, возникавших на других переходах, металл еще мог устоять, то в этот момент разрушение неизбежно.

Как же тогда изготовить деталь из этого удивительного металла? Металлурги легируют плутоний (добавляют в него незначительные количества нужных элементов) и получают отливки без единой трещины. Из них и делают плутониевые заряды ядерных бомб. Вес заряда (он определяется прежде всего критической массой изотопа) 5—6 килограммов. Он без труда поместился бы в кубике с размером ребра 10 сантиметров.

В плутонии-239 в незначительном количестве содержатся и высшие изотопы этого элемента — с массовыми числами 240 и 241. Изотоп ²⁴⁰Рu практически бесполезен — это балласт в плутонии. Из 241-го получают америций — элемент № 95. В чистом виде, без примеси других изотопов, плутоний-240 и плутоний-241 можно получить при электромагнитном разделении плутония, накопленного в реакторе. Перед этим плутоний дополнительно облучают нейтронными потоками со строго определенными характеристиками. Конечно, все это очень сложно, тем более что плутоний не только радиоактивен, но и весьма токсичен. Работа с ним требует исключительной осторожности.

Один из самых интересных изотопов плутония — ²⁴²Рu можно подучить, облучая длительное время ²³⁹Рu в потоках нейтронов. ²⁴²Рu очень редко захватывает нейтроны и потому “выгорает” в реакторе медленнее остальных изотопов; он сохраняется и после того, как остальные изотопы плутония почти полностью перешли в осколки или превратились в плутоний-242.

Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его, и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках... Поэтому в реакторах из этого изотопа “делают” и накапливают в весовых количествах все элементы от калифорния до эйнштейния.

Посмотрите на график, в котором отражена зависимость периода полураспада четных изотопов плутония от массового числа. С увеличением массы растет и “время жизни” изотопа. Несколько лет назад высшей точкой этого графика был плутоний-242. А дальше как пойдет эта кривая — с дальнейшим ростом массового числа? В точку 1, которая соответствует времени жизни 30 миллионов лет, или в точку 2, которая отвечает уже 300 миллионам лет? Ответ на этот вопрос был очень важен для наук о Земле. В первом случае, если бы пять миллиардов лет назад Земля целиком состояла из ²⁴⁴Рu, сейчас во всей массе, Земли остался бы только один атом плутония-244. Если же верно второе предположение, то плутоний-244 может быть в Земле в таких концентрациях, которые уже можно было бы обнаружить. Если бы посчастливилось найти в Земле этот изотоп, наука получила бы ценнейшую информацию о процессах” происходивших при формировании нашей планеты.

Плутоний-244 накопили в ядерном реакторе. Облучали элемент № 95 — америций (изотоп ²⁴³Аm). Захватив нейтрон, этот изотоп переходил в америций-244; америций в одном из десяти тысяч случаев переходил в плутоний-244.

Много попыток предпринимали ученые, чтобы найти изотоп трансуранового элемента, живущий дольше, чем ²⁴⁴Рu. Но все попытки остались тщетными. Одно время возлагали надежды на кюрий-247, но после того, как этот изотоп был накоплен в реакторе, выяснилось, что его период полураспада всего 14 миллионов лет. Побить рекорд плутония-244 не удалось, — это самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов.

Еще более тяжелые изотопы плутония подвержены бета-распаду, и их время жизни лежит в интервале от нескольких дней до нескольких десятых секунды. Мы знаем наверное, что в термоядерных взрывах образуются все изотопы плутония, вплоть до ²⁵⁷Рu. Но их время жизни — десятые доли секунды, и изучить многие короткоживущие изотопы плутония пока не удалось.

И напоследок — о плутонии-238 — самом первом из “Рукотворных” изотопов плутония, изотопе, который вначале казался бесперспективным. В действительности это очень интересный изотоп. Он подвержен альфа-распаду, т. е. его ядра самопроизвольно испускают альфа-частицы — ядра гелия. Альфа-частицы, порожденные ядрами плутония, несут большую энергию; рассеявшись в веществе, эта энергия превращается в тепло. Как велика эта энергия? Шесть миллионов электрон-вольт освобождается при распаде одного атомного ядра плутония-238. В химической реакции та же энергия выделяется при окислении нескольких миллионов атомов. В источнике электричества, содержащем один килограмм плутония-238, развивается тепловая мощность 560 ватт. Максимальная мощность такого же по весу химического источника тока — 5 ватт.

Существует немало излучателей с подобными энергетическими характеристиками, но одна особенность плутония-238 делает этот изотоп незаменимым. Обычно альфа-распад сопровождается сильным гамма-излучением, проникающим через большие толщи вещества. ²³⁸Рu — исключение. Энергия гамма-квантов, сопровождающих распад его ядер, невелика, защититься от нее несложно: излучение поглощается тонкостенным контейнером. Мала и вероятность самопроизвольного деления ядер этого изотопа. Поэтому он нашел применение не только в источниках тока, но и в медицине. Батарейки с плутонием-238 служат источником энергии в специальных стимуляторах сердечной деятельности. Создан проект искусственного сердца с изотопным источником. На все эти нужды в ближайшие три-четыре года потребуется несколько тонн “легкого” плутония.

Но ²³⁸Рu не самый легкий из известных изотопов элемента № 94, получены изотопы плутония с массовыми числами от 232 до 237. Период полураспада самого легкого изотопа — 36 минут.

Плутоний — большая тема. Хотелось рассказать главное из самого главного. Ведь уже стала стандартной фраза, что химия плутония изучена гораздо лучшее чем химия, таких “старых” элементов, как железо. О ядерных свойствах плутония написаны целые книги. Металлургия плутония — еще один удивительный раздел человеческих знаний... Поэтому не нужно думать, что, прочитав этот рассказ, вы по-настоящему узнали плутоний — важнейший металл XX века.

Назад