Металлический уран — очень капризный материал. Если его нагреть, то он реагирует со всеми применяемыми в металлургии тугоплавкими материалами. Порошкообразный уран реагирует со всеми составляющими атмосферы даже при комнатной температуре. Это накладывает определенные ограничения на методы работы с ним.
Например, в реакторах на тепловых нейтронах (свободные нейтроны с кинетической энергией близкой к кинетической энергии движения молекул газа при комнатной температуре) в качестве теплоносителя используют воду. При малейшем нарушении герметичности защитной оболочки уран начнет разлагать воду. Выделившийся водород вступит в реакцию с образованием порошка гидрида урана (H3U). Таким образом ТВС разрушится и порошок гидрида урана будет уноситься водой. Картина страшная для любого человека, даже для ученого ядерщика. Чтобы подобного не происходило, чистый уран в виде топлива не применяется. Существуют реакторы, работающие на оксидном топливе (UO2), нитридном топливе (UN), а если требуется металлическое урановое топливо, то его сплавляют с молибденом. Такой сплав устойчив и описанные выше процессы разрушения ТВС не происходят.
Еще в 1904 году Эрнест Резерфорд заметил, что период полураспада урана соизмерим с возрастом Земли. Тогда он предложил определять возраст минералов и возраст земли по соотношению урана и свинца — конечного продукта распада урановых ядер. Этим же методом определялся возраст метеоритов и лунного грунта. Оказалось, что Луна гораздо старше Земли.
Еще один важный факт: ученые установили, что спонтанно могут делиться ядра всех элементов тяжелее тория. Этот процесс определяет границу таблицы Менделеева. Следовательно, определяет химический состав всех объектов во Вселенной.
Нептуний. Планеты-планеты…
В солнечной системе за планетой Уран следует Нептун. В ряду химических элементов за ураном следует нептуний. Это небольшая подсказка, как начать разбираться в астрономии, зная всего лишь химию. Или наоборот.
Получен нептуний был при помощи облучения урановой мишени нейтронами. Получали его в небольших количествах, поэтому изучение химических свойств было затруднено. Стеклодувы изготавливали пробирки и мензурки объемом всего лишь в стотысячную миллилитра. Растворяя в такой пробирке микрограмм нептуния, получали раствор с большой концентрацией (0,1 г/л). Вся аппаратура устанавливалась на предметном столике микроскопа. В таких жестких условиях проводилось изучение химических свойств этого элемента.
Сейчас же научились получать достаточно большое количество изотопа 237Np с периодом полураспада 2,2 миллиона лет, что позволяет проводить исследования в нормальных технических условиях.
Изотоп 237Np является прекрасным материалом для получения 238Pu, который может использоваться в качестве топлива для ядерных космических батарей и других изделий, например кардиостимуляторов. Другие изотопы нептуния сами по себе не играют заметной роли в ядерной энергетике.
Плутоний
С данным элементом связаны как большие надежды, так и большие опасения человечества. Периоды полураспада всех известных изотопов плутония много меньше возраста Вселенной. Отсюда мы можем смело сделать вывод, что те атомы плутония, что образовались во время зарождения Вселенной, не могли дожить до наших дней, как динозавры и мамонты. Однако он все равно содержится в земной коре, так как постоянно образуется в урановых рудах в результате ядерных реакций.
В декабре 1940 года при облучении урана ядрами тяжелого водорода (дейтерия) группа ученых во главе с Сиборгом получили новый элемент. Так как этот элемент в то время был последним в таблице Менделеева, то и назвали его в честь последней планеты солнечной системы — Плутона. Правда сейчас Плутон перестали считать планетой, да и в самой таблице уже 118 элементов, но название плутоний так и осталось.
Получать плутоний возможно только имея на своем вооружении мощную атомную промышленность. А в 40-х годах она только зарождалась. Да и первоочередной ее целью было создание оружия невиданной мощности. Так в США появился Манхэттенский проект, связанный с созданием первых атомных бомб. Его руководителем был военный, а не ученый. Его не интересовал плутоний. Но физики уже тогда понимали, что, синтезировав изотопы плутония с нечетным массовым числом (суммой протонов и нейтронов), от них можно ожидать цепной ядерной реакции. К сожалению для всего мира, плутоний оправдал эти надежды и смог стать «взрывчаткой» для атомной бомбы. А так как данным проектом руководили военные, то все исследования плутония были засекречены и в шифровках его называли «медью».
Созданный для бомбы, плутоний нашел применение в «мирном атоме». 235U изотопа не хватило бы для того, чтобы наладить работу АЭС, созданных в те времена.
При делении 239Pu изотопа выделяется около 200 МэВ. Это в 50 миллионов раз больше, чем выделяется энергии при сгорании одного атома углерода с образованием молекулы углекислого газа. Другими словами, при распаде 1 грамма плутония выделяется столько же энергии, сколько содержится в 4 тоннах хорошего угля.
Так как плутоний настолько энергоемкий, то почему бы не добывать его, скажете вы. Хотя плутоний и содержится в земной коре, но его очень мало. Его в 400 раз меньше, чем радия, а это тоже очень редкий элемент. В природе плутоний удалось обнаружить только после изучения физико-химических свойств его изотопов, искусственно полученных в атомных реакторах.
Плутоний также нашел свое применение в качестве источника энергии в специальных сердечных стимуляторах.
Америций
В 1944 году работа, связанная с получением плутония, завершена. Ученые, работавшие в данном направлении, переключились на другую задачу — получение следующих элементов после плутония. Но эту задачу решали уже не химики. Ею занимались физики-ядерщики, которые синтезировали новые элементы путем сталкивания между собой ядер разных элементов, добиваясь их слияния. Если бы все это происходило в XVII–XVIII веках, то смело можно было бы сказать, что ученые занимаются алхимией, так как получают новые химические элементы из старых.
Здесь стоит отметить, что в дальнейшем все элементы с порядковым номером больше 95 получали физики на ускорителях частиц. И в данной работе шла ожесточенная война между несколькими научными коллективами, кто же первый откроет новый элемент и получит право дать ему название. Естественно, политическая ситуация в мире и холодная война между США и СССР наложили на эту область науки свой отпечаток.
В июле 1944 года плутоний стали бомбардировать ядрами гелия. В итоге получили кюрий — следующий за америцием элемент. Однако здесь важно отметить тот факт, что только при решении задачи по синтезу новых элементов, следующих за плутонием, ученые пришли к выводу, что актиний является аналогом лантана. А значит, и все последующие за актинием элементы являются аналогами соответствующим лантаноидам. С точки зрения этой теории, актиноиды должны иметь ряд схожих свойств и при этом иметь что-то общее с лантаноидами. Отсюда вытекает вывод, что америций — аналог европия.
Как только были поставлены опыты, основанные на данной теории, так сразу же были открыты америций и кюрий. Америций был назван в честь Америки, точно так же, как и его редкоземельный «брат» европий назван в честь Европы.
Получить получили, а вот как разделить америций и кюрий — это была сложная задача. Из-за нее один из химиков предлагал дать им названия пандемониум и делирум, что переводится как ад и бред.
Разделить их все же получилось. Для этого использовали обменную хромотографию — процесс до боли знакомый химикам-технологам. Он основан на процессе ионного обмена. Сначала необходимый ион собирается на ионнообменной смоле, а затем вымывается из него. Это грубо и вкратце. В 1945 году удалось получить всего 10 миллиграммов изотопа 241Am, чего оказалось достаточно для проведения физико-химических исследований данного элемента. Как и предполагалось, америций в основном проявляет валентность равную III. Чуть позднее были получены большие количества данного металла и выяснилось, что он имеет серебристо-белый цвет, кроме того, тягучий и ковкий.
Какого же применение данного элемента? Изотоп 243Am применялся для получения 102, 103 и 105 элементов таблицы Менделеева. Существуют приборы на основе 241Am изотопа для непрерывного измерения толщины стальной и алюминиевой лент.
Кюрий
Как уже было сказано ранее, кюрий был открыт раньше америция, но ученые долго не могли их разделить между собой. Его первооткрыватели, в число которых входили Г. Сиборг, А. Гиорсо, Р. Джеймс и Л. Морган, хотели увековечить в названии этого элемента память о Пьере и Марии Кюри, а также подчеркнуть аналогию актиноидов и лантаноидов. В таблице Менделеева над Кюрием стоит Гадолиний, названный в честь Юхана Гадолина — исследователя редких земель.
Интересно, что грамм изотопа 242Cm каждую секунду излучает 1,2*1013 альфа-частиц, выделяя при этом 120 ватт тепловой энергии. Поэтому он практически всегда раскален. Чтобы работать с ним, от него необходимо непрерывно отводить тепло. Очевидно, что применение этого изотопа стоит искать там, где особо ценятся малый вес и компактность источника энергии. Естественно, это важно в разработках для космических исследований.
Берклий
Берклий был синтезирован в Радиационной лаборатории Калифорнийского университета в городке Беркли, находящемся вблизи Сан-Франциско. В качестве мишени для облучения альфа-частицами использовали изотоп 241Am. Как вы уже поняли, свое название он получил в честь городка Беркли. Здесь также последовала аналогия в названии с лантаноидом. Аналогом берклия является тербий — элемент, названный в честь небольшого городка Иттербю в Швейцарии.