Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв
ПЛУТОНИЙ
Атомный реактор можно уподобить костру, в котором около 1% сухих дров (уран-235), а все остальное — сырые поленья (уран-238). Спору нет, такой костер все равно греет, но все же обидно и неэкономно после того, как он прогорит, разбрасывать кучу тлеющих головешек. А нет ли способа их как-либо использовать? Один из них издревле применяют углежоги: они сооружают поленницу из сырых дров, укрывают ее, зажигают внутри костер, и через некоторое время сырые поленья превращаются в первосортный древесный уголь. Нечто похожее можно осуществить и в атомном реакторе, превращая «негорючий» уран-238 в «горючий» плутоний-239.
Чистый плутоний — это серебристо-серый тяжелый металл с плотностью 19,82 г/см3 и температурой плавления 640°C. Принято говорить, что его химические свойства изучены сейчас лучше, чем химия железа. В природе плутония практически нет: в урановых рудах его в 400 000 раз меньше, чем радия, но зато сотни тонн плутония хранятся в арсеналах разных стран.
Сейчас известно 15 изотопов плутония — от плутония-232 до плутония-246, все они радиоактивны с периодами полураспада от 20 мин до 76 млн. лет. Самый важный из них — плутоний-239. Его период полураспада Τ1/2 = 24 360 лет, то есть в масштабе человеческой жизни его можно считать стабильным. Подобно радию, он испускает α-частицы с энергией 5,1 МэВ и превращается при этом в уран-235:
Плутоний-239, подобно урану-235, обладает редкой способностью делиться под действием медленных нейтронов. Его сечение деления σдел=742 барн и средняя множественность нейтронов на деление ν=2,92 даже больше, чем для урана-235 (σдел = 582 барн и ν = 2,42, соответственно), поэтому плутоний-239 — лучшее ядерное топливо и ядерная взрывчатка. Это поняли довольно быстро — всего через два года после открытия деления.
В то лето 1939 г., когда на восточном побережье США Ферми искал способ уменьшить поглощение нейтронов в уране-238, чтобы осуществить цепную реакцию, на западном побережье, в Калифорнии, Эдвин Макмиллан решил подробно изучить, что же происходит с ураном-238 после того, как он поглотит нейтрон. В его распоряжении был только что
построенный циклотрон, который мог ускорять дейтроны до энергии 16 МэВ. Направляя их на мишень из бериллия, он вызывал ядерную реакцию
d+9Be→10B + n
с мощным потоком нейтронов: чтобы получить такой же поток с помощью стандартного радон-бериллиевого источника, нужно несколько килограммов радия, то есть больше его мировых запасов. Облучая этими нейтронами тонкую урановую мишень, Макмиллан, как и многие до него, наблюдал множество осколков деления, которые вылетали из урановой мишени с большой энергией. Сама мишень тоже становилась радиоактивной и испускала электроны с периодом полураспада 23 мин, то есть как раз с тем периодом, который наблюдали еще в 1937 г. Ган, Мейтнер и Штрассман.
К этому времени уже не было особых сомнений в том, что это распадается изотоп урана-239, который образовался при захвате нейтрона ядром урана-238, по схеме
Трансурановый элемент с атомным номером 93, образующийся при β-распаде урана-238, в 1946 г. назовут нептунием, но, чтобы доказать его реальность, предстояло еще выделить его в чистом виде.
В мае 1940 г. Филипп Абельсон, геохимик из Вашингтонского университета, приехал ненадолго в Беркли, чтобы на уникальном в то время циклотроне продолжить исследования с ураном, начатые Макмилланом. Вдвоем им хватило недели, чтобы отделить новый элемент от урана. При этом оказалось, что он тоже испускает электроны, но с периодом полураспада 2,3 дня. Логично было предположить, что нептуний-239 превращается при этом в новый элемент 94, который впоследствии назовут плутонием:
Тогда это была только недоказанная гипотеза, но многие сразу в нее поверили.
Через год, в марте 1941 г., четверо американских исследователей — Джозеф Кеннеди, Гленн Сиборг, Эмилио Сегре и Артур Валь — доказали, что из нептуния-239 действительно образуется плутоний-239, который в свою очередь испускает α-частицы и с периодом полураспада 24 360 лет превращается
в хорошо знакомый уран-235. Два месяца спустя они убедились, что плутоний-239 под действием медленных нейтронов делится, подобно урану-235, в согласии с предсказаниями теории деления Бора — Уилера — Френкеля. Еще через год, 18 августа 1942 г., Баррис Каннингем и Луис Вернер в Беркли выделили первые 0,1 мг плутония. (Девять лет спустя за открытие плутония Эдвин Маттисон Макмиллан (1907— 1989) и Гленн Теодор Сиборг (р. 1912 г.) будут удостоены Нобелевской премии, 1951 г.).
Только через семь лет после опытов Ферми по облучению урана нейтронами стал вполне понятен их смысл: он наблюдал одновременно свыше сотни осколков деления урана-235 и, кроме того, всю цепочку превращений урана-238:
По существу он был прав тогда, говоря о наблюдении трансурановых элементов, хотя и не представлял всей сложности наблюдаемого явления.
Возвращаясь к событиям тех не очень далеких, но уже исторических дней, трудно удержаться от мысли, что решение Ферми прекратить исследования реакций нейтронов с ураном (которое он никогда не мог себе простить) обернулось для человечества неожиданным благом. Страшно подумать, как бы повернулась история, если бы деление урана было открыто не в 1938 г., а в 1934 г. — вскоре после прихода нацистов к власти. Трудно сомневаться в том, что идущий к войне фашизм сумел бы использовать весь научный потенциал Германии, чтобы создать и применить ядерное оружие.
Открытие плутония изменило сам подход к решению урановой проблемы. Прежде всего, стало ясно, что поглощение нейтронов в уране-238 — полезный процесс, поскольку при этом образуется «ядерное топливо» — столь же и даже более эффективное, чем уран-235. Кроме того, плутоний можно отделять от урана, из которого он образуется, химическими методами, а это несравнимо проще, чем разделять изотопы урана. Однако вся эта красивая схема могла стать реальностью лишь при условии, что цепная ядерная реакция в природном уране действительно
