Двери лица его, пламенники пасти его (NUC9)

Пожалуй, трудно найти во всей известной человечеству физике раздел, более интересный и парадоксальный, нежели физика атомного ядра. Если классическая теория тяготения в чём-то напоминает аптеку, от термодинамики всегда неуловимо тянет запахом кладбища, а оптика со своими смешными линзами, призмочками и радугой мне почему-то напоминает детский садик, то ядерная физика — это, безусловно, лотерея.

Тут тебе и разноцветные "шарики" внутри ядра, пробуждающие скрытые ассоциации со "Спортлото-82", тут тебе и терминология, от которой веет какой-то небывальщиной: "странные" и "очарованные" частицы, тут тебе и совершеннейшая начальная непредсказуемость многих результатов ядерной физики за бурный ХХ век ("Так-с.. что это за хрень залетела к нам в пузырьковую камеру? Давайте подумаем, что это за частица могла оставить нам такой замечательный след...")

Не является исключением в этом ряду и физика трансурановых элементов.


Нет, это не карта острова Манхэттен. Это Левиафан, ползущий в будущее.


Вплоть до изотопа свинца ²⁰⁸Pb все элементы таблицы Менделеева стабильны. Два показательных исключения из этого правила — прометий, элемент с порядковым номером 61, один из редких лантаноидов; и технеций, элемент с порядковым номером 43, который своим аномальным поведением смутил ещё дедушку Менделеева.
Менделеев предсказал технеций в виде эка-марганца, но, в силу того, что элемент технеций по необъяснимому капризу природы оказался радиоактивным (самые стабильные его изотопы живут лишь несколько миллионов лет), то весь XIX век его никак не могли найти. Вот уж где была алхимия — "открывали", а потом "закрывали" эка-марганец как минимум пять раз. А что? При желании чёрная кошка находится в любой тёмной комнате. Правда, потом кошка может загавкать, но это уже будет потом.

Получили технеций только в 1937 году, уже искусственно, на циклотроне. Прометий синтезировали чуть позже, в 1945 году. Ну и тогда же придумали эмпирическое правило, почему у технеция и прометия не может быть стабильных изотопов. Правило хорошее, и оно работает, но вот до "периодической системы изотопов", которая бы хоть как-то напоминала по своей стройности "периодическую систему элементов", по-прежнему столь же далеко, как до победы коммунизма в масштабах отдельно взятой планеты.

Понятно, что такая система когда-то будет построена и, наверное, будет включать в себя достаточно понятную и простую математическую модель поведения любого изотопа, объяснит варианты распада существующих ядер и предскажет поведение новооткрытых; но пока имеем, что имеем — и, если при взгляде на верхний рисунок вас вдруг, потом, во сне, как Дмитрия Ивановича, посетит озарение и вы начнёте резво набрасывать систему из сложных уравнений — не пугайтесь. Это не болезнь, это озарение. Пишите, например, авторам вот таких статей. Они тоже иногда по ночам не спят, они выслушают, поймут и поддержат.

Собственно говоря, на той же картинке уже отчётливо видны и все доступные человечеству, благодаря капризам "лотереи" ядерной физики, квази-стабильные изотопы элементов, лежащих за стабильным "материком" лёгких элементов.

Это несколько "небоскрёбов" на острове, расположенном ближе всего к зрителю.

Квази-стабильные изотопы — это изотопы, период полураспада которых измеряется сотнями миллионов и миллиардами лет. То есть, нижняя черта стабильности для этих изотопов проведена сугубо условно — условием квази-стабильности принята возможность обнаружения данного изотопа в сколь-либо значительных количествах в природе, на нашей Земле, по состоянию на 2012 год. Тот же прометий и технеций методами сверхточной спектроскопии нашли впоследствии в урановых рудах, как результат распада ядер урана, но это лишь подтвердило фундаментальные выкладки. Никакого разумного использования это открытие не имело — при желании эти изотопы дешевле получить в реакторе из квази-стабильных.

Дальше, если Вы не против, у нас пойдут "весёлые картинки", которые помогут многим не заскучать во время рассказа о ядерных реакциях и изотопах.


Они всегда вместе... они просто любят друг друга.
И да, нам нужен только тот изотоп, который с упругой попкой которого меньше.
Знакомьтесь: ²³⁵U, ²³⁸U

Перечислим эти изотопы поимённо. Это: уран, который в природе представлен тремя изотопами — ²³⁴U, ²³⁵U и ²³⁸U. Изотопы ²³⁸U и ²³⁵U являются квази-стабильными и содержатся в породе с относительными концентрациями 99,283% и  0,711%.
Изотоп ²³⁴U образуется тут же, прямо в залежи урана, за счёт α-распада основного стабильного изотопа урана — ²³⁸U (основного, малоактивного природного изотопа урана, тот, который на фото сверху в жутких семейных трусах и шлёпках).
Поскольку ²³⁴U имеет период полураспада "всего-то" в 245 тысяч лет, его в природном уране вообще очень мало — всего 0,0055%.


²³⁴U, чтобы запомнилось.

Но, как говорится, "мал клоп, да вонюч". Поскольку этот изотоп короткоживущий, то его активность по сравнению с квази-стабильными "старшим братом и сестрой" просто-таки адская и составляет около 49% от общей радиоактивности природного урана. Кроме того, по причинам, разобранным здесь, любые обогатительные технологии, отделяющие ²³⁵U от урана ²³⁸U, с ещё большим удовольствием отделяют и нашего "вонючего клопа". При этом реакторный и, в ещё большей мере, оружейный уран оказываются обогащёнными и по содержанию и ²³⁵U, и, ещё больше — по содержанию ²³⁴U. Спасает ситуацию только малое содержание "вонючего клопа" в начальной породе, которое при обогащении хоть и увеличивается быстрее, чем у ²³⁵U, но всё же остаётся на более-менее пристойных уровнях.

Однако оценивать любой обогащённый уран (и реакторный, и, тем более — оружейный) уже приходится с учётом "активности клопа", то есть, если природный или, тем более — обеднённый уран, при ярком желании и малом уме, можно даже положить себе на денёк в трусы и вывезти за рубеж, то делать такие фокусы с оружейным ураном уже категорически не стоит.

В общем, у толстого парня на верхней фотографии (²³⁸U) не только жуткие семейные трусы и шлёпки, так он ещё и клопов (²³⁴U) нам в ядерное топливо заносит. А куда же без них? Без этого парня и его нательных членистоногих наша девушка-"ядерная спичка" (²³⁵U) нигде не ходит.

Кроме того, что "клоп" не по-детски фонит, других неприятных особенностей у него нет — в обычном энергетическом реакторе типа ВВЭР, под "живительным потоком тепловых нейтронов" изотоп ²³⁴U потихоньку превращается в своего старшего брата — ²³⁵U. Поэтому для целей получения энергии его считают "в общий зачёт" с ²³⁵U и Вас, с учётом данного сакрального знания, уже не должно смущать расхождение цифр данного материала с цифрами по содержанию делящегося изотопа, упомянутыми, например, здесь.

Однако, на превращение ²³⁴U в ²³⁵U всё-таки приходится тратить один лишний нейтрон, а учитывая, что девушка-"ядерная спичка" (²³⁵U) при делении нам выдаёт эти нейтроны скупо и под чёткий счёт (обычно 2-3 палки за ночь нейтрона на деление) тратить один из них на "конвертацию" клопа обидно, но приходится.

Разобравшись с ураном, перейдём к торию. Здесь наблюдаемая картинка гораздо проще, чем у урана. Природный торий представлен лишь одним квази-стабильным изотопом — ²³²Th, который, как и основной изотоп урана — ²³⁸U, имеет период полураспада, исчисляемый миллиардами лет. Если быть точным, то у ²³⁸U это 4,47 миллиарда лет, а у ²³²Th — 14,05 миллиарда лет, то есть торий будет на нашей планете, когда уже никакого урана и в помине не останется.

Так что, "ториевый цикл" — это, безусловно, наше будущее и будущее любого другого вида, который, возможно, при нашей глупости, когда-нибудь, через 500 миллионов лет будет изучать черепа этих смешных и туповатых Homo nonsapiens.
Самое главное — не забывать, что без девушки-"ядерной спички", то есть без ²³⁵U, ни природный уран, ни природный торий гореть не хотят.

При этом, если ²³⁸U всё таки можно при определённых условиях (а именно в сильном потоке быстрых нейтронов) заставить разделиться, что успешно используется в термоядерном оружии, реакторах на быстрых нейтронах (действующих сейчас  — 1 штука, в России, БН-600, Белоярская АЭС ) и, в очень небольшой степени, в реакторах на тепловых нейтронах (коих сейчас в мире — подавляющее большинство), то с ²³²Th такие фокусы уже не проходят.
Изотоп ²³²Th — это так называемый "чётно-чётный" изотоп, что, кстати, и задаёт его феноменальную устойчивость. Такие изотопы вообще невозможно разбить на осколки. Всё, чего можно от ²³²Th добиться — это "скормить" ему один тепловой нейтрон.


Это ²³²Th. Ему все эти ваши нейтроны — что слону дробина.
Покорми слона нейтронами. Покорми слона, сука.

В результате короткой цепочки превращений после этого ²³²Th мутирует в ²³³U, который, хоть и имеет период полураспада всего в 159 тысяч лет, но уже может служить ядерным топливом. Ну и по понятным причинам (короткое время жизни изотопа, даже короче, чем у ²³⁴U) полученный изотоп фонит ещё больше нашего первого "клопа" —  ²³⁴U.

Кроме того, промежуточный изотоп для наработки изотопа ²³³U из начального тория — протоактиний ²³³Pa имеет достаточно длительное время полураспада (27 суток) и, поскольку по-прежнему находится в активной зоне реактора-наработчика, то вполне успевает нахвататься нейтронов по самое не балуй. В итоге получается не ²³³U, а ²³⁴U и опять возникает вопрос, что ²³⁴U не делится, а хочет от нас ещё один нейтрон на превращение в девушку-"ядерную спичку".

С точки зрения переработки топлива с целью извлечения накопленных "ништяков" ториевый цикл также обладает некоторыми недостатками по сравнению с урановым. В процессе выгорания в топливе накапливается изотоп ²³²U, в цепочке распада которого в свинец присутствуют изотопы, фонящие гамма-квантами за счёт своего собственного распада. Это висмут ²¹⁰Bi (с энергией кванта 1,6Мэв), полония  ²¹²Po (с энергией 2,6Мэв) и особенно неприятный изотоп таллия п ²⁰⁸Tl (энергия γ-частиц 2,6 МэВ).
Работа с таким облученным топливом требует развития технологий дистанционной переработки и изготовления топлива. В общем, как всегда во многих будущих энергетических проектах, как и в случае добычи гелия-3 на Луне или метан гидратов со дна Мирового Океана, в замкнутом ториевом цикле у нас в конце тоннеля маячат огромные боевые человекоподобные роботы. Ну и, конечно же, пограничник, ведь, как мы помним: «Без участия человека это невозможно. Главное — это пограничник.».
То есть, нужен ещё и осознающий все последствия своих действий персонал.


В общем, слоник под названием ²³²Th много какает. И это — есть проблема.
А так слоник хороший, за слоником — будущее.

Хорошо, а что делать с потным толстым парнем в некрасивых шлёпках? В смысле, с изотопом урана ²³⁸U?
И здесь нам, удачливым представителям отряда приматов, снова приходит козырная карта.
Кроме того, что ядро ²³⁸U может разделиться в сильном потоке быстрых нейтронов (при этом энергия этих нейтронов должна быть не менее 1Мэв — толстого парня надо бить очень сильно), ²³⁸U  может ещё и захватывать медленные нейтроны.
Делает он это тоже крайне неохотно. Не вдаваясь в вопросы, что такое "эффективное сечение захвата по тепловым нейтронам" скажу лишь, что вероятности захвата теплового нейтрона у изотопов урана ²³⁴U (клопа), ²³⁵U (девушки) и ²³⁸U (парня) относятся, как 98 : 683 : 2,7, то есть "девушка" у нас где-то в шесть раз горячее "клопа" и в триста раз горячее парня в семейных трусах.
"Девушка" заводится с "полоборота", а парень у нас в шлёпках, толстый и к тому же "тормоз".

Кроме того, если при захвате теплового нейтрона ядро ²³⁵U (девушки- "ядерной спички") делится, то ядро ²³⁸U (парня) подобно ядру ²³²Th (слона) опять-таки мутирует через цепочку ядерных превращений в изотоп ²³⁹Pu, который у нас плутоний, оружейный, страшный, токсичный и всякое такое. В общем — Джокер, туз в рукаве и вообще негодяй. А ещё из него бомбы делают.


А сейчас мы быстренько соорудим бомбу... Меня зовут ²³⁹Pu.
Бэтмана не видели?

При этом апологеты ториевой энергетики, которые часто почему-то являются жуткими противниками энергетики урановой и плутониевой, тиражируют одни и те же давным-давно перетёртые факты:

Из плутония можно сделать бомбу! Да. Можно. И из урана можно. Можно сделать вообще из любого изотопа, который способен к вынужденному делению. Даже из ²³⁸U можно бомбу сделать — парень, конечно, тупой и тяжёлый на подъём, но сделайте поток нейтронов поэнергетичнее и помощнее — и он взорвётся. Термоядерные боеприпасы именно так и делают.

Плутоний можно легко отделить от урана! Можно. В условиях радиохимического завода, который по своей сложности сравним с заводом по разделению изотопов урана. Никакая "Аль-Каида" этот процесс не освоит — тут надо государство среднего размера и с идеей получить ядерное оружие. Грецию или Габон не предлагать — не смешно. Ну — или за "Аль-Каидой" будет стоять государство, у которого такой радиохимический завод есть.

В одном реакторе на плутонии — тысячи плутониевых бомб! Да, а ещё там нет ни грамма оружейного плутония. Весь плутоний там замешан в адский коктейль из плутония, урана и ещё сотни короткоживущих и долгоживущих изотопов, для разделения которых Вам потребуется, как минимум, радиохимический завод из второго восклицания.

Торий не для бомбы! Ну тогда и ²³³U должен не обладать свойством вынужденного деления. А так задача отделения урана от тория ничем не хуже задачи отделения плутония от урана. А насчёт того, что ²³³U не для бомб — гуглим "взрыв MET/операция Teapot". Сердечник бомбы именно что из ²³³U.

Кроме того, развитие ториевой энергетики никак не мешает развитию ураново-плутониевой. У них всё разное. Слоник в Африке, а парень в шлёпанцах. Бузина в Киеве, о нет, чёрт, там Олесь Бузина  в огороде, в Киеве - дядька. Места хватит всем.

Засим — разрешите откланяться и непринуждённый разговор об изотопах урана и тория закончить. Извините, если кому из специалистов ненароком порвало шаблон.

Просто так рассказать об изотопах замкнутого ядерного цикла и их поведении мне показалось более интересным. Хотя можно, конечно рассказать и так. Или так. Но это, безусловно, уже более серьёзные материалы.