Калифорний металл 252 - свойства и применение

Эквивалент богатства, золото, вовсе не самый дорогой среди металлов. Для неспециалиста перечень может оказаться неожиданностью: №2 - осмий, №3 - родий, №4 - платина и №5 - золото. Безоговорочно, №1 рейтинга - металл калифорний, 98-й элемент, радиоактивный серебристо-белый металл.

Цена 1 грамма Cf - почти 30 миллионов долларов. Используется калифорний только для дорогостоящих научных исследований и в медицине. Экономический эффект его применения перекрывает затраты на производство.

Научное открытие - вовсе не случайность

Люди не подозревали о существовании калифорния до 1950 года. Спасаясь от преследований фашистского режима, многие видные европейские физики бежали в США. Одним из крупнейших стал центр ядерных исследований в калифорнийском университете Беркли.

Это была эпоха открытий новых химических элементов. Шла гонка за мировое лидерство. Как результат направленной бомбардировки кюрия-242 потоком альфа-частиц было получено несколько атомов нового трансуранового элемента. Название “калифорний” ( Cf) радиоактивный металл получил в честь новой родины его открывателей. Физики С. Томпсон, А. Гиорсо, К. Стрит и Г. Сиборг  даже шутили, что их открытие - сродни открытию Америки. Открытие элемента сравнивали с трудностями калифорнийских первопроходцев.

Новый элемент с момента открытия существовал в “невидимом” состоянии - счет шел на атомы. Цена каждого атома калифорния складывается из стоимости ядерного реактора, циклотрона и всего научного комплекса Беркли. В осязаемом виде Cf получили немного позже - в 1958 году, в виде солей.

Чтобы наглядно оценить масштабы производства калифорния, достаточно представить маковое зернышко: 100-я часть его - годовое производство калифорния. За более чем полвека произведено не более 5 граммов Cf.

Изотопы калифорния

Радиоактивный металл имеет 17 изотопов с массой от 240 до 256 атомных единиц. Продолжительность жизни у всех разная.  Далеко не все из них можно получить в макро количествах, более нескольких атомов.

Среди продуктов термоядерной реакции (1952 г.) в калифорнийском Беркли был обнаружен 254 изотоп с вовсе удивительными свойствами. При спонтанном делении его ядра выделяется гигантская удельная энергия - 10 000 000 Вт/кг.

Самый изученный изотоп

Критическая масса Cf-252, порог начала самопроизвольной ядерной реакции, составляет 5 кг. Такого количества металла нет на Земле.

Распад изотопа сопровождается высвобождением огромного количества энергии распаде: 1 г калифорния-252 испускает 2,4 биллиарда (10¹⁵) нейтронов, а микрограмм (10^-6) - более 2 миллионов (10⁶) за секунду.

Для сравнения: 1 грамм Cf-252 по мощности излучения эквивалентен 200 кг радия (тоже, мифическое количество) или ядерному реактору средней мощности. 

Кроме радиационной опасности, калифорний-252 очень токсичен: его ПДК (предельно допустимое количество) по нормативам приравнивается 0,0000041 Бк/л для закрытых помещений, и 0,000133 Бк/л – для источников воды и водоемов.

Откуда берется калифорний

Калифорний не добывают из руды как обычные металлы. Получают его по атомно в мощных ядерных реакторах, предназначенных специально для синтеза трансуранов. Тяжелые изотопы кюрия и плутония облучают потоком нейтронов. Без такого облучения внутри котла реактора процесс трансформации кюрия и плутония в 98 элемент может длиться годами.

Существует только 2 центра производства 252 калифорния - США и Россия. Как сырье, для получения Cf используют радиоактивный плутоний или кюрий - облучают нейтронами в ядерном реакторе. Защитный кожух ограждает персонал от опасного излучения и электромагнитных волн реактора.

Трансформация плутония и кюрия в калифорний - процесс многоступенчатый. Каждый из участников-реагентов распадается и образует новый изотоп. Всю цепочку распадов и синтеза можно уложить в последовательность:

1. Плутоний-Америций
2. Америций-Кюрий
3. Кюрий-Берклий
4. Берклий-Калифорний.

На образовании Cf процесс превращения затухает.  Калифорний невозможно превратить в изотоп большего атомного веса - ядро слабо откликается на облучение нейтронами.

Для получения 1 грамма калифорния-252 расходуется 10 кг плутония-239:

• 99,7% атомов плутония распадаются при ядерной реакции;
• 0,3% сохраняют атомную структуру, превращаются в калифорний.

Из реактора калифорний выходит в виде оксидов и сложных солей. Чтобы восстановить его до металла используют окислительно-восстановительные реакции.

Для выделение 252 Cf из продуктов реакции используют методы

1. экстракцию
2. экстракционную хроматографию
3. ионный обмен.

Вот почему 1 грамм Cf-252 стоит порядка тридцати миллионов долларов.

Вся польза опасного металла

Процесс деления атомного ядра калифорния-252 приводит к образованию 4 нейтронов. Такое нейтронное излучение поддается точным прогнозам, что стало основой практическому применению самого дорогого металла на Земле.

Источник нейтронов

Основной процесс изотопа проходит по типу α-распада. Параллельно протекает спонтанное деление с выбросом осколков ядер. Самопроизвольные процессы 1 мкг 252 изотопа дают столько же ядер-осколков, сколько и 1 мкг урана в ядерном реакторе при интенсивной бомбардировке нейтронами. Поэтому, основное предназначение 252 изотопа - компактный и мощный источник нейтронов для физических исследований. Например, как пусковой источник нейтронов для начала работы ядерного реактора.

Научные исследования микро- и макромира

Изотоп калифорния незаменим при изучении строения материи и атомного ядра. Полученные знания применимы не только к земным условиям: в исследованиях дальнего и ближнего космоса используют нейтронное излучения 252 изотопа.

Прикладная наука

Нейтронную эмиссию калифорния-252 используют при геологоразведке и добыче серебра и золота. Эти лучи позволяют создать карту глубинных водоносные и нефтеносные слоев земной коры через анализ спектра отраженного нейтронного излучения, нейтронный каротаж.

Постоянство эмиссии нейтронов широко используется при изучении структуры различных материалов. Появилась целая отрасль неразрушающей дефектоскопии, нейтронная радиография. Простым облучением поверхности имеется возможность контролировать безопасность ядерных реакторов, деталей космической и авиационной техники и других конструкций. Эта методика позволяет обнаружить зарождение микротрещин задолго до начала разрушения и вовремя принять меры.

Повседневная практика

Портативный вариант нейтронного радиографа имеется в арсенале полиции.  Аппарат находит хитро спрятанные наркотики, которые не смогли обнаружить рентгеном.

Нейтронные датчики на базе Cf-252 в автоматическом режиме эффективно измеряют влажность.

Излучение калифорния-252 используется для изучения структуры и свойств материалов для нужд угольной промышленности, металлургии и нефтехимии.

Медицина

Нейтронная радиохирургия - опробованный высокоэффективный метод лечения онкологии. Тончайшую иглу с микроскопической крупицей Cf-252 вводят в ткани онкобольного. Поток медленных нейтронов разрушает атипичные клетки не причиняя вреда здоровым. Злокачественная опухоль обрабатывается локально с высокой степенью точности.

Калифорний спас множество жизней и подарил надежду тысячам больных излечиться без травматических операций.

Тайны древности и волос Наполеона

Нейтронное излучение 252 изотопа калифорния позволяет проводить неразрушающую диагностику, что особенно важно при исследовании предметов древности. Для других современных методов, спектрального или рентгенофлуоресцентного, необходимо взять хотя бы крошечный соскоб поверхности.

С появлением нейтронно-активационного анализа стали невозможными подделки полотен старых мастеров. Анализ состава красок не оставляет сомнения в дате создания произведений живописи. Разоблачение древних фальшивомонетчиков, тайны происхождения древних артефактов приоткрыли завесу благодаря нейтронному анализу.

Даже смерть Наполеона Бонапарта перестала быть тайной. Через 140 лет после его странной кончины на острове святой Елены был проведен анализ волоса императора. Прядь была срезана на следующий день перед погребением и хранилась как реликвия. Нейтронно-активационный анализ показал превышение нормы содержания мышьяка в 13 раз. Установили даже время, когда стали подмешивать яд в пищу.

Потенциал трансуранового калифорния-252 еще не полностью раскрыт. По идее, любой ядерный реактор, не хуже калифорнийского, синтезирует сырье для преобразования в Cf-252, что снизит стоимость производства самого дорогого металла на Земле. Нанотехнологии станут реальностью...