Химия актиноидов (актинидов)

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 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. Если в обычном реакторе облучать плутонии-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-251 потребуется около 20 лет.

Можно сократить время накопления высших изотопов, увеличив интенсивность потока нейтронов в реакторе. Так и делают, но тогда нельзя облучать большое количество плутония-239. Ведь этот изотоп делится нейтронами, и в интенсивных потоках выделяется слишком много энергии. Возникают дополнительные сложности с охлаждением контейнера и реактора. Чтобы избежать этих сложностей, пришлось бы уменьшить количество облучаемого плутония. Следовательно, выход калифорния стал бы снова мизерным. Замкнутый круг!

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.

 Не самый тяжелый, но самый долгоживущий

Всякий раз, когда ученым удавалось получить новый изотоп плутония, измеряли период полураспада его ядер. Периоды полураспада изотопов тяжелых радиоактивных ядер с четными массовыми числами меняются закономерно. (Этого нельзя сказать о нечетных изотопах.)

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.

Несколько лет назад перед учеными встал вопрос: стоит ли пытаться найти тяжелый плутоний в Земле? Для ответа на него нужно было прежде всего определить период полураспада плутония-244. Теоретики не могли рассчитать эту величину с нужной точностью. Вся надежда была только на эксперимент.

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.

Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония-244. Образец весил всего несколько миллионных-долей грамма. Но их хватило для того, чтобы определить период полураспада этого интереснейшего изотопа. Он оказался равным 75 миллионам лет. Плутоний-244 немного «не дотянул», чтобы сохраниться в Земле со времен синтеза элементов в концентрациях, которые еще можно обнаружить.

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 -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.

Возможности первого изотопа

И напоследок — о плутонии-238 — самом первом из «Рукотворных» изотопов плутония, изотопе, который вначале казался бесперспективным. В действительности это очень интересный изотоп. Он подвержен -распаду, т. е. его ядра самопроизвольно испускают -частицы — ядра гелия. -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 -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 лучше 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.

9.ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКТИНИДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

Основным применением актинидных элементов является производство ядерной энергии. Хотя это очень важный аспект для любых актинидных элементов, неожиданно обнаружился ряд других практических применений. Они включают использование короткоживущих актинидных изотопов для портативных энергетических батарей спутников, в ионизационных детекторах дыма, лечении рака, нейтронной радиографии, разведке минералов и нефтеразработке, как нейтронные источники в пускателях ядерных реакторов и в множестве аналитических методов, наиболее важными из которых являются нейтронно-активационный анализ и десорбционная масс-спектроскопия тяжелых ионов.

Америций-241 нашел применение в диагностике нарушений щитовидной железы. Миниатюрные электрические генераторы, использующие ²³⁸Pu , разработаны для применения в кардиостимуляторах. Сам кардиостимулятор – это устройство, расположенное в грудной клетке и соединенное с сердечной мышцей; периодически испускается запрограммированный электрический импульс, который обеспечивает ритмичность сердцебиения. Кардоистимуляторы на химических батареях имеют ограниченный срок службы и должны периодически замениться хирургическим способом. Ядерный иссточник тока увеличивает время между перезарядками по крайней мере в 5 раз. Обычный ядерно-энергетический кардиостимулятор содержит около 160 мг ²³⁸Pu, заключенного в корпус из сплава тантала, иридия и плотины. В мире широко используются несколько тысяч таких приборов.

Калифорний-252 давно привлек внимание как возможный терапевтический реагент для лечения рака. Общее впечатление, складывающееся из первых публикаций на эту тему, таково, что нейтронная терапия хуже рентгеновской. Однако многие последние работы показывают, что нейтронное облучение в некоторых случаях более эффективно, чем рентгеновское или гамма облучение. За 1976-1982 годы были подвергнуты нейтронному облучению калифорнием-152 несколько сотен людей, больных раком. Нейтронное облучение оказывается особенно полезным при лечении опухолей, в которых нарушено снабжение тканей кислородом и которые по этому относительно не восприимчивы к рентгеновским и гамма лучами. В нестоящее время использование нейтронов для лечения рака находится еще в стадии эксперимента, однако не исключена возможность, что при дальнейших клинических исследованиях нейтроноизлучающие изотопы калифорния смогут найти хорошее применение в терапии.

Список использованной литературы:

1.”Химия актиноидов” Т1 (1991), Т2 (1997), Т3 (1999). Ред.: Дж.Кац, Г. Сиборг и Л.Морсс.

2.”Химия актинидных элементов” (1960) Г.Сиборг, Дж. Кац

3.”Закономерности изменения свойств лантаноидов и актиноидов” (1990) Г.В.Ионова , В.И. Спицин.

4.Информация полученная из интернета.