Вы не задумывались, почему "калифорний-252" стоит так дорого? (3 фото)

Ядерная реакция.

Ядерная реакция это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра. Последствием взаимодействия может стать деление ядра, испускание элементарных частиц или фотонов. Кинетическая энергия вновь образованных частиц может быть гораздо выше первоначальной, при этом говорят о выделении энергии ядерной реакцией.

Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота. Она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:

реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).
прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при больших энергиях бомбардирующих частиц.
Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием.
(Википедия.)

Калифорний - Это Металл серебристо-белого цвета с ярким блеском, искусственного происхождения, который в окружающей среде не существует, он добывается только лабораторно в очень небольших количествах и только в двух местах на планете: В России и США:

1.
Драгоценные металлы вовсе не являются такими дорогими, если сравнивать их с некоторыми искусственно полученными металлами. Например, радиоактивный элемент Калифорний-252 стоит неимоверных 27 миллионов долларов за 1 грамм (дороже только антиматерия, которая оценивается в 60 триллионов долларов за 1 грамм). Ежегодно в мире производят лишь 40 миллиграмм этого материала, поэтому мировой запас Калифорния составляет ничтожных 8 грамм. Регулярно Калифорний производят в Окриджской национальной лаборатории в США и в Димитровграде Ульяновской области. Далее предлагаем взглянуть на процесс производства почти самого дорогого в мире материала.

2.
В 80 километрах от Ульяновска, на реке Черемшан, находится город Димитровград с населением около 100 000 человек. Его главное предприятие – Научно-исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР), который был создан в 1956 году по иницитиве Курчатова. Изначально он был опытной станцией для испытаний ядерных реакторов, но в настоящее время спектр направлений деятельности значительно расширился. Сейчас в НИИАР испытывают различные материалы, чтобы определить, как они себя ведут в условиях продолжительного радиактивного излучения, создают радионуклидные источники и препараты, которые применяют в медицине и исследованиях, решают технические вопросы экологически чистых технологий и просто ведут научную деятельность. В НИИАР работает около 3500 сотрудников и 6 реакторов.

Известны 20 изотопов, наиболее ценным из них является калифорний-252 с периодом полураспада в 2,6 года.
Температура плавления металла 900 градусов Цельсия, температура кипения оценивается в 1300-1500 градусов Цельсия. Калифорний радиоактивен, является мощным источником нейтронов и токсичен. Ежегодно производят не больше нескольких сот миллиграммов 252-го изотопа.

Откуда взялся калифорний на Земле? Предположительно, из ядерного взрыва. Мощный поток нейтронов, возникающих в процессе цепной реакции, вызывает серию ядерных превращений примерно по такой схеме: атом урана или плутония захватывает нейтрон и если не делится, то претерпевает распад - испускает либо альфа-, либо бета-частицу. В первом случае он перепрыгивает через один элемент назад, а во втором становится следующим элементом. Захватив новый нейтрон, тот, в свою очередь, может претерпеть бета-распад и увеличить свой номер еще на единицу. А может до того поймать еще один нейтрон и стать более тяжелым изотопом следующего элемента — это называется r-процесс. Так, в те несколько долей секунды, которые длится активная фаза взрыва и плотность потока нейтронов высока, неизбежно образуется какое-то количество атомов тяжелых элементов и, в частности, калифорния. Во всяком случае, так утверждает Томас Альбрехт-Шмитт из университета штата Флорида, опубликовавший соответствующую статью о калифорнии в сентябрьском номере журнала «Nature Chemistry» за 2014 год. Причем образуются какие-то долгоживущие изотопы, коль скоро их обнаружили при анализе мест ядерных взрывов 40-х годов. Кстати, самые долгоживущие изотопы: калифорний-251 с периодом полураспада 898 лет и калифорний-249 - 345 лет. То есть родившиеся в ядерных и термоядерных испытаниях атомы калифорния вполне могут сохраниться до сих пор. Однако поскольку соответствующие документы о последствиях ядерных взрывов были засекречены, официально рождение калифорния приходится на опыты Гленна Сиборга в феврале 1950 года по бомбардировке мишеней в циклотроне в Беркли: для калифорния мишенью служил кюрий, а снарядом: альфа-частица. Как пишет Альбрехт-Шмитт, есть подозрения, что калифорний вместе с порождающим его кюрием, а также америцием имеется и в отработанном ядерном топливе. Поскольку атомщики заинтересованы в переработке этого топлива, сейчас активно развивается химия калифорния и других тяжелых актиноидов: очищать от них нужно и само топливо, и получающиеся при этом жидкие отходы. Ведь калифорний спососо6ен спонтанно делиться, а дополнительный расщепляющийся элемент в придачу к урану в топливном стержне совсем не нужен, и, кроме того, активность всех трех элементов очень велика, убрав их, можно снизить вредоносность таких жидких отходов.


Где во Вселенной рождается калифорний? Как и в атомном взрыве, там, где есть мощные потоки нейтронов: это взрывы и слияния звезд. Первое наблюдение в режиме реального времени слияния нейтронных звезд позволило внести некоторую конкретику в этот процесс. Напомним, что такая возможность представилась астрофизикам в результате фиксации 17 августа 2017 года гравитационной волны детекторами LIGO и VIRGO, благодаря чему удалось быстро вычислить координаты события и направить туда телескопы. В ходе этих наблюдений было детально охарактеризовано явление килоновой, последствия слияния нейтронных звезд или поглощения нейтронной звезды черной дырой. Мощность свечения при этом в тысячу раз больше, чем при образовании новой - результата слияния, например, красных карликов, но в тысячу раз меньше, чем у сверхновой - взрыва одной звезды. Сейчас считается, что килоновые из-за огромной плотности потока нейтронов ответственны за образование большей части тяжелых изотопов элементов, стоящих после железа, вследствие упомянутого r-процесса. В ходе вспышки астрономы наблюдали дополнительный разогрев стремительно расширяющегося облака продуктов взрыва и для объяснения его прибегли к гипотезе, что это связано с делением ядер изотопов, которые сформировались ранее при нейтронной бомбардировке: при этом может высвобождаться очень много энергии. Однако существует ли элемент, который даст основной вклад? Расчет показывает, что это калифорний-254. Он получается в результате цепочки бета-распадов предшественников, которые все живут считаные мгновения: на весь калифорниевый синтез уходит от силы два часа времени. А сам этот изотоп - долгоживущий, его период полураспада составляет 60 дней. То есть основной разогрев от деления его ядер приходится на период 25-100 дней после слияния звезд: именно такие временные рамки разогрева и были получены в результате наблюдений. Другие же изотопы как калифорния, так и иных спонтанно делящихся элементов живут либо слишком мало, либо слишком долго и не могут обеспечить наблюдаемый разогрев продуктов взрыва. Видимо, дальнейшие наблюдения таких слияний позволят подтвердить или опровергнуть эту точку зрения в первом случае телескопы в инфракрасном диапазоне будут видеть вспышку в несколько раз дольше, чем во втором.

Как получают калифорний? Его делают в специальных реакторах с большим потоком нейтронов. Таких реакторов на Земле два - в американском Окридже и в нашем Димитровграде. На первый приходится 70% изготавливаемого калифорния-252, а годовой объем этого производства составляет примерно 25 мг. Чтобы сделать калифорний, надо сначала получить фермий и с помощью нейтронов обратить его в берклий-249. Тот, поймав нейтрон, станет берклием-250 и за счет бета-распада обратится в калифорний-250. Получив еще два нейтрона, он и станет желаемым калифорнием-252. Стоит калифорний в сотни тысяч раз дороже золота - десятки миллионов долларов за грамм.




Зачем нужен калифорний - 252? Этот наиболее востребованный изотоп не распадается - он делится, причем период его полураспада не мал и не велик - 2,6 года. При делении получаются не только осколки, но и много нейтронов с широким спектром энергий - один миллиграмм калифорния-252 в секунду выделяет 2,5 млрд нейтронов. Неудивительно, что на его основе сделали множество нейтронных источников. Они нужны для нескольких видов работы. Вот их перечень. Нейтроны помогают проводить нейтрон-активационный анализ на присутствие какого-то элемента. Схема его такова: нейтрон попадает в атом элемента и превращает его в радиоактивный изотоп. При распаде тот дает, например, гамма-квант, который удается зафиксировать. Так легко обнаруживать взрывчатку - в ней много атомов азота, и они светятся под нейтронным лучом. Мощный нейтронный поток от калифорниевого источника позволяет эту процедуру проводить быстро - в 80-х годах их стали устанавливать в аэропортах для борьбы с террористами. Сейчас, правда, на смену приходят другие источники нейтронов, менее опасные и не такие дорогие. Благодаря высокой проникающей способности нейтроны калифорния проходят сквозь почву и позволяют находить противопехотные и противотанковые мины. Используют их и для просвечивания крупных металлических конструкций - в них ищут дефекты. Важны такие портативные источники и для геологов - вызывая свечение воды и нефти, они дают пространственное расположение нефтеносных слоев под буровой. Очень важная функция калифорниевых источников - запуск ядерной реакции в топливных блоках атомных электростанций: нейтроны нужны для инициации цепной реакции. Третья большая область применения - онкология. Нейтроны оказывают гораздо более разрушительное действие на клетки, нежели мягкие виды облучения. Поэтому в 80-х годах калифорний начали применять при неоперабельных видах рака в различных полостях - раке матки, раке желудка. Как правило, сначала опухоль насыщают бором, он-то и ловит нейтроны калифорния, обеспечивая высокую дозу вторичного облучения именно в нужном месте. Нельзя сказать, что удается достичь существенного успеха - рак и был и остается неизлечимой болезнью. Но вот, например, свежие данные врачей из Полицейского госпиталя Гуандуна («Chinese Journal of Cancer», 2017, которые лечили калифорниевым облучением рак матки. Спустя три года после лечения у пациенток с первой стадией не было замечено следов болезни в 86% случаев, а общая выживаемость составила 90%, при 2 и 3 стадиях, соответственно 65 и 85%, а вот при четвертой стадии получилось гораздо хуже - 0 и 17%. При этом, согласно китайской статистике, при химиотерапии выживаемость за пять лет при 2 и 3 стадиях рака составляет 53-74%, а для 4 стадии: 20-30%. В общем, медики внимательно присматриваются к этому новому методу лечения и пытаются подобрать более эффективные методики, только дело это небыстрое.

P.S.
И лечит и колечит. Но, при этом не доступен, обычному "Смертному".