Мабуть, важко знайти у всій відомій людству фізики розділ, більш цікавий і парадоксальний, ніж фізика атомного ядра. Якщо класична теорія тяжіння в чомусь нагадує аптеку, від термодинаміки завжди невловимо тягне запахом кладовища, а оптика зі своїми смішними лінзами, прізмочкі і веселкою мені чомусь нагадує дитячий садок, то ядерна фізика - це, безумовно, лотерея.
Тут тобі і різнокольорові "кульки" всередині ядра, що будять приховані асоціації зі "Спортлото-82", тут тобі і термінологія, від якої віє якоюсь небувальщиною: "дивні" і "зачаровані" частинки, тут тобі і цілковита початкова непередбачуваність багатьох результатів ядерної фізики за бурхливе ХХ століття ( "Так-с. що це за хрень залетіла до нас в бульбашкову камеру? Давайте подумаємо.")
Не є винятком в цьому ряду і фізика трансуранових елементів.
Ні, це не карта острова Манхеттен. Це Левіафан, що повзе в майбутнє.
Аж до ізотопу свинцю 208 Pb всі елементи таблиці Менделєєва стабільні. Два показових виключення з цього правила - прометий, елемент з порядковим номером 61, один з рідкісних лантаноїдів; і технецій, елемент з порядковим номером 43, який своїм аномальним поведінкою збентежив ще дідуся Менделєєва.
Менделєєв передбачив технеций у вигляді ека-марганцю, але, в силу того, що елемент технецій по непоясненому примхою природи виявився радіоактивним (найстабільніші його ізотопи техніці живуть кілька мільйонів років), то весь XIX століття його ніяк не могли знайти. Ось вже де була алхімія - "відкривали", а потім "закривали" ека-марганець як мінімум п'ять разів. А що? При бажанні чорна кішка знаходиться в будь-який темній кімнаті. Правда, потім кішка може загавкали, але це вже буде потім.
Отримали технеций тільки в 1937 році, вже штучно, на циклотроні. Прометій синтезували трохи пізніше, в 1945 році. Ну і тоді ж придумали емпіричне правило. чому у техніці і прометия не може бути стабільних ізотопів. Правило хороше, і воно працює, але ось до "періодичної системи ізотопів", яка б хоч якось нагадувала по своїй стрункості "періодичну систему елементів", як і раніше настільки ж далеко, як до перемоги комунізму в масштабах окремо взятої планети.
Власне кажучи, на тій же зображенні вже чітко видно і всі доступні людству, завдяки капризам "лотереї" ядерної фізики, квазі-стабільні ізотопи елементів, що лежать за стабільним "материком" легких елементів.
Це кілька "хмарочосів" на острові, розташованому найближче до глядача.
Далі, якщо Ви не проти, у нас підуть "веселі картинки", які допоможуть багатьом не занудьгувати під час розповіді про ядерні реакціях і ізотопи.
Вони завжди разом. вони просто люблять один одного.
І так, нам потрібен тільки той ізотоп, який з пружною попкою якого менше.
Перерахуємо ці ізотопи поіменно. Це: уран, який в природі представлений трьома ізотопами - 234 U, 235 U і 238 U. Ізотопи 238 U і 235 U є квазі-стабільними і містяться в породі з відносними концентраціями 99,283% і 0,711%.
Ізотоп 234 U утворюється тут же, прямо в поклади урану, за рахунок? Розпаду основного стабільного ізотопу урану - 238 U (основного, малоактивного природного ізотопу урану, той, який на фото зверху в страшних сімейних трусах і шлёпках).
Оскільки 234 U має період напіврозпаду "всього-то" в 245 тисяч років. його в природному урані взагалі дуже мало - всього 0,0055%.
Загалом, у товстого хлопця на верхній фотографії (238 U) не тільки страшні сімейні труси і шльопанці, так він ще й клопів (234 U) нам в ядерне паливо заносить. А куди ж без них? Без цього хлопця і його натільних членистоногих наша дівчина-"ядерна сірник" (235 U) ніде не ходить.
Крім того, що "клоп" не по-дитячому фонить, інших неприємних особливостей у нього немає - в звичайному енергетичному реакторі типу ВВЕР, під "цілющим потоком теплових нейтронів" ізотоп 234 U потихеньку перетворюється в свого старшого брата - 235 U. Тому для цілей отримання енергії його вважають "в загальний залік" з 235 U і Вас, з урахуванням даного сакрального знання, вже не повинно бентежити розбіжність цифр даного матеріалу з цифрами за змістом ділиться ізотопу, згаданими, наприклад, тут.
Однак, на перетворення 234 U в 235 U все-таки доводиться витрачати один зайвий нейтрон, а з огляду на, що дівчина-"ядерна сірник" (235 U) при розподілі нам видає ці нейтрони скупо і під чіткий рахунок (зазвичай 2-3 палки за ніч нейтрона на розподіл) витрачати один з них на "конвертацію" клопа прикро, але доводиться.
Розібравшись з ураном, перейдемо до торію. Тут спостерігається картинка набагато простіше, ніж у урану. Природний торій представлений лише одним квазі-стабільним ізотопом - 232 Th, який, як і основний ізотоп урану - 238 U, має період напіврозпаду, що обчислюється мільярдами років. Якщо бути точним, то у 238 U це 4,47 мільярда років. а у 232 Th - 14,05 мільярда років. тобто торій буде на нашій планеті, коли вже ніякого урану і в помині не залишиться.
Так що, "торієвий цикл" - це, безумовно, наше майбутнє і майбутнє будь-якого іншого виду, який, можливо, при нашій дурості, коли-небудь, через 500 мільйонів років вивчатиме черепа цих смішних і тупуватих Homo nonsapiens.
Найголовніше - не забувати, що без дівчини-"ядерної сірники", тобто без 235 U, ні природний уран, ні природний торій горіти не хочуть.
При цьому, якщо 238 U все таки можна при певних умовах (а саме в сильному потоці швидких нейтронів) змусити розділитися, що успішно використовується в термоядерному зброю, реакторах на швидких нейтронах (діючих зараз - 1 штука, в Росії, БН-600, Белоярская АЕС) і, в дуже невеликому ступені. в реакторах на теплових нейтронах (яких зараз в світі - переважна більшість), то з 232 Th такі фокуси вже не проходять.
Ізотоп 232 Th - це так званий "парно-парний" ізотоп, що, до речі, і задає його феноменальну стійкість. Такі ізотопи взагалі неможливо розбити на осколки. Все, чого можна від 232 Th домогтися - це "згодувати" йому один тепловий нейтрон.
Це 232 Th. Йому всі ці ваші нейтрони - що слону дробина.
Покорми слона нейтронами. Покорми слона, сука.
В результаті короткого ланцюжка перетворень після цього 232 Th мутує в 233 U, який, хоч і має період напіврозпаду усього в 159 тисяч років. але вже може служити ядерним паливом. Ну і зі зрозумілих причин (короткий час життя ізотопу, навіть коротше, ніж у 234 U) отриманий ізотоп фонить ще більше нашого першого "клопа" - 234 U.
Крім того, проміжний ізотоп для напрацювання ізотопу 233 U з початкового торію - протоактіній 233 Pa має досить тривалий час напіврозпаду (27 діб) і, оскільки як і раніше знаходиться в активній зоні реактора-наработчіка, то цілком встигає нахапатися нейтронів по саме не балуй. У підсумку виходить не 233 U, а 234 U і знову виникає питання, що 234 U не ділиться, а хоче від нас ще один нейтрон на перетворення в дівчину-"ядерну сірник".
З точки зору переробки палива з метою отримання накопичених "ніштяк" торієвий цикл також має деякі недоліки в порівнянні з урановим. В процесі вигоряння в паливі накопичується ізотоп 232 U, в ланцюжку розпаду якого в свинець присутні ізотопи, Фоня гамма-квантами за рахунок свого власного розпаду. Це вісмут 210 Bi (з енергією кванта 1,6Мев), полонію 212 Po (з енергією 2,6Мев) і особливо неприємний ізотоп талію п 208 Tl (енергія? -частинок 2,6 МеВ).
Робота з таким опроміненим паливом вимагає розвитку технологій дистанційного переробки і виготовлення палива. Загалом, як завжди у багатьох майбутніх енергетичних проектах, як і в разі видобутку гелію-3 на Місяці або метан гідратів з дна Світового Океану, в замкнутому торієвому циклі у нас в кінці тунелю маячать величезні бойові людиноподібні роботи. Ну і, звичайно ж, прикордонник, адже, як ми пам'ятаємо. «Без участі людини це неможливо. Головне - це прикордонник. ».
Тобто, потрібен ще й усвідомлює всі наслідки своїх дій персонал.
Загалом, слоник під назвою 232 Th багато какає. І це - є проблема.
А так слоник хороший, за слоником - майбутнє.
Добре, а що робити з пітним товстим хлопцем в некрасивих шлёпках? У сенсі, з ізотопом урану 238 U?
І тут нам, щасливим представникам загону приматів, знову приходить козирна карта.
Крім того, що ядро 238 U може розділитися в сильному потоці швидких нейтронів (при цьому енергія цих нейтронів повинна бути не менше 1МеВ - товстого хлопця треба бити дуже сильно), 238 U може ще й захоплювати повільні нейтрони.
Робить він це теж вкрай неохоче. Не вдаючись в питання, що таке "ефективний перетин захоплення по тепловим нейтронам" скажу лише, що ймовірності захоплення теплового нейтрона у ізотопів урану 234 U (клопа), 235 U (дівчата) та 238 U (хлопця) відносяться, як 98. 683. 2,7, тобто "дівчина" у нас десь в шість разів гаряче "клопа" і в триста разів гаряче хлопця.
"Дівчина" заводиться з "півоберта", а хлопець у нас в шлёпках, товстий і до того ж "гальмо".
Крім того, якщо при захопленні теплового нейтрона ядро 235 U (дівчата-"ядерної сірники") ділиться, то ядро 238 U (хлопця) подібно ядру 232 Th (слона) знову-таки мутує через ланцюжок ядерних перетворень в ізотоп 239 Pu, який у нас плутоній. збройовий, страшний, токсичний і всяке таке. Загалом - Джокер, туз в рукаві і взагалі негідник. А ще з нього бомби роблять.
А зараз ми швиденько зробимо бомбу.Меня звуть 239 Pu.
При цьому апологети ториевой енергетики, які часто чомусь є страшними противниками енергетики уранової і плутонієвої, тиражують одні і ті ж давним-давно перетерті факти:
З плутонію можна зробити бомбу! Так. Можна, можливо. І з урану можна. Можна зробити взагалі з будь-якого ізотопу, який здатний до вимушеного поділу. Навіть з 238 U можна бомбу зробити - хлопець, звичайно, тупий і важкий на підйом, але зробіть потік нейтронів поенергетічнее і потужніший - і він вибухне. Термоядерні боєприпаси саме так і роблять.
Плутоній можна легко відокремити від урану! Можна, можливо. В умовах радіохімічного заводу, який за своєю складністю можна порівняти з заводом з розділення ізотопів урану. Ніяка "Аль-Каїда" цей процес не освоїть - тут треба держава середнього розміру і з ідеєю отримати ядерну зброю. Грецію або Габон не пропонувати - не смішно. Ну - або за "Аль-Каїдою" буде стояти держава, у якого такий радіохімічний завод є.
В одному реакторі на плутоній - тисячі плутонієвих бомб! Так, а ще там немає ні грама збройового плутонію. Весь плутоній там замішаний в пекельний коктейль з плутонію, урану і ще сотні короткоживучих і довгоживучих ізотопів, для поділу яких Вам буде потрібно, як мінімум, радіохімічний завод з другого вигуку.
Торій не для бомби! Ну тоді і 233 U повинен не мати властивість вимушеного поділу. А так завдання відділення урану від торію нічим не гірше завдання відділення плутонію від урану. А щодо того, що 233 U не для бомб - гугл "вибух MET / операція Teapot". Сердечник бомби саме що з 233 U.
Потім того - дозвольте відкланятися і невимушений розмова про ізотопи урану і торію закінчити. Вибачте, якщо кому з фахівців ненароком порвало шаблон.
Просто так розповісти про ізотопи замкнутого ядерного циклу і їх поведінці мені здалося більш цікавим. Хоча можна, звичайно розповісти і так. Або так. Але це, безумовно, вже більш серйозні матеріали.