<div class=Section1>

Сверхтяжелые элементы

<![if !supportEmptyParas]> <![endif]><o:p></o:p>

История синтеза сверхтяжелых элементов рассказана в соответствующих главах неорганической химии: хронология синтеза элементов с <span lang=EN-US style='mso-ansi-language:EN-US'>Z</span>=101-118, дискуссии о приоритете и названиях, “остров относительной стабильности” и варианты пути к нему. Ряд научных и технических <span style="mso-spacerun: yes"> </span>вопросов синтеза сверхтяжелых элементов, а также политическая сторона этих исследований, описаны в материалах, расположенных на неофициальном сайте Дубны и в разделе “Проекты” сайта “Атомная и космическая отрасли”. Теперь рассмотрим этот вопрос в плане предлагаемой нами программы научно-технического развития.

1. Проблема синтеза сверхтяжелых элементов. Необходимость нового ускорителя. Описанную в предыдущих разделах технологическую схему электрореактивного двигателя на электронах можно повернуть наоборот, использовав ее как ускоритель, причем ускоритель будет получаться с очень большой плотностью потока частиц. Очевидно, что такой ускоритель сможет найти много новых областей применения. И одной из областей, в которой такой ускоритель сможет осуществить настоящий прорыв, является синтез сверхтяжелых элементов.

В чем заключается основная проблема в их синтезе?

Сегодня химические элементы с атомным номером больше 100 получают в количестве единичных атомов (элементы с номерами 102-104 сегодня уже получают в количестве тысяч атомов в час, но открыты они были на значительно меньших количествах). Однако даже тысячи атомов, не говоря уже о единицах, невозможно идентифицировать химическими или спектроскопическими методами. Идентификация синтезированных ядер проводится по их распаду: то есть о том, что такое-то ядро было получено, мы узнаем уже после того, как оно прекратило своё существование. Этот метод уже достаточно хорошо отработан для ядер с небольшим временем жизни. Однако при росте времени жизни ядер, относящихся к "острову относительной стабильности", этот метод наталкивается на сложности. Например, если мы получили десять атомов со временем жизни 10 лет, то нам придется ждать год, чтобы дождаться хотя бы одного распада. Так же малоперспективны поиски наиболее долгоживущих изотопов сверхтяжелых элементов в природе (совместный эксперимент сотрудников ЛЯР ОИЯИ и европейских ученых в Монблане по их поиску начался в апреле 2005 года): если распады таковых элементов обнаружены не будут (а по состоянию на октябрь 2005 года они обнаружены не были), то это с равным успехом может говорить как о том, что время распада искомых изотопов значительно меньше возраста Земли и они уже давно распались, так и о том, что концентрация атомов этих элементов в земной коре настолько мала, что распада вы не дождетесь. С тем же успехом возможен и третий вариант: сверхтяжелые элементы в природе образоваться в принципе не могут, поскольку цепь нуклеосинтеза обрывается на крайне нестабильном фермии-258¹ (чтобы знать, так это или нет, надо знать сечение поглощения нейтронов фермием-258, а оно неизвестно, т.к. для такого нестабильного ядра весьма проблематично делать какие-либо измерения).

Подробные расчеты, обосновывающие вышеизложенное, были даны в материале, расположенном по адресу: http://element114.narod.ru/Projects/monblan.html. Для идентификации долгоживущих изотопов сверхтяжелых элементов необходимо их получение в весовых количествах, что требует совершенно нового поколения ускорителей. И именно для этого необходимо применить установку с большой плотностью потока частиц, которая будет опробована в схеме космического телескопа.

2. Применение сверхтяжелых элементов. Какова же цель получения сверхтяжелых элементов?

Об их необходимости было сказано в материалах, ссылки на которые были приведены выше. Если говорить кратко, то, поскольку сверхтяжелые элементы должны обладать крайне низкой критической массой, то их следует применять для изготовления компактных источников энергии. Если энергетическую проблему в принципе можно решить путем широкомасштабного переход на термояд, то далеко не всегда возможно обеспечить получение энергии именно от сети - помимо многих отраслей, где необходимы именно автономные источники энергии, есть еще и автомобильный транспорт. Эта проблема подробно исследована в статье "Об атомизации транспорта" (http://element114.narod.ru/transport.html), где показано, что оптимальным вариантом стала бы именно двигательная установка на сверхтяжелых элементах (реактор размером и мощностью с автомобильный двигатель, но который надо загружать раз в год). Если говорить более общо, то сверхэлементы дают возможность исправить единственный недостаток электрической энергии по сравнению со всеми другими - ее невозможно “запасать”, произведенная энергия должна быть сразу потреблена. А на сверхэлементах можно создать технологию, когда уран-238 не сжигается в реакторах, а перерабатывается в сверхтяжелые элементы, на основе которых можно создать источники энергии любой необходимой мощности. Это совершит резкий прорыв в технологиях.

Сверхэлементы могут иметь и оборонное применение: обычная автоматная пуля, содержащая в себе микроскопические количества изотопа 114-го элемента будет иметь взрывное действие порядка килограмма тротилового эквивалента: один человек с автоматом, заряженным такими пулями, может заменить танковый взвод. Увы, до тех пор, пока существует классовое общество, до тех пор любое научное открытие неизбежно будет рассматриваться с точки зрения его военного применения. И оружие на сверхэлементах будет необходимо именно для того, чтобы создать щит для страны и под этим щитом осуществить, в том числе и с использованием сверхтяжелых элементов, построение бесклассового общества, которое упразднит войны.

3. Реакция столкновения двух ионов урана. Кроме количественной проблемы на пути синтеза сверхтяжелых элементов, существует еще и проблема качественная. Известные ныне атомные реакции не могут получить изотоп 114-го элемента с атомным номером 298 – не хватает нейтронов. Проблема могла бы быть решена путем использования реакции столкновения двух ионов урана:

 

²³⁸U + ²³⁸U ® ⁴⁷⁶184 ® ²⁹⁸114 + ¹⁷⁴Yb_(стаб.) + 4n

 

(тот факт, что продуктом реакции будет стабильный изотоп гадолиния, свидетельствует о том, что данная реакция должна быть наиболее энергетически выгодной)

Однако на простой вопрос: пытались ли осуществить такую реакцию – невозможно получить четкий ответ. В одном и том же интервью (http://element114.narod.ru/dubna-questions.html) сотрудники ОИЯИ говорят, что мощности ускорителя У-400 на такую реакцию не хватает, и тут же говорят, что пытались, но все продукты реакции “уходят в деление”. То есть два диаметрально противоположных ответа. Вероятно, что "в деление" уходят не все продукты реакции, а подавляющее большинство (а даже если и получилось несколько атомов нужного элемента, то их невозможно оказалось идентифицировать). А если сконструировать описываемый нами ускоритель, то в числе огромного количества продуктов реакции могут оказаться и нужные продукты. Если же действительно неизбежный распад всех продуктов реакции заложен в физической основе процесса (например, столкновение двух ядер урана требует большой энергии для преодоления кулоновского барьера, и вся эта энергия потом переходит в возбуждение составного ядра, делая неизбежны его распад), то в результате такой реакции должны получаться изотопы с очень высоким содержанием нейтронов, в частности, никель-78. С использованием этого изотопа можно достигнуть “острова стабильности”:

 

²³⁸U + ⁷⁸Ni ® ^316-x120 + xn ® ^312-x118 ® ^308-x116 > ^304-x114

 

или:

 

²³²Th + ⁷⁸Ni ® ^310-x118 + xn ® ^306-x116 ® ^302-x114

 

Каким же образом был получен никель-78? Судя по исходному материалу, а также, как следует из статьи сотрудника ЛЯР ОИЯИ Ю.Э.Пенионжкевича, он мог быть получен как раз в ходе реакции U+U:

 

²³⁸U + ²³⁸U ® ⁷⁸Ni +  ⁷⁸Ni  + ^160-xGd + ^160-xGd + 2xn

 

То есть помимо никеля-78, будут получаться стабильные изотопы гадолиния.

В апреле 2005 года поступила информация о синтезе никеля-78 в Мичиганской лаборатории (США) другим способом – путем реакции ядер криптона и бериллия, в результате чего было получено 11 ядер с периодом жизни около 0,1 секунды.

Еще одним ценным свойством никеля-78 должно быть то, что у таких сверхвысоконейтронных изотопов должно быть нейтронное "гало" вокруг остова ядра (скажем, ядро никеля-78 - это стабильное ядро никеля-58 и вокруг него гало из 20 нейтронов). Следствием этого является то, что у таких ядер будет необычайно высокое сечение реакций, что показано на примере гелия-6.

Вот примеры вариантов реакций по получению никеля-78 путем столкновения ионов урана:

238U + 238U ®

78Ni + 2195Pt + 8n 78Ni + 2196Pt + 6n 78Ni + 2197Pt + 4n (197Pt ®197Au) 78Ni + 2198Pt + 2n (198Pt ®198Au ®198Hg) 78Ni + 208Pb + 184W + 6n 78Ni + 209Bi + 181Ta + 8n 78Ni + 210Po + 178Hf + 10n 78Ni + 211At + 175Lu + 12n 78Ni + 205Ta + 187Re + 6n 78Ni + 202Hg + 190Os + 6n

         

Было бы интересно подсчитать энергетический выход каждой из этих реакций и выбрать наиболее подходящие. В данном случае наиболее подходящей могла бы быть реакция, идущая с затратой энергии, причем с такой затратой, чтобы компенсировалась энергия возбуждения ядер. Проблема в том, что неизвестны масса и энергия связи ядра никеля-78. Поскольку это ядро является “дважды магическим”, можно предполагать, что его энергия связи будет значительно отклоняться от формулы Вейцзекера, но вычисление конкретной величины отклонения – весьма сложная математическая задача.

Каким конкретно способом использовать никель-78 в данной реакции? Можно действовать традиционным путем: неким образом получить ядра никеля-78 и направлять его на мишень из урана или тория. Этот способ не является невозможным. Именно подобным образом действует, например, разрабатываемая в ЛЯР ОИЯИ система DRIBS (Dubna Radioactive Ions Beams System), из названия которой следует, что она создана специально для ускорения радиоактивных ионов. Один из намечаемых с ее помощью экспериментов - это использование для синтеза высоконейтронных изотопов 114 элемента "дважды магического" изотопа олова-132:

²⁴⁴Pu + ¹³²Sn ® ³⁷⁶144 ® ²⁹⁴114 + ⁶⁸Zn + 4n

 

(получать олово-132 планируется путем фотоделения ядра урана, т.е. делением ядра урана не нейтроном, а гамма-квантом - так удается получить более богатый спектр изотопов). Изотоп олова-132 имеет период полураспада 40 секунд, тем не менее ускорение его проблем уже не составляет. Вероятно, и ядра типа никеля-78 ускорять тоже удастся.

Можно, однако, предложить более эффективный вариант. Вначале на урановую мишень ударяется поток ядер урана - в числе продуктов реакции окажется и никель-78. После этого через очень короткий промежуток времени по мишени ударяет второй поток ядер урана, которые реагируют и с образовавшимся никелем-78.

4. Этапы решения задачи. Итак, как мы видим, для решения задачи получения долгоживущих изотопов сверхтяжелых элементов в весовых количествах необходимо создание нового ускорителя, поскольку возможностей действующего ныне в ЛЯР ОИЯИ ускорителя У-400М  явно недостаточно как с точки зрения мощности потока, так и с точки зрения необходимости ускорения ионов урана. Поэтому, вероятно, следует такой ускоритель следует соорудить где-либо в ином месте, а за ЛЯР ОИЯИ оставить иные задачи, связанные с проблемой сверхтяжелых элементов (например, продолжение работы по получению низконейтронных изотопов сверхтяжелых элементов с целью уточнения карты изотопов "острова стабильности" или исследования химических свойств сверхтяжелых элементов, в том числе и тех, которые будут получены на новом ускорителе.

При этом, конечно, интеллектуальный и кадровый потенциал ЛЯР ОИЯИ должен быть использован и в сооружении и эксплуатации нового ускорителя. Наилучший вариант использования этого потенциала изложен в предлагаемом проекте договора между Росатомом и ОИЯИ (http://element114.narod.ru/Projects/dogovor.html).

Для того, чтобы изыскать возможность обеспечения заложенных в нем финансовых обязательств, необходимо политическое решение вопроса: принятие на государственном уровне программы научно-технической программы (http://element114.narod.ru/programma.html), включающей в себя синтез сверхтяжелых элементов, и выделение на это материальных средств. Средство, как заинтересовать власти и общественность в финансировании этой программы - показать возможность практического применения. При том, что средства на это требуются относительно небольшие - намного меньше, чем на такие программы, как ИТЭР, сооружение атомных энергоблоков или космические проекты. Доказательством этому является рост числа лабораторий, занимающихся сверхтяжелыми элементами: если о самого недавнего времени в борьбе за синтез новых элементов конкурировали три лаборатории: Беркли (США), GSI в Дармштадте (Германия) и российский ОИЯИ в Дубне (в последнее время - в сотрудничестве с американской лабораторией в Ливерморе), то в самые последние годы появляются новые конкуренты: RIKEN в Японии, Мичиганский университет в США, занялся сверхтяжелыми элементами и один из институтов Финляндии. То есть техническая база доступна даже небольшой стране (другое дело, что Российское государство не желает выделять на строительство своих ускорителей хотя бы такие же суммы, как Финляндия). Пока ОИЯИ лидирует благодаря потенциалу, созданному в советское время, но если будет продолжаться такая ситуация, как сейчас - то иностранные конкуренты нас обгонят. Поэтому в качестве первого этапа необходимо политическое решение вопроса и выделение соответствующих средств.

Второй этап - конструирование упоминавшегося экспериментального ускорителя, цель которого - продемонстрировать саму возможность синтеза сверхтяжелых элементов в весовых количествах. И, наконец, третий этап - создание постоянно действующей установки для получения необходимых изотопв в "промышленных" масштабах. В данном случае "промышленный масштаб" - это граммы или даже доли грамма, но для ряда экспериментов будет достаточно и этого.

Важная проблема, которую придется решать при таких реакциях - это как справиться с мгновенным выбросом энергии. Кинетическая энергия большого количества бомбардирующих частиц идет как на совершение реакции, так и в энергию возбуждения ядер, т.е. будет высвобождаться, причем в короткое время. Легко подсчитать, что если в одном акте реакции выделяется энергия в 1 МэВ, то при массе реагирующего вещества 1 грамм выделение энергии составит 320 МДж. Если длительность прохождения потока бомбардирующих частиц через мишень будет составлять 0,1 секунду (если используется реакция на никеле-78, то время прохождения потока не должно существенно превышать его период распада), то выделяемая мощность составит 3,2 ГВт, что эквивалентно импульсу тока 320 тыс. вольт при силе тока 10 тыс. ампер. Если с такими значениями электротехника в принципе справляется, то проблема в том, что такой выброс энергии будет идти не непрерывно, а мгновенно, и если этот выброс энергии мгновенно не будет утилизирован, то установка и всё, что ее окружает, будет разрушена.

Где можно использовать такой импульс энергии? Один возможных вариантов использования - в эксперименте, который входит в подготовки программу освоения Луны. Один из эпизодов лунной программы предполагает, что запасенный на конденсаторах мощный электромагнитный импульс будет высвобожден в относительно небольшом объеме, в котором будет находиться реголит, и за счет наличия в реголите соединений железа эта масса реголита будет переброшена на большое расстояние. Отработку такой технологии следует произвести на Земле.

Эксперименты, которые следует провести с полученными в весовых количествах сверхэлементами (помимо оборонного применения), следующие:

1) реактор, преобразующий энергию деления сверхэлементов в тепловую энергию. Конструкция такого реактора изложена по адресу в интернете: http://element114.narod.ru/Projects/moon-db1.html

2) на основе разработанной таким образом конструкции - разработка системы прожигания тоннелей (http://element114.narod.ru/Projects/moon-db.html), которые можно использовать, например, для ускорения строительства метрополитена в разных городах. Соответствующие программы строительства метро описаны, например, в предлагаемых коммунистами преобразованиях транспорта (http://reformam-net.narod.ru/Transport/communizm.html)

3) реактор для установки его на транспортном средстве (первоначально - на железнодорожной платформе) для отработки принципов использования ядерной энергии сверхтяжелых элементов на транспорте.

Полигоном для таких опытов должен быть пустырь, на котором есть бесхозные железнодорожные пути для экспериментов (п.3) и поблизости имеется водоем (для работы теплоносителя). Автор предлагает в качестве места для такого полигона территорию около г.Кирова, которая на карте перспективного развития Нововятского района г.Кирова (http://reformam-net.narod.ru/Protest/novovyatsk2.jpg) находится в окрестностях станции планируемого метро "Космопорт". Преимущество такого варианта еще и в том, что поскольку в упоминавшуюся транспортную программу входит и строительство подземного трамвая (мини-метро) в Кирове, то это удобно для реализации п.2 по причине близости к одному из потребителей результатов опытов.

К оглавлению