Курсовые
Черчение

Теплоэнергетика

Электротехника
Карта

Радиоактивные элементы

Калифорний (Cf)

    В 1952 году среди новых ядер, извлеченных из продуктов термоядерного испытания Ivy Mike, был обнаружен удивительный изотоп калифорний-254. Удивительный потому, что главным видом его распада оказалось спонтанное деление. Прежде подобные ядра в таблице изотопов не встречались. У спонтанно делящихся предшественников калифорния самопроизвольное деление составляло мизерную долю от полного числа актов распада. Так, на несколько миллионов актов распада U-238 приходится только один спонтанный распад. Да и у изотопов более тяжелых элементов, таких как плутоний и кюрий, спонтанное деление - событие необыкновенно редкое по сравнению с другими видами ядерных превращений.
    Удивительной оказалась и энергетика этого изотопа. Удельную мощность калифорниевого источника трудно назвать иначе, как гигантской, - 10 000 квт/кг!
 
    В 1950 году известные американские ученые Стэнли Томпсон, Генри Стрит, Альберт Гиорсо и Гленн Сиборг поместили в поток быстрых гелиевых ядер микрограммовую мишень из кюрия-242, пожалуй самого неподходящего для этой цели изотопа элемента №96. У кюрия-242 очень высокая удельная активность, и работать даже с микрограммовыми количествами подобного вещества весьма неприятно. Да и выход 98-го элемента в реакции кюрий+альфа-частица ожидался мизерным. Слишком мало нейтронов в ядре Cm-242, а это всегда ведет к уменьшению КПД реакции: при недостатке ядерных нейтронов шансы на образование новых элементов заметно уменьшаются. Но другого пути не было. В 1950 году увеличить атомный номер облучаемого элемента более чем на два еще не могли: самыми тяжелыми ядерными снарядами тогда были ядра гелия, альфа-частицы. Опыты проводились на 60-дюймовом циклотроне в Беркли с энергией ионов 35 МэВ.
    Новый элемент родился в реакции:
Cm242 + He4 -> 98245 + n.
Получили всего несколько тысяч атомов. Их нужно было отделить от кюрия-242, активность которого достигала 1011 распадов в минуту; столько же альфа-частиц рождается в куске урана весом в несколько десятков килограммов.
    По предварительным оценкам (основанных на систематике свойств изотопов трансурановых элементов) ожидали, что период полураспада нового изотопа будет около одного часа. Кюриевую мишень растворили, раствор пустили в хроматографическую колонку с катионообменной смолой Дауэкс-50 и стали промывать смолу элюентом - альфа-оксиизобутиратом аммония.
    Адсорбированные смолой атомы переходили в элюент и вместе с ним просачивались сквозь смолу. Ожидаемый порядок выхода актиноидов определили заранее, в опытах с лантаноидами. Элемент №98 - аналог диспрозия - вышел из колонки вовремя. Его исследовали: период полураспада 98245 оказался равным 44 минутам. Новый элемент был назван калифорнием.
 
    Известные изотопы калифорния:
 Изотоп Атомная масса Период полураспада 
Вид распада Cf-242 242.06372 3.3 мин. альфа в Cm-238 Cf-243 243.065 11 мин. альфа 
в Cm-239 Cf-244 244.06599 20 мин. альфа в Cm-240 Cf-245 245.06807 44 мин. альфа 
в Cm-241 Cf-246 246.06884 36 час. альфа в Cm-242; самопроизв. (0.2%) Cf-247 247.0712 
3.11 час. захват электрона в Bk-247 (99.97%) Cf-248 248.07218 334 дн. альфа в 
Cm-244; самопроизв. (0.013%) Cf-249 249.07485 351 г. альфа в Cm-245; самопроизв. 
(5.2E-7%) Cf-250 250.07640 13.1 г. альфа в Cm-246; самопроизв. (0.079%) Cf-251 
251.079580 898 г. альфа в Cm-247 Cf-252 252.08162 2.64 г. альфа в Cm-248; самопроизв. 
(3.08%) Cf-253 253.08513 17.8 дн. альфа в Cm-249; бета в Es-253 Cf-254 254.08732 
60.5 дн. самопроизв. (> 99%); альфа в Cm-250 (< 1%) Cf-255 255.0910 1.4 час. бета 
в Es-255 
    Получить весовые количества калифорния в ядерных реакциях с заряженными частицами - задача практически невыполнимая: слишком мал выход этого элемента при слиянии двух атомных ядер. Поэтому калифорний сегодня получают, облучая тяжелые изотопы плутония и кюрия в нейтронных потоках мощных ядерных реакторов, построенных специально для производства трансуранов. Иначе, в обычном котле, накопление калифорния будет происходить слишком медленно. Потребуется десятки лет, чтобы плутоний или кюрий превратились в элемент №98.
    На пути плутоний-калифорний в осколки превращаются 9 999 ядер из 10 000. В конечном итоге на один грамм калифорния затрачивается 10 килограммов плутония-239. И все же потери в реакторе в тысячи раз меньше потерь при синтезе калифорния в пучке ускоренных ядер. Изотоп Cf-252 по существу замыкает цепочку плутоний-калифорний. Это ядро слабо взаимодействует с нейтронами, его очень трудно превратить в еще более тяжелые изотопы. Калифорний-252 становится как бы естественным "тупиком" в реакторной цепи превращений плутония. Поэтому в тупике и скапливаются в основном ядра изотопа Cf252, а более легкие изотопы - Cf249, Cf250, Cf251 - получаются в гораздо меньших количествах, хотя и стоят в передыдущих звеньях цепи превращений.

На пути от плутония до калифорния 99.7% всех ядер распадается, и лишь 0.3% пройдут всю цепочку превращений.
    Лучше всего изучен и наиболее широко используется изотоп калифорния Cf-252. Калифорний-252 оказался незаменимо полезен для многих физических исследований. Хотя основной вид его распада - альфа-распад, интенсивность параллельного спонтанного деления достаточно велика (3.08%). Микрограмм калифорния-252 в еденицу времени дает столько же ядер-осколков, сколько микрограмм урана при интенсивном облучении нейтронами в ядерном реакторе. Поэтому его применяют для изучения осколков деления.
    Главное применение калифорния - изготовление мощных и чрезвычайно компактных источников нейтронов. Грамм калифорния-252 испускает около 3x1012 нейтронов в секунду. Он нашел применение в качестве пусковых источников нейтронов для ядерных реакторов, нейтронного картонажа (определении нефтяных пластов по характеру отражения нейтронов средой).
 
    Калифорний получил известность за свою чрезвычайно малую критическую массу, якобы в "диапазоне грамм", создавая множество спекуляций по поводу возможности создания "карманных" ядерных бомб.
    Так же как и у других трансурановых элементов, нечетные изотопы деляться тепловыми нейтронами и имеют наиболее подходящие свойства деления. Только два изотопа подходящие кандидаты на роль делящегося вещества - долгоживущие Cf-249 и Cf-251. Расхожее представление о калифорнии как об оружейном материале обычно сосредотачиваются на Cf-252, вследствии его чрезвычайной нейтронной излучательной способности. Так, число вторичных нейтронов при спонтанном делении у Cf-252 очень велико: в среднем на акт деления приходится 3.82 нейтрона. Известно, что даже незначительная прибавка к числу вторичных нейтронов сильно влияет на критическую массу делящегося вещества, уменьшает ее. Однако относительно маленький период полураспада калифорния-252, интенсивное и проникающее нейтронное излучение, высокая тепловая мощность делают его достаточно непригодным для оружейного использования. К тому же, даже на десяток граммов калифорния придется переработать 100 кг плутония, а это очень много...
    На сентябрь 1998 года цена изотопного отделения Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL) на калифорний была такова: $180.25 за микрограмм калифорния-249 и $56.00 за микрограмм калифорния-252.

Современное термоядерное оружие относится к стратегическому оружию, которое может применяться авиацией для разрушения в тылу противника важнейших промышленных, военных объектов, крупных городов как цивилизационных центров. Наиболее известным типом термоядерного оружия являются термоядерные (водородные) бомбы, которые могут доставляться к цели самолетами. Термоядерными зарядами могут начиняться также боевые части ракет различного назначения, в том числе межконтинентальных баллистических ракет. Впервые подобная ракета была испытана в СССР еще в 1957 году, в настоящее время на вооружения Ракетных Войск Стратегического Назначения состоят ракеты нескольких типов, базирующиеся на мобильных пусковых установках, в шахтных пусковых установках, на подводных лодках.

Боевой железнодорожный ракетный комплекс (БЖРК)