Золото, платина, серебро… Хоть все эти металлы и относятся к драгоценным, по своей стоимости они отнюдь не чемпионы. Цена 1 грамма золота около 8 300 рублей, платины — 2 700 рублей, а за то же количество самого дорогого металла в мире покупателям пришлось бы выложить около 70 миллионов долларов. Больше того, целый грамм купить не получится, только миллиграмм или микрограмм, ведь этого металла в мире очень и очень мало. Почему же он так дорого стоит и для чего его применяют? Расскажем в нашем материале.
Почему самый дорогой металл называется калифорний?
Удивительный металл носит название калифорний, а о его открытии миру сообщили ровно 75 лет назад — 17 марта 1950 года. Впервые он был синтезирован американскими учеными под руководством Гленна Сиборга в Калифорнийском университете в Беркли, поэтому и получил название в честь американского штата, где расположен университет: калифорний, Cf 98.
Вновь открытый элемент занял свое место среди металлов группы актиноидов, то есть оказался в одном ряду с ураном, плутонием и торием. Вы их найдете в нижней части периодической системы химических элементов Менделеева.
Как и все его соседи-актиноиды, калифорний имеет серебристо-белый цвет, легко вступает в реакцию со многими элементами, его порошок воспламеняется даже при контакте с воздухом и, конечно, он радиоактивен — то есть не имеет стабильных изотопов.
Почему он был синтезирован, а не найден в природе как, например, уран или торий? Потому что калифорний, как и остальные трансурановые элементы — металлы, стоящие в ряду актиноидов после урана, на нашей планете не встречается в естественных условиях. Этот металл можно получить только из какого-то другого радиоактивного элемента в результате ядерного синтеза в реакторах.
Именно так он и был получен впервые: американские физики проводили работы по бомбардировке альфа-частицами металла кюрия-242, из которого в итоге и был синтезирован калифорний. Можно сказать, что калифорний — результат творения физиков-ядерщиков, а не природы.
Однако астрономы выяснили, что за пределами нашей планеты этот радиоактивный элемент все же существует, что называется, «в готовом виде». Например, на звезде Пшибыльского в созвездии Центавра были обнаружены спектральные линии калифорния и других актиноидов, что стало доказательством присутствия там данных элементов.
Все 20 полученных на настоящий момент изотопов калифорния нестабильны, но период полураспада у всех разный: от нескольких секунд до 900 лет. Изотоп Cf-252, который на сегодняшний день является самым востребованным, имеет период полураспада около 2,6 лет.
Почему калифорний такой дорогой и редкий?
Потому что его не так-то просто получить. Самый дорогой металл на земле не добывают, а получают, то есть синтезируют искусственным путем. Процесс этого синтеза очень долгий и технически сложный, отсюда и дороговизна. Для производства калифорния нужен исходный радиоактивный металл, дорогостоящее оборудование и научно-технические кадры высокой квалификации, поэтому на сегодняшний день только две страны на планете обладают необходимыми возможностями для его синтеза — Россия и США.
Калифорний можно получить несколькими способами. Наиболее распространенные варианты — это синтез элемента из плутония и фермия. В случае, когда цепочка превращений начинается с плутония, калифорний получается по схеме «плутоний → америций → кюрий → берклий → калифорний». Элемент можно также получить из фермия по схеме «фермий → берклий → калифорний». Но в любом случае из-за того, что большинство получаемых ядер нестабильны, на выходе получается очень малое количество ценного металла. Например, из 1 килограмма исходного материала можно синтезировать всего около 1 миллиграмма калифорния, и на это уйдет насколько месяцев. Вот и получается, что металл этот весьма редкий, и стоит в сотни тысяч раз дороже золота.
В нашей стране калифорний-252 синтезируют в Научно-исследовательском институте атомных реакторов — АО «ГНЦ НИИАР», входящем в состав госкорпорации «Росатом». В этом институте, который расположен в Димитровграде Ульяновской области, находится высокопоточный исследовательский реактор СМ-3. Установка служит для проведения различных экспериментов в области ядерной физики и получения трансплутониевых элементов, в том числе и трех изотопов калифорния: Cf-248, Cf-249 и Cf-252. Первые 100 микрограмм калифорния советские физики получили в этом же институте в 1970-м году. Сегодня возможности лаборатории позволяют синтезировать несколько десятков миллиграмм калифорния в год. То есть в год этого металла в России производится менее 100 миллиграмм.
В США работы по синтезу калифорния ведутся в Национальной лаборатории Ок-Риджа в штате Теннеси. Здесь тоже есть высокопоточный реактор, при помощи которого из плутония получают калифорний. Здесь его производят побольше, чем в Димитровграде, около 250-500 миллиграмм в год.
Для чего нужен самый дорогой металл в мире?
Радиоактивный, так сложно и долго синтезируемый, невероятно дорогой… Да вдобавок ко всему еще и с «ограниченным сроком годности», ведь изотопы калифорния, как мы уже сказали, нестабильны, а период полураспада калифорния-252 составляет 2,6 лет. За это время распадается половина от изначального количества атомных ядер вещества — то есть за 5,2 года изотопы калифорния-252 исчезнут полностью. Причем делиться он начинает сразу же после возникновения и во время самого процесса получения.
Так ради чего все эти сложности? Действительно ли нам так нужен калифорний? Где применяют металл с такими необычными характеристиками и неужели нельзя найти что-то попроще?
Ключевая особенность калифорния-252 — это его высокая активность: 1 микрограмм металла испускает 2 миллиона нейтронов в секунду. Благодаря данному свойству этот металл и нашел свое применение в нише высокотехнологичного оборудования, и вот некоторые важнейшие сферы его использования.
- Медицина. Микродозы калифорния применяются для лечения онкологических заболеваний: здесь как раз очень удобно использовать такой элемент, мизерное количество которого производит большое количество нейтронов. Источники излучения для медицинского применения производят в России, США, а также в Китае, куда калифорний экспортирует наша страна.
- Геологоразведочное оборудование. Калифорний применяется в тех случаях, когда требуется определить наличие того или иного элемента во время разведывательного бурения. Оборудование с калифорнием опускается в скважину, нейтроны облучают горные породы, и по отклику на этот процесс геофизики определяют присутствие ценных компонентов, например, золота.
- Контроль целостности материалов. Оборудование с калифорнием служит для выявления дефектов в крупногабаритных конструкциях, например, для обнаружения проблем в космических аппаратах или авиационной технике. Аппараты сканируют объекты и на основании обратного ответа выявляют нарушения целостности материала.
- Запуск ядерных реакторов. Калифорний, как мощный источник потока нейтронов, — подходящий вариант для активизации процесса деления ядерного топлива. Поэтому еще одна сфера его применения – это атомная энергетика, где он используется для запуска ядерных реакторов.
Вот такой необычный металл, который ученые научились создавать и быстро, пока он не успел исчезнуть, применять в уникальной технике. С момента открытия калифорния физики не прекращают работы по синтезу новых элементов и заполнению пустующих ячеек таблицы Менделеева: им уже удалось дойти до оганесона с порядковым номером 118. Но на этом наука не намерена останавливаться: в российской Дубне в Объединенном институте ядерных исследований в 2029 году планируется запуск нового ускорителя, в котором будут пытаться синтезировать еще не открытые сверхтяжелые элементы под номерами 119 и 120. Возможно, впереди нас ждут не менее интересные и ценные металлы, чем удивительный калифорний.
Ольга Фролова
Изображение на обложке: процесс синтеза калифорния в Окриджской национальной лаборатории (Carlos Jones/ORNL, U.S. Dept. of Energy)
