ТРИТИЙ – (сверхтяжелый водород), один из изотопов водорода, в ядре которого содержатся один протон и два нейтрона. Радиоактивен, период полураспада – 12,26 года; при бета-распаде превращается в гелий-3. Температура плавления – 252,2° С, температура кипения – 248,1° С. В погоне за тритием. Почти сразу же после открытия дейтерия (см . ДЕЙТЕРИЙ И ТЯЖЕЛАЯ ВОДА ) начались поиски в природе трития – третьего сверхтяжелого изотопа водорода, в ядре которого помимо одного протона есть два нейтрона. Физикам было очевидно, что если тритий есть в обычном водороде, он будет концентрироваться вместе с дейтерием. Поэтому сразу несколько групп исследователей, которые наладили получение тяжелой воды или имели доступ к ней, включились в погоню за новым изотопом, используя для поисков разные методы. Впоследствии обнаружилось, что почти все методы принципиально не могли дать положительных результатов, так как не обладали нужной чувствительностью.

Уже в первой работе Г.Юри , в которой был открыт дейтерий, была сделана попытка обнаружить и тритий – точно таким же образом, по заранее предсказанному теорией положению спектральных линий. Однако на спектрограммах не было даже намека на эти линии, что, в общем, не удивило исследователей. Если дейтерия в обычном водороде всего сотые доли процента, то вполне вероятно, что трития намного меньше. Вывод был ясен: надо увеличивать как чувствительность анализа, так и степень обогащения водорода его тяжелыми изотопами.

В начале 1933 известный американский физикохимик, автор теории электронных пар Гилберт Льюис совместно с химиком Франком Спеддингом повторил опыт Юри. На этот раз в распоряжении исследователей был сильно обогащенный образец, содержащий 67% дейтерия. Такой образец уже при 2-минутной экспозиции в спектрографе давал на фотопластинке четкие линии дейтерия. Но и за 40 часов экспозиции то место на пластинке, где по теории должны были проявиться линии трития, оставалось совершенно чистым. Это означало, что содержание в обычном водороде трития по крайней мере меньше, чем 1:6

· 10 6 , т.е. менее одного атома 3 H на 6 миллионов атомов 1 H. Отсюда был сделан такой вывод: надо брать еще более концентрированные образцы, то есть подвергать электролизу уже не обычную воду для накопления D 2 O, а тяжелую воду для накопления Т 2 О (или, по крайней мере, DТО). На практике это означало, что исходной тяжелой воды надо было взять столько, сколько раньше брали обычной воды для получения тяжелой!

После неудач спектроскопистов в поиски включились специалисты по масс-спектрометрии. Этот чрезвычайно чувствительный метод позволяет анализировать ничтожные количества вещества в виде ионов. Для опытов воду сконцентрировали в 225 тысяч раз. Исследователи надеялись найти в образце ионы (DT)

+ с массой 5. Ионы с такой массой были обнаружены, но оказалось, что они принадлежат трехатомным частицам (НDD) + , без какого-либо участия трития. Стало очевидным, что трития, если он и присутствует в природе, намного меньше, чем думали раньше: не больше, чем 1:5 · 10 8 , то есть уже 1 атом Т на 500 миллионов атомов Н! Синтез трития . Пока спектроскописты и масс-спектрометристы публиковали один за другим сообщения о тритии, которые все оказались ложными, тритий был получен искусственно. Это произошло в лаборатории патриарха ядерной физики Эрнста Резерфорда . В марте 1934 в выходящем в Англии журнале «Nature» («Природа») была опубликована небольшая заметка, подписанная М.Л.Олифантом, П.Хартеком и Резерфордом (фамилия лорда Резерфорда не требовала при публикации инициалов!). Несмотря на скромное название заметки: Эффект трансмутации, полученный с тяжелым водородом , она сообщала миру о важном достижении – получении третьего изотопа водорода. Соавторами работы были молодой австралиец Марк Лоуренс Олифант и австриец Пауль Хартек. И если Олифант стал впоследствии академиком и директором Физического института университета Канберры, то судьба Хартека сложилась иначе. Своеобразно понимая свой долг перед немецкой наукой, он в 1934 решил возвратиться в Германию и работать для нацистского режима. В 1939 он написал письмо в высшие военные инстанции Германии о возможности создания атомного оружия, а затем попытался построить урановый котел – к счастью, безуспешно.

В 1933 лабораторию в Кембридже посетил Г.Льюис из Беркли, который подарил Резерфорду три крошечные стеклянные ампулки почти чистой тяжелой воды. Их общий объем был всего 0,5 мл. Олифант получил из этой воды немного чистого дейтерия, который служил для получения пучков ионов D

+ , разгонявшихся в разрядной трубке до высоких энергий. А Хартек синтезировал соединения, в которых атомы водорода были частично заменены атомами дейтерия. Так были получены ничтожные количества «утяжеленного» хлорида аммония путем обменных реакций NH 4 Cl + D 2 O NH 3 DCl + HDO, NH 3 DCl + D 2 O NH 2 D 2 Cl + HDO и т.д. При бомбардировке дейтерированного хлорида аммония разогнанными ионами D + наблюдался очень интенсивный поток новых частиц. Как оказалось, это были ядра нового изотопа водорода – трития (их назвали тритонами). Стало очевидным также, что впервые в истории удалось наблюдать ядерный синтез: два атома дейтерия, сливаясь вместе, образовывали неустойчивое ядро гелия-4, которое затем распадалось с образованием трития и протона: 4 He ® 3 H + 1 H. В том же году Резерфорд уже демонстрировал новые ядерные превращения на своих лекциях: счетчик частиц был соединен через усилитель с громкоговорителем, так что в аудитории раздавались громкие щелчки, которые по мере повышения напряжения на разрядной трубке становились все чаще. При этом на каждый миллион дейтериевых «снарядов», попадающих в мишень, получался один атом трития – это очень много для ядерных реакций такого типа.

Итак, первый тритий был получен искусственно, в результате ядерных реакций. Вопрос о существовании его в природе оставался открытым. Искусственный синтез трития в Кембридже только подхлестнул исследователей, проводивших концентрирование тяжелой воды во все больших и больших масштабах в надежде найти тритий в природном источнике. Так, физики и химики из Принстонского университета, объединив усилия, в 1935 подвергли электролизу уже 75 тонн

воды – почти две железнодорожные цистерны! В результате титанических усилий была получена крохотная ампула с остатком обогащенной воды объемом всего 0,5 мл. Это было рекордное концентрирование – в 150 миллионов раз! Масс-спектральный анализ этого остатка не дал ничего нового – в спектре по-прежнему присутствовал пик, отвечающий массе 5, который был приписан ионам (DT) + , а оценка содержания трития в природе с учетом огромного концентрирования дала отношение Т:Н ~ 7:10 10 , то есть не больше одного атома Т на 70 миллиардов атомов Н.

Таким образом, для обнаружения трития надо было еще больше увеличить степень концентрирования воды. Но это требовало уже гигантских затрат. К решению проблемы подключили самого Резерфорда. Используя свой огромный авторитет, он обратился с личной просьбой к норвежцам, чтобы они провели невиданный доселе по масштабам эксперимент: получили бы тяжелую воду, сконцентрировав обычную в миллиард раз! Сначала было подвергнуто электролизу 13 000 тонн обычной воды, из которых получили 43,4 кг тяжелой воды с содержанием D

2 O 99,2%. Далее это количество путем почти 10-месячного электролиза уменьшили до 11 мл. Условия электролиза были выбраны так, чтобы способствовать концентрированию предполагаемого трития. Таким образом, из 13 тысяч тонн воды (а это 5 железнодорожных составов по 50 цистерн в каждом!) была получена всего одна пробирка обогащенной воды. Мир не знал еще столь грандиозных опытов!

Возникла проблема, как лучше всего поступить с этим драгоценным образцом. Вероятно, единственным человеком в мире, способным непосредственно различить в масс-спектрометре очень близкие по массе ионы (DT)

+ и «маскирующиеся» под них ионы (DDH) + , был нобелевский лауреат Ф.У.Астон – выдающийся специалист в области масс-спектрометрического анализа. Именно ему было решено передать образец для анализа. Результат был обескураживающим: не было никаких следов присутствия ионов DT + ! Соответственно оценка отношения T:H было снижено до 1:10 12 . Стало очевидным, что если тритий и присутствует в природных источниках, то в таких ничтожных количествах, что его выделение из них сопряжено с неимоверными, если вообще преодолимыми трудностями. Обнаружение природного трития. Может ли тритий быть радиоактивным? Уже Резерфорд после неудачи со своим грандиозным опытом не исключал такой возможности. Расчеты также говорили о том, что ядро трития должно быть нестабильным и, следовательно, он должен быть радиоактивным. Именно радиоактивностью трития со сравнительно небольшим временем жизни можно было объяснить ничтожные его количества в природе. Действительно, вскоре радиоактивности у трития была обнаружена экспериментально. Конечно, это был искусственно полученный тритий. В течение 5 месяцев не было заметно спада радиоактивности. Из этого следовало, с учетом точности экспериментов, что период полураспада трития не меньше 10 лет. Современные измерения дают для периода полураспада трития 12,262 года.

При распаде тритий испускает бета-частицы, превращаясь в гелий-3. Энергия излучения трития настолько мало, что оно не может пройти даже через тоненькую стенку счетчика Гейгера. Поэтому анализируемый на присутствие трития газ необходимо запускать внутрь счетчика. С другой стороны, малая энергия излучения имеет свои преимущества – с соединениями трития (если они нелетучи) работать не опасно: испускаемые

им бета-лучи проходят в воздухе всего несколько миллиметров.

Для отработки методов анализа трития потребовались значительные его количества. Поэтому стали появляться новые способы его синтеза, например,

9 Be + 2 H ® 8 Be + 3 H, 6 Li + 1 n ® 4 He + 3 H и другие. А точность анализа чрезвычайно повысилась. Стало возможным, например, анализировать образцы, в которых происходил всего один распад атома трития в секунду – в таком образце трития содержится меньше, чем 10 –15 моль! Теперь в руках физиков был исключительно чувствительный метод анализа – в довоенные годы он был примерно в миллион раз чувствительнее, чем масс-спектрометрический. Настало время вернуться к поискам трития в природных источниках. Тритий в природе. В 1946 известный авторитет в области ядерной физики, лауреат Нобелевской премии У.Ф.Либби предположил, что тритий непрерывно образуется в результате идущих в атмосфере ядерных реакций. Первые измерения радиоактивности природного водорода, хотя и были неудачными, показали, что отношение Н:Т на 5 порядков меньше, чем думали раньше и составляет не более 1:10 17 . Стала очевидной невозможность обнаружения трития масс-спектрометрически даже при самых больших обогащениях: к началу 50-х годов масс-спектрометры позволяли определять концентрации примесей при их содержании не менее 10 –4 %. В 1951 группа американских физиков из Чикагского университета с участием У.Либби достала хранившуюся «резерфордовскую» ампулу с 11 мл сверхобогащенной тяжелой воды, в которой Астон когда-то пытался обнаружить тритий масс-спектрометрически. И хотя с момента выделения этого образца из природной воды прошло полтора десятка лет и от содержащегося в нем трития осталось меньше половины, результат не заставил себя ждать: тяжелая вода была радиоактивна! Измеренная активность с учетом обогащения при получении образца соответствовала природному содержанию трития 1:10 18 . Чтобы застраховаться от возможной ошибки, решили повторить все с самого начала, тщательно следя за каждым шагом этого решающего эксперимента. Авторы попросили норвежскую компанию приготовить еще несколько образцов обогащенной воды. Воду взяли из горного озера на севере Норвегии в январе 1948. Из нее путем электролитического концентрирования получили 15 мл тяжелой воды. Ее перегнали и ввели в реакцию с оксидом кальция: СаО + D 2 O ® Ca(OD) 2 . Восстановлением цинком при температуре красного каления из дейтероксида кальция получили дейтерий: Ca(OD) 2 + Zn ® CaZnO 2 + D 2 . Масс-спектрометрический анализ показал, что получен чистейший дейтерий, который и запустили в счетчик Гейгера для измерения его радиоактивности. Газ оказался радиоактивным, а это означало, что вода, из которой был выделен дейтерий, содержала тритий. Аналогично было приготовлено и проанализировано еще несколько образцов, чтобы уточнить, сколько же трития содержится на самом деле в природном водороде.

Исключительная тщательность работы не оставляла никаких сомнений в полученных результатах. Но еще за год до окончания этой работы вышла статья Ф.Фалтингса и того же П.Хартека из Физико-химического института при Гамбургском университете, в которой сообщалось об обнаружении трития в атмосферном водороде. Таким образом, Хартек дважды участвовал в открытии трития: сначала – искусственного, а через 16 лет – природного.

Воздух – не самый богатый источник водорода – его в нем всего 0,00005% (на уровне моря). Поэтому по заказу немецких физиков фирма «Линде» переработала сто тысяч кубометров воздуха, из которого путем сжижения и ректификации был выделен водород, а из него окислением на оксиде меди получено 80 г воды. С помощью электролиза эта

вода была сконцентрирована в несколько десятков раз, затем ею был «погашен» карбид кальция: CaC 2 + 2H 2 O ® Ca(OH) 2 + С 2 H 2 , а ацетилен прогидрирован оставшимся водородом до этана: С 2 Н 2 + 2Н 2 ® С 2 Н 6 . Полученный этан, в который переходил весь исходный тритий, затем анализировали на радиоактивность. Расчет показал, что в воздухе трития (в виде молекул НТ) исключительно мало: в 20 куб. см воздуха содержится одна молекула трития, т.е. во всей атмосфере его должно быть всего... 1 моль или 3 г. Однако если учесть, что водорода в воздухе исключительно мало, то получается, что атмосферный молекулярный водород обогащен тритием в 10 000 раз больше, чем водород в составе дождевой воды. Отсюда следовало, что свободный и связанный водород в атмосфере имеют разное происхождение. Подсчет показал также, что во всех водоемах Земли трития содержится всего лишь 100 кг.

Значение, полученное в Чикаго для содержания трития в воде (Н:Т = 1:10

18 ), стало общепринятым. Такое содержание атомов трития получило даже специальное название – «тритиевая единица» (ТЕ). В 1 л воды в среднем содержится 3,2 · 10 –10 г трития, в 1 л воздуха – 1,6 · 10 –14 г (при абсолютной влажности 10 мг/л). Образуется тритий в верхних слоях атмосферы с участием космического излучения со скоростью 1200 атомов в секунду в расчете на 1 м 2 земной поверхности. Таким образом, в течение тысячелетий содержание трития в природе было почти постоянным – непрерывное его образование в атмосфере компенсировалось естественным распадом. Однако с 1954 (начало испытаний термоядерных бомб) положение резко изменилось и в дождевой воде содержание трития увеличилось в тысячи раз. И это не удивительно: взрыв водородной бомбы мощностью 1 мегатонна (Мт) приводит к выделению от 0,7 до 2 кг трития. Общая мощность воздушных взрывов составила за 1945 – 1962. 406 Мт, а наземных – 104 Мт. При этом общее количество трития, поступившее в биосферу в результате испытаний, составило сотни килограммов! После прекращения наземных испытаний уровень трития пошел на убыль. В последние годы основным источником техногенного трития в окружающей среде стали атомные электростанции, которые ежегодно выделяют несколько десятков килограммов трития.

Современные радиохимические методы позволяют с большой точностью определять содержание трития в сравнительно небольшом количестве воды, взятой из того или иного источника. Для чего это нужно? Оказывается, радиоактивный тритий с весьма удобным временем жизни – чуть больше 10 лет – может дать много ценной информации. У.Либби назвал тритий «радиоводородом», по аналогии с радиоуглеродом. Тритий может служить прекрасной меткой для изучения различных природных процессов. С его помощью можно определять возраст растительных продуктов, например, вин (если им не больше 30 лет), поскольку виноград поглощает тритий из почвенных вод, а после снятия урожая содержание трития в виноградном соке начинает снижаться с известной скоростью. Сам Либби провел множество подобных анализов, переработав сотни литров различных вин, поставленных ему виноделами из разных местностей. Анализ атмосферного трития дает ценную информацию о космических лучах. А тритий в осадочных породах может свидетельствовать о перемещениях воздуха и влаги на Земле.

Наиболее богатые природные источники трития – дождь и снег, поскольку почти весь тритий, образующийся под действием космических лучей в атмосфере, переходит в воду. Интенсивность космической радиации изменяется с широтой, поэтому осадки, например, в средней полосе России несут в несколько раз больше трития, чем тропические ливни. И совсем

мало трития в дождях, которые идут над океаном, поскольку их источник – в основном та же океаническая вода, а ней трития немного. Понятно, что глубинный лед Гренландии или Антарктиды совсем не содержит трития – он там давно успел полностью распасться. Зная скорость образования трития в атмосфере, можно рассчитать, как долго влага находится в воздухе – с момента ее испарения с поверхности до выпадения в виде дождя или снега. Оказалось, что, например, в воздухе над океаном этот срок составляет в среднем 9 дней.

Запасы природного трития ничтожны. Поэтому весь тритий, используемый для различных целей, получают искусственно, путем облучения лития нейтронами. В результате стало возможным получить значительные количества чистого трития и изучить его свойства, а также свойство его соединений. Так, сверхтяжелая вода Т

2 О имеет плотность 1,21459 г/см 3 . Синтезированный тритий сравнительно дешев и находит применение в научных исследованиях и в промышленности. Широкое применение нашли тритиевые светящиеся краски, которые наносят на шкалы приборов. Эти светосоставы с точки зрения радиации менее опасны, чем традиционные радиевые. Например, сульфид цинка, содержащий небольшое количество соединений трития (примерно 0,03 мг на 1 г светосостава), непрерывно излучает зеленый свет . Такие светосоставы постоянного действия используют для изготовления указателей, шкал приборов и т.п. На их производство ежегодно расходуют сотни граммов трития.

Тритий присутствует и в человеческом организме. Он поступает в него с пищей, с вдыхаемым воздухом и через кожу (12%). Интересно, что газообразный Т

2 в 500 раз менее токсичен, чем сверхтяжелая вода Т 2 О. Это объясняется тем, что молекулярный тритий, попадая с воздухом в легкие, затем быстро (примерно за 3 мин) выделяется из организма, тогда как тритий в составе воды задерживается в нем на 10 суток и успевает за это время передать ему значительную дозу радиации. В среднем организм человека содержит 5 · 10 –12 г трития, что дает вклад 0,13 мбэр в общую дозу годового облучения (это в сотни раз меньше облучения от других источников радиации). Интересно, что у людей, носящих часы, в которых стрелки и цифры покрыты тритиевым люминофором, содержание трития в теле в 5 раз выше среднего.

А еще тритий является одним из основных компонентов взрывчатого вещества термоядерных (водородных) бомб, а также весьма перспективен для проведения управляемой термоядерной реакции по схеме D + T >

4 He + n. Илья Леенсон ЛИТЕРАТУРА Эванс Э. Тритий и его соединения . М., «Атомиздат», 1970
Ленский Л.А. Физика и химия трития . М., «Атомиздат», 1981
Беловодский Л.Ф., Гаевой В.К., Гришмановский В.И. Тритий . М., «Атомиздат», 1985
Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике . М., «Атомиздат», 1987
Леенсон И.А. 100 вопросов и ответов по химии . М., АСТ – Астрель, 2002

« Популярная механика» уже писала о современном ядерном оружии(«ПМ» № 1"2009) на основе зарядов деления. В этом номере — рассказ о еще более мощных боеприпасах синтеза.

За время, прошедшее после первого испытания в Аламогордо, прогремели тысячи взрывов зарядов деления, в каждом из которых добывались драгоценные знания об особенностях их функционирования. Знания эти подобны элементам мозаичного полотна, причем оказалось, что «полотно» это ограничено законами физики: снижению габаритов боеприпаса и его мощности кладет предел кинетика замедления нейтронов в сборке, а достижение энерговыделения, существенно превышающего сотню килотонн, невозможно из-за ядерно-физических и гидродинамических ограничений допустимых размеров докритической сферы. Но сделать боеприпасы более мощными все же возможно, если вместе с делением заставить «работать» ядерный синтез.

Деление плюс синтез

Топливом для синтеза служат тяжелые изотопы водорода. При слиянии ядер дейтерия и трития образуется гелий-4 и нейтрон, энергетический выход при этом — 17,6 МэВ, что в несколько раз больше, чем при реакции деления (в пересчете на единицу массы реагентов). В таком топливе при нормальных условиях не может возникнуть цепная реакция, так что количество его не ограничено, а значит, у энерговыделения термоядерного заряда нет верхнего предела.

Однако для того, чтобы началась реакция синтеза, нужно сблизить ядра дейтерия и трития, а этому мешают силы кулоновского отталкивания. Для их преодоления нужно разогнать ядра навстречу друг другу и столкнуть. В нейтронной трубке при реакции срыва на ускорение ионов высоким напряжением тратится большая энергия. А вот если разогреть топливо до очень высоких температур в миллионы градусов и сохранить его плотность на протяжении необходимого для реакции времени, оно выделит энергию куда большую, чем та, которая затрачена на нагрев. Именно благодаря этому способу реакции и оружие стали называться термоядерными (по составу топлива такие бомбы также называют водородными).

Для нагрева топлива в термоядерной бомбе — в качестве «запала» — и нужен ядерный заряд. Корпус «запала» прозрачен для мягкого рентгеновского излучения, которое при взрыве опережает разлетающееся вещество заряда и превращает в плазму ампулу, содержащую термоядерное топливо. Вещество оболочки ампулы подобрано так, что его плазма существенно расширяется, сжимая топливо к оси ампулы (такой процесс называют радиационной имплозией).

Дейтерий и тритий

Дейтерий «примешан» к природному водороду в еще примерно впятеро меньших количествах, чем «оружейный» уран — к обычному. Но разность масс у протия и дейтерия — двойная, поэтому процессы их разделения в противоточных колоннах более эффективны. Тритий же, подобно плутонию-239, не существует в природе в ощутимых количествах, его добывают, воздействуя мощными нейтронными потоками в ядерном реакторе на изотоп лития-6, получая литий-7, который распадается на тритий и гелий-4.
Как радиоактивный тритий, так и стабильный дейтерий оказались опасными веществами: подопытные животные, которым вводились соединения дейтерия, умирали с симптомами, характерными для старости (охрупчивание костей, потеря интеллекта, памяти). Этот факт послужил основой теории, в соответствии с которой смерть от старости и в естественных условиях наступает при накоплении дейтерия: через организм в процессе жизнедеятельности проходят многие тонны воды и других соединений водорода, и более тяжелые дейтериевые компоненты постепенно накапливаются в клетках. Теория объясняла и долгожительство горцев: в поле земного притяжения концентрация дейтерия действительно незначительно убывает с высотой. Однако многие соматические эффекты оказались противоречащими «дейтериевой» теории, и в итоге она была отвергнута.

Изотопы водорода — дейтерий (D) и тритий (T) — при нормальных условиях представляют собой газы, достаточные количества которых сложно «собрать» в устройстве разумных размеров. Поэтому в зарядах используют их соединения — твердые гидриды лития-6. По мере того как синтез самых «легкозажигаемых» изотопов разогревает топливо, в нем начинают протекать и другие реакции — с участием как содержавшихся в смеси, так и образовавшихся ядер: слияние двух ядер дейтерия с образованием трития и протона, гелия-3 и нейтрона, слияние двух ядер трития с образованием гелия-4 и двух нейтронов, слияние гелия-3 и дейтерия с образованием гелия-4 и протона, а также слияние лития-6 и нейтрона с образованием гелия-4 и трития, так что и литий оказывается не совсем уж «балластом».

…Плюс деление

Хотя энерговыделение двухфазного (деление + синтез) взрыва может быть сколь угодно велико, значительная его часть (для первой из упомянутых реакций — более 80%) уносится из огненного шара быстрыми нейтронами; их пробег в воздухе составляет многие километры, и поэтому они не вносят вклад во взрывные эффекты.

Если же необходим именно взрывной эффект, в термоядерном боеприпасе реализуется еще и третья фаза, для чего ампула окружается тяжелой оболочкой из урана-238. Нейтроны, испускаемые при распаде этого изотопа, имеют слишком малую энергию для поддержания цепной реакции, но зато уран-238 делится под действием «внешних» высокоэнергетичных термоядерных нейтронов. Нецепное деление в урановой оболочке дает прибавку энергии огненного шара, иногда превышающую даже вклад термоядерных реакций! На каждый килограмм веса трехфазных изделий приходится несколько килотонн тротилового эквивалента — они существенно превосходят по удельным характеристикам другие классы ядерного оружия.

Однако у трехфазных боеприпасов есть очень неприятная особенность — повышенный выход осколков деления. Конечно, двухфазные боеприпасы тоже загрязняют местность нейтронами, вызывающими практически во всех элементах ядерные реакции, не прекращающиеся и спустя многие годы после взрыва (так называемая наведенная радиоактивность), осколками деления и остатками «запалов» (в процессе взрыва «расходуется» всего 10−30% плутония, остальное разлетается по окрестностям), но трехфазные превосходят их в этом отношении. Превосходят настолько, что некоторые боеприпасы даже выпускались в двух вариантах: «грязных» (трехфазных) и менее мощных «чистых» (двухфазных) для применения на территории, где предполагались действия своих войск. Например, американская авиабомба В53 выпускалась в двух идентичных по внешнему виду вариантах: «грязном» В53Y1 (9 Мт) и «чистом» варианте В53Y2 (4,5 Мт).

Виды ядерных взрывов: 1. Космический. Применяется на высоте более 65 км для поражения космических целей. 2. Наземный. Производится на поверхности земли или на такой высоте, когда светящаяся область касается грунта. Применяется для разрушения наземных целей. 3. Подземный. Производится ниже уровня земли. Характерен сильным заражением местности. 4. Высотный. Применяется на высоте от 10 до 65 км для поражения воздушных целей. Для наземных объектов опасен только воздействием на электро- и радиоприборы. 5. Воздушный. Производится на высотах от нескольких сотен метров до нескольких километров. Радиоактивное заражение местности практически отсутствует. 6. Надводный. Производится на поверхности воды или на такой высоте, когда световая область касается воды. Характерен ослаблением действия светового излучения и проникающей радиации. 7. Подводный. Производится под водой. Световое излучение и проникающая радиация практически отсутствует. Вызывает сильное радиоактивное заражение воды.

Факторы взрыва

Из энергии 202 МэВ, которую поставляет каждый акт деления, мгновенно выделяются: кинетическая энергия продуктов деления (168 МэВ), кинетическая энергия нейтронов (5 МэВ), энергия гамма-излучения (4,6 МэВ). Благодаря этим факторам ядерное оружие и господствует на поле боя. Если взрыв происходит в сравнительно плотном воздухе, две трети его энергии переходит в ударную волну. Почти весь остаток забирает световое излучение, оставляя лишь десятую часть проникающей радиации, а из этого мизера лишь 6% достается сотворившим взрыв нейтронам. Существенную энергию (11 МэВ) уносят с собой нейтрино, но они настолько неуловимы, что найти им и их энергии практическое применение не удается до сих пор.

Со значительным запаздыванием после взрыва выделяются энергия бета-излучения продуктов деления (7 МэВ) и энергия гамма-излучения продуктов деления (6 МэВ). Эти факторы отвечают за радиоактивное заражение местности — явление, весьма опасное для обеих сторон.

Действие ударной волны понятно, поэтому и мощность ядерного взрыва стали оценивать, сравнивая со взрывом обычной взрывчатки. Не были необычными и эффекты, вызываемые мощной вспышкой света: горели деревянные постройки, получали ожоги солдаты. А вот эффекты, не превращающие цель в головешки или тривиальную, не вызывающую возмущения груду развалин — быстрые нейтроны и жесткое гамма-излучение — конечно же, считались «варварством».

Прямое действие гамма-излучения уступает по боевому эффекту и ударной волне, и свету. Лишь огромные дозы гамма-излучения (десятки миллионов рад) могут причинить неприятности электронике. При таких дозах плавятся металлы, а ударная волна с куда меньшей плотностью энергии уничтожит цель без подобных излишеств. Если плотность энергии гамма-излучения меньше, оно становится безвредным для стальной техники, а ударная волна и тут может сказать свое слово.

С «живой силой» тоже не все очевидно: во‑первых, гамма-излучение существенно ослабляется, например, броней, а во-вторых — особенности радиационных поражений таковы, что даже получившие абсолютно смертельную дозу в тысячи бэр (биологический эквивалент рентгена, доза любого вида излучения, производящая такое же действие в биологическом объекте, как 1 рентген) экипажи танков оставались бы боеспособными в течение нескольких часов. За это время подвижные и сравнительно малоуязвимые машины успели бы сделать многое.

Смерть электронике

Хотя прямое гамма-облучение существенного боевого эффекта не обеспечивает, он возможен за счет вторичных реакций. В результате рассеяния гамма-квантов на электронах атомов воздуха (Комптон-эффект) возникают электроны отдачи. От точки взрыва расходится ток электронов: их скорость существенно выше, чем скорость ионов. Траектории заряженных частиц в магнитном поле Земли закручиваются (а значит, двигаются с ускорением), формируя при этом электромагнитный импульс ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ).

Любое соединение, содержащее тритий, нестабильно, потому что половина ядер этого изотопа сама по себе распадается на гелий-3 и электрон за 12 лет, и чтобы поддерживать готовность многочисленных термоядерных зарядов к применению, необходимо непрерывно нарабатывать тритий в реакторах. В нейтронной трубке трития немного, и гелий-3 поглощается там специальными пористыми материалами, а вот из ампулы этот продукт распада надо откачивать насосом, иначе ее просто разорвет давлением газа. Подобные трудности привели, например, к тому, что английские специалисты, получив в 1970-х годах из США ракеты Polaris, предпочли отказаться от американского термоядерного боевого оснащения в пользу разработанных в своей стране по программе Chevaline менее мощных однофазных зарядов деления. В предназначенных для борьбы с танками нейтронных боеприпасах была предусмотрена замена ампул с существенно уменьшившимся количеством трития на «свежие», производимая в арсеналах в процессе хранения. Могли такие боеприпасы применяться и с «холостыми» ампулами — как однофазные ядерные снаряды килотонной мощности. Можно использовать термоядерное топливо и без трития, только на основе дейтерия, но тогда, при прочих равных условиях, энерговыделение существенно снизится. Схема работы трехфазного термоядерного боеприпаса. Взрыв заряда деления (1) превращает ампулу (2) в плазму, сжимающую термоядерное топливо (3). Для усиления взрывного эффекта за счет потока нейтронов используется оболочка (4) из урана-238.

В энергию ЭМИ ЯВ переходит лишь 0,6% энергии гамма-квантов, а ведь их доля в балансе энергии взрыва сама по себе мала. Вклад вносит и дипольное излучение, возникающее за счет изменения плотности воздуха с высотой, и возмущение магнитного поля Земли проводящим плазмоидом. В результате образуется непрерывный частотный спектр ЭМИ ЯВ — совокупность колебаний огромного числа частот. Существенен энергетический вклад излучения с частотами от десятков килогерц до сотен мегагерц. Эти волны ведут себя по‑разному: мегагерцевые и более высокочастотные затухают в атмосфере, а низкочастотные — «ныряют» в естественный волновод, образованный поверхностью Земли и ионосферой, и могут не раз обогнуть земной шар. Правда, «долгожители» эти напоминают о своем существовании лишь хрипением в приемниках, похожим на «голоса» грозовых разрядов, а вот их более высокочастотные родственники заявляют о себе мощными и опасными для аппаратуры «щелчками».

Казалось бы, такие излучения вообще должны быть безразличны военной электронике — ведь любое устройство с наибольшей эффективностью принимает волны того диапазона, в каком их излучает. А принимает и излучает военная электроника в гораздо более высокочастотных, чем ЭМИ ЯВ, диапазонах. Но ЭМИ ЯВ действует на электронику не через антенну. Если ракету длиной в 10 м «накрывала» длинная волна с не поражающей воображение напряженностью электрического поля в 100 В/см, то на металлическом ракетном корпусе наводилась разность потенциалов в 100 000 В! Мощные импульсные токи через заземляющие связи «затекают» в схемы, да и сами точки заземления на корпусе оказывались под существенно отличающимися потенциалами. Токовые перегрузки опасны для полупроводниковых элементов: для того чтобы «сжечь» высокочастотный диод, достаточно импульса мизерной (в десятимиллионную долю джоуля) энергии. ЭМИ занял почетное место могущественного поражающего фактора: иногда им выводилась из строя аппаратура за тысячи километров от ядерного взрыва — такое было не по силам ни ударной волне, ни световому импульсу.

Понятно, параметры вызывающих ЭМИ взрывов были оптимизированы (в основном высота подрыва заряда данной мощности). Разрабатывались и меры защиты: аппаратура снабжалась дополнительными экранами, охранными разрядниками. Ни один образец боевой техники не принимался на вооружение, пока не была доказана испытаниями — натурными или на специально созданных имитаторах — его стойкость к ЭМИ ЯВ, по крайней мере такой интенсивности, которая характерна для не слишком уж больших дистанций от взрыва.

Бесчеловечное оружие

Однако вернемся к двухфазным боеприпасам. Их основной поражающий фактор — потоки быстрых нейтронов. Это породило многочисленные легенды о «варварском оружии» — нейтронных бомбах, которые, как писали в начале 1980-х советские газеты, при взрыве уничтожают все живое, а материальные ценности (здания, технику) оставляют практически неповрежденными. Настоящее мародерское оружие — взорвал, а потом приходи и грабь! На самом деле любые предметы, подвергшиеся воздействию значительных нейтронных потоков, опасны для жизни, потому что нейтроны после взаимодействия с ядрами инициируют в них разнообразные реакции, становящиеся причиной вторичного (наведенного) излучения, которое испускается в течение длительного времени после того, как распадется последний из облучавших вещество нейтронов.

Для чего же было предназначено это «варварское оружие»? Двухфазными термоядерными зарядами оснащались боевые части ракет Lance и 203-мм гаубичные снаряды. Выбор носителей и их досягаемость (десятки километров) указывают на то, что создавалось это оружие для решения оперативно-тактических задач. Нейтронные боеприпасы (по американской терминологии — «с повышенным выходом радиации») предназначались для поражения бронетехники, по численности которой Варшавский пакт превосходил НATO в несколько раз. Танк достаточно стоек к воздействию ударной волны, поэтому после расчетов применения ядерного оружия различных классов против бронетехники, с учетом последствий заражения местности продуктами деления и разрушений от мощных ударных волн, основным поражающим фактором решили сделать нейтроны.

Абсолютно чистый заряд

В стремлении получить такой термоядерный заряд попытались отказаться от ядерного «запала», заменив деление сверхскоростной кумуляцией: головной элемент струи, состоявшей из термоядерного топлива, разогнали до сотни километров в секунду (в момент столкновения температура и плотность значительно возрастают). Но на фоне взрыва килограммового кумулятивного заряда «термоядерная» прибавка оказалась ничтожной, и эффект зарегистрировали лишь косвенно — по выходу нейтронов. Отчет об этих проведенных в США экспериментах был опубликован в 1961 году в сборнике «Атом и оружие», что при тогдашней параноидальной секретности само по себе свидетельствовало о неудаче.
В семидесятых, в «неядерной» Польше, Сильвестр Калиский теоретически рассмотрел сжатие термоядерного топлива сферической имплозией и получил весьма благоприятные оценки. Но экспериментальная проверка показала, что, хотя выход нейтронов, по сравнению со «струйным вариантом», возрос на много порядков, нестабильности фронта не позволяют достичь нужной температуры в точке схождения волны и реагируют только те частицы топлива, скорость которых, из-за статистического разброса, значительно превышает среднее значение. Так что совсем «чистый» заряд создать не удалось.

Рассчитывая остановить навал «брони», в штабах НАТО разработали концепцию «борьбы со вторыми эшелонами», стараясь отнести подальше рубеж применения нейтронного оружия по противнику. Основная задача бронетанковых войск — развитие успеха на оперативную глубину, после того как их бросят в брешь в обороне, пробитую, например, ядерным ударом большой мощности. В этот момент применять радиационные боеприпасы уже поздно: хотя 14-МэВ нейтроны незначительно поглощаются броней, поражения экипажей излучением сказываются на боеспособности не сразу. Поэтому такие удары планировались по выжидательным районам, где изготавливались к введению в прорыв основные массы бронетехники: за время марша к линии фронта на экипажах должны были проявиться последствия облучения.

Нейтронные перехватчики

Еще одним применением нейтронных боеприпасов стал перехват ядерных боеголовок. Перехватить боевой блок противника надо на большой высоте, чтобы даже в случае его подрыва не пострадали объекты, на которые он нацелен. Но отсутствие вокруг воздуха лишает противоракету возможности поразить цель ударной волной. Правда, при ядерном взрыве в безвоздушном пространстве возрастает преобразование его энергии в световой импульс, но помогает это мало, поскольку боевой блок рассчитан на преодоление теплового барьера при входе в атмосферу и снабжен эффективным обгорающим (абляционным) теплозащитным покрытием. Нейтроны же свободно «проскакивают» через такие покрытия, а проскочив, бьют в «сердце» боевого блока — сборку, содержащую делящееся вещество. Ядерный взрыв при этом невозможен — сборка докритична, но нейтроны порождают в плутонии много затухающих цепей деления. Плутоний, который и при нормальных условиях из-за самопроизвольно протекающих ядерных реакций имеет ощутимую при касании повышенную температуру, при мощном внутреннем подогреве плавится, деформируется, а значит, уже не сможет превратиться в нужный момент в сверхкритическую сборку.

Такими двухфазными термоядерными зарядами оснащены американские противоракеты Sprint, охраняющие шахты межконтинентальных баллистических ракет. Конусная форма ракет позволяет выдерживать огромные перегрузки, возникающие во время старта и при последующем маневрировании.

Введение

Управляемый термоядерный синтез (УТС) -- синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерном оружии), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(2 H) и тритий (3 H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3 He) и бор-11 (11 B). Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Лаврентьев О. А.

Типы реакций

Реакция синтеза заключается в следующем: берутся два или больше атомных ядра и с применением некоторой силы сближаются настолько, что силы, действующие на таких расстояниях, преобладают над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. Оно будет иметь несколько меньшую массу, чем сумма масс исходных ядер, а разница становится энергией которая и выделяется в процессе реакции. Количество выделяемой энергии описывает известная формула E=mcІ. Более легкие атомные ядра проще свести на нужное расстояние, поэтому водород -- самый распространенный элемент во Вселенной -- является наилучшим горючим для реакции синтеза.

Установлено, что смесь двух изотопов, дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надежнее контролироваться, или, что более важно, производить меньше нейтронов. Особенный интерес вызывают так называемые "безнейтронные" реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на его декомиссию. Проблемой остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D-T реакция считается только необходимым первым шагом.

Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива.

Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

Самая легко осуществимая реакция -- дейтерий + тритий:

2 H + 3 H = 4 He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток -- выход нежелательной нейтронной радиации.

Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.

Реакция дейтерий + гелий-3

Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3

2 H + 3 He = 4 He + p. при энергетическом выходе 18,4 МэВ

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях.

Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTt (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-3He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.

Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо)

Также возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакции с участием гелия-3:

В дополнение к основной реакции в ДД-плазме также происходят:

Эти реакции медленно протекают параллельно с реакцией дейтерий + гелий-3, а образовавшиеся в ходе них тритий и гелий-3 с большой вероятностью немедленно реагируют с дейтерием

"Безнейтронные" реакции

Наиболее перспективны так называемые "безнейтронные" реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Реакция дейтерий + гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.

Ри делении тяжелых ядер в реакторе выделяется энергия. Где же источник этой энергии? Почему она освобож­дается в тот момент, когда ядро раскалывается на две части?

Ядро урана-235 состоит из 92 протонов и 143 нейтронов. Это не простая механическая смесь элементарных частиц, подобно, скажем, смеси железных опилок и порошка серы. Частицы, составляющие ядро атома, очень прочно связаны друг с другом так называемыми ядерными силами. Эта связь частиц в ядре во много миллионов раз крепче, чем связь, существующая между атомами в молекуле любого химического соединения. Прокалите те же железные опил­ки, смешанные с серой, получится химическое соединение - сернистое железо. Чтобы разрушить все молекулы серни­стого железа до атомов железа и серы, содержащиеся в од­ном грамме, необходима энергия в количестве примерно одной большой калории. А чтобы разрушить до элементар­ных частиц все ядра, находящиеся в кусочке урана весом один грамм, понадобилась бы энергия порядка 170 мил­лионов больших калорий. Такое количество энергии вы­деляется при сжигании почти 20 тонн бензина.

Нейтроны и протоны в ядрах различных химических элементов связаны друг с другом по-разному: в одних прочнее, в других - слабее. При делении ядра урана, как уже говорилось, образуются два «осколка», представляю­щие собой ядра атомов середины периодической таблицы элементов Менделеева, например ядра атомов бария и крип­тона. Протоны и нейтроны в этих ядрах связаны между собой более прочно, чем они были связаны в ядрах урана или других тяжелых элементах конца таблицы Менделеева. Для разрушения одного ядра бария и одного ядра криптона до элементарных частиц (на протоны и нейтроны) потребова­лось бы энергии на десять процентов больше, чем для раз­рушения одного ядра урана.

Если для расщепления ядра на отдельные элементарные частицы необходима некоторая определенная энергия, то при образовании ядер из этих частиц, согласно закону сохранения энергии, должна выделяться такая же энергия.

Расчленим мысленно процесс деления ядра урана на две стадии. Первая стадия - разрушение ядра урана на про­тоны и нейтроны; при этом затрачивается энергия в ко­личестве 170 миллионов больших калорий на один грамм чистого урана. Вторая стадия - образование ядер бария и криптона из элементарных частиц, образовавшихся при разрушении ядер урана. Этот процесс сопровождается вы­делением энергии в количестве уже около 190 миллионов больших калорий. В результате проведения обеих стадий реакции получается выигрыш энергии в 20 миллионов больших калорий. Для получения такого количества энер­гии надо сжечь примерно две тонны бензина. Таким обра­зом, «теплотворная способность» у урана при его делении оказывается в два миллиона раз выше, чем при горении бензина.

Поясним наши рассуждения следующим примером. До­пустим, вы стоите на склоне горы и из колодца глубиной два метра черпаете воду. На поднятие каждого килограм­ма воды вы затрачиваете работу в два килограмм-метра. За­тем вы эту воду льете по желобу на колесо турбины, распо­ложенной на пять метров ниже. Если пренебречь всевоз­можного рода потерями энергии, то турбина совершит ра­боту, равную уже пяти килограмм-метрам. В результате мы получаем работы на три килограмм-метра больше, чем за­трачиваем.

При делении ядер тяжелых элементов они не распада­ются до отдельных элементарных частиц, они только раска­лываются на две части - осколки. Внутри полученных осколков мгновенно происходит перегруппировка элемен­тарных частиц; они более плотно «упаковываются», и этот процесс сопровождается выделением энергии, причем вы­деляется энергии больше, чем ее расходуется на разруше­ние тяжелого ядра.

Расчеты показывают, что при делении тяжелых ядер выделяется только часть энергии, запасенной в ядре. Значи­тельно больше энергии получается, если те же самые ядра ба­рия и криптона синтезировать (составлять) непосредственно из протонов и нейтронов. Тогда не придется затрачивать энер­гию в 170 миллионов больших калорий на разрушение тяже­лых ядер. В примере с водой это соответствовало бы тому, что не надо вытягивать ее из колодца наверх, а пользовать­ся бассейном, вода в котором находится на уровне верхнего края желоба.

Но для синтеза атомных ядер из нейтронов и протонов необходимо прежде всего иметь в своем распоряжении эти элементарные частицы. В готовом виде в природе их нет. Их можно получить только искусственным путем. Однако выделенные в свободном состоянии нейтроны и протоны нельзя запасать впрок. Протоны - это атомы протия, ли­шенные единственного электрона, в обычных условиях они долго существовать не могут. Протоны найдут для себя по­терянные электроны и вновь превратятся в электрически нейтральные атомы протия.

Нейтроны легко проникают внутрь ядер атомов и захва­тываются ими. Кроме того, нейтроны радиоактивны. Про­должительность жизни нейтронов в свободном состоянии - считанные минуты. Если нейтрону удалось избежать захва­та ядром, то он самопроизвольно превращается в протон и электрон. Откуда при радиоактивном превращении ней­трона появился электрон? Дело в том, что и нейтрон и протон по сути одна и та же элементарная частица, только находится она в разных энергетических состояниях. Чтобы подчеркнуть общность этих частиц, когда они составляют в совокупности какое-нибудь ядро атома, их даже называют одним именем - нуклоны. Так и говорят, например, ядро изотопа хлор-35 состоит из 35 нуклонов, не подразделяя их на протоны и нейтроны. Процесс перехода нейтрона в протон, это - самопроизвольный переход с более высокого энергетического уровня на более низкий; при этом и «рож­дается» электрон. Самопроизвольный же переход протона в нейтрон невозможен, это соответствовало бы переходу с низкого уровня энергии на более высокий, что противоре­чит закону сохранения энергии. Камень, лежащий на земле, никогда сам собою, без вмешательства внешней силы, не поднимется вверх. Если же протону сообщить извне необходимое количество энергии, он может превратиться в нейтрон, причем этот акт сопровожается появлением частички, подобной электрону, но положительно заряженной. Ее называют, как мы уже знаем, позитрон. Вот так и полу­чается, что хотя в нейтронах и нет электронов, а в прото­нах - позитронов, но при взаимном их превращении части­цы эти выделяются.

Итак, если удается получить в свободном виде нейтро­ны и протоны, то их необходимо тотчас же пустить для син­теза атомных ядер.

Разрушение тяжелых ядер типа урана на элементарные частицы (нуклоны) сопряжено с затратой большого коли­чества энергии. А нет ли в природе таких ядер, в которых протоны и нейтроны связаны не так прочно между собой, как в ядре урана? Если такие ядра имеются, то первая мыс­ленная стадия реакции - разрушение ядра - потребо­вала бы меньшей затраты энергии. Возвращаясь к приме­ру с колодцем и желобом,- надо искать по возможности мелкий колодец.

Здесь-то и выходит на сцену водород со своими тяжелыми изотопами и теперь уже не одним, а двумя.

Какую роль играл дейтерий в работе ядерного реактора? Его роль была вспомогательная - замедлять быстрые ней­троны до тепловых скоростей. Прямого участия в высвобож­дении ядерной энергии он не принимал. Во многих реакто­рах, как вы уже знаете, в качестве замедлителей нейтро­нов успешно используются углерод в виде графитовых бло­ков, или обыкновенная вода. Имеются реакторы и вовсе без замедлителя - это реакторы, работающие на быстрых нейтронах. В процессах же, с которыми мы теперь позна­комимся, изотопы водорода имеют решающее значение в освобождении ядерной энергии.

Кроме тяжелого изотопа водорода - дейтерия, имеет­ся еще сверхтяжелый изотоп - тритий; его обозначают буквой Т. В ядро трития кроме протона входит не один ней­трон, как у дейтерия, а два (рис. 13). В отличие от дейтерия

(белыми кружками обозначены протоны, черными - ней­троны, составляющие ядра).

Половина всех имеющихся в наличии атомов трития рас­падается за 12,2 года. Этот срок не велйк, но вполне до­статочный, чтобы всегда иметь тритий в запасе в нужном ко­личестве.

Тритий является более сложно устроенным изотопом водорода. По своим свойствам он отличается от протия силь­нее, чем дейтерий.

Как и первые два изотопа, тритий может быть сконденси­рован в жидкость. Температура кипения жидкого трития уже на 4,65 градуса выше температуры кипения протия. Теплота испарения у него еще выше, чем у дейтерия. При соединении трития с кислородом образуется вода, которую называют тритиевой или сверхтяжелой водой. Подобно дей­терию тритий в сочетании с протаем, дейтерием и изотопа­ми кислорода дает воду различного изотопного состава. К тем девяти разновидностям воды, которые дал дейтерий, теперь добавляется столько же новых, в состав молекул которых входят атомы трития. Формулы этих молекул можно записать так:

ТБО16, ТОО17 и ТОО18.

Рассуждая таким же образом, как и в случае деления ядер урана (см. стр. 50), мысленно расчленим процесс на две стадии: первая-разрушение ядер дейтерия и трития до отдельных нуклонов, вторая - синтез из них ядер гелия. Нейтроны и протоны связаны между собой в ядрах дейтерия и трития значительно менее прочно, чем в ядрах гелия. Поэтому на разрушение ядер двух изотопов водорода сум­марно затрачивается меньше энергии, чем ее выделяется при синтезе одного ядра гелия из полученных элементар­ных частиц. Расчет показывает, что при образовании все­го лишь одного грамма атомов изотопа гелия-4 из ядер дейтерия и трития высвобождается энергии около ста миллионов больших калорий. Это в пять раз больше энергии, выделяемой при делении одного грамма урана под действием нейтронов.

Чтобы осуществить реакцию синтеза ядер гелия, надо привести к столкновению ядра дейтерия и трития друг с другом. В этом состоит основная трудность в проведении реакции синтеза ядер гелия. Ведь оба сталкивающихся ядра положительно заряжены, а электрически, одноименно за­ряженные тела отталкиваются друг от друга. Для преодо­ления электрических сил отталкивания надо к ядрам при­
ложить большие силы. Как же это сделать? Видимо, надо сообщить ядрам такую энергию движения, которой хватило бы на преодоление сил отталкивания, действующих между ними.

Средняя скорость беспорядочного движения частиц, а следовательно, и их энергия определяются температурой. Чем выше температура тела, тем больше средняя энергия частиц, тем быстрее они движутся. Значит, надо наши изо­топы нагреть и нагреть до очень высокой температуры, порядка миллиона градусов и даже выше. Только при та­ких температурах энергия частиц будет достаточной для преодоления электрических сил отталкивания между ядра­ми. Если вспомнить, что даже на поверхности Солнца тем­пература составляет всего лишь 6000 градусов, то трудность нагревания тел до миллиона градусов становится очевид­ной. Единственный известный в наше время источник, с помощью которого можно достигнуть таких температур, это взрыв атомной бомбы, то есть цепной процесс деления ядер урана или плутония. В зоне такого взрыва дейтерий и тритий будут существовать в форме плазмы - среды, состоящей из «голых» атомных ядер, лишенных электрон­ных оболочек. В таких условиях ядра изотопов водорода получают возможность при встрече соединяться в ядра ге­лия, осуществляется так называемая термоядерная реакция. Такой или подобный ему процесс и происходит при взрыве водородной бомбы.

Чтобы использовать энергию, выделяющуюся при тер­моядерных реакциях, для мирных целей, необходимо на­учиться управлять такими реакциями. Разрешением этой очень трудной задачи заняты теперь ученые многих стран мира. Большие исследования в этом направлении прово­дятся у нас, в Советском Союзе. Удачное решение этой за­дачи снимет с человечества заботу о поисках новых источ­ников энергии и приведет к невиданному расцвету науки и техники.

Всего два с половиной десятилетия отделяют нас от мо­мента открытия тяжелой воды и того времени, когда она получалась в количествах, умещающихся на дне малень­кой пробирки. За это короткое время тяжелая вода завое­вала себе прочное место в ядерной энергетике. Она оказа­лась лучшим замедлителем для атомных реакторов, работа­

Ющих на тепловых нейтронах. Однако это еще не самое главное. Основное значение тяжелая вода приобретает при осуществлении термоядерных реакций. Для этих реакций прежде всего необходимо иметь в достаточном количестве сырье, то есть дейтерий и тритий. Атомы дейтерия являют­ся составной частью молекул тяжелой воды. Атомы трития могут быть получены, как мы видели, из атомов дейтерия. Следовательно, тяжелая вода - вот тот источник, который поставляет необходимые элементы для осуществления реак­ции синтеза ядер гелия. Поэтому теперь получение тяжелой воды во многих странах мира ведется в крупных завод­ских масштабах.

Почти сразу же после открытия дейтерия (см . ДЕЙТЕРИЙ И ТЯЖЕЛАЯ ВОДА) начались поиски в природе трития – третьего сверхтяжелого изотопа водорода, в ядре которого помимо одного протона есть два нейтрона. Физикам было очевидно, что если тритий есть в обычном водороде, он будет концентрироваться вместе с дейтерием. Поэтому сразу несколько групп исследователей, которые наладили получение тяжелой воды или имели доступ к ней, включились в погоню за новым изотопом, используя для поисков разные методы. Впоследствии обнаружилось, что почти все методы принципиально не могли дать положительных результатов, так как не обладали нужной чувствительностью.

Уже в первой работе Г.Юри , в которой был открыт дейтерий, была сделана попытка обнаружить и тритий – точно таким же образом, по заранее предсказанному теорией положению спектральных линий. Однако на спектрограммах не было даже намека на эти линии, что, в общем, не удивило исследователей. Если дейтерия в обычном водороде всего сотые доли процента, то вполне вероятно, что трития намного меньше. Вывод был ясен: надо увеличивать как чувствительность анализа, так и степень обогащения водорода его тяжелыми изотопами.

В начале 1933 известный американский физикохимик, автор теории электронных пар Гилберт Льюис совместно с химиком Франком Спеддингом повторил опыт Юри. На этот раз в распоряжении исследователей был сильно обогащенный образец, содержащий 67% дейтерия. Такой образец уже при 2-минутной экспозиции в спектрографе давал на фотопластинке четкие линии дейтерия. Но и за 40 часов экспозиции то место на пластинке, где по теории должны были проявиться линии трития, оставалось совершенно чистым. Это означало, что содержание в обычном водороде трития по крайней мере меньше, чем 1:6·10 6 , т.е. менее одного атома 3 H на 6 миллионов атомов 1 H. Отсюда был сделан такой вывод: надо брать еще более концентрированные образцы, то есть подвергать электролизу уже не обычную воду для накопления D 2 O, а тяжелую воду для накопления Т 2 О (или, по крайней мере, DТО). На практике это означало, что исходной тяжелой воды надо было взять столько, сколько раньше брали обычной воды для получения тяжелой!

После неудач спектроскопистов в поиски включились специалисты по масс-спектрометрии. Этот чрезвычайно чувствительный метод позволяет анализировать ничтожные количества вещества в виде ионов. Для опытов воду сконцентрировали в 225 тысяч раз. Исследователи надеялись найти в образце ионы (DT) + с массой 5. Ионы с такой массой были обнаружены, но оказалось, что они принадлежат трехатомным частицам (НDD) + , без какого-либо участия трития. Стало очевидным, что трития, если он и присутствует в природе, намного меньше, чем думали раньше: не больше, чем 1:5·10 8 , то есть уже 1 атом Т на 500 миллионов атомов Н!

Синтез трития.

Пока спектроскописты и масс-спектрометристы публиковали один за другим сообщения о тритии, которые все оказались ложными, тритий был получен искусственно. Это произошло в лаборатории патриарха ядерной физики Эрнста Резерфорда . В марте 1934 в выходящем в Англии журнале «Nature» («Природа») была опубликована небольшая заметка, подписанная М.Л.Олифантом, П.Хартеком и Резерфордом (фамилия лорда Резерфорда не требовала при публикации инициалов!). Несмотря на скромное название заметки: Эффект трансмутации, полученный с тяжелым водородом , она сообщала миру о важном достижении – получении третьего изотопа водорода. Соавторами работы были молодой австралиец Марк Лоуренс Олифант и австриец Пауль Хартек. И если Олифант стал впоследствии академиком и директором Физического института университета Канберры, то судьба Хартека сложилась иначе. Своеобразно понимая свой долг перед немецкой наукой, он в 1934 решил возвратиться в Германию и работать для нацистского режима. В 1939 он написал письмо в высшие военные инстанции Германии о возможности создания атомного оружия, а затем попытался построить урановый котел – к счастью, безуспешно.

В 1933 лабораторию в Кембридже посетил Г.Льюис из Беркли, который подарил Резерфорду три крошечные стеклянные ампулки почти чистой тяжелой воды. Их общий объем был всего 0,5 мл. Олифант получил из этой воды немного чистого дейтерия, который служил для получения пучков ионов D + , разгонявшихся в разрядной трубке до высоких энергий. А Хартек синтезировал соединения, в которых атомы водорода были частично заменены атомами дейтерия. Так были получены ничтожные количества «утяжеленного» хлорида аммония путем обменных реакций NH 4 Cl + D 2 O NH 3 DCl + HDO, NH 3 DCl + D 2 O NH 2 D 2 Cl + HDO и т.д. При бомбардировке дейтерированного хлорида аммония разогнанными ионами D + наблюдался очень интенсивный поток новых частиц. Как оказалось, это были ядра нового изотопа водорода – трития (их назвали тритонами). Стало очевидным также, что впервые в истории удалось наблюдать ядерный синтез: два атома дейтерия, сливаясь вместе, образовывали неустойчивое ядро гелия-4, которое затем распадалось с образованием трития и протона: 4 He ® 3 H + 1 H.

В том же году Резерфорд уже демонстрировал новые ядерные превращения на своих лекциях: счетчик частиц был соединен через усилитель с громкоговорителем, так что в аудитории раздавались громкие щелчки, которые по мере повышения напряжения на разрядной трубке становились все чаще. При этом на каждый миллион дейтериевых «снарядов», попадающих в мишень, получался один атом трития – это очень много для ядерных реакций такого типа.

Итак, первый тритий был получен искусственно, в результате ядерных реакций. Вопрос о существовании его в природе оставался открытым. Искусственный синтез трития в Кембридже только подхлестнул исследователей, проводивших концентрирование тяжелой воды во все больших и больших масштабах в надежде найти тритий в природном источнике. Так, физики и химики из Принстонского университета, объединив усилия, в 1935 подвергли электролизу уже 75 тонн воды – почти две железнодорожные цистерны! В результате титанических усилий была получена крохотная ампула с остатком обогащенной воды объемом всего 0,5 мл. Это было рекордное концентрирование – в 150 миллионов раз! Масс-спектральный анализ этого остатка не дал ничего нового – в спектре по-прежнему присутствовал пик, отвечающий массе 5, который был приписан ионам (DT) + , а оценка содержания трития в природе с учетом огромного концентрирования дала отношение Т:Н ~ 7:10 10 , то есть не больше одного атома Т на 70 миллиардов атомов Н.

Таким образом, для обнаружения трития надо было еще больше увеличить степень концентрирования воды. Но это требовало уже гигантских затрат. К решению проблемы подключили самого Резерфорда. Используя свой огромный авторитет, он обратился с личной просьбой к норвежцам, чтобы они провели невиданный доселе по масштабам эксперимент: получили бы тяжелую воду, сконцентрировав обычную в миллиард раз! Сначала было подвергнуто электролизу 13 000 тонн обычной воды, из которых получили 43,4 кг тяжелой воды с содержанием D 2 O 99,2%. Далее это количество путем почти 10-месячного электролиза уменьшили до 11 мл. Условия электролиза были выбраны так, чтобы способствовать концентрированию предполагаемого трития. Таким образом, из 13 тысяч тонн воды (а это 5 железнодорожных составов по 50 цистерн в каждом!) была получена всего одна пробирка обогащенной воды. Мир не знал еще столь грандиозных опытов!

Возникла проблема, как лучше всего поступить с этим драгоценным образцом. Вероятно, единственным человеком в мире, способным непосредственно различить в масс-спектрометре очень близкие по массе ионы (DT) + и «маскирующиеся» под них ионы (DDH) + , был нобелевский лауреат Ф.У.Астон – выдающийся специалист в области масс-спектрометрического анализа. Именно ему было решено передать образец для анализа. Результат был обескураживающим: не было никаких следов присутствия ионов DT + ! Соответственно оценка отношения T:H было снижено до 1:10 12 . Стало очевидным, что если тритий и присутствует в природных источниках, то в таких ничтожных количествах, что его выделение из них сопряжено с неимоверными, если вообще преодолимыми трудностями.

Обнаружение природного трития.

Может ли тритий быть радиоактивным? Уже Резерфорд после неудачи со своим грандиозным опытом не исключал такой возможности. Расчеты также говорили о том, что ядро трития должно быть нестабильным и, следовательно, он должен быть радиоактивным. Именно радиоактивностью трития со сравнительно небольшим временем жизни можно было объяснить ничтожные его количества в природе. Действительно, вскоре радиоактивности у трития была обнаружена экспериментально. Конечно, это был искусственно полученный тритий. В течение 5 месяцев не было заметно спада радиоактивности. Из этого следовало, с учетом точности экспериментов, что период полураспада трития не меньше 10 лет. Современные измерения дают для периода полураспада трития 12,262 года.

При распаде тритий испускает бета-частицы, превращаясь в гелий-3. Энергия излучения трития настолько мало, что оно не может пройти даже через тоненькую стенку счетчика Гейгера. Поэтому анализируемый на присутствие трития газ необходимо запускать внутрь счетчика. С другой стороны, малая энергия излучения имеет свои преимущества – с соединениями трития (если они нелетучи) работать не опасно: испускаемые им бета-лучи проходят в воздухе всего несколько миллиметров.

Для отработки методов анализа трития потребовались значительные его количества. Поэтому стали появляться новые способы его синтеза, например, 9 Be + 2 H ® 8 Be + 3 H, 6 Li + 1 n ® 4 He + 3 H и другие. А точность анализа чрезвычайно повысилась. Стало возможным, например, анализировать образцы, в которых происходил всего один распад атома трития в секунду – в таком образце трития содержится меньше, чем 10 –15 моль! Теперь в руках физиков был исключительно чувствительный метод анализа – в довоенные годы он был примерно в миллион раз чувствительнее, чем масс-спектрометрический. Настало время вернуться к поискам трития в природных источниках.

Тритий в природе.

В 1946 известный авторитет в области ядерной физики, лауреат Нобелевской премии У.Ф.Либби предположил, что тритий непрерывно образуется в результате идущих в атмосфере ядерных реакций. Первые измерения радиоактивности природного водорода, хотя и были неудачными, показали, что отношение Н:Т на 5 порядков меньше, чем думали раньше и составляет не более 1:10 17 . Стала очевидной невозможность обнаружения трития масс-спектрометрически даже при самых больших обогащениях: к началу 50-х годов масс-спектрометры позволяли определять концентрации примесей при их содержании не менее 10 –4 %.

В 1951 группа американских физиков из Чикагского университета с участием У.Либби достала хранившуюся «резерфордовскую» ампулу с 11 мл сверхобогащенной тяжелой воды, в которой Астон когда-то пытался обнаружить тритий масс-спектрометрически. И хотя с момента выделения этого образца из природной воды прошло полтора десятка лет и от содержащегося в нем трития осталось меньше половины, результат не заставил себя ждать: тяжелая вода была радиоактивна! Измеренная активность с учетом обогащения при получении образца соответствовала природному содержанию трития 1:10 18 .

Чтобы застраховаться от возможной ошибки, решили повторить все с самого начала, тщательно следя за каждым шагом этого решающего эксперимента. Авторы попросили норвежскую компанию приготовить еще несколько образцов обогащенной воды. Воду взяли из горного озера на севере Норвегии в январе 1948. Из нее путем электролитического концентрирования получили 15 мл тяжелой воды. Ее перегнали и ввели в реакцию с оксидом кальция: СаО + D 2 O ® Ca(OD) 2 . Восстановлением цинком при температуре красного каления из дейтероксида кальция получили дейтерий: Ca(OD) 2 + Zn ® CaZnO 2 + D 2 . Масс-спектрометрический анализ показал, что получен чистейший дейтерий, который и запустили в счетчик Гейгера для измерения его радиоактивности. Газ оказался радиоактивным, а это означало, что вода, из которой был выделен дейтерий, содержала тритий. Аналогично было приготовлено и проанализировано еще несколько образцов, чтобы уточнить, сколько же трития содержится на самом деле в природном водороде.

Исключительная тщательность работы не оставляла никаких сомнений в полученных результатах. Но еще за год до окончания этой работы вышла статья Ф.Фалтингса и того же П.Хартека из Физико-химического института при Гамбургском университете, в которой сообщалось об обнаружении трития в атмосферном водороде. Таким образом, Хартек дважды участвовал в открытии трития: сначала – искусственного, а через 16 лет – природного.

Воздух – не самый богатый источник водорода – его в нем всего 0,00005% (на уровне моря). Поэтому по заказу немецких физиков фирма «Линде» переработала сто тысяч кубометров воздуха, из которого путем сжижения и ректификации был выделен водород, а из него окислением на оксиде меди получено 80 г воды. С помощью электролиза эта вода была сконцентрирована в несколько десятков раз, затем ею был «погашен» карбид кальция: CaC 2 + 2H 2 O ® Ca(OH) 2 + С 2 H 2 , а ацетилен прогидрирован оставшимся водородом до этана: С 2 Н 2 + 2Н 2 ® С 2 Н 6 . Полученный этан, в который переходил весь исходный тритий, затем анализировали на радиоактивность. Расчет показал, что в воздухе трития (в виде молекул НТ) исключительно мало: в 20 куб. см воздуха содержится одна молекула трития, т.е. во всей атмосфере его должно быть всего... 1 моль или 3 г. Однако если учесть, что водорода в воздухе исключительно мало, то получается, что атмосферный молекулярный водород обогащен тритием в 10 000 раз больше, чем водород в составе дождевой воды. Отсюда следовало, что свободный и связанный водород в атмосфере имеют разное происхождение. Подсчет показал также, что во всех водоемах Земли трития содержится всего лишь 100 кг.

Значение, полученное в Чикаго для содержания трития в воде (Н:Т = 1:10 18), стало общепринятым. Такое содержание атомов трития получило даже специальное название – «тритиевая единица» (ТЕ). В 1 л воды в среднем содержится 3,2·10 –10 г трития, в 1 л воздуха – 1,6·10 –14 г (при абсолютной влажности 10 мг/л). Образуется тритий в верхних слоях атмосферы с участием космического излучения со скоростью 1200 атомов в секунду в расчете на 1 м 2 земной поверхности. Таким образом, в течение тысячелетий содержание трития в природе было почти постоянным – непрерывное его образование в атмосфере компенсировалось естественным распадом. Однако с 1954 (начало испытаний термоядерных бомб) положение резко изменилось и в дождевой воде содержание трития увеличилось в тысячи раз. И это не удивительно: взрыв водородной бомбы мощностью 1 мегатонна (Мт) приводит к выделению от 0,7 до 2 кг трития. Общая мощность воздушных взрывов составила за 1945–1962. 406 Мт, а наземных – 104 Мт. При этом общее количество трития, поступившее в биосферу в результате испытаний, составило сотни килограммов! После прекращения наземных испытаний уровень трития пошел на убыль. В последние годы основным источником техногенного трития в окружающей среде стали атомные электростанции, которые ежегодно выделяют несколько десятков килограммов трития.

Современные радиохимические методы позволяют с большой точностью определять содержание трития в сравнительно небольшом количестве воды, взятой из того или иного источника. Для чего это нужно? Оказывается, радиоактивный тритий с весьма удобным временем жизни – чуть больше 10 лет – может дать много ценной информации. У.Либби назвал тритий «радиоводородом», по аналогии с радиоуглеродом. Тритий может служить прекрасной меткой для изучения различных природных процессов. С его помощью можно определять возраст растительных продуктов, например, вин (если им не больше 30 лет), поскольку виноград поглощает тритий из почвенных вод, а после снятия урожая содержание трития в виноградном соке начинает снижаться с известной скоростью. Сам Либби провел множество подобных анализов, переработав сотни литров различных вин, поставленных ему виноделами из разных местностей. Анализ атмосферного трития дает ценную информацию о космических лучах. А тритий в осадочных породах может свидетельствовать о перемещениях воздуха и влаги на Земле.

Наиболее богатые природные источники трития – дождь и снег, поскольку почти весь тритий, образующийся под действием космических лучей в атмосфере, переходит в воду. Интенсивность космической радиации изменяется с широтой, поэтому осадки, например, в средней полосе России несут в несколько раз больше трития, чем тропические ливни. И совсем мало трития в дождях, которые идут над океаном, поскольку их источник – в основном та же океаническая вода, а ней трития немного. Понятно, что глубинный лед Гренландии или Антарктиды совсем не содержит трития – он там давно успел полностью распасться. Зная скорость образования трития в атмосфере, можно рассчитать, как долго влага находится в воздухе – с момента ее испарения с поверхности до выпадения в виде дождя или снега. Оказалось, что, например, в воздухе над океаном этот срок составляет в среднем 9 дней.

Запасы природного трития ничтожны. Поэтому весь тритий, используемый для различных целей, получают искусственно, путем облучения лития нейтронами. В результате стало возможным получить значительные количества чистого трития и изучить его свойства, а также свойство его соединений. Так, сверхтяжелая вода Т 2 О имеет плотность 1,21459 г/см 3 . Синтезированный тритий сравнительно дешев и находит применение в научных исследованиях и в промышленности. Широкое применение нашли тритиевые светящиеся краски, которые наносят на шкалы приборов. Эти светосоставы с точки зрения радиации менее опасны, чем традиционные радиевые. Например, сульфид цинка, содержащий небольшое количество соединений трития (примерно 0,03 мг на 1 г светосостава), непрерывно излучает зеленый свет. Такие светосоставы постоянного действия используют для изготовления указателей, шкал приборов и т.п. На их производство ежегодно расходуют сотни граммов трития.

Тритий присутствует и в человеческом организме. Он поступает в него с пищей, с вдыхаемым воздухом и через кожу (12%). Интересно, что газообразный Т 2 в 500 раз менее токсичен, чем сверхтяжелая вода Т 2 О. Это объясняется тем, что молекулярный тритий, попадая с воздухом в легкие, затем быстро (примерно за 3 мин) выделяется из организма, тогда как тритий в составе воды задерживается в нем на 10 суток и успевает за это время передать ему значительную дозу радиации. В среднем организм человека содержит 5·10 –12 г трития, что дает вклад 0,13 мбэр в общую дозу годового облучения (это в сотни раз меньше облучения от других источников радиации). Интересно, что у людей, носящих часы, в которых стрелки и цифры покрыты тритиевым люминофором, содержание трития в теле в 5 раз выше среднего.

А еще тритий является одним из основных компонентов взрывчатого вещества термоядерных (водородных) бомб, а также весьма перспективен для проведения управляемой термоядерной реакции по схеме D + T > 4 He + n.

Илья Леенсон