Кюрий

Кюрий, Curium Сm, атомный номер 96, атомный вес 247, третий синтезированный трансурановый элемент. Радиоактивен, наиболее устойчивый изотоп 247Cm (Т=1,58*10⁷ лет). Получен Г. Сиборгом, А. Гиорсо, Р. Джеймсом и Л. Морганом в 1944 году. При выборе названия первооткрыватели с одной стороны, хотели увековечить в таблице элементов память о Пьере и Марии Кюри, а с другой - подчеркнуть аналогию актиноидов и лантаноидов. (В таблице элементов над кюрием расположена клетка гадолиния, названного так в честь Ю. Гадолина — видного исследователя редких земель). Отметим, что второй буквой в символе элемента стоит m (эм) от имени Мария – проявление глубокого уважения к женщине-ученому.

Известно 14 изотопов кюрия с массовыми числами 238 - 250, из которых самый долгоживущий 247Cm (α-излучатель, период полураспада T1/2=1,64×107 лет). Практическое значение имеют 242Сm и 244Сm. В атомных реакторах некоторые изотопы кюрия (244Cm, α-излучатель, Т=17,59 лет), 242Сm (T =162,8 сут) и др.) можно накопить в килограммовых количествах за счёт длительного облучения нейтронами плутония или урана.

Изотопы кюрия. с массовыми числами менее 242 получают при облучении 239Ри на циклотроне α-частицами. 242Сm является дочерним продуктом 242Аm, подвергающегося β-распаду. Изотопы кюрия с массовыми числами 243 и более могут быть получены в ядерном реакторе при облучении нейтронами 238U, 239Pu и 141Am, а также предшествующих изотопов кюрия.

Кюрий – серебристый металл. Существует в двух аллотропных модификациях: при комнатной температуре имеет гексагональную, а при высоких гранецентрированную кубическую решетку. Плотность 13,51, температура плавления 1345°С, температура кипения 3200°С. Исследование химических свойств кюрия весьма затрудняется сильной радиоактивностью. Растворы солей кюрия, благодаря его радиоактивности, сильно нагреваются, вода разлагается на водород и кислород. Излучение настолько мощно, что растворы солей кюрия светятся в полной темноте с такой же силой, как и радий.

Кюрий, точнее определенные изотопы кюрия производят в атомных реакторах. Путем последовательного захвата нейтронов ядрами элементов-мишени и происходит накопление атомов кюрия. Далее когда кюрий накопится в достаточных количествах, его выделяют методами химической переработки, концентрируют и вырабатывают в основном оксид кюрия. Получение достаточных количеств кюрия способно решить проблему производства компактных космических реакторов, самолетов с ядернымидвигателями и др.

Кюрий используется для производство микроядерных зарядов. Кюрий-242 в виде окиси (плотность около 11,75 и период полураспада 162 дня) применяется для производства компактных и чрезвычайно мощных радиоизотопных источников энергии (энерговыделение около 1169 Вт/см), а 1 грамм металлического кюрия выделяет около 120 Вт. Особенностью и удобством, а так же безопасностью источников тепла на основе кюрия является тот факт что кюрий практически чистый альфа-излучатель. Интегрированная энергия альфа-распада одного грамма кюрия за год приблизительно равна 480 кВт часов!

Важной областью применения кюрия является производство нейтронных источников высокой мощности для "поджигания"(запуска) специальных атомных реакторов. В последние годы очень важное место не только в умах инженеров но и в производстве занимает другой, более тяжелый изотоп кюрия - кюрий-244 (период полураспада 18,1 года) и он так же чистый альфа-излучатель (энерговыделение около 2,83 Вт/грамм). Кюрий-245 (период полураспада 3320 лет) очень перспективен для создания компактных атомных реакторов с сверхвысоким энерговыделением, и изыскиваются способы рентабельного производства этого изотопа. Как уже неоднократно упоминалось, при делении тяжелых ядер нейтронами выделяется колоссальная энергия, не сравнимая ни с какими химическими реакциями.

Очевидно, потребителей 242Cm следует искать там, где особенно ценятся малый вес и компактность источника энергии. Это, например, космические исследования. Радиоизотопные источники на основе 242Сm (в комбинации с термоэлектрическими или другими преобразователями энергии) способны развивать мощность до нескольких киловатт. Они приемлемы для космических станций, как автоматических, так и с человеком на борту. Правда, из-за сравнительно короткого периода полураспада (162 дня) продолжительность стабильной работы такого источника составляет всего несколько месяцев. Однако для многих исследований околоземного пространства, а также Луны этого вполне достаточно.

Как интенсивный α-излучатель 242Cm может применяться в нейтронных источниках (в смеси с бериллием), а также для создания внешних пучков α-частиц. Последние используют как средство возбуждения атомов в новых методах химического анализа, основанных на рассеянии α-частиц и возбуждении характеристического рентгеновского излучения. С помощью такой установки был проведен непосредственный химический анализ поверхности Луны методом рассеяния α-частиц.

Интересно, что в результате радиоактивного распада 242Сm образуется другой α-излучатель – 238Pu, который может быть затем отделен химическим путем и получен в радиохимически чистом виде. А 238Pu применяют не только в космических генераторах тока, но и в сердечных стимуляторах. Таким образом, отслужившие свой срок кюриевые генераторы могут служить дополнительным источником для получения изотопически чистого 238Pu.

В последние годы все большее внимание исследователей привлекает другой, более тяжелый изотоп кюрия с массой 244. Он тоже α-излучатель, но имеет больший период полураспада - 18,1 года. Его энерговыделение соответственно меньше - 2,83 ватта на грамм. Поэтому с ним проще работать: при изучении химических и физических свойств в меньшей степени сказываются радиационные эффекты. 244Cm можно даже подержать в руках, правда, если работать в перчатках в абсолютно герметичном боксе. И еще одно важное обстоятельство: этот изотоп можно получать в больших количествах (килограммы).

Полагают, что в радиоизотопных генераторах для космических и океанических исследований 244Cm сможет заменить 238Pu. Генераторы на основе 214Сm менее долговечны, чем плутониевые, но их удельное энерговыделение примерно впятеро больше. Правда 244Cm испускает примерно в 50 раз больше нейтронов (идет спонтанное деление), чем 238Pu. Поэтому кюриевые генераторы в качестве стимуляторов сердечной деятельности вряд ли применимы. Но в других автономных источниках энергии 244Cm вполне может заменить плутоний. К тому же кюрий не так токсичен, как плутоний. А предельная мощность кюриевых генераторов (определяемая критической массой) примерно в 10 раз больше чем плутониевых: 162 и 48 киловатт соответственно.

Однако самый больший интерес для практики представляет еще более тяжелый и гораздо более долгоживущий изотоп - 245Cm. Его период полураспада 3320 лет. И этот изотоп тоже α-излучатель, но здесь перспективность определяется совсем другим свойством его ядра - способностью делиться под действием нейтронов подобно делящимся изотопам урана и плутония. Способность ядер 245Cm к делению тепловыми нейтронами в три с лишним раза больше, чем у любого из применяемых сейчас делящихся изотопов. Это значит, что для поддержания цепной реакции потребуется во много раз меньше 245Cm, нежели 235U или 239Pu.

Сейчас разрабатываются методы получения 245Cm в достаточных количествах, но тут ученые попали в замкнутый круг. При облучении 242Pu и 243Am в реакторах с большой плотностью нейтронных потоков одновременно с 244Cm всегда образуются и более тяжелые изотопы. В том числе и 245Cm. Однако то полезное свойство 245Cm ради которого его стремятся получать, - большое сечение деления на тепловых нейтронах — здесь оказывается вредным. Ядра 244Cm, захватив нейтроны, превращаются в 245Cm, но под действием тех же нейтронов эти ядра делятся на осколки. Нейтроны - инструмент синтеза сами же оказываются орудием разрушения. В результате в смеси изотопов кюрия 245Cm оказывается лишь несколько процентов. А если учесть, что эти изотопы еще обязательно надо разделить, станет понятно, почему 245Cm пока не может быть использован в качестве делящегося материала.

В заключение — несколько слов о самом долгоживущем изотопе, 247Cm. Период его полураспада оценивается в 14—16 миллионов лет. Недавно его следы были обнаружены в земной коре, в некоторых радиоактивных минералах. Массовое число этого изотопа выражается формулой (4n + 3), поэтому вполне логично предположить, что он является родоначальником известного актиноуранового семейства (семейства 235U).

Высокая удельная тепловая мощность изотопов 242Сm (120 Вт/г) и 244Сm (3 Вт/г) и относительно низкая интенсивность испускания γ-квантов позволяют использовать их в компактных, относительно легких по весу источниках тепла и электроэнергии. Изотопные источники тепла на основе 242Сm и 244Сm конкурентоспособнее источников тепла, где используется 238Рu. Преимущества первых - более высокая тепловая мощность и возможность прямого получения из 238U, а также возможность преобразования тепловой энергии в электрическую (термоидный способ). В тех случаях, где требуются источники тепла, рассчитанные на длительный срок работы, более пригодным является изотоп 244Сm. 242Сm может служить источником получения чистого 238Рu.

Радиоактивные изотопы кюрия с массовыми числами 242 и 244, нашедшие применение в практике, являются источниками α-излучения, и поэтому становятся опасными при инкорпорации. При работе с большими количествами этих изотопов возможно воздействие гамма-нейтронного излучения, образующегося при спонтанном делении радионуклидов.  

Источник:

И.Н. Бекман. Радиохимия. Курс лекций.