Как я уже упоминал в этом блоге, я очень высоко ценю вклад алхимии в историю идей и в развитие химии как таковой. В эпоху позднего Средневековья алхимия стремительно превращалась в высокобюджетную экспериментальную науку, дававшую практический результат. На сайте «N+1» есть хорошая статья о том, какие вещества и реакции были получены и открыты благодаря алхимикам, но я отдельно отметил бы Хеннига Брандта, который в 1669 году выделил элементарный фосфор. Это был первый химический элемент, ранее не известный в свободном состоянии и заставивший усомниться в самой схоластической картине мира, согласно которой «мир состоит из пяти элементов». Тогда же, в середине XVII века, алхимия окончательно превратилась в лженауку (последним великим учёным, который всерьёз ею занимался, был Роберт Бойль) и одновременно породила современную химию. Сегодня известно, что основная цель алхимиков — превращение неблагородных металлов в золото — в принципе достижима, но лежит в области ядерной физики, а не химии. Цель алхимиков оказалась достигнута практически случайно, но тот самый научный поиск, что был затеян ради овладения трансмутацией металлов, много позже привёл к открытию периодической системы элементов, а затем — структуры атомного ядра. О том, как в XX веке всё-таки удалось превратить неблагородные металлы в золото, и о практической пользе этого метода — под катом.

Идея о «философском камне», превращающем неблагородные металлы в золото, зародилась не менее трёх тысяч лет назад. Согласно египетскому мифу, первым это вещество получил некий Гермес Трисмегист, открывший, что все металлы формируются в глубинах земли из смеси «философской ртути» и «философской серы» в разных сочетаниях. Золото считалось наиболее гармоничной комбинацией этих веществ и «полностью созревшим металлом», тогда как железо, по той же логике, было «недозрелым» металлом. 

Алхимики уделяли основное внимание свинцу как сырью для извлечения золота — очевидно, обратив внимание на то, что свинец тяжелее золота. Они могли полагать, что достаточно «убрать лишнее» из свинца, чтобы получить золото. Впрочем, одновременно с философским камнем алхимики пытались добыть эликсир жизни, а попутно закладывали основы научного метода в химии, двигаясь путём невероятных проб и ошибок. Алхимики пытались добывать чудодейственные субстанции не только из металлов, но и из такого сора как моча, кости и кошачьи волосы (кстати, Хенниг Брандт выделил белый фосфор именно путём дистилляции мочи). Тем не менее, заслуга алхимиков заключается в том, что они заронили саму идею о возможности превращения одних (химических) элементов в другие. Именно такие превращения и происходят при ядерных реакциях.

Ядерные реакции и трансмутация

В естественнонаучном физическом смысле трансмутация — это превращение одного химического элемента или изотопа в другой. Состав любого химического элемента (изотопа) зависит от количества протонов и нейтронов в атоме, причём, количество протонов у всех изотопов конкретного химического элемента является одинаковым. В рамках этой статьи будем считать, что трансмутация происходит при изменении числа протонов (а не нейтронов) в ядре атома. Трансмутация может произойти либо в результате ядерной реакции (когда ядро взаимодействует с некой частицей, попавшей в него извне), либо в результате радиоактивного распада (без воздействия внешней частицы). Также отметим, что трансмутация может быть естественной или искусственной. Естественная трансмутация происходит при звёздном нуклеосинтезе и при взрывах сверхновых; именно при таких взрывах возникли все элементы тяжелее железа. В прикладном смысле наиболее интересна искусственная (управляемая) трансмутация. Такой процесс (направленный альфа- или бета-распад) сегодня приобретает растущее практическое значение, поскольку позволил бы эффективно обезвреживать радиоактивные отходы, а не ограничиваться их захоронением. Неуправляемая искусственная трансмутация с образованием радиоактивных веществ — обычная часть работы ядерного реактора. Так, именно отходы атомной энергетики сегодня являются основным источником технеция, применяемого, например, в качестве медицинского контраста и антикоррозионной добавки. Однако давайте сначала поговорим о том, как работа с радиоактивными элементами позволила вернуть идею трансмутации в реальную научную практику.

Золото из реактора

Уже в 1903 году Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди, изучая цепочки распада тория, заметили, что часть лабораторного тория самопроизвольно превращается в радий. Так учитель и ученик осознали, что их могут заподозрить в «алхимических опытах». Но первый ядерный реактор (Чикагская поленница) был сконструирован под руководством Энрико Ферми гораздо позже — в конце 1942 года в рамках Манхэттенского проекта. В условиях начавшейся гонки вооружений быстро потребовалось нарабатывать и накапливать оружейный плутоний. В конце 1940-х советское правительство повысило план по добыче плутония с 23 до 340+ кг в год. Был сконструирован и пущен в эксплуатацию реактор АВ-3, подробно история этих наработок изложена здесь. Основной метод получения плутония — это облучение мишени урана-238 потоком нейтронов, и продуктом такой реакции является плутоний-239. Постепенное утяжеление такой мишени (добавление нейтронов с превращением одного из нейтронов в протон и получением нового элемента) — более упорядоченный и контролируемый процесс, чем направленное деление ядра на более лёгкие искомые элементы. Но Содди и Резерфорд наблюдали как раз возникновение радия в результате распада атомов тория: атом тория, в котором 90 протонов, претерпевал альфа-распад (терял альфа-частицу, в которой 2 протона и 2 нейтрона) и превращался в ядро радия, в котором 88 протонов. Сохранился исторический анекдот, согласно которому Содди вспоминал, как он остолбенел и у него вырвалось: «Это же трансмутация». «Ради всего святого, Содди, не называйте это трансмутацией, — воскликнул Резерфорд. — Нас распнут как алхимиков».

Можно ли подставить в подобное уравнение свинец (элемент 82) и золото (более лёгкий элемент 79)? Уже в 1920-е годы этот вопрос заинтересовал физиков-ядерщиков. По аналогии с торием и радием, чтобы превратить свинец в золото, нам нужно заставить свинец избавиться от трёх протонов. В третьем десятилетии прошлого века это было практически нереализуемо (первый ускоритель частиц, циклотрон, был собран Лоуренсом и Ливингстоном только в 1930 году). К паре свинец-золото мы ещё вернёмся, а в 1923 году была предпринята первая научная попытка получить золото из ртути. Японский физик Хантаро Нагаока изучал структуру атомов по спектру излучаемого ими света. Возбуждая атомы ртути электричеством, он предположил, что можно отщепить от атома ртути (80) один протон и превратить ртуть в золото (79). В рамках одного из экспериментов Нагаока применил к образцу ртути напряжение в 15 000 вольт. В полученном осадке он обнаружил следовые количества золота. На эту работу японцев обратил внимание немецкий исследователь Адольф Мите. Он случайно обнаружил следы золота в отработанной ртутной лампе, поэтому решил доработать эксперимент Нагаоки и посмотреть, что получится. Совместно с Хансом Штаммрейхом он пропускал ток через пары ртути в течение почти 200 часов и заявил, что в 1924 году смог добыть золото из ртути. Впрочем, другим учёным не удалось воспроизвести его опыт, Мите обвинили в подтасовке результатов и в нечаянном или даже преднамеренном засорении образцов.     

Вплоть до 1940-х годов никто не решился бы с уверенностью сказать, можно ли превратить ртуть в золото, но с открытием ядерных реакций такое преобразование стало казаться вполне осуществимым. Именно Эрнест Лоуренс впервые попытался получить золото, бомбардируя ртутную мишень потоком свободных нейтронов, стремясь таким образом удалять из атома ртути один протон. Опыты ставились в знаменитой Национальной лаборатории Калифорнийского университета в Беркли, позже названной в честь Лоуренса (Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL).  Оказалось, что при таком воздействии некоторые атомы ртути действительно превращаются в золото, но такое золото содержит избыточное количество нейтронов и поэтому получается радиоактивным. В атоме стабильного золота 79 протонов и 118 нейтронов (атомная масса 197), а в опытах Лоуренса получалось золото со 119 и 120 нейтронами (соответственно, золото-198 и золото-199). Период полураспада золота-198 составляет примерно 2,695 суток (продукт распада — стабильный изотоп ртуть-198). Период полураспада золота-199 составляет около 3,14 суток (продукт распада — ртуть-199). В качестве «proof-of-concept» (доказательства осуществимости) трансмутации эти опыты можно было считать успешными, однако процесс явно требовал доработки.      

С развитием ускорителей появилась возможность повторить этот опыт с более тяжёлыми элементами — свинцом и висмутом. В 1980 году Дэвид Дж. Моррисси, ныне работающий в Университете штата Мичиган, а в тот период занимавший исследовательский пост в лаборатории им. Лоуренса, впервые получил измеримое количество золота, бомбардируя нейтронами атомы висмута на ускорителе Беватрон. Опыт был основан на теоретических разработках Гленна Сиборга, полагавшего, что такой же процесс осуществим и со свинцом. Но опыт с висмутом оказался предпочтительнее, так как этот металл состоит из единственного изотопа висмут-209, который до 2003 года считался стабильным (впоследствии в нём был обнаружен крайне медленный альфа-распад). По воспоминанием Уолтера Лавленда из университета штата Орегон, одного из участников этого эксперимента, облучение висмута в Беватроне обходилось в 5000 долларов в час, но позволило получить целый спектр изотопов золота с атомной массой от 190 (79 протонов, 111 нейтронов) до 199 (79 протонов, 120 нейтронов). Висмутовую мишень (фольгу) бомбардировали ядрами неона-10 и углерода-12. Группа Моррисси дожидалась полного распада всех полученных радиоактивных изотопов золота около года, после чего в 1981 году в журнале Physical Letters С была опубликована отчётная статья об этом эксперименте. Моррисси не смог при помощи масс-спектрометра доказать, что в образце присутствуют атомы золота-197, но полагал, что с чисто вероятностной точки зрения их можно получить таким образом, так как опыт даёт целый спектр изотопов золота. 

Что касается свинца, превратить его в золото, облучая нейтронами, практически невозможно. У свинца четыре стабильных изотопа с атомной массой 204, 206, 207 и 208 (три последних — это продукты распада урана-235, урана-238 и тория-232), а у радиоактивных изотопов свинца атомная масса варьируется от 178 до 218. Таким образом, свинец может поглощать огромное количество нейтронов, оставаясь свинцом, и именно поэтому используется в качестве экранирующей обшивки для ядерных реакторов и для радиозащиты в целом. Насколько известно, ни один радиоактивный изотоп свинца не превращается в золото, продукты распада большинства из них — это ртуть, таллий, висмут и стабильные изотопы свинца.

Трансмутация и обезвреживание радиоактивных отходов

Описанный метод уже находит применение при утилизации ядерных отходов, прежде всего — трансурановых элементов, образующихся при работе реактора. При эксплуатации легководных ядерных реакторов, в настоящее время широко используемых в России, около 1% продуктов распада приходится на плутоний и примерно по 0,1% на первые трансурановые актиноиды — нептуний, америций и кюрий. Обезвреживая радиоактивные отходы, нужно добиваться, чтобы период полураспада содержащихся в них изотопов был как можно короче. Чтобы этого добиться, нужно облучать отходы быстрыми нейтронами. Ядерные отходы перед захоронением можно заключать в керамические капсулы, а затем облучать. Радиоактивные отходы часто принимают форму твёрдых растворов с химическими формулами (Am,Zr)N, (Am,Y)N, (Zr,Cm)O₂, (Zr,Cm,Am)O₂, (Zr,Am,Y)O₂ или более простых оксидов и нитридов AmO₂, NpO₂, NpN, AmN. Их смешивают с нерадиоактивными соединениями MgO, MgAl₂O₄, (Zr,Y)O₂, TiN и ZrN, обеспечивающими механическую стабильность облучаемой смеси.

Такой подход даже позволяет повторно превратить отходы в топливо для ядерного реактора, в частности, в МОКС-топливо, состоящее из смеси оксидов и применяемое в атомной энергетике с начала 1960-х. МОКС-топливо остаётся наиболее востребованным в России, Японии и Франции, первые удачные попытки его получения в реакторах на быстрых нейтронах относятся к концу 1990-х. Тогда же Карло Руббиа (род. 1934), лауреат Нобелевской премии по физике за 1984 год, предложил модель субкритического реактора (ADS), в котором можно одновременно производить МОКС-топливо из плутония и превращать элементы тяжелее плутония в нерадиоактивные изотопы.

Период полураспада плутония-239, образующегося в ядерных реакторах, составляет более 24 000 лет. Однако при подмешивании в ядерное топливо (уран-238) некоторого количества тория-232 удаётся сократить темпы наработки плутония-239, получив примерно такую ядерную реакцию:

Период полураспада плутония-240 — уже 6560 лет, а плутония-241 — 14 лет. Кроме того, среди продуктов показанной ядерной реакции оказываются актиноиды, которые можно повторно использовать для производства МОКС-топлива. Описанные методы позволяют сократить период полураспада радиоактивных отходов с десятков тысяч до десятков лет.

Заключение

Кратковременное возрождение алхимических мечтаний в начале XX века, всерьёз обеспокоившее Резерфорда, в итоге поспособствовало более полному пониманию структуры атомного ядра. В конце 1980-х учёные ЦЕРН, изучавшие полученные Моррисси и Сиборгом изотопы золота, пришли к выводу, что наиболее стабильные ядра имеют «правильную» форму, близкую к сферической, а нестабильные изотопы оказываются деформированными и поэтому легко теряют нейтроны. Ядерный реактор явно не подходит для получения стабильного золота, хотя поиски не прекращаются: так, в 2022 году индийские учёные из Хайдарабада уже обосновали вариант получения золота из вольфрама методом холодного ядерного синтеза, если такой синтез когда-нибудь удастся осуществить. Если же эту статью прочитает какой-нибудь учёный-попаданец родом из высокого Средневековья, либо уважаемый алхимик, которому удалось получить эликсир жизни и дотянуть до наших дней, мне остаётся только поблагодарить его и его современников за редкостное научное упорство, которое сегодня позволило вывести откровенно лженаучные идеи на уровень ядерной физики и обнаружить удивительные ядерные реакции, часть из которых я здесь описал.