06.03.2019

Хроники распадающегося бомбардировщика

Вы когда-нибудь задумывались о том, что в отличие от бесконечных познаний мироустройства и, собственно, самого мира научное сообщество с большим трудом может ответить на вопрос, касающийся бесконечности самих научных основ? Например, имеет ли окончание Периодическая система элементов Менделеева? Или элементы можно открывать бесконечно долго? Что даёт нам открытие новых элементов? И поможет ли найти ответ на этот вопрос запущенный в Дубне в Объединённом институте ядерных исследований циклотрон ДЦ-280? А сами элементы открывают или всё-таки создают искусственно? Если создают, то зачем человеку столь активно помогать природе? На эти и другие вопросы, связанные с ролью науки и новых ядерных исследований в повседневной жизни, «Вестнику Атомпрома» ответил доктор физико-математических наук, учёный секретарь лаборатории ядерных реакций Объединённого института ядерных исследований Александр Карпов.

Александр Владимирович, для чего запущен циклотрон ДЦ-280? Какие главные задачи он решает? Циклотрон – это главный элемент большого экспериментального комплекса в Дубне, который называется Фабрикой сверхтяжёлых элементов. Задачи комплекса – синтезировать новые сверхтяжёлые элементы и продолжить исследования уже синтезированных на совершенно новом техническом уровне. Сегодня последним известным элементом в таблице Менделеева является 118-й элемент – оганесон. Ближайшая задача, которую мы планируем решить с помощью комплекса, – синтез 119-го и 120-го элементов. Возможно, и более тяжёлых. Важная задача для данного экспериментального комплекса – изучение атомных и ядерных свойств уже известных элементов, особенно тех, которые были открыты в Дубне в последнее время. Несмотря на то что они синтезированы, о них известно крайне мало, и чтобы узнать больше, необходимо получать эти атомы не в единичных штуках, а хотя бы выйти на уровень сотен атомов. На существующей технике это невозможно по причине её низкой эффективности. Тот ускорительный комплекс, который мы использовали до сих пор – комплекс У-400, – создавался 20 лет назад, в своё время он был самым лучшим в мире. Сейчас всё можно сделать значительно выше уровнем: и ускоритель, и сепараторы, поэтому нам пришлось создавать всю экспериментальную технику заново. Ожидается, что эффективность экспериментов, которые проводятся на Фабрике, вырастет в десятки раз по сравнению с результатами комплекса, который работал до неё. Тот эксперимент, который длился месяц на старом ускорителе, на новом можно будет провести за один день. И если на прежнем ускорителе мы получали единицы атомов, то здесь речь пойдёт о десятках или сотнях. Увеличение эффективности позволит попробовать также синтезировать новые элементы, это и есть главная задача.

Правильно ли утверждать, что установка предназначена для открытия совершенно новых химических элементов, не существующих в природе? Как это возможно? Надо определиться, что именно понимать под «природой». Если мы говорим о Земле, то в её недрах мы можем найти как стабильные элементы, так и те, срок жизни которых сравним с возрастом нашей планеты – 4,5 млрд лет. Сверхтяжёлые элементы мы можем найти в Земле в том случае, если их время жизни превышает миллиард лет. Например, радиоактивного урана в Земле очень много, ведь время его жизни сравнимо с возрастом нашей планеты. Говорить, что синтезируемых нами элементов совсем нет в природе, во Вселенной, неправильно, поскольку во Вселенной они тоже могут образовываться в процессах, в которых образуется, например, уран. И элементы, следующие за ураном в таблице Менделеева, были и продолжают синтезироваться во Вселенной, но мы их не находим или находим в мизерных количествах только по той причине, что они распадаются. То есть отсутствие на Земле элементов тяжелее урана не означает, что их нет и не было нигде в природе вообще. Они существуют. На вопрос, как синтезировать новые элементы, постараюсь ответить, рассказав о сути процесса. Сейчас известно 118 химических элементов, последний стабильный – это висмут, 83-й, за ним стабильных элементов больше нет. Последний элемент, который имеется в большом количестве в Земле, – это уран, 92-й. Начиная с 93-го все элементы искусственные. Элементы с номерами 93–100 можно синтезировать в ядерных реакторах за счёт облучения нейтронов. Лишние нейтроны при захвате ядром способны превращаться в протоны за счёт так называемого бета-минус-распада, и мы можем получать всё более тяжёлые ядра. Более тяжёлые элементы – далее 100-го – удаётся синтезировать только при слиянии ядер более лёгких элементов. Ведь чтобы получить новый элемент, нужно получить новое ядро. Поэтому мы изменяем ядра, создаём более тяжёлые, сливая, как две капли жидкости, ядра более лёгких элементов. Мы используем либо те элементы, которые есть в Земле, либо те, которые можно получить искусственно в довольно большом количестве. Ограничение – это 98-й элемент, калифорний, самый тяжёлый, который мы можем использовать для создания «мишени». Сложность синтеза новых элементов еще и в том, что мы хотим получить не просто новый элемент, но и определённый его изотоп (разновидности данного элемента с другим числом нейтронов, химические свойства их одинаковы, а времена жизни отличаются). Для сверхтяжёлых элементов одной из ключевых проблем является осуществление реакции, в которой удалось бы приблизиться к так называемому острову стабильности сверхтяжёлых элементов: это совокупность сверхтяжёлых ядер с необычно длительным временем жизни (вплоть до тысяч лет), с числом протонов, близким к 114, и числом нейтронов, близким к 184. Получить ядра, расположенные в центре этого «острова», чрезвычайно сложно из-за того, что при слиянии имеющихся в нашем арсенале ядер всегда не хватает нейтронов. Очень непросто даже приблизиться к «острову», «выйти на его берег». Подступиться к этой задаче пытались с 70-х годов прошлого века. Но решить её удалось только в конце 90-х в Дубне. Чтобы ядра слились, им нужно придать определённую скорость, ведь ядра – положительно заряженные и потому отталкиваются друг от друга – и чтобы они сблизились и соприкоснулись, ядра нужно разогнать до скорости, равной примерно одной десятой скорости света. Для этого необходим ускоритель. Одно ядро, которое называют «пучком», мы разгоняем, а другое ядро, на которое мы направляем «пучок», находится в покое – это «мишень». Для роли «бомбардирующей» частицы мы взяли изотоп кальция-48, в котором есть 8 дополнительных нейтронов, в отличие от самого распространённого изотопа кальция – кальция-40. Проблема в том, что природный кальций – это смесь изотопов, разделить их очень сложно, сейчас это делают в одном месте в мире – на предприятии Росатома «Электрохимприбор» с помощью сепаратора. И получают необходимый нам изотоп в количестве примерно 10–12 граммов в год. Вторая сложность в получении новых элементов была связана с «мишенью». Если мы говорим, например, о 118-м элементе, то для его синтеза нужно 118 протонов, 20 из них берутся из кальция, и не хватает ещё 98. Получается, что «мишень» в этом случае должна состоять из элемента номер 98 – калифорния, он искусственный, нарабатывается в специальных реакторах, которые в мире тоже единичны. Один находится в Димитровграде Ульяновской области (НИИАР – предприятие Росатома), второй – в США. Эти реакторы способны нарабатывать нужный нам для «мишени» материал. Далее вступал в дело ускорительный комплекс У-400, который 20 лет назад был самым современным в мире. Здесь кальций в качестве «пучка» ускоряли до одной десятой скорости света, «бомбардировали мишень» круглосуточно в течение нескольких месяцев, в результате регистрировали очень редкие события образования сверхтяжёлых элементов: примерно 1 атом в неделю для 114-го элемента, 118-й элемент – 1 атом в месяц. Даже одного синтезированного атома нового элемента достаточно, чтобы заявить об открытии. Однако чтобы открытие было признано мировым сообществом, нужно его доказать: для этого необходимо повторить этот сложный и дорогостоящий эксперимент в другой лаборатории. А чтобы изучить свойства синтезированного элемента, одного атома недостаточно, нужны десятки и сотни атомов. Чтобы получить какой-то материал из синтезированного вещества, речь должна идти уже не о штучных атомах, а о массе – микрограммах, например. Так что, как человечество не ограничилось одним полётом в космос, так и в нашем случае нельзя ограничиться синтезом штучного числа атомов сверхтяжёлых элементов, если мы хотим благодаря открытию решать какие-то фундаментальные и прикладные задачи.

Как по-вашему, человек может предполагать, когда закончится таблица Менделеева? Человек может предполагать всё! Но согласен с вами, это очень не простой вопрос. Когда мы говорим о химических элементах, то надо иметь в виду, что атом может существовать, пока существует его ядро и устойчива его электронная структура – та самая орбитальная структура, предложенная Резерфордом. Относительно стабильности и устойчивости этой конструкции известно, что её граница находится примерно на 173–174-м элементе. Все элементы до 174-го могут существовать, с точки зрения атома. Однако само ядро, скорее всего, станет нестабильным гораздо раньше. По мере того, как мы делаем ядро всё тяжелее, наращивая его заряд, оно все охотнее начинает делиться на две части. Это происходит потому, что по мере «утяжеления» ядра отталкивание его протонов становится все сильнее, и ядерные силы притяжения уже неспособны удерживать конструкцию, ядро начинает делиться. Сначала не очень быстро, как, например, в случае с ураном (он живёт до деления тысячи триллионов лет); каждый следующий элемент таблицы будет делиться всё быстрее, и в какой-то момент мы дойдём до предела. Это напоминает спуск с горы в бездну, на котором, однако, могут возникать препятствия в виде разной высоты «холмов», задерживающих распад («острова стабильности»). Когда ядра станут делиться так быстро, что не будут успевать образовываться электронные оболочки – вот это и будет предел существования элементов. Как скоро это случится, я бы поостерёгся прогнозировать. Может быть, довольно скоро. Сколько элементов нужно ещё открыть после 118-го, чтобы закончить таблицу Менделеева? Возможно, с десяток элементов осталось, а может, появятся какие-то сюрпризы на этом пути. Здесь нет строгой теории и конкретного ответа. Совершенно точно, что теоретически далее 174-го элементов в привычном нам виде нет, но, скорее всего, таблица закончится гораздо раньше.

Зачем нужен сегодня синтез новых элементов и изучение их свойств, если в достаточном объёме таких элементов нет в распоряжении человека? Есть фундаментальная наука, задача которой познать, как устроен мир. И с этой точки зрения важно понимать, насколько тяжёлыми могут быть элементы, как они устроены, где границы материального мира. Если говорить о практическом приложении таких знаний, то когда мы пытаемся выйти за пределы известного, вынуждены привлекать умы лучших инженеров, учёных, чтобы ставить задачи, создавать новую технику. Прикладное применение фундаментальных открытий физики востребовано в самых разных областях, начиная от ядерной энергетики и медицины до информационных технологий. В ядерной физике примеров очень много. В частности, уменьшенные копии циклотронов применяются в лечении онкологических заболеваний (протонная и ионная терапии); производство радиоизотопов для медицины, создание новых материалов – всё это стало возможным благодаря фундаментальной науке. Хорошим примером применения открытий на практике являются также медицинские томографы. Другой пример: в смежной области физики открытия повлияли на появление интернета (www – Всемирной паутины). Такая технология передачи и представления информации появилась в ЦЕРНе как научный инструмент, она очень быстро распространилась по миру, и сейчас мы не представляем себе цивилизованную жизнь без интернета. Вокруг нас существует масса вещей, которые сегодня кажутся привычными. Они все основаны на недавних открытиях, которые сначала были лишь научными разработками с непонятной перспективой. С точки зрения фундаментальной науки исследователю интересно дойти до конца, чтобы понять мир как можно глубже и получить новые вопросы, процесс познания бесконечен. К перечисленным прикладным возможностям открытий добавлю пример Роскосмоса. Он, в частности, создаёт и запускает спутники, «напичканные» электроникой. Известно, что за пределами атмосферы космическая радиация повреждает микросхемы – есть микросхемы более устойчивые, есть менее устойчивые к этой радиации. Если их заранее не проверить на радиационную стойкость, то запущенный спутник может быстро выйти из строя по причине повреждения какого-нибудь чипа. Поэтому электронику тестируют на Земле на ускорителях. В России это возможно только в Дубне. Поэтому и с Роскосмосом мы сотрудничаем уже много лет. Вся электроника для космической отрасли тестируется у нас. Тестированием занимаются ядерные центры во всех державах, где есть данная отрасль. Такие центры всегда связаны с развитием научных знаний, потому что использовать ускоритель только для тестирования электроники, например, нерентабельно – ускоритель применяют как для фундаментальных исследований, так и для практических нужд.

Расскажите о том, как создавали циклотрон? Кто принимал участие в его создании? Конструирование и проектирование ускорителя сделано силами инженеров нашей лаборатории. В изготовлении различных узлов были задействованы большинство стран – участниц Объединённого института ядерных исследований. Это 18 стран-участниц, ещё 6 ассоциированных членов, с которыми на правительственном уровне заключены соглашения о сотрудничестве. В процессе изготовления Фабрики сверхтяжёлых элементов принимали участие большинство вовлечённых в работу Института стран: Россия, Чехия, Словакия, Польша, Болгария, Украина, Румыния и другие страны. Сборка, наладка, запуск – этим занимались наши инженеры и техники. За строительство отвечала российская компания, само по себе здание Фабрики – не обычное помещение, при его строительстве использовался особый тяжёлый бетон. Оно оборудовано спецсистемами для обеспечения стабильной и безопасной работы комплекса (спецвентиляция и спецканализация, датчики радиационного контроля, системы электропитания и управления и так далее). В это здание вложено много интеллекта и средств. Что касается установок, то часть их элементов изготовлена по заказу во Франции.

С какими проблемами предполагаете столкнуться при обнаружении ещё двух элементов таблицы Менделеева? Главный вопрос, который появляется после любого открытия: «А что дальше?» Возникнет необходимость понять, как устроены эти элементы, как получить их в достаточном количестве. Если это не последние элементы, то какие элементы за ними? Возможно, появится что-то новое в теории ядра. Новые открытия всегда порождают новые знания и новые вопросы.

И что же будет, если не получится открыть новые элементы? Просто разберёте циклотрон? Нет, конечно. Даже без новых элементов есть задачи по изучению уже открытых элементов, по получению и изучению их новых изотопов, на их решение гарантированно потребуется лет 15–20. Поэтому синтез новых элементов – это задача номер один, но она не единственная. Это только вершина айсберга задач, которые стоят перед комплексом. При этом есть уверенность, что пару шагов мы сможем ещё сделать в сторону открытия тяжёлых элементов: 119-го и 120-го. Дальнейшая работа будет зависеть от того, насколько тяжело дадутся нам эти шаги.

Академик Юрий Оганесян говорит, что сейчас учёных интересует не столько открытие новых сверхтяжёлых элементов, сколько изучение свойств уже полученных, в частности 118-го. Чем уникален этот элемент? Во-первых, он завершает 7-й период в таблице Менделеева – это «привилегированная» группа «благородных» газов (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон, оганесон), именно поэтому его название заканчивается на «-он» – оганесон. Во-вторых, существуют так называемые релятивистские эффекты в химических свойствах атомов (это эффекты, связанные с возрастающей скоростью движения электронов на орбите атома, приближающейся к скорости света), и, по прогнозам, они должны достаточно ярко проявляться в свойствах именно 118-го элемента. Поэтому его изучать интересно. Правда, это не значит, что изучение других сверхтяжёлых элементов менее увлекательно. Кроме того, 118-й элемент для исследования химических свойств пока недоступен с существующей техникой. Сегодня самым тяжёлым элементом, химические свойства которого мы можем исследовать, является 115-й. Возможность изучения химических свойств элемента зависит от времени его жизни: быстродействие современной техники позволяет изучать химические свойства атома, даже если он представлен в единичном экземпляре, однако он должен жить дольше одной секунды. Для изучения ядерных свойств требуется меньше времени, достаточно 1 микросекунды – это время полёта ядра сверхтяжёлого элемента от «мишени», где он образовался, до детектора, который должен зарегистрировать факт получения этого ядра и всё, что с ним будет происходить. Изотоп оганесона живёт меньше 1 миллисекунды, поэтому для химических исследований он пока недоступен. Было бы интересно ускорить эксперимент так, чтобы можно было подступиться к 116, 117, 118-му элементам. Я бы ожидал, что это возможно будет сделать в перспективе пяти лет. Хотя ещё много вопросов есть и по химическим свойствам доступных элементов: 112, 113, 114-го. Их уже изучали, но статистика ещё мала, нужно многое уточнять и проверять. По 115-му ещё не было ни одного эксперимента, касающегося его химических свойств. Это всё задачи будущего, и решаться они будут на Фабрике сверхтяжёлых элементов.