Магистр йода
Слово «изотоп» почти наверняка слышал каждый сотрудник атомной отрасли. А что оно означает? И что такое изотопы? Какова их роль в развитии атомной энергетики? Как и где изотопы используют и кто занимается их исследованиями и внедрением? Ответы на эти и другие вопросы «Вестнику Атомпрома» дал директор отделения разработки технологии и оборудования специальных неядерных материалов и изотопной продукции ВНИИНМ Алексей Лизунов.
Алексей Владимирович, давайте начнём с самых азов. Что такое изотопы?
Изотопы – разновидности атомов одного химического элемента, отличающиеся атомным весом. Как известно, каждый атом состоит из ядра и электронов, ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Принадлежность к определённому химическому элементу, или, что то же самое, позиция в периодической системе элементов Менделеева, определяется числом протонов. Число нейтронов варьируется. Именно такие разновидности атомов, в ядрах которых число протонов одинаковое, а нейтронов различное, называются изотопами. С химической точки зрения эти атомы одного и того же элемента малоразличимы или вообще неразличимы. А если посмотреть на ситуацию глазами физика-ядерщика, то различия могут быть существенными. Именно поэтому в отрасли с момента её создания уделяется самое пристальное внимание получению изотопов и всем связанным с этим проблемам – хранению, переработке и прочим технологическим задачам. Изотопы любого элемента могут быть стабильными, они не распадаются с течением времени, и радиоактивными – теми, которые распадаются. Среди радиоактивных можно выделить группы коротко- и долгоживущих изотопов. Чуть углубившись в ядерную физику, при прочих равных условиях, если фиксировать количество протонов и пройтись по количеству нейтронов, которые мы добавляем к этим протонам, мы увидим следующую картину: есть так называемый остров стабильности химических элементов, там примерно равное количество тех и других нуклонов (общее название для протонов и нейтронов), по мере удаления от этого острова стабильности, когда становится слишком много протонов, или в другую сторону – когда слишком много нейтронов, стабильность ядер прогрессирующе ослабевает. Они распадаются, становятся нестабильными, и чем больше отклонение, тем больше скорость их распада, что, в свою очередь, обусловливает существование коротко- и долгоживущих изотопов.
Что означает название «изотоп» и как давно учёные обнаружили их существование?
Термин «изотоп» был впервые предложен в начале XX века английским учёным Ф. Содди. Появление этого термина связано с открытием явления радиоактивности и изучением свойств радиоактивных элементов. Дело в том, что при изучении продуктов радиоактивного распада было экспериментально установлено наличие новых радиоактивных элементов, имеющих, однако, точно такие же химические свойства, как и известные ранее нерадиоактивные элементы. Отличались эти «новые» и «старые» элементы, помимо того что «новые» были радиоактивными, только значениями атомной массы. Термин «изотоп» состоит из двух греческих слов: изо – «одинаковый», топ – «положение», то есть занимающий одинаковое положение в периодической системе элементов. Фактически любой атом любого элемента – это изотоп. Например, любой атом природного урана есть изотоп – либо 235-й, либо 238-й. И так каждый элемент.
Возьмём водород. Любой его атом будет изотоп: либо протий с атомной массой 1, либо дейтерий с атомной массой 2, либо тритий – у него будет масса 3. Раньше существовала некоторая проблема: почему атомная единица массы элементов не целое число, хотя, казалось бы, она должна быть целочисленным? Возьмём водород: его атомная единица массы – единица. Но если строго мерить, то она не совсем единица, а 1,008. И у ряда элементов, которые тяжелее водорода, допустим железо, тоже дробные значения атомной массы. Казалось бы, исходя из того, что было известно на тот момент, эти значения должны быть целыми. А экспериментально фиксировались отклонения. И только открытие явления изотопии у химических элементов, не являющихся продуктами цепочек радиоактивных распадов, позволило дать ответ на этот вопрос. До этого не было понятно, как трактовать такое явление. То ли мы не точно меряем, то ли ошибаемся в атомных стандартах, то есть в тех единицах, которыми меряем атомную массу.
Когда был изобретён первый масс-спектрометр – прибор, который позволил экспериментально зафиксировать явление изотопии у лёгких и среднетяжёлых элементов, эта проблема разрешилась, поскольку никакими химическими методами эту смесь изотопов одного и того же элемента разделить не удавалось (да и задача такая не ставилась, так как не знали, что нужно что-то разделять). Явной практической пользы тогда от этих открытий не было. Люди занимались наукой. Но одно открытие порождало цепочку других, и в конце 30-х годов было открыто явление вынужденного деления ядер урана под действием нейтронного потока, причём не всех ядер, а только 235-го изотопа. Достаточно быстро стало ясно, что это явление может служить основой для разработки оружия нового типа, основанного на неизвестных ранее физических принципах действия. С той поры началась атомная эра, а одной из первоочередных задач стал поиск технологии разделения изотопов – прежде всего изотопов урана. Это важно потому, что природный уран на 99,3 % состоит из 238-го изотопа, бесполезного для создания оружия. Нужен 235-й, содержание которого всего 0,7 %. Поэтому возникла необходимость отделить 235-й изотоп от 238-го. Научные силы и средства, брошенные на решение этой задачи, были значительными и быстро привели к существенному прогрессу. Сначала изотопы урана разделяли электромагнитным способом, что-то вроде большого масс-спектрометра – прибора, разделяющего ионы с одинаковым зарядом по массам.
Это применимо и к урану: 235-й уран можно отделить от 238-го. Однако этот метод был хотя и эффективный, но очень дорогой и энергозатратный. Поэтому искали другие решения и придумали технологию газодиффузионного разделения, а позже – центрифуги. И всё это произошло очень быстро. Примерно за 10 лет (в 40-е – начале 50-х годов) было предложены почти все принципиальные идеи и технологии, используемые в настоящее время.
Какова роль ВНИИНМ в решении той исторической задачи и над какими исследованиями институт работает сегодня?
Наш институт, НИИ-9 (так он тогда назывался), стоял у истоков изотопной промышленности Советского Союза. В нём, в частности, разрабатывались способы получения изотопов лёгких элементов – водорода (дейтерий и тритий), лития и других. Стоит упомянуть, что автором первой изданной в СССР в 1960-м году монографии, по- свящённой методам разделения изотопов, был кадровый сотрудник НИИ-9 А.М. Розен. В том числе одной из главнейших задач, актуальной для создания термоядерного оружия, была разработка технологии получения сверхтяжёлого изотопа водорода – трития и обращения с ним. Эта задача была успешно решена, а методы, разработанные институтом, используются в нашей ядерной промышленности до сих пор.
В приборах, позволяющих определять возраст археологических находок, тоже используются изотопы?
Конечно! Существует отдельное направление этой науки – изотопная геохронология. По стабильным и по радиоактивным изотопам изучают разные параметры – хронологические или геобиологические. Допустим, можно определить, каков средний возраст известняка, который образовался из моллюсков. Или в Антарктиде бурят скважины и по незначительным изменениям изотопного состава воды на разной глубине определяют палеотемпературные режимы, показывающие, какой климат был на Земле в период, когда намерзал соответствующий слой льда. Для исследования органических материалов, в основном, используют радиоуглеродный анализ. Это изотоп С-14. Я о нём уже упоминал ранее, отмечая что он радиотоксичен. Тем не менее в незначительных количествах он всегда присутствует в атмосфере и в любом организме, в том числе в человеческом теле до тех пор, пока мы живы. Как только наступает биологическая смерть, прекращается обмен углеродом с окружающей средой и включаются так называемые радиоуглеродные часы: углерод-14 больше не поступает извне, а имеющийся в теле начинает распадаться. Вот по количеству нераспавшегося углерода-14 и судят о возрасте ископаемых останков. Оборудование для этого когда-то выпускалось и в России, впоследствии было всё заброшено, конкуренты не стояли на месте и выпускали более качественное и более удобное оборудование.
Поэтому сегодня у нас сфера аналитического определения в части геохронологических сопутствующих в основном опирается на импортную приборную базу, что тоже создаёт определённые риски. Возможность изготовления подобного оборудования нам видится реальной, поскольку представляет интерес с самых разных точек зрения: сегодня с научной, а завтра с вполне практической. Непосредственно созданием и координацией работ по этой части мы не занимаемся, но масс-спектрометрическое оборудование для своих специализированных целей изотопного анализа лёгких элементов мы разрабатываем в сотрудничестве с организациями РАН.
Кто ещё в России помимо ВНИИНМ занимается изотопами?
Задачами разделения лёгких изотопов у нас ещё занимается ряд вузов, имеющих специализированные кафедры. Это МИФИ, в какой-то степени МГУ, Томский политех и РХТУ. Эти вузы создают научные продукты, но их первостепенная задача – производство кадров высшей квалификации: аспирантов, кандидатов наук.
Структуры, которая отвечала бы за согласование работ по исследованию лёгких изотопов в России, а также решала вопросы финансирования, сегодня в явном виде нет. Тем не менее в рабочем порядке нам удаётся в большей части случаев согласовывать наши действия и разграничивать сферы интересов: кто чем занимается, кто кому и чем может помочь с точки зрения расширения компетенций. ВНИИНМ пробует проводить такую работу, выступая в роли неформального организатора. Это научное сотрудничество, имеющее черты самоорганизации.
Мы в некоторой степени координируем взаимодействие между двумя ведомствами – Минобрнауки и ГК «Росатом», поскольку Росатом был и останется основным потребителем изотопов: в энергетике, промышленности и медицине. ВНИИНМ, как исследовательский инсти- тут, обеспечивает координацию работ по изотопам в той мере, в которой может и работает над структурированием взаимодействия в сфере наработки изотопов внутри отрасли. Основной наработчик изотопов – это топливная компания ТВЭЛ, в которую входят химические комбинаты, а также ПО «Маяк». Наша роль как координатора – уведомлять госкорпорацию о перспективных направлениях, о возможностях создания более эффективных и безопасных технологий или доработки существующих и, если Росатом заинтересован, проводить соответствующую работу и передавать её результат производителям.
Изотопы – стратегическое направление. С ним неразрывно связано как развитие ядерной энергетики, так и поддержание на высоком уровне военно-промышленного потенциала России. И без глубоких научно-исследовательских работ по этому направлению фундаментальное развитие отрасли невозможно.
Водород
В настоящее время в области изотопов институт занимается как действующими проектами, так и перспективными разработками. Мы, в основном, сосредоточены на изотопах лёгкой группы (литий, бор, углерод, азот, кислород, водород). В частности, работы с водородом направлены на совершенствовании технологии обращения с его изотопом – тритием. Задача его получения, по существу, решена, но при обращении с тритием, при применении, например, в устройствах дефектоскопии, периодически возникают проблемы. На основе трития разработана бета-вольтаическая батарейка, то есть устройство, в котором энергия радиоактивного распада трития превращается в разность потенциалов, в ток. И можно даже зажечь лампочку, но не от сети, куда поступает энергия, получаемая в результате сжигания топлива, а от энергии распада радиоактивного вещества.
Подобные работы ведутся во всех развитых странах, хотя о промышленном производстве пока говорить рано. Это источники милливаттного диапазона, мини-батарейки к медицинским приборам, стимуляторам искусственных органов, к приборам, расположенным в местах, где затруднён доступ для обслуживания, в том числе на космических аппаратах.
Тритий используется и для решения материаловедческих задач, связанных с изучением влияния водорода на свойства конструкционных материалов ядерных реакторов. Существует такое явление, как наводораживание циркония оболочки твэла в водо-водяных реакторах. С ним умеют бороться, тем не менее эта проблема остаётся, и ведутся исследования по изучению как самого явления, так и поиск возможности его контролировать. Одним из самых оптимальных способов контроля является метод изотопной метки. Поскольку речь идёт о водороде, то возможные метки две: стабильный дейтерий и радиоактивный тритий. Однако последний более удобный, поскольку детектирование радиоактивным элементом эффективнее с аналитической точки зрения и удобнее для регистрации.
Литий
Другое направление наших исследований связано с изотопами лития. Так, сейчас мы начинаем работать над улучшением технологии по разделению изотопов лития, которые, в частности, используются в промышленной ядерной энергетике на зарубежных реакторах PWR для корректировки радиохимического режима теплоносителя первого контура. 7-й изотоп лития, имеющий довольно высокое содержание в природной смеси, плохо поглощает нейтроны, что делает целесообразным его применение в теплоносителе первого контура. В наших реакторах литий не используется, но плавный переход к нему периодически актуализируется и обсуждается. Вообще любое применение в ядерной энергетике 7-го изотопа лития основано на его уникальном свойстве плохо поглощать нейтроны. Эти исследования имеют важное значение для будущих разработок и, в частности, могут быть использованы для жидкосолевых реакторов, где хлорид лития является одним из компонентов расплава. Тема перспективная, она активно развивается в Индии и Китае, но у нас это направление пока на стадии обсуждения.
Бор
Следующее направление – бор-10. Задача выделения этого изотопа из смеси природного состава (содержащей два изотопа: 10-й и 11-й) была поставлена ещё в 40-е годы. Они малоразличимы химически, но по ядерным и физическим свойствам отличаются очень сильно. 10-й бор замечательно поглощает любые нейтроны: от тепловых до быстрых. 11-й бор прозрачный для нейтронов и не поглощает их, примерно как 7-й литий. 10-й бор применяется в ядерной энергетике в качестве поглотителя нейтронов, как в тепловых, так и в быстрых реакторах для контроля критичности реактора. В настоящее время бор-10 используется как материал-поглотитель стержней в управлении защитой реакторов БН-600 и БН-800. Бор-10 также может быть использован в составе конструкционных материалов для стеллажей уплотнённого хранения отработанного ядерного топлива, предотвращающих самопроизвольную цепную реакцию. Для этого сейчас используют борированные стали, однако применение их связано с рядом проблем, решить которые помогло бы применение для производства стали изотопномодифицированного по 10-му бору материала.
Азот
Одно из принципиальных направлений – работа по разделению изотопов азота. Это в некоторой степени задача «на перспективу», решение которой позволит обеспечить реакторы на быстрых нейтронах уплотнённым нитридным топливом, содержащим не оксид урана, а нитрид. Азот природного изотопного состава, входящий в состав топлива, состоит практически на 100 % из изотопа азот-14, и лишь малая доля приходится на тяжёлый азот-15. Изотоп азот-14 хорошо взаимодействует с нейтронным потоком, но при этом нарабатывается изотоп углерод-14, он радиоактивный, долгоживущий с периодом полураспада 5730 лет и, главное радиотоксичный – его необходимо иммобилизировать и затем где-то хранить. Избежать подобных проблем поможет изотопно-модифицированное нитридное топливо, получить которое можно обогатив природный азот изотопом N-15. При этом не только решится вопрос с углеродом-14, но и частично улучшится нейтронный баланс реактора, что положительным образом скажется на его экономике. Однако для решения этой задачи пока не найдено адекватных способов разделения изотопов азота – ни в России, ни в мире. Дело в том, что существующие установки для получения изотопа N-15 рассчитаны на существенно меньшие объёмы производства, чем это требуется для обеспечения потребностей при производстве СНУП-топлива. Методы, используемые в этих установках, достаточно дорогостоящие и не могут быть прямо масштабированы на требуемые объёмы продукции. Задача нашего изотопного отделения – предложить новые модифицированные экономически приемлемые методы обогащения азота-15.
В толерантном топливе (разрабатываемом для ВВЭР) тоже рассматриваются варианты применения нитрида в качестве рабочего вещества топлива. Но, на мой взгляд, они немного сомнительны. В частности, потому, что нитрид очень хорошо реагирует с водой, разлагаясь с выделением газов. Рассматриваются разные варианты решения этой задачи, обсуждаются и капсуляция топлива, и создание оболочки из молибдена, сейчас трудно сказать, какой из вариантов будет принят за рабочий. Поэтому основная перспектива разработки технологии разделения изотопов азота связана прежде всего с улучшением рабочих характеристик и характеристик по безопасности и экологичности топлива для быстрых реакторов, а уже в затем для толерантного топлива.
