Глава 8.Применение
Большинство актиноидов, до америция включительно, нашли применение в различных областях науки и техники, например приборостроении (датчики дыма), космических технологиях. Однако наиболее массовым и значимым является применение актиноидов для создания ядерного оружия и применение в качестве топлива в ядерных реакторах, в обоих случаях используется свойство некоторых из актиноидов выделять колоссальную энергию при ядерной реакции — делении ядра, которая при определённых условиях может быть цепной, то есть самоподдерживающейся.
Для атомной энергетики очень важным является уран, особенно его изотоп — уран-235, применяющийся в наиболее распространённых реакторах на тепловых нейтронах, содержание которого в природном уране не превышает 0,72 %. Этот изотоп имеет высокое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, поглощая которые 235U делится с выделением большого количества энергии. Превращающаяся в тепло энергия на один акт деления (200 МэВ), в перерасчёте на 1 г прореагировавшего 235U, даёт примерно 1 МВт·сут. Очень ценным является сопровождение деление урана-235 выделением бо́льшего числа нейтронов, чем их затрачивается. При достижении критической массы урана-235 — 0,8 кг — происходит самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Как правило, ядро урана делится на 2 осколка с высвобождением 2—3 нейтронов, например:
Также перспективным в ядерной энергетике является использование ядерного цикла, основанного на применении тория-232 и полезного продукта, образующегося при его делении — урана-233.
Основой любого ядерного реактора является активная зона, набранная из тепловыделяющих сборок, которые в свою очередь состоят из тепловыделяющих элементов — металлических стержней, в которых внутри оболочки, обычно выполненной из сплавов циркония, находится ядерное топливо — чаще всего в виде диоксида урана. Также ядерное топливо может использоваться в виде карбидов, нитридов и моносульфидов урана, а также в виде различных соединений плутония, урана
и тория (так называемое MOX-топливо).
Для замедления быстрых нейтронов в реакторах на тепловых нейтронах используют замедлители, которые содержат углерод, дейтерий, бериллий. Самым простым и широко используемым замедлителем является вода. Тепловые нейтроны, получаемые таким образом, взаимодействуют с ядрами урана-235 на несколько порядков чаще, чем с быстрыми. Для регулирования скорости деления ядер в реактор вводят поглотители — специальные стержни, выполненные из бора, кадмия и/или используют жидкий поглотитель, чаще всего в виде раствора борной кислоты, концентрацией которого регулируют реактивность реактора. Реакторы для производства плутония конструируют специально, они принципиально отличаются по приципу действия (работают, в основном, на быстрых нейтронах) и называются реакторами-размножителями или бридерами (от англ. breed — размножать). Их использование позволяет нарабатывать значительные количества плутония.
Выделение нейтронов при вынужденном делении урана важно не только для поддержания цепной ядерной реакции и получения большого количества энергии, но и для синтеза более тяжёлых актиноидов. Уран-239 распадается посредством β-распада и образует плутоний-239, который подобно урану-235 способен к спонтанному делению. Первые в мире ядерные реакторы предназначались не для мирных нужд энергетики, а для наработки плутония-239, с целью использования его для создания ядерного оружия.
Торий применяется в качестве легирующего компонента сплавов магния с цинком. Магниевые многокомпонентные сплавы с примесью тория из-за лёгкости и прочности, высокой температуры плавления и пластичности широко используются в авиационной промышленности и в производстве снарядов. Металлический торий имеет хорошую способность в электронной эмиссии. Лампы с ториевыми электродами имеют малый начальный потенциал и долго не выходят из строя. Относительное содержание изотопов тория и урана часто применяется для оценки возраста звёзд.
В перспективе изотоп плутоний-238 рассматривается исследователями в качестве автономного источника энергии, поскольку его ядерные превращения сопровождаются выделением большого количества тепла. В теории его применение может распространиться и на костюмы космонавтов и водолазов. Но в виду его высокой цены (1 г изотопа стоит примерно 1000 долларов) его применение ограничено. Этот изотоп был использован на некоторых спутниках Земли в термобатареях и для дистилляции воды на космических кораблях. На американском космическом корабле «Аполлон-11» был размещён маленький нагреватель, источником энергии которого являлся плутоний-238; он включался при облетании затемнённой части Луны.
Для тех же целей, что и для плутония-238, можно применять кюрий-242. Также некоторые изотопы калифорния имеют способность к спонтанному делению. Поскольку критическая масса калифорния мала, то считается, что в будущем из него можно будет изготовлять заряды для атомных пуль.
Отделение плутония от урана, которое происходит с помощью химических реакций, намного проще, чем разделение изотопов урана, что делает перспективным использование оружейного плутония из боеголовок, отработавших свой срок, в качестве топлива в смешанном с торием и ураном виде, так называемом MOX-топливе.
Актиний-227 применяется для изготовления нейтронных источников. Высокое удельное энерговыделение — 14,5 вт/г, возможность получения значительных количеств термически устойчивых соединений актиния — ценные свойства, открывающие хорошие перспективы для использования в термоэлектрических генераторах длительного действия, которые являются пригодными для космических целей. 228Ac применяется в качестве индикатора радиоактивности при химических исследованиях, так как обладает высокоэнергетическим β-излучением с энергией 2,18 МэВ, которое легко регистрируется. Равновесная смесь изотопов 228Ac—228Ra широко используется в качестве источника интенсивного γ-излучения в промышленности и медицине.
Америций-241, будучи источником мягких γ-лучей, применяется в медицинской диагностике и в приборах контроля толщины стальной ленты и листового стекла. На основе кюрия-242 делают генераторы для питания бортовой аппаратуры космических станций, а калифорний-252 используют в нейтронной радиографии в качестве чрезвычайно мощного источника нейтронов.
Широкое применение актиноиды, такие как плутоний, уран, нашли и в ядерном оружии. В 20-м веке было проведено большое количество испытаний ядерных бомб. К концу 20-го века (см. изображение) массовые испытания ядерного оружия прекратились в связи с улучшением международной обстановки и массовым сокращением количества ядерных вооружений в мире.