7. Применение

Большинство актиноидов, до америция включительно, нашли применение в различных областях науки и техники, например приборостроении (датчики дыма)(см приложение В, рис. В.6), космических технологиях. Однако наиболее массовым и значимым является применение актиноидов для создания ядерного оружия и применение в качестве топлива в ядерных реакторах (см. приложение В, рис. В.7), 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.

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.

Изотоп плутония-238 используется в качестве автономного источника энергии, поскольку его ядерные превращения имеют очень высокую тепловую мощность: 567 Вт/кг. 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. Плутоний-238 в 2006 г. при запуске зонда New Horizons к Плутону использовался в качестве источника питания для зонда. Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высокочистого диоксида ²³⁸Pu, который производит в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути (240 Вт в начале пути и 200 Вт к концу). Также он использовался на других межпланетных исследовательских станциях (Зонды Галилео, Кассини и др.) в качестве источника энергии.

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. Нейтронное облучение оказывается особенно полезным при лечении опухолей, в частности раковых.

Широкое применение актиноиды, такие как плутоний, уран, нашли и в ядерном оружии (см. приложение В, рис. В.8, В.9). Бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки в 1945 г. США, содержали в себе 64 кг урана(из них только 700г непосредственно участвовало в цепной реакции) и 6,2 кг плутония. В 20-м веке было проведено большое количество испытаний ядерных бомб. К концу 20-го века массовые испытания ядерного оружия прекратились в связи с улучшением международной обстановки и массовым сокращением количества ядерных вооружений в мире.