Думаю, те дети, которые сегодня только учатся ползать, достигнут осмысленного возраста, чтобы восхищенно смотреть трансляции с первых запусков ИТЭР. А сегодня мы поговорим о топливе, что требуется для термоядерных реакторов, футуристическом будущем России и нашей лунной программе.

Какая связь? Давайте разбираться.

Вспомним

В термоядерном реакторе происходит реакция синтеза, т.е. легкие атомные ядра в результате нагрева разгоняются и соединяются в более тяжелое ядро атома. Во время соединения высвобождается море энергии, ради которой все и затевается.

В задаче конструирования термоядерного реактора есть множество сложностей, однако они решаются. Во Франции совместными силами нескольких стран, в том числе и России, уже приступили к строительству упомянутого ИТЭР. Но о нем я уже писал.

Одна из сложностей промышленного запуска термоядерного реактора - это топливо. Планируется использовать различные варианты.

Дейтерий + тритий

Это самый легкий вариант с точки зрения обеспечения протекания реакции. Дейтерий - это тяжелый водород. Добыть его не проблема. Только в воде его десятки миллиардов тонн. Берем воду. Получаем из нее тяжелую воду, а затем уже дейтерий. Его производство на земле в настоящий момент - десятки тысяч тонн в год. Мы это умеем.

С тритием сложнее. Тритий - это сверхтяжелый водород. Он образуется в высоких слоях атмосферы при соударении частиц космического излучения с ядрами атомов. Как вы понимаете, его там образуется совсем не много, и ловить его в высоте не представляется возможным.

Поэтому тритий производят на земле на атомных реакторах. Представляете, всего с 1955 года по 1999 год, например в США, было получено 225 кг.

Наши реакторы этим тоже умеют заниматься. Стоит один килограмм этой радости почти 2 миллиарда рублей. Отличные вложения? Да не тут-то было.

Проблема тут еще в том, что период полураспада трития -12 с небольшим лет. Это значит, что через 12 лет от 1 кг. трития останется всего полкило. Не самый лучший способ хранить свои деньги. Только на один запуск ИТЭР понадобится 3 кг. Для запуска термоядерного реактора следующего поколения DEMO - 4-10 кг. А в мире сейчас имеется всего 18 кг. этого добра.

Да, и спешу обрадовать: рабочий термоядерный реактор с электростанцией, вырабатывающей гигаватты электричества, будет потреблять на каждый этот самый гигаватт*год 56 кг (!) трития.

Где столько взять? Да, термоядерная энергетика недешевое занятие.

Изящное решение

Уже термоядерная установка DEMO должна будет вырабатывать тритий для своих потребностей самостоятельно и даже больше -для других реакторов. Собственно это одно из предназначений DEMO - доказать, что тритием реактор может обеспечивать себя сам и производить излишки. Как же так?

Во время термоядерного синтеза из дейтерия и трития получается ядро гелия и высокоэнергетический нейтрон. Этот самый нейтрон, мчась быстрее ветра, должен покинуть электромагнитную камеру и стукнуться о метровую оболочку из лития. При столкновении нейтрона и ядра лития и появится тритий.

Ну а с литием у нас проблем никогда не было. Кому интересно, как его добывают, может посмотреть .

Ну а если не будет?

Если тритий не получится вырабатывать в больших количествах, чем это нужно самой станции? Если объем выработки будет очень мал? Термоядерная станция - это ведь не волшебная палочка: одну построили и все, проблема энергопотребления решена. Их нужно будет строить много по всей планете.

Однако, не тритием единым сыты, можно вместо него использовать гелий-3.

Дейтерий + гелий-3

Крайне сложная, на пределе возможного реакция. А все из-за невообразимо высоких температур плазмы, которых нужно достичь. Но кто сказал, что будет легко?

На выходе, при соединении атомов дейтерия и Гелия 3 получается гелий 4, протон и 18,4 МэВ.

Вопрос с дейтерием мы разобрали. А вот с Гелием 3 проблемы. В природе он находится в мантии, он там еще от сотворения земли завалялся. В атмосферу попадает через вулканы и всякие разломы. Из мантии мы добывать пока ничего не умеем, а в атмосфере Гелия 3 настолько мало, что гиблая это задача. Приходится получать его искусственно, например, при распаде трития.

И тут тритий?! Да не, если бы это был единственный вариант, Гелий 3 не стоил бы 65 тыс. рублей за литр. Есть еще вариант бомбардировать литий альфа-частицами.

Но в любом случае, дело достаточно затратное и сложное, и это речь идет о килограммах, не говоря уж о промышленном производстве.

Где взять Гелий-3?

Наши сейчас запускают спутник для картографирования лунной поверхности.

Строится космический корабль для полета на орбиту Земли. Этим занимаются многие - и мы в том числе. Но наши инженеры, хоть и отстают по срокам запуска испытаний, однако планируют отправлять корабль подальше земной орбиты - на Луну! Планируется постройка лунной базы. Какого рожна нам нужно от этого куска камня?

Дело в том, что в лунном грунте накоплено 10 миллионов тонн Гелия-3 - такого нужного и полезного вещества.

А вы думали, мы на луну ради любопытства летим? Мы же не тщеславные американцы. Они замутили пиар-компанию на полете на Луну, а мы замутим Гелий-3 в промышленных масштабах. У нас даже план есть.

План

До 2025 года мы отправим к спутнику Земли 4 межпланетных станции. Их задачами будет разведка полярного реголита с водяным льдом, а также поиск в районе Южного полюса хорошего местечка для базы.

До начала 30-х годов на Луну отправятся пилотируемые экспедиции без высадки на поверхность. В 30-40-х годах будут произведены первые посадки на поверхность Луны и первые закладки будущей инфраструктуры базы.

К 2050 году базе быть!

А там мы увидим и первые автоматические машины, оставившие свои следы на лунном грунте. Роботы-бульдозеры будут формировать из сырья новые лунные горы, а обогатительный комбинат будет трудиться круглые сутки, вырабатывая Гелий-3. И только старты межпланетных грузовых кораблей будут нарушать молчаливую рутинность этих работ.

А на земле мы будем все так же ругать правительство в комментах, совсем не задумываясь о том, какой путь проходит электричество от термоядерного реактора до нашего гаджета.

Любой химический элемент имеет разновидности природного или искусственного происхождения, называемые изотопами. Различие между ними заключается в неодинаковом количестве нейтронов в ядрах и, следовательно, в атомном весе, а также в степени стабильности. Что касается количества протонов, то оно одинаково, благодаря чему элемент, собственно, и остается самим собой. В этой статье мы обратимся к изотопам водорода – самого легкого и распространенного элемента во Вселенной. Нам предстоит рассмотреть их свойства, роль в природе и область практического применения.

Сколько разновидностей имеет водород

Ответ на этот вопрос зависит от того, какие изотопы водорода имеются в виду.

Для этого элемента установлено три природных изотопных формы: протий – легкий водород, тяжелый дейтерий и сверхтяжелый тритий. Все они обнаружены в естественном виде.

Помимо них, существуют четыре искусственно синтезированных изотопа: квадий, пентий, гексий и септий. Характеризуются данные разновидности чрезвычайной нестабильностью, время жизни их ядер выражается величинами порядка 10-22 – 10-23 секунд.

Таким образом, всего на сегодняшний день у водорода известно семь изотопных разновидностей. На трех из них, имеющих практическое значение, мы и сосредоточим свое внимание.

Легкий водород

Это наиболее просто устроенный атом. Изотоп водорода протий с атомной массой 1,0078 а. е. м. обладает ядром, в состав которого входит только одна частица – протон. Поскольку он стабилен (теоретически время жизни протона оценивается не менее чем в 2,9×1029 лет), то стабилен и атом протия. При записи ядерных реакций он обозначается как 1H1 (нижний индекс – это атомный номер, то есть число протонов, верхний – общее число нуклонов в ядре), иногда просто p – «протон».

Легкий изотоп – это почти 99,99 % всего водорода; лишь чуть более одной сотой процента приходится на остальные формы. Именно протий вносит решающий вклад в распространенность водорода в природе: во Вселенной в целом – около 75 % массы барионного вещества и приблизительно 90 % атомов; на Земле – 1 % массы и целых 17 % атомов всех элементов, входящих в состав нашей планеты. Вообще, протий (точнее сказать, протон как один из главных компонентов Вселенной) смело можно назвать важнейшим элементом. Он обеспечивает возможность термоядерного синтеза в недрах звезд, в том числе и Солнца, и за счет него образуются прочие элементы. Кроме того, легкий водород играет важную роль в построении и функционировании живого вещества.

В молекулярной форме водород вступает в химические взаимодействия при высоких температурах, поскольку для расщепления его достаточно прочной молекулы нужно много энергии. Атомарный водород характеризуется очень высокой химической активностью.

Дейтерий

Тяжелый изотоп водорода имеет более сложно устроенное ядро, состоящее из протона и нейтрона. Соответственно атомная масса дейтерия вдвое больше – 2,0141. Принятое обозначение – 2H1 или D. Эта изотопная форма также стабильна, так как в процессах сильного взаимодействия в ядре протон и нейтрон постоянно превращаются друг в друга, и последний не успевает претерпеть распад.

На Земле водород содержит от 0,011% до 0,016% дейтерия. Концентрация его различна в зависимости от среды: в морской воде этого изотопа больше, а в составе, например, природного газа – существенно меньше. На других телах Солнечной системы отношение дейтерия к легкому водороду может быть иным: так, лед некоторых комет содержит большее количество тяжелого изотопа.

Дейтерий плавится при 18,6 К (легкий водород – при 14 К), а кипит при 23,6 К (соответствующая точка протия – 20,3 К). Тяжелый водород проявляет, в общем, те же химические свойства, что и протий, образуя все характерные для этого элемента типы соединений, однако ему присущи и некоторые особенности, связанные с серьезной разницей в атомной массе – ведь дейтерий тяжелее в 2 раза. Следует заметить, что по этой причине изотопным формам водорода свойственны наибольшие химические различия из всех элементов. В целом для дейтерия характерны более низкие (в 5 – 10 раз) скорости протекания реакций.

Роль дейтерия в природе

Ядра тяжелого водорода принимают участие в промежуточных стадиях термоядерного цикла. Солнце светит благодаря этому процессу, на одном из этапов которого образующийся изотоп водорода дейтерий, сливаясь с протоном, рождает гелий-3.

Вода, в состав которой входит, кроме протия, один атом дейтерия, называется полутяжелой и имеет формулу HDO. В молекуле тяжелой воды D2O дейтерий полностью заменяет легкий водород.

Тяжелая вода характеризуется замедленным течением химических реакций, вследствие чего в больших концентрациях она вредна для живых организмов, особенно высших, таких как млекопитающие и в том числе человек. Если в составе воды четверть водорода замещена дейтерием, длительное употребление ее чревато развитием бесплодия, анемии и других заболеваний. При замещении 50% водорода млекопитающие погибают через неделю употребления такой воды. Что касается кратковременных повышений концентрации тяжелого водорода в воде, она практически безвредна.

Как получают тяжелый водород

Удобнее всего получать этот изотоп в составе воды. Есть несколько способов обогащения воды дейтерием:

• Ректификация – процесс разделения смесей на компоненты, кипящие при разной температуре. Разделение достигается через многократное испарение и конденсацию смеси изотопов в жидком водороде или воде на специальном оборудовании – ректификационных колоннах, в которых потоки газообразной и жидкой фаз идут во встречных направлениях.
• Электролитическое разделение. Метод основан на том, что при электролизе воды от ее молекул более активно отщепляется легкий изотоп. Электролиз проводят в несколько этапов.
• Ионный изотопный обмен, при котором происходит взаимное замещение ионов разных изотопов в составе реагентов. В настоящее время этот способ с использованием воды и сероводорода в качестве реагирующих компонентов является наиболее эффективным и экономичным.

Тритий

Сверхтяжелый изотоп водорода, в ядре которого наличествуют протон и два нейтрона, имеет атомную массу 3,016 – примерно втрое больше, чем у протия. Тритий обозначается символом Т либо 3H1. Он плавится и кипит при еще более высоких температурах: 20,6 К и 25 К соответственно.

Это радиоактивный нестабильный изотоп с периодом полураспада 12,32 года. Образуется он при бомбардировке ядер атмосферных газов, например, азота, частицами космических лучей. Распад изотопа происходит с испусканием электрона (так называемый бета-распад), при этом один нейтрон в ядре претерпевает превращение в протон, а химический элемент повышает атомный номер на единицу, становясь гелием-3. В природе тритий присутствует в следовых количествах – его очень мало.

Сверхтяжелый водород образуется в тяжеловодных ядерных реакторах при захвате дейтерием медленных (тепловых) нейтронов. Часть его доступна для извлечения и служит источником трития. Кроме того, его получают как продукт распада лития при облучении последнего тепловыми нейтронами.

Тритий характеризуется малой энергией распада и представляет некоторую радиационную опасность только в случаях, когда попадает внутрь организма с воздухом или пищей. Для защиты кожных покровов от бета-излучения достаточно резиновых перчаток.

Применение изотопов водорода

Легкий водород используется во множестве отраслей: в химической промышленности, где с его помощью ведется производство аммиака, метанола, соляной кислоты и других веществ, в нефтепереработке и металлургии, где он необходим для восстановления тугоплавких металлов из оксидов. Также он применяется на некоторых стадиях производственного цикла (в производстве твердых жиров) в пищевой и косметической промышленности. Водород служит одним из видов ракетного топлива и используется в лабораторной практике в науке и на производстве.

Дейтерий незаменим в ядерной энергетике как прекрасный замедлитель нейтронов. Он применяется в этом качестве, а также как теплоноситель в тяжеловодных реакторах, позволяющих использовать природный уран, что снижает затраты на обогащение. Он также, наряду с тритием, является компонентом рабочей смеси в термоядерном оружии.

Химические свойства тяжелого водорода позволяют использовать его в производстве медицинских препаратов в целях замедления выведения их из организма. И, наконец, дейтерий (как и тритий) имеет перспективы в качестве топлива в термоядерной энергетике.

Итак, мы видим, что все изотопы водорода так или иначе «находятся при деле» как в традиционных, так и в высокотехнологичных, имеющих прицел на будущее отраслях техники, технологии и научных исследований.

Кандидат химических наук Александр Семёнов, главный эксперт АО «ВНИИНМ»

Прошло более 85 лет с момента открытия тяжёлых изотопов водорода, тем не менее интерес к ним с каждым годом возрастает. Они дают надежду на выход из энергетического кризиса, но вместе с тем могут поставить под угрозу существование всего живого на нашей планете. Эту опасность человечество ощутило ещё полвека назад.

Натурные макеты атомной и водородной (на переднем плане) бомб в Музее ядерного оружия (г. Саров). Фото Александра Семёнова.

Соотношение тяжёлой и лёгкой воды в природной смеси. Фото Александра Семёнова.

Студент РХТУ Борис Иванов (слева) проходит практику в тритиевом отделе АО «ВНИИНМ». Справа - автор статьи. Фото: АО «ВНИИНМ».

Стеклянный баллон вакуумной установки, потемневший от многолетнего воздействия бета-излучения трития. Фото: АО «ВНИИНМ».

Радиолюминограмма образца нержавеющей стали, экспонированного в тритии. Разным цветом показаны участки, содержащие различное количество этого изотопа. Фото: АО «ВНИИНМ».

В 1931-1932 годах американский физикохимик Гарольд Юри и его коллеги сумели выделить из обыкновенного, всем известного водорода необычную фракцию. Водород из этой фракции имел большие атомный вес и плотность, давал в эмиссионном спектре ранее незнакомые линии, напоминающие классические линии спектра водорода, но в то же время немного смещённые. Это означало, что в природном водороде присутствуют атомы нескольких сортов, отличные по своим свойствам. Так был открыт первый из тяжёлых изотопов водорода - дейтерий. Вскоре в чистом виде была получена «тяжёлая вода» - оксид дейтерия. Она имела на 10% бóльшую плотность, более высокие температуры плавления и кипения, чем вода обычная, сложнее разлагалась электрическим током, что вскоре легло в основу одного из первых способов её получения. Длительный, многоступенчатый электролиз воды позволял сконцентрировать дейтерий и очистить его от лёгкого изотопа водорода.

Другой тяжёлый изотоп, тритий, открыли двумя годами позже в Кембриджском университете физики Эрнест Резерфорд, Марк Олифант и физикохимик Пауль Хартек при бомбардировке ядрами дейтерия мишеней из дейтерийсодержащих соединений. При этом исследователи впервые столкнулись с ядерным синтезом - искусственным превращением одних ядер в другие. Как оказалось, третий изотоп водорода сильно радиоактивен (период полураспада 12,32 года) и поэтому не может накапливаться в природе в сколько-нибудь значимых количествах.

За открытие дейтерия Г. Юри в 1934 году был награждён Нобелевской премией по химии.

Поначалу дейтерий производили электролитическим методом, что требовало больших затрат электроэнергии и обходилось недёшево. А реакторная наработка весовых количеств трития даже по самым скромным подсчётам должна была стоить баснословных денег. Кто бы мог тогда подумать, что через два десятка лет после их открытия в нескольких государствах мира будут работать крупномасштабные производства и дейтерия и трития! Причина такой популярности тяжёлых изотопов водорода заключалась в том, что они стали основой самого мощного из всех существовавших когда-либо видов оружия. Это оружие получило название термоядерного или водородного.

Вспоминая эпоху «холодной войны», в которую довелось родиться автору этой статьи, стоит заметить, что зловещее и практически забытое сейчас выражение «водородная бомба» долгое время было у всех на слуху и вызывало неприятный холодок в душе жителя Советского Союза. Все жили под дамокловым мечом ядерной войны, которая, как казалось, могла начаться в любой момент. В политических карикатурах журнала «Крокодил» недобрый «дядя Сэм», как правило, доставал из-за пазухи или держал в руке выразительную чёрную бомбу с эмблемой «Н», что означало «водородная», или с эмблемой «N», что означало бомбу нейтронную, представляющую более современный тип бомбы водородной. Не все понимали, что идёт речь не о самом водороде, а только о его тяжёлых изотопах, составляющих термоядерный заряд. Изобилие карикатур на эту тему привело к тому, что атомные и водородные бомбы часто попадали в детские рисунки и были причиной многих детских страхов.

В чём же секрет небывалой мощи, скрытой в тяжёлых изотопах водорода? Он заключён в высоком энергетическом эффекте реакции слияния ядер дейтерия и трития и в рекордно малой величине энергетического барьера, который необходимо преодолеть, чтобы их ядра слились. Если обычный урановый или плутониевый ядерный заряд использовать для поджигания термоядерной реакции, то его энергию можно усилить в 600 раз и более. Большое достоинство такого заряда состоит в том, что дейтерий и тритий при слиянии не только не дают долгоживущих радиоактивных продуктов, но и способствуют более полному сгоранию самого ядерного запала. И значит, термоядерное оружие при его использовании наносит значительно меньший экологический урон, оставляя меньшее радиоактивное заражение местности, чем ядерное оружие той же мощности. Это открывало не только военные, но и мирные перспективы его использования - при сооружении подземных ёмкостей-хранилищ газа, при тушении пожаров на нефтяных скважинах, а также для быстрого и относительно безопасного создания искусственных котлованов и каналов серией небольших термоядерных взрывов.

Абсолютным рекордсменом среди всех видов взрывных устройств, когда-либо созданных человеком, следует назвать советскую водородную бомбу АН602, которая была испытана 30 октября 1961 года на ядерном полигоне «Сухой Нос» архипелага Новая Земля. С лёгкой руки Генерального секретаря Компартии СССР Н. С. Хрущёва эта бомба вошла во Всемирную историю под названием «Кузькина мать». Кроме того, по аналогии с Царь-пушкой и Царь-колоколом этот заряд часто называют «Царь-бомбой». Разработана она была под руководством академика АН СССР И. В. Курчатова. Её измеренная мощность в тротиловом эквиваленте составила 58,6 мегатонны.

Сколько же тяжёлых изотопов водорода в природе? Дейтерия в природе не так уж и мало. Его концентрация относительно протия составляет около 0,016% ат., но, учитывая широкую распространённость самого водорода, запасы дейтерия можно считать неисчерпаемыми. Наибольшие его количества находятся в Мировом океане; концентрация дейтерия в океанической воде также заметно выше, чем в водах рек, вследствие фракционирования изотопов воды в атмосферном водяном цикле (см. «Наука и жизнь» № 5, 2011 г., статья ). Дейтерия в водах Мирового океана содержится даже больше, чем таких химических элементов, как фтор и йод. Природные вариации соотношения изотопов дейтерия и протия изменяются в диапазоне от 5500 до 11 000 атомов лёгкого водорода на один атом тяжёлого - это своеобразный рекорд среди природных вариаций всех стабильных изотопов. Наименьшие концентрации дейтерия наблюдаются в ледниках Антарктики, а наибольшие - в закрытых водоёмах пустыни Сахара.

Трития в природе в десятки и сотни триллионов раз меньше, чем дейтерия. Из-за радиоактивного распада тритий практически отсутствует в объектах, изолированных от атмосферы, например в углеводородах нефти и природного газа. Естественная наработка трития на Земле постоянно происходит при воздействии космических лучей на ядра азота и кислорода в верхних слоях атмосферы, поэтому наиболее богаты природным тритием осадки: дождь и снег. Такая естественная наработка трития находится в равновесии с его распадом и составляет не более 7 кг на весь земной шар.

Во второй половине ХХ века количество трития в природе многократно возрастало в период интенсивных испытаний термоядерного оружия. Так, при взрыве водородной бомбы мощностью одна мегатонна образуется и попадает в окружающую среду до 2 кг трития. За всё время наземных и воздушных испытаний термоядерного оружия в атмосфере накапливались сотни килограммов трития. После их запрета количество трития в земной атмосфере заметно снизилось за счёт его радиоактивного распада и сейчас не превышает десятков килограммов. Важный источник поступления трития в окружающую среду - атомные электростанции, которые ежегодно вырабатывают килограммы трития (сопоставимо с его природной наработкой). Из этого количества в окружающую среду попадает не более одной седьмой части.

Как разделить изотопы водорода? Известный учёный и публицист академик И. В. Петрянов-Соколов в конце 1960-х годов, проведя несложные математические выкладки, показал, насколько утопичен миф о «накоплении тяжёлой воды» в чайнике при длительном кипячении. Чтобы получить хотя бы литр воды с обогащением по дейтерию всего в 10 раз больше природного, пришлось бы испарить такое её количество, масса которого во много раз превышает массу всей Солнечной системы. Причина - близость физико-химических свойств обычной и дейтериевой воды, малая величина коэффициента разделения этих изотопов при дистилляции. Эффективность разделения может быть значительно повышена, если использовать многоступенчатые противоточные процессы. Наиболее освоены и промышленно реализованы такие методы получения дейтерия, как ректификация жидкого водорода, двухтемпературный сероводородный метод, и метод, основанный на химическом обмене в системе «вода-водород». При получении концентрированного трития приходится считаться с его радиоактивностью. В этом случае могут быть применены лишь те методы, в которых водород присутствует в молекулярном виде, так как и вода и сероводород, содержащие тритий, сильно разлагаются вследствие авторадиолиза. При получении дейтерия в качестве исходного сырья используют природную воду. Тритий может быть получен только в реакторах, при облучении нейтронами одного из изотопов лития.

Приятно отметить, что наше предприятие, АО «ВНИИНМ» им. академика А. А. Бочвара, которое ранее называлось НИИ-9, стоит у истоков создания всех отечественных тритиевых технологий. И реакторная наработка трития, и его очистка от сопутствующих примесей, и проблемы безопасности обращения с ним - все эти вопросы были в своё время успешно решены.

С самого начала Атомного проекта СССР проблема получения трития была по значимости на втором месте после изготовления ядерного заряда. Тритий предстояло нарабатывать реакторным путём из лёгкого изотопа лития - 6Li. Решение этой задачи было поручено коллективу НИИ-9, состоявшему из специалистов разных направлений. С их помощью в Советском Союзе создали тритиевое производство и ныне действующее на ФГУП «ПО «Маяк» (г. Озёрск).

Процессы разделения изотопов водорода в нашей стране большей частью разработаны в МХТИ (ныне - РХТУ им. Д. И. Менделеева). Там же в 1934 году А. И. Бродский получил первую советскую тяжёлую воду на специально разработанной лабораторной установке. Ежегодно кафедра технологии изотопов РХТУ даёт образование десяткам специалистов в этой области.

Наибольшее количество дейтерия в нашей стране, по-видимому, наработано методом низкотемпературной ректификации , хотя на первом этапе для этого активно использовали очень энергозатратный способ получения тяжёлой воды электролизом. Производства дейтерия были распределены по всей стране, при этом ориентировались на наличие свободной электроэнергии и на возможность использования отходящего водорода, в частности на азотно-туковых заводах . Одно из наиболее крупных производств дейтерия существовало в городе Чирчик; тяжёлую воду производили также в Днепродзержинске, Сталиногорске, Ленинграде, Норильске, Каменке, Березниках, Горловке и во многих других городах СССР. Меньшее распространение у нас получил двухтемпературный сероводородный метод производства тяжёлой воды, реализованный в городе Алексине, в то время как в мировом масштабе это один из основных методов её получения.

Исторически первой страной, производившей тяжёлую воду в крупнотоннажных масштабах, была Норвегия. Это связано с наличием в ней большого количества избыточной электроэнергии, необходимой для электролитического производства D2 O. Принято считать, что если бы гитлеровская Германия получила в своё распоряжение запасы норвежской тяжёлой воды, то вполне могла бы успеть создать до своего разгрома собственное ядерное оружие. К счастью, этого не произошло благодаря проведённой спецоперации: парóм с норвежской тяжёлой водой, предназначенной для переправки в Германию, был уничтожен. На сегодня крупнейшие производители тяжёлой воды в мире - это Индия, Китай и Иран, активно развивающие тяжеловодное направление своей атомной энергетики. Огромными запасами тяжёлой воды владеют Канада и США, которым пришлось даже остановить ряд своих предприятий из-за перепроизводства и экологических проблем. При эксплуатации тяжеловодных АЭС Канаде приходится периодически очищать теплоноситель как от протия (он мешает ядерной реакции), так и от нарабатываемого трития (повышает радиационную нагрузку на персонал). При этом Канада попутно получает до 2 кг трития в год как ценный побочный продукт эксплуатации своих тяжеловодных АЭС. Собственное тяжеловодное производство имеет Румыния.

В нашей стране тяжёлую воду и дейтерий в настоящее время производит единственное предприятие - ПИЯФ им. Б. П. Константинова в Гатчине. В качестве исходного сырья используют запасы, накопленные в СССР. Из природного сырья дейтерий у нас в стране сейчас не выделяют.

Говоря об отечественных тритиевых технологиях, нельзя не упомянуть РФЯЦ-ВНИИЭФ (г. Саров), специалисты которого многие годы занимаются этим вопросом как в рамках оборонных задач, так и для нужд фундаментальной науки. В частности, они разработали тритиевую криомишень для получения сверхтяжёлых изотопов лёгких элементов, используемую в ОИЯИ (г. Дубна) на установке АКУЛИНА , позволившую получить пятый изотоп водорода и до сих пор востребованную в фундаментальных исследованиях.

Где же применяют тритий и дейтерий? Так уж получилось, что открытые человеком колоссальные источники энергии деления и слияния ядер изначально предполагалось использовать для разрушения, и лишь потом было освоено их мирное использование. Кроме того, есть немало сфер применения этих изотопов, вообще не связанных с реакцией термоядерного синтеза.

Один из основных отечественных потребителей трития и производителей тритиевой продукции - ФГУП «ВНИИА им. Н. Л. Духова». На этом предприятии разрабатывают и производят нейтронные генераторы - ускорительные устройства, в которых ядра дейтерия, ударяясь в мишень, вступают в ядерную реакцию с содержащимся в ней тритием. При этом выделяющиеся нейтроны имеют постоянную энергию 14,1 МэВ, а само устройство очень удобно в эксплуатации. При отсутствии ускоряющего напряжения нейтроны не излучаются (в отличие от радиоизотопных нейтронных источников), а радиоактивный тритий находится внутри нейтронной трубки и в таком виде практически безопасен (его мягкое бета-излучение не способно пробить даже лист бумаги).

Нейтронные генераторы используются везде, где требуются компактные автономные источники нейтронов. Очень востребованы они у геологов, которые используют их при гео-физическом исследовании скважин методом нейтронного каротажа. (Слово «каротаж» происходит от французского слова «carotte» - морковь, что объясняется сходством формы керна, извлекаемого из земли, с морковью.) Метод нейтронной активации при этом позволяет оперативно получить полную информацию о химическом составе всех горных пород по глубине скважины, просто опустив в неё нейтронный зонд с детектором. Нейтронный генератор, изготовленный во ВНИИА, есть даже на марсоходе «Curiosity» («Кьюриосити»; в переводе с английского означает «любопытство»), в составе прибора ДАН (Детектора альбедных нейтронов), созданного в ИКИ РАН. Главная задача этого прибора - поиск воды на Марсе под толщей грунта, и уже имеются первые положительные результаты. ВНИИНМ внёс свой вклад в этот международный проект, поставив для ВНИИА мишени, насыщенные тритием.

То, что тритий является мягким бета-излучателем с высокой радиоактивностью, обусловливает его использование в радиоизотопных источниках света и электроэнергии. Во многих часах и приборах со светящимися стрелками применяют люминофоры, активированные тритием. Тритиевая подсветка на оружейных прицелах существенно повышает точность стрельбы в ночное время.

Сейчас АО «ВНИИНМ» по заказу Роскосмоса и под руководством ООО «Солар-Си» принимает участие в разработке отечественного бета-вольтаического источника питания на основе трития - «тритиевой батарейки». Этот источник питания нужен в тех ответственных узлах, где требуется стабильное бесперебойное электроснабжение в течение многих лет. Его создание решит актуальный вопрос импортозамещения, поскольку аналогичных источников электропитания Россия в настоящее время не производит.

Наибольшие количества дейтерия потребляются атомной энергетикой. Содержащая его тяжёлая вода - один из наилучших замедлителей нейтронов, настолько эффективный, что позволяет «зажечь» реакцию деления ядер даже в уране с природным обогащением по изотопу U-235, тогда как все остальные типы ядерных реакторов требуют обогащённого урана. Использование тяжёлой воды в качестве замедлителя позволяет повысить и степень выгорания ядерного топлива. По этому пути пошла атомная энергетика Канады, которая производит для себя и строит по всему миру на заказ тяжеловодные реакторы CANDU.

И дейтерий и тритий активно применяют при производстве меченых соединений. В этой продукции заинтересованы в первую очередь биологи и медики, которые с помощью изотопной метки определяют механизмы биохимических реакций. У нас меченные тритием соединения традиционно производят в Институте молекулярной генетики РАН.

Самая заманчивая перспектива использования дейтерия и трития - создание управляемой термоядерной реакции. Если это удастся, человечество будет иметь в своём распоряжении неисчерпаемый источник энергии. К сожалению, эта задача оказалась чрезвычайно сложной. Более полувека в мире ведутся разработки в этой области, но всё равно мы очень далеки от создания такого термоядерного реактора, который производил бы энергии больше, чем потреблял. В настоящее время весь мир с надеждой смотрит на международный термоядерный реактор ИТЭР, создаваемый в городе Кадараш на юге Франции. С его помощью физики надеются приблизиться к созданию энергетики, использующей энергию слияния ядер трития и дейтерия, а в перспективе перейти к использованию одного дейтерия, чьи ядра могут взаимодействовать между собой.

В своё время на нашем предприятии пересказывали забавную историю, как один из вновь назначенных чиновников, проходя по территории ВНИИНМ, потребовал, чтобы ему «показали тритий», и был очень возмущён тем, что этого не сделали. Ему объясняли, что тритий - это газ, который прозрачен и потому невидим, тем не менее новый босс сурово резюмировал: «Что-то у вас здесь нечисто!». Давайте попытаемся понять, можно ли изотопы водорода «увидеть»?

Что касается трития, то, несомненно, да - можно, и без всяких дополнительных устройств. В концентрированном виде этот изотоп водорода даёт голубое свечение вследствие самоионизации. Поток бета-излучения трития способен при длительном контакте изменить цвет стекла, он вызывает потемнение эмульсии фотопластинок, на чём основан классический метод авторадиографического анализа, в котором по интенсивности потемнения фотоэмульсии определяют концентрацию радиоактивного изотопа. В последнее время приобретает популярность новый метод анализа трития, позволяющий визуализировать его распределение по поверхности образцов, - радиолюминография. Метод основан на образовании скрытого изображения в некоторых люминофорах под воздействием радиации. Это изображение считывается специальным лазерным сканером, причём интенсивность люминесценции пропорциональна активности образца. Концентрация трития с помощью радиолюминографии может быть представлена довольно наглядно и красочно. Радиоактивность трития даёт возможность определять даже ничтожные его количества методом жидкостной сцинтилляции, в котором определяют интенсивность свечения некоторых жидкостей, пропорциональную содержанию в них радиоактивного изотопа, и газовыми ионизационными методами, использующими свойство газовых смесей менять свои вольт-амперные характеристики при воздействии на них ионизирующего излучения. Кроме того, и дейтерий и тритий, так же как самый лёгкий из изотопов водорода протий, можно без труда «увидеть», используя современные методы атомно-эмиссионной, ИК- и масс-спектрометрии.

Не стоит забывать и об опасности, которую несут тяжёлые изотопы водорода. Самая грозная и зловещая из них скрыта в термоядерном оружии, произведённом за десятилетия «холодной войны». В своё время в прессе звучали сообщения, что мощности накопленного вооружения достаточно, чтобы неоднократно уничтожить всё живое на нашей планете. Даже малая его часть в случае использования способна вызвать глобальную экологическую катастрофу, известную под названием «ядерная зима». Несомненно, важнейшая задача всего человечества - не допустить развития такого сценария в мировой истории.

Но даже тот тритий, который не используется в вооружении, представляет для человека существенную опасность, так как является высокотоксичным радиоактивным изотопом. Риск облучения персонала, контактирующего с тритием, очень высок в связи с тем, что этот изотоп не удерживается современными фильтрующими системами защиты органов дыхания и способен проникать через кожу. При этом в форме тритированной воды тритий в 10 000 раз токсичнее, чем в виде молекулярного водорода, так как пары тритированной воды уже при комнатной температуре практически мгновенно обменивают изотопы водорода, моментально попадая за счёт этого в организм человека. Значительная часть трития при переработке радиоактивных отходов сбрасывается в атмосферу или попадает в Мировой океан. И обращение с отходами, содержащими тритий (особенно с низкоактивными, которых очень много), до сих пор представляет собой серьёзную проблему, ожидающую своего решения.

Кто бы мог предугадать 100 лет назад, что самый первый и самый простой из химических элементов - водород преподнесёт нам столько сюрпризов, столько радости и страхов, надежд и разочарований? Сегодня хочется верить, что все знания, полученные человечеством, будут направлены только на созидание, а не на разрушение, а изотопы водорода со своими удивительными свой-ствами помогут нам ещё не раз заглянуть в сокровенные тайники Природы и сделать немало интересных и полезных открытий.

Автор выражает благодарность Г. М. Тер-Акопьяну (ОИЯИ), А. А. Юхимчуку (РФЯЦ-ВНИИЭФ), Л. А. Ривкису, М. И. Белякову, А. Н. Букину, А. С. Аникину, Н. Е. Забировой, А. В. Лизунову и всему тритиевому отделу АО «ВНИИНМ» им. академика А. А. Бочвара, а также специалистам кафедры технологии изотопов РХТУ им. Д. И. Менделеева, особенно М. Б. Розенкевичу и Ю. С. Паку, которые оказали помощь при подготовке материала.

Не только тяжёлые изотопы водорода имеют собственные красивые имена. Привычный нам самый лёгкий и распространённый изотоп водорода тоже имеет специальное обозначение - протий. Все три названия этих изотопов появились ещё до открытия трития, когда Г. Юри, Д. Мерфи и Ф. Брикведде 5 июня 1933 года предложили их в письме редактору научного журнала «The Journal of Chemical Physics». Названия изотопов водорода происходят от греческих слов «protos» (первый), «deuteros» (второй) и «tritos» (третий). Интересно отметить, что название «протий» менее известно широкой общественности, чем имена тяжёлых и намного более редких его «собратьев». В последнее время в интернете появились такие названия, как «квадий», «пентий», «гексий» и «септий», отнесённые к чрезвычайно короткоживущим изотопам водорода массой от 4 до 7 и с периодами полураспада 10 –22 - 10 –23 с. Однако, по-видимому, эти названия не имеют под собой основы и являются одним из «фейков» интернета. В частности, профессор Г. М. Тер-Акопьян, который с коллективом ОИЯИ (г. Дубна) впервые получил в 2001 году ядра пятого изотопа водорода, названия «пентий» ему не давал и никогда не слышал упоминания такого термина в научных публикациях и на конференциях.

Образует три изотопа с массовыми числами 1, 2, 3:

() - дейтерий;

() - тритий.

В природе водород находится в виде протия (99,98%). 0,0156% природного водорода приходится на долю «тяжелого» водорода - дейтерия, масса которого вдвое больше массы протия. Протий и дейтерий не являются радиоактивными.

Впервые дейтерий был получен в виде тяжелой воды D 2 O путем электролиза природной воды.

Тяжелая вода D 2 O - вода, образованная атомами дейтерия. По своим физико-химическим свойствам отличается от Н 2 О:

В настоящее время дейтерий получают из природной смеси путем изотопного обмена между водой и сероводородом : . Для получения 1 л тяжелой воды требуется 41 т воды и 135 т сероводорода.

Химические реакции в тяжелой воде протекают медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Тяжёлая вода токсична. Тяжелая вода оказывает губительное действие на животных и человека. Например, замена 1/3 Н 2 О на D 2 O приводит к бесплодию, нарушению углеводного баланса и анемии .

Однако некоторые микроорганизмы способны жить в 70%-ной тяжёлой воде (простейшие) и даже в чистой тяжёлой воде (бактерии). Человек может без видимого вреда для здоровья выпить стакан тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней. В этом отношении тяжёлая вода менее токсична, чем, например, поваренная соль.

Тяжелая вода является промышленным продуктом и доступна в больших количествах. Производство тяжёлой воды очень энергоёмко, поэтому её стоимость довольно высока (ориентировочно 200 - 250 долларов за кг).

Ядра дейтерия имеют спин ядра равный 1, с этим связано использование тяжелой воды и других дейтерированных растворителей (дейтерохлороформ CDCl 3) в спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Тяжелая вода находит применение в ядерной технике в качестве замедлителя быстрых нейтронов, поскольку она быстро понижет энергию нейтронов ядерного деления, а также вследствие того, что дейтерий имеет низкое сечение захвата нейтронов (не поглощает нейтроны), чем водород, и, следовательно, заметно уменьшает нейтронный поток.

Дейтерий широко применяют при изучении механизмов реакции и при кинетических исследованиях.

От других изотопов тритий отличается тем, что он радиоактивен. В природе тритий встречается в очень малых количествах. Естественное содержание трития - 1 атом на 10 18 атомов водорода, это результат ядерных реакций, протекающих вод действием космических лучей в верхних слоях атмосферы :

После испытаний термоядерного оружия (1954 г.) концентрация трития увеличилась в сотни раз, но в настоящее время она упала в результате запрета на испытания ядерного оружия в атмосфере. Низкое содержание трития в земной коре объясняется и его радиоактивностью с периодом полураспада 12,35 года . В последние годы основным источником техногенного трития в окружающей среде стали атомные электростанции, которые ежегодно выделяют несколько десятков килограммов трития.

В настоящее время тритий получают в ядерных реакторах при облучении лития нейтронами: .

Литий используют в виде сплава с магнием или алюминием, который удерживает в себе много трития, который освобождается при растворении облученного сплава в кислоте.

Прим. Наиболее удобный способ хранения трития состоит в превращении его в UT 3 по реакции с мелко раздробленным ураном. Из данного соединения тритий легко освобождается при нагревании выше 400 ºС.

Тяжелая вода на основе трития T 2 O обладает сильной радиоактивностью. Поэтому обычно используют разбавленные растворы, содержащие 1% тритиевой воды. Тритий является чистым β-излучателем без примеси γ-компоненты, поэтому он относительно безопасен, так как β-частицы обладают низкой проникающей способностью, поэтому задерживаются листом бумаги или слоем воздуха в 3 мм. Тритий - один из наименее токсичных радиоизотопов.

Тритий может служить радиоактивной меткой для изучения различных природных процессов. Анализ атмосферного трития дает ценную информацию о космических лучах. А тритий в осадочных породах может свидетельствовать о перемещениях воздуха и влаги на Земле.

Наиболее богатые природные источники трития - дождь и снег, поскольку почти весь тритий, образующийся под действием космических лучей в атмосфере, переходит в воду. Интенсивность космической радиации изменяется с широтой, поэтому осадки, например, в средней полосе России несут в несколько раз больше трития, чем тропические ливни. И совсем мало трития в дождях, которые идут над океаном, поскольку их источник - в основном та же океаническая вода, а ней трития немного.

Понятно, что глубинный лед Гренландии или Антарктиды совсем не содержит трития - он там давно успел полностью распасться. Зная скорость образования трития в атмосфере, можно рассчитать, как долго влага находится в воздухе - с момента ее испарения с поверхности до выпадения в виде дождя или снега. Оказалось, что, например, в воздухе над океаном этот срок составляет в среднем 9 дней.

Чаще всего тритий применяют как метку при изучении механизмов реакций и их кинетики .

Синтезированный тритий сравнительно дешев и находит применение в научных исследованиях и в промышленности. Широкое применение нашли тритиевые светящиеся краски, которые наносят на шкалы приборов. Эти светосоставы с точки зрения радиации менее опасны, чем традиционные радиевые. Такие светосоставы постоянного действия используют для изготовления указателей, шкал приборов и т.п. На их производство ежегодно расходуют сотни граммов трития.

Тритий присутствует и в человеческом организме. Он поступает в него с пищей, с вдыхаемым воздухом и через кожу. Интересно, что газообразный Т 2 в 500 раз менее токсичен, чем тритиевая вода Т 2 О. Это объясняется тем, что молекулярный тритий, попадая с воздухом в легкие, затем быстро (примерно за 3 мин) выделяется из организма, тогда как тритий в составе воды задерживается в нем на 10 суток и успевает за это время передать ему значительную дозу радиации.

Тритий имеет важное значение в реакциях термоядерного синтеза: , протекающих при взрыве водородной бомбы.

Введение

Управляемый термоядерный синтез (УТС) -- синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерном оружии), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(2 H) и тритий (3 H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3 He) и бор-11 (11 B). Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Лаврентьев О. А.

Типы реакций

Реакция синтеза заключается в следующем: берутся два или больше атомных ядра и с применением некоторой силы сближаются настолько, что силы, действующие на таких расстояниях, преобладают над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. Оно будет иметь несколько меньшую массу, чем сумма масс исходных ядер, а разница становится энергией которая и выделяется в процессе реакции. Количество выделяемой энергии описывает известная формула E=mcІ. Более легкие атомные ядра проще свести на нужное расстояние, поэтому водород -- самый распространенный элемент во Вселенной -- является наилучшим горючим для реакции синтеза.

Установлено, что смесь двух изотопов, дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надежнее контролироваться, или, что более важно, производить меньше нейтронов. Особенный интерес вызывают так называемые "безнейтронные" реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на его декомиссию. Проблемой остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D-T реакция считается только необходимым первым шагом.

Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива.

Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

Самая легко осуществимая реакция -- дейтерий + тритий:

2 H + 3 H = 4 He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток -- выход нежелательной нейтронной радиации.

Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.

Реакция дейтерий + гелий-3

Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3

2 H + 3 He = 4 He + p. при энергетическом выходе 18,4 МэВ

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях.

Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTt (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-3He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.

Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо)

Также возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакции с участием гелия-3:

В дополнение к основной реакции в ДД-плазме также происходят:

Эти реакции медленно протекают параллельно с реакцией дейтерий + гелий-3, а образовавшиеся в ходе них тритий и гелий-3 с большой вероятностью немедленно реагируют с дейтерием

"Безнейтронные" реакции

Наиболее перспективны так называемые "безнейтронные" реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Реакция дейтерий + гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.