Около 27 млн долларов за грамм: как получают калифорний-252 и где его используют

Когда калифорний-252 называют одним из самых дорогих материалов на Земле, обычно приводят цену около 27 миллионов долларов за грамм. Иногда встречается и другая цифра — 60 миллионов. Обе возникли не из реальных сделок с целым граммом, а из исторических расценок американской изотопной программы.

В 1987 году один микрограмм калифорния-252 стоил 27 долларов, а в 1999 году — уже 60 долларов. Если просто умножить эти суммы на миллион, получатся те самые 27 и 60 миллионов долларов за грамм. Однако это лишь условный пересчёт, удобный для сравнения. Заказать целый грамм такого вещества практически нереально, да и смысла в этом обычно нет.

Элемент, которого нет в шахтах

Калифорний занимает 98-е место в периодической таблице и относится к актиноидам. У него нет стабильных изотопов. В заметных количествах в природе он не встречается, поэтому добывать его из руды нельзя.

Первый калифорний получили в 1950 году в Калифорнийском университете в Беркли. Мишень из кюрия облучали альфа-частицами на циклотроне. Появилось всего несколько тысяч атомов нового элемента, и жили они недолго. Этого всё же хватило, чтобы подтвердить элемент с атомным номером 98. Название выбрали без сложной истории: в честь штата и университета, где прошёл опыт. До получения количества, которое можно было бы увидеть или хотя бы уверенно взвесить, оставались годы.

Как получают калифорний-252

Для практических задач чаще нужен именно калифорний-252. Его получают не на ускорителе, как первые атомы, а в реакторе с очень плотным потоком нейтронов. Исходным материалом служат изотопы кюрия. Мишени помещают в активную зону реактора и облучают несколько циклов. Ядра постепенно захватывают нейтроны, часть промежуточных изотопов распадается. В смеси появляются берклий, эйнштейний и калифорний.

После реактора работа только начинается. Облучённый материал переносят в защищённые камеры, растворяют и разделяют химическими методами. Все операции проводят дистанционно, через манипуляторы. Нужного изотопа в смеси мало, а уровень излучения высокий.

В Ок-Риджской национальной лаборатории с 1966 по 2019 год провели 78 производственных кампаний и получили около 10,2 грамма калифорния-252. Не за один год, а больше чем за полвека. Поэтому сведения о «десятках миллиграммов ежегодно» лучше воспринимать осторожно: производство идёт отдельными партиями и зависит от графика реактора.

Почему хватает микрограмма

Период полураспада калифорния-252 составляет около 2,645 года. Большая часть ядер испускает альфа-частицы, но часть распадается с самопроизвольным делением. При этом появляются нейтроны. Один микрограмм изотопа испускает примерно 2,3 миллиона нейтронов в секунду. Масса почти незаметная, а для измерительного прибора это уже полноценный источник. Ему не требуется внешнее питание. Достаточно поместить вещество в герметичную капсулу и рассчитать защиту.

Есть и обратная сторона. Через 2,645 года активность источника уменьшается вдвое. Ещё через такой же срок остаётся четверть первоначального потока. Капсула может быть целой, но её рабочие параметры уже меняются.

Что с его помощью измеряют

Одна из областей применения — исследование нефтяных и газовых скважин. Источник опускают под землю вместе с детекторами. Нейтроны взаимодействуют с породой, водой и углеводородами. По изменению их энергии и вторичному излучению определяют состав пласта и содержание водорода. Похожим способом анализируют уголь, руду и цементное сырьё. Разные элементы после облучения дают свой набор гамма-линий. Это позволяет оценивать состав материала без отбора большого количества проб.

Калифорний-252 используют и как пусковой источник в ядерных реакторах. В начале работы собственный нейтронный фон ещё слаб, а приборам нужен устойчивый сигнал. Небольшая капсула создаёт известный поток, по которому можно следить за развитием цепной реакции на малой мощности. В неразрушающем контроле нейтроны иногда обнаруживают то, что плохо видно на рентгеновском снимке. Например, лёгкие элементы внутри металлической детали. Метод требует сложной защиты, поэтому речь не идёт о массовом просвечивании любых изделий.

Использование в медицине

Калифорний-252 применяли в нейтронной брахитерапии. Герметичный источник размещали внутри опухоли или рядом с ней. Нейтроны действуют на ткани иначе, чем рентгеновское и гамма-излучение, поэтому метод изучали для опухолей, которые слабо отвечали на обычную лучевую терапию. Широкой больничной практикой он не стал. Источник трудно хранить, персоналу нужна защита, а дозу приходится рассчитывать особенно точно. Такие процедуры проводили в отдельных центрах и для ограниченного числа диагнозов.

Калифорний используют и в ядерной физике. Из его изотопов делают мишени для получения более тяжёлых элементов. На тонкий слой вещества месяцами направляют ускоренные ядра, а результат иногда сводится к нескольким зарегистрированным атомам.

Итого

Калифорний-252 ценят не как металл, а как компактный источник нейтронов. Его получают сложным и долгим способом, используют микрограммами, а цена зависит не только от количества вещества, но и от формы источника, его подготовки и доставки. Поэтому стоимость в десятки миллионов долларов за грамм остаётся условным пересчётом: на практике такие объёмы почти никому не требуются.