Как получают дейтерий и тритий. Будущее России: термоядерные реакторы и лунные базы. Роль дейтерия в природе

Известны ли вам установки для приготовления талой воды, которые на 100 проц. нейтрализуют (или ближе к этому) содержания дейтерии и тритий? Еще меня заинтересовал установка Муратова, к сожалению его координаты на сайте у вас не указаны.

С ув.Сергей

Здравствуйте, Сергей!

Таких технологий глубокой 100%-ной очистки воды от дейтерия и трития пока не существуют. Существующие технологии очистки воды от тяжёлых изотопов позволяют очистить её на 70-90% от дейтерия и трития. Сама обычная питьевая вода только на 99,7% состоит из легкой воды, молекулы которой образованы легкими атомами водорода и кислорода. В виде примеси в любой природной воде присутствует и тяжёлая вода, которая в чистом виде является ядом для всего живого.

Тяжёлая вода (оксид дейтерия) - имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов водорода содержит два тяжёлых изотопа водорода - атомы дейтерия. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как: D 2 O или 2 H 2 O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная - бесцветная жидкость без вкуса и запаха, а вот по своим физико-химическим свойствам и негативному воздействию на организм тяжёлая вода сильно отличается от лёгкой воды.

Лёгкая вода – это вода, очищенная от тяжёлой воды. Изотоп водорода, дейтерий, отличающийся наличием в ядре «лишнего» нейтрона, может образовывать с кислородом молекулу воды. Такая вода, в молекуле которой атом водорода замещён атомом дейтерия, называется тяжёлой. Содержание дейтерия в различных природных водах очень неравномерно. Оно может меняться от 0,03 % (относительно общего количества атомов водорода) – это вода из Антарктического льда, - самая лёгкая природная вода – в ней дейтерия в 1,5 раза меньше, чем в морской воде. Талая снеговая и ледниковая воды в горах и некоторых других регионах Земли также содержат меньше тяжелой воды, чем та, которую мы обычно пьем.

В тонне речной воды содержится 15 г тяжелой воды из расчёта 0,015%. За 70 лет потребления 3 л питьевой воды в день через организм человека пройдет около 80 тонн воды, содержащей 10-12 кг дейтерия и значительное количество коррелирующих с ним изотопов водорода – трития 3 Н и кислорода 18 О.

Тритий – бета-радиоактивный элемент с периодом полураспада 12,26 лет. Он образуется под действием жёсткого радиои нейтронного излучения в реакторах. В земных условиях тритий зарождается в высоких слоях атмосферы, где идут природные ядерные реакции. Он является одним из продуктов бомбардировки атомов азота нейтронами космического излучения. Ежеминутно на каждый квадратный сантиметр земной поверхности падают 8-9 атомов трития.

В небольших количествах сверхтяжелая (тритиевая) вода попадает на Землю в составе осадков. Во всей гидросфере одновременно насчитывается лишь около 20 кг Т 2 0.

Тритиевая вода распределена неравномерно: в материковых водоемах ее больше, чем в океанах; в полярных океанских водах ее больше, чем в экваториальных. По своим свойствам сверхтяжелая вода еще заметнее отличается от обычной: кипит при 104°С, замерзает при 4...9°С, имеет плотность 1,33 г/см 3 .

Перечень изотопов водорода не кончается тритием. Искусственно получены и более тяжелые изотопы 4 H и 5 H,тоже радиоактивные.

Н 2 6 O, Н 2 17 O, Н 2 18 O, HD 16 O, HD 17 O, HD 18 O, D 2 16 O, D 2 17 O, D 2 18 O.

Таким образом, возможно существование молекул воды, в которых содержатся любые из пяти водородных изотопов в любом сочетании.

Этим не исчерпывается сложность изотопного состава воды. Существуют также изотопы кислорода. В периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева значится всем известный кислород 16 O. Существуют еще два природных изотопа кислорода – 17 O и 18 O. В природных водах в среднем на каждые 10 тысяч атомов изотопа 16 O приходится 4 атома изотопа 17 O и 20 атомов изотопа 18 O.

По физическим свойствам тяжелокислородная вода 1 Н 2 18 О меньше отличается от обычной, чем тяжеловодородная. Она содержится в обычной питьевой воде в гораздо большей концентрации, чем тяжёлая вода - примерно 0,1%. Получают ее в основном перегонкой природной воды и используют используют для изотопных исследований обмена веществ.

Помимо природных, существуют и шесть искусственно созданных изотопов кислорода. Как и искусственные изотопы водорода, они недолговечны и радиоактивны. Из них: 13 O, 14 O и 15 O – легкие, 19 O и 20 O – тяжелые, а сверхтяжелый изотоп – 24 O получен в 1970 году.

Существование пяти водородных и девяти кислородных изотопов говорит о том, что изотопных разновидностей воды может быть 135. Наиболее распространены в природе 9 устойчивых разновидностей воды. Основную массу природной воды – свыше 99% – составляет протиевая вода – 1 H 2 16 O. Тяжелокислородных вод намного меньше: 1 H 2 18 O – десятые доли процента. 1 H 2 17 O – сотые доли от общего количества природных вод. Только миллионные доли процента составляет тяжелая вода D 2 O, зато в форме 1 HDO тяжелой воды в природных водах содержится уже заметное количество.

Еще реже, чем D 2 O, встречаются и девять радиоактивных естественных видов воды, содержащих тритий.

Классической водой следует считать протиевую воду 1 H 2 16 O в чистом виде, то есть без малейших примесей остальных 134 изотопных разновидностей. И хотя содержание протиевой воды в природе значительно превосходит содержание всех остальных вместе взятых видов, чистой 1 H 2 16 O в естественных условиях не существует. Во всем мире такую воду можно отыскать лишь в немногих специальных лабораториях. Ее получают очень сложным путем и хранят с величайшими предосторожностями. Для получения чистой 1 H 2 16 O ведут очень тонкую, многостадийную очистку природных вод или синтезируют воду из исходных элементов 1 H 2 и 16 O, которые предварительно тщательно очищают от изотопных примесей. Такую воду применяют в экспериментах и процессах, требующих исключительной чистоты химических реактивов.

Учёные считают, что гравитационное поле Земли – недостаточно сильно для удержания 1 Н, и наша планета постепенно теряет протий в результате его диссоциации в межпланетное пространство. Протий улетучивается быстрее тяжелого дейтерия. По мнению некоторых исследований, в течение геологического времени должно происходить накопление дейтерия в атмосфере и в поверхностных водах.

На нашей планете осуществляется гигантский испарительно-конденсационный процесс получения протиевой воды и обогащения его туч и облаков. В горах из них на одних склонах проливается преимущественно дейтерированая вода, на других – вода, обогащенная протием. В организме животных изотопный состав воды близок к составу дождевых вод в местах обитания. Для человека существенные коррективы в эту зависимость вносят овощи и фрукты, выращенные в других климато-географических условиях. Так, тропические фрукты, выращенные близко к экватору, имеют более низкие величины 2 Н и 18 О. Весь дейтерий в обычной воде находится в форме НDО, а не D 2 О. Этиловый спирт также хороший накопитель дейтерия.

Теперь понятно, почему так важно очищать воду от тяжёлых изотопов и, в первую очередь от дейтерия, трития и 18 О. Однако, эффективной очистки отработанной тяжёлой воды, загрязнённой тритием и другими тяжёлыми изотопами до последнего времени не существовало. Поэтому утилизация отработанной тяжёлой воды в атомной промышленности представляла серьёзную экологическую проблему, сдерживающую внедрение новых более эффективных типов ядерных реакторов.

Раннее на нашем сайте уже сообщалось о методах промышленного получения воды со сниженным содержанием дейтерия методам вакуумного замораживания-испарения и электролиза…..

Такое значительное количество тяжелых и радиоактивных изотопов водорода и кислорода в составе воды, являющейся матрицей жизни, уже к наступлению половой зрелости человека повреждает его гены, вызывает различные болезни, рак, инициирует старение организма.

Массивное повреждение генофонда радиоактивными и тяжелыми изотопами водорода и кислорода воды может вызвать вымирание видов растений, животных и человека. По мнению многих учёных, человеку даже грозит вымирание, если он не перейдет на употребление лёгкой воды, обедненной радиоактивными и тяжелыми изотопами 18 О и 2 Н. Именно поэтому в начале XXI-го века среди учёных раздались голоса о полном исключении тяжёлых изотопов дейтерия 2 Н и кислорода 18 О из потребляемой питьевой воды.

Удаление тяжёлых изотопов дейтерия и кислорода из обычной питьевой воды – задача непростая. Она достигается различными физико-химическими методами – изотопным обменом, электролизом, вакуумной заморозкой с последующим оттаиванием, ректификацией, центрифугированием. Об этих методах неоднократно говорилось на нашем сайте.

Первая промышленная установка для производства легкой воды с пониженным на 30-35% содержанием дейтерия и трития была создана украинскими учёными Г. Д. Бердышевым и И.Н. Варнавским совместно с институтом экспериментальной патологии, онкологии и радиобиологии им. Р. Кавецкого РАН Украины. В этой уникальной установке предусмотрено получение из исходной воды льда путем замораживания холодного пара, извлеченного из исходной воды, с последующим плавлением этого льда в среде инфракрасного и ультрафиолетового излучения, микронасыщения талой воды специальными газами и минералами.

Исследователи установили, что при температуре в пределах 0-1,8°С молекулы воды с дейтерием и тритием в отличие от протиевой воды находятся в метастабильно-твердом неактивном состоянии. Это свойство лежит в основе фракционного разделения легкой и тяжелой воды путем создания разряжения воздуха над поверхностью воды при этой температуре. Протиевая вода интенсивно испаряется, а затем улавливается при помощи морозильного устройства, превращаясь в снег и лед. Тяжелая же вода, находясь в неактивном твердом состоянии и имея значительно меньшее парциальное давление, остаётся в испарительной емкости исходной воды вместе с растворенными в воде солями тяжелых металлов, нефтепродуктами, моющими средствами и другими вредными и ядовитыми веществами.

Известна зависимость давления пара над открытой поверхностью (зеркалом) воды от температуры при нормальном давлении. Так, при 0°С давление пара составляет 4,6 мм рт.ст. С повышением температуры воды до +10 °С давление пара возрастает до 9,2 мм рт.ст., то есть в два раза, а при 100°С оно соответствует 760 мм.рт.ст. Подсчет показывает, что с увеличением температуры от 0°С до 40°С давление пара над зеркалом воды возрастает в 10 раз, а при 100°С - в 160 раз. Интенсивность испарения легкой и тяжелой воды коррелируется в зависимости от температуры и разряжения над поверхностью воды. Данные, полученные в лабораторных условиях, свидетельствуют о существенном влиянии температуры воды перед ее испарением на содержание дейтерия в талой воде, полученной из замороженного холодного пара.

Известно, что вода из снега или льда с пониженным содержанием дейтерия обладает биологически активными свойствами, благотворно влияющими на все живое - на растения, животных и человека. Биологическую активность талой воды можно еще заметно повысить при сочетании определенных воздействий на нее, например, потоком ультрафиолетовых лучей. В предлагаемом решении осуществляется ультрафиолетовое и инфракрасное облучение льда в процессе его таяния. Это позволяет получить талую воду по свойствам аналогичным талой воде, например, при солнечном облучении льда на вершинах гор.

На рисунке ниже показано изображение установки ВИН-4 "Надія" для получения целебной талой питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия и трития. В корпусе 1 установлена испарительная емкость 2 для исходной воды с закрепленными на ней устройством для нагрева 3 и устройством для охлаждения воды 4. Здесь же имеется вентиль 5 для подачи воды в испаритель и вентиль б для слива отработанного остатка, обогащенного тяжелыми изотопами водорода.

Схематическое изображение установки ВИН-4 “Надія” в двух проекции: вдоль - фиг.1 и поперек - фиг.2.

В корпусе 1 имеется устройство 7 для конденсации и замораживания холодного пара в виде набора тонкостенных трубчатых элементов, которые соединены с насосом для прокачивания через них хладагента. Устройство 7 совместно с источниками ультрафиолетового 8 и инфракрасного 9 излучений размещены над емкостью 10 для сбора талой воды. Внутренняя полость корпуса 1 патрубком 11 соединена с источником разряжения воздуха, например, с форвакуумным насосом типа ВН-1МГ. Кроме того, корпус 1 снабжен устройством 12 для подачи в его внутреннюю полость очищенного воздуха или смеси специальных газов.

Установка ВИН-4 оборудована системой терморегулирования в полости испарительной емкости 2 для контроля заданной температуры процесса испарения исходной обрабатываемой воды. В корпусе 1 имеются иллюминаторы для наблюдения за процессами испарения, замораживания холодного пара и таяния льда -13 и 14. Емкость 10 снабжена вентилями 15 для слива талой воды и патрубком 16 для соединения с блоком формирования структуры и свойств талой воды 17. Блок 17 включает внутреннюю коническую емкость 18 с минералами. На выходе емкости 19 установлен фильтр 20 и сливной вентиль 21.

Принцип работы установки таков. Из водопровода испарительную емкость 2 наполняют водой и через устройство 4 прокачивают хладагент. При достижении заданной температуры, не превышающей +10°С, процесс охлаждения воды прекращают. Герметизируют корпус 1 и через патрубок П начинают откачивать воздух -создавать разряжение во внутреннем объеме корпуса установки. Создание разряжения сопровождается сначала интенсивным выделением из всего объема исходной воды растворенных в ней газов и их удаление, а затем интенсивным парообразованием вплоть до кипения воды, за которым наблюдают через иллюминаторы 13 и 14. Образующийся холодный пар конденсируется и намерзает на поверхности фигурных элементов морозильника 7. Когда толщина льда достигает заранее заданной величины, процесс испарения прекращают. Выключают форвакуумный насос, включают источники ультрафиолетового 8 и инфракрасного 9 излучений, а через устройство 12 вводят в полость корпуса 1 очищенный воздух или специально подготовленный состав активированных газов; доводят давление в корпусе 1 до уровня или выше атмосферного. Остаток воды емкости 2, обогащенный тяжелыми изотопами, через вентиль 6 сливают в отдельные емкости или выливают вон. По мере облучения и таяния льда талая вода поступает в емкость 10, затем в блок 17 формирования структуры и свойств талой воды. Проходя через минералы внутренней 18 и наружной 19 конических емкостей и далее через фильтр 20, талая вода завершает свой путь, приобретая особые живительные и целебные свойства.

Аналогичное устройство по получению биологически питьевой активной воды с пониженным содержанием дейтерия сконструировали в 2000 году российские учёные Синяк Ю.Е.; Гайдадымов В.Б. и Григорьев А.И. из Института медико-биологических проблем. Конденсат атмосферной влаги или дистиллят разлагают в электролизере с твердым ионообменным электролитом. Полученные электролизные газы преобразуют воду и конденсируют. Электролиз осуществляют при температуре 60-80 o С. Электролизный водород подвергают изотопному обмену с парами воды в водороде на катализаторе на носителе из активного угля, содержащем 4-10% фторопласта и 2-4% палладия или платины. Из полученных электролизных водорода и кислорода удаляют пары воды пропусканием их через ионообменные мембраны, преобразуют очищенные от дейтерия электролизные газы в воду, проводят доочистку последней и последующую ее минерализацию контактом с кальций-магнийсодержащими карбонатными материалами, преимущественно доломитом.

В реакторе изотопного обмена D 2 /H 2 O используют активный уголь ПАУ-СВ, промотированный 2-4% палладия и 4-10% фторопласта при температуре электролиза. Через катализатор пропускают электролизный водород, изотопный обмен D 2 /H 2 O происходит с парами воды, находящимися в водороде, образующимися при температуре проведения электролиза (60-80 o С). Это позволяет повысить степень изотопного обмена D 2 /H 2 O, который повышается при снижении температуры изотопного обмена и исключить дополнительные затраты энергии на парообразование воды.

Устройство содержит электролизер с твердым ионообменным электролитом, зажатым между пористым анодом и катодом, преобразователь электролизных газов в воду, конденсатор последних и сборник бездейтериевой воды. Кроме того, устройство дополнительно снабжено осушителем кислорода, реактором изотопного обмена D 2 /H 2 O и кондиционером для воды. Внешние стенки реактора и осушителя образованы из ионообменных мембран, кроме того, осушитель кислорода содержит ионообменный катионит, а кондиционер для воды образован из фильтра с зажатыми смешанными слоями ионообменных материалов, адсорбента и минерализатора, содержащего гранулированные кальций-магний карбонатные материалы. При этом получается питьевая вода, глубоко обеднённая дейтерием, обладающая большой биологической активностью.

Работает эта сконструированная российскими учёными установка так. Очищенный конденсат атмосферной влаги или дистиллят поступает в анодную камеру электролизера с твердым ионообменным электролитом, где осуществляют процесс электролиза при температуре 60-80 o С. Образующиеся в результате электролиза обедненные дейтерием кислород и водород с парами воды подают в осушитель кислорода и в реактор изотопного обмена, внешние боковые стенки которых образованы из ионообменных мембран. Гидратная вода ионов водорода переносилась через твердый катионообменный электролит и под давлением она поступает в сборник католита. В каталитическом реакторе изотопного обмена, заполненным активным углем, содержащим 4-10% фторопласта и 2-4% палладия или платины по массе, проходит реакция изотопного обмена D 2 /H 2 O.

После изотопного обмена водород осушают от паров воды, которые сорбируются и удаляются через ионообменники реактора, размещенные на его внешних боковых стенках. Осушенные газы поступают в преобразователь электролизных газов, в каталитическую горелку. Пламя факела направляют в конденсатор, охлаждаемый в протоке водопроводной водой, где пары воды конденсируются и поступают в кондиционер для доочистки на сорбционном фильтре. Затем вода поступает в сборник воды, обедненной дейтерием. Охлаждение устройства и работа ионообменных мембран по осушке электролизных газов от паров воды осуществляют вентилятором.

Конденсированная биологически активная вода с пониженным содержанием дейтерия подвергалась сорбционной доочистке на фильтре со смешанным слоем ионообменных материалов (ионитов) и адсорбентом - активным углем. В качестве ионитов использовали катионит КУ-13 Пч и анионит АВ-17-1. При сорбционной доочистке воды поддерживали постоянной объемную скорость фильтрования, равной 1 объему сорбционного фильтра в час. После сорбционной доочистки вода минерализовалась на доломите. Результат очистки в табл.1 и 2.

Производительность установки по воде со сниженными концентрациями дейтерия составляет 50 мл в час. В условиях невесомости на космическом корабле целесообразно преобразование электролизных газов в воду проводить в топливном элементе, что исключает процессы газожидкостной сепарации и позволяет возвращать энергию, образующуюся в топливном элементе, в систему энергоснабжения корабля.

продолжение - на следующей странице

На рисунке ниже схематически показано устройство для получения биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия из конденсата атмосферной влаги или дистиллята. Устройство содержит емкость 1 с конденсатом атмосферной влаги или дистиллятом, которая соединена с анодной камерой 2 электролизера с ионообменным электролитом. Электролизер содержит пористые электроды (анод 2 и катод 3) из титана, покрытые платиной. Образующиеся в результате электролиза кислород и водород с парами воды через пористые электроды поступают в осушитель кислорода 4 и реактор изотопного обмена 5. Осушитель кислорода 4 заполнен ионообменным катионитом. Внешние стенки осушителя 4 образованы из ионообменных мембран 6. Поступающий кислород подвергается осушке за счет сорбции ионообменным наполнителем (катионитом) и испарения паров воды через ионообменные мембраны 6. Осушенные газы поступают в газовую горелку 9. Далее пары воды поступают в конденсатор 10, а затем в кондиционер 11 для доочистки и минерализации, после чего вода поступает в сборник воды, обеднённой дейтерием 12. Охлаждение аппарата и работа осушителей электролизных газов от воды осуществлялось вентилятором 7.

Проведенные исследования биологической активности бездейтериевой воды на высших растениях и животных показали, что бездейтериевая вода по одноступенчатой схеме переработки обладает положительно биологической активностью:

Отмечено возрастание количества биомассы и семян при культивировании арабидопсиса и брассики в течение полного цикла онтогенеза с использованием исследуемых образцов воды с измененным изотопным составом. Семенная продукция возрастала при этом в 2-6 раз;

Найдено, что содержание перепелов с 6-суточного возраста и до половозрелости на бездейтериевой воде приводит к ускоренному развитию половых органов (по размерам и весу) и опережению процесса сперматогенеза.

Три года учёные исследовали эту воду. Первые опыты проводили на линейных мышах с привитой карциномой легких Льюиса. Реликтовая вода задерживала развитие ракового процесса и повышает резистентность животных. Опыты проводили на 75 мышах в возрасте 3-3,5 месяца, которые были разбиты на пять групп по 15 особей в каждой, соответственно виду исследуемой воды.

Особого внимания заслуживают два показателя: задержка метастазирования и потеря веса животных за время эксперимента. Мощное стимулирующее действие реликтовой воды на иммунную систему животных привело к задержке развития метастазов на 40% (!) по сравнению с контрольной группой, а потеря массы у животных, которые пили реликтовую воду, к концу опыта была в два раза меньше.

Затем исследователи выясняли механизмы действия реликтовой воды на организм животных - на дыхание и окислительное фосфорилирование митохондрий печени мышей, а также на изменение состава периферической крови. Через четыре недели после начала эксперимента прирост числа эритроцитов в одном миллилитре крови у мышей, пивших реликтовую воду, составил 657000 клеток, показатель содержания гемоглобина возрос на 1,54 г%. Было отмечено также четкое положительное влияние воды на показатели кислородного насыщения тканей печени: увеличение рО2 составило 15%, в 1,3 раза увеличился ее дыхательный потенциал. О полезном действии реликтовой воды на здоровье мышей свидетельствовала их повышенная резистентность и увеличение веса по сравнению с контролем. Чтобы убедиться в благотворном действии реликтовой воды на все живое, требовалось еще испытать ее влияние на рост и развитие растений. В результате исследований, проведенных в Институте кукурузы УААЕ, установлено: стимулирующее действие реликтовой воды на проростки пшеницы, льна, кукурузы сравнимо с действием таких стимуляторов роста растений, как фумар и фумаран, на проростки же подсолнечника реликтовая вода оказывает более выраженное стимулирующее действие.

Исследования биологической активности реликтовой воды с различным содержанием дейтерия, полученной на установке ВИН-7 «Надія», на активность сперматозоидов, были проведены в 1998 году в Институте экогигиены и токсикологии им. Л.Медведя Минздрава Украины. В пробах реликтовой воды из установки ВНН-7 «Надія» сперматозоиды дольше сохраняют свою функциональную активность, и она повышается по мере снижения содержания дейтерия в воде. Если принять во внимание общеизвестный факт о том, что воспроизводство жизни связано с потенциалом жизнедеятельности половых клеток, то станет ясно значение реликтовой воды для будущих поколений.

Медико-биологические свойства реликтовой воды в 1995 г. исследовались на кафедре общей и молекулярной генетики Киевского национального университета им. Т. Шевченко. Дрозофила является общепризнанным в мировой науке живым модельным объектом для различных биологических и медицинских экспериментов. Предполагалось исследовать действие трех видов воды на весь цикл зарождения и развития Drosophila melanogaster линии Oregon - на яйцекладку, выход личинок из яйца, куколок из личинки и взрослых особей (имаго) из куколок.

Впервые были обнаружены геропротекторные (омолаживающие), радиозащитные и антимутагенные эффекты воздействия реликтовой воды с пониженным содержанием дейтерия на 5 % на дрозофилу в процессе ее развития.

Получив положительные результаты опытов на дрозофиле, ученые продолжили исследования на теплокровных животных. Этому также способствовала заинтересованность специалистов по жизнеобеспечению космонавтов (Институт медико-биологических проблем, г. Москва), которые передали для сравнительного исследования образцы воды с пониженным (на 60%) содержанием дейтерия.

В 1998 году было проведено исследование действия воды с пониженным содержанием дейтерия, полученной по электролизной технологии в Институте медико-биологических проблем, и воды, полученной по вакуумной технологии на установке ВИН-7 «Надія», на иммунную систему морских свинок.

Предполагалось определить, какая вода обладает более высокой биологической активностью, благотворно влияющей на иммунную систему - электролизная, очищенная от дейтерия на 60%, или реликтовая вода из «Надії» со сниженной концентрацией дейтерия всего на 9%?

При электролизном процессе у воды с пониженным на 60% содержанием дейтерия сохраняются негативные свойства дистиллированной воды (отсутствие минерализации, повышенное содержание растворенных газов, неупорядоченная молекулярная структура воды). Она является лишь исходным материалом для получения питьевой воды космонавтов.

Преимуществом электролизного процесса является потенциально возможное удаление дейтерия (до 90%), поэтому она используется для экспериментов на животных и растениях.

При вакуумной технологии производства воды с пониженным содержанием дейтерия получают микроминерализованную питьевую воду со сниженным содержанием растворенных в ней газов и с упорядоченной льдоподобной структурой.

Для опыта учёные взяли 12 половозрелых морских свинок. К культуре лимфоцитов контрольной 1-й группы добавляли воду, близкую по своим свойствам к физиологическому раствору. К лимфоцитам 2-й группы добавляли электролизную воду. В третьей группе использовали реликтовую воду из установки ВИН-7 «Надія». Четвертую группу составляла тяжелая вода с повышенным содержанием дейтерия на 40%.

Оценку иммунного состояния животных производили по четырем тестам, принятым в мировой иммунологии: Е-РОК - выявляет способность связывать чужеродные клетки; ФГ-НГ - характеризует способность нейтрофильных гранулоцитов (НГ) к фагоцитозу (ФГ); ФГ - МФ - определяет способность макрофагов (МФ) к фагоцитозу; четвертый тест представляет киллерную активность Т-лимфоцитов, их способность убивать все измененные в результате мутации клетки организма.

Был отмечен значительный иммуностимулирующий эффект, который оказала реликтовая вода из установки ВИН-7 «Надія» (№ 3). Несмотря на 9-процентный уровень снижения дейтерия, она показала наибольшее стимулирующее действие на иммунную систему морских свинок, превзойдя по всем показателям электролизную воду (№2) с пониженным содержанием дейтерия на 60%. Тяжелая вода оказала сильнейшее угнетающее влияние на иммунитет животных.

Как влияет вода с пониженным содержанием дейтерия на животных? Ответ на этот вопрос дал академик Украины В.И. Бадьин. Он провел измерения динамики снижения содержания дейтерия в организме 4-х месячных телят, которых поили водой с пониженным содержанием дейтерия.

Для эксперимента были отобраны три здоровых теленка 4-х месячного возраста. Каждый из них помещался в отдельное стойло. Перед началом эксперимента у животных были взяты пробы мочи, крови и волосяные покровы. Животных измеряли для определения веса. В течение эксперимента телят кормили сеном (1,5–2 кг/сут.) и комбикормом (2 кг/сут.). А поили их очищенной водой с добавкой тяжёлой воды с известным изотопным сдвигом протий/дейтерий.

Затем на второй, пятый и седьмой день эксперимента у животных отбирали мочу и кровь, в которых определяли содержание дейтерия, а также макрои микроэлементов. Каждый день у телят измеряли пульс, частоту дыхания и температуру тела. В течение всего эксперимента за телятами вели наблюдение ветеринарный врач и зоотехник.

Было установлено, что концентрация дейтерия в моче животных до начала эксперимента оказалась примерно равной концентрации дейтерия в воде Московского региона.

Учёные пришли к следующим выводам:

Потребление животными воды, обедненной дейтерием, приводит к изменению изотопного состава воды мочи.

Потребление животными очищенной воды, приводило к снижению концентрации кальция в моче.

Зарегистрировано уменьшение содержания кальция, магния и кадмия в волосяном покрове.

Произошло увеличение концентрации креатенина в моче и сыворотке крови при сохранении соотношения концентраций кровь/моча.

Телята, пившие воду, обедненную дейтерием, отличались от обычных телят резвостью и высокой подвижностью.

Изотопный эффект дейтерия может активизировать или угнетать биохимические процессы в организме. Однако, до тех пор, пока не накоплены первичные сведения в области токсикологии дейтерия, исследовать его действие на человеке очень опасно. Первым шагом в практическом использовании обедненной дейтерием воды может быть применение облегчённой воды в рационе персонала на производстве тяжелой воды в качестве профилактического средства.

В России тоже выпускаются аналоги реликтовой воды – вода с низким содержанием дейтерия лёгкая вода “Лангвэй” и лёгкая вода «Протиус», где собрались ученые, работавшие в свое время в академических институтах, и энтузиасты, решившие вложить средства и силы в воду будущего. Они поставили перед собой цель - создать производство легкой воды, более эффективное, чем существующие западные аналоги.

Лёгкая вода является побочным продуктом производства тяжёлой воды, используемой в атомной промышленности в качестве замедлителя нейтронов. В последние годы в связи с исследованиями, доказывающими чрезвычайную полезность лёгкой воды (см., например, www.langvey.ru) для организма человека, особенно для профилактики и лечения онкологических заболеваний, на отечественном рынке появилась лёгкая вода, предназначенная для питья. Содержание в ней дейтерия, определяющее её качество и стоимость, изменяется от 25 ppm (миллионные доли) ступенями по 20-30 ppm. В связи с высокой трудоёмкостью производства, литр лёгкой воды на рынке стоит от нескольких десятков долларов США и выше.

Первая фирма использует оригинальную технологию центробежно-вихревого метода обработки воды, вторая фирма - технология глубокой очистки воды от дейтерия и трития методом колоночной ректификации. Ректификация воды – сложный массообменный процесс, который осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами – насадками или тарелками. В процессе ректификации воды происходит непрерывный обмен между движущимся относительно друг друга молекул жидкой и паровой фазы.

При этом жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза - более низкокипящим – тяжёлой водой и другими тяжёлыми изотопами трития 3 Н и кислорода 18 О. В большинстве случаев ректификацию осуществляют в противоточных колонных аппаратах с различными контактными элементами - насадками или тарелками. Процесс массообмена происходит по всей высоте колонны между стекающей вниз флегмой и поднимающимся вверх паром. Что интенсифицировать процесс массообмена применяют контактные элементы – насадки и тарелки, что позволяет увеличить поверхность массообмена. В случае применения насадки жидкость стекает тонкой пленкой по ее поверхности, в случае применения тарелок пар проходит через слой жидкости на поверхности тарелок.

Рис. слева - Схема ректификационной колонны

Рис. справа - Экспериментальная ректификационная установка по депротеинизации обычной воды, разработанная в Санкт-Петербургской лаборатории разделения изотопов водорода. Фото с сайта nrd.pnpi.spb.ru/lriv/home_rus.htm

Расчет ректификационной колонны производится по диаграмме кипения воды для заданных параметров ректификации - состава исходной воды, кубового остатка, дистиллята, производительности и рабочем давлении в колонне. Затем подбирается тип тарелок, определяется скорость пара, диаметр колонны, коэффициенты массопередачи, высота колонны, гидравлическое сопротивление тарелок. После этого проводится расчет эксплуатационных свойств, а также экономические показатели использования ректификационной колонны. На практике для более глубокой очистки воды от изотопов используется не одна ректификационная колонная, а целая серия – батарея колонн из 20 отдельных колонн.

Рис . Общий вид батареи колонн ректификации для разделения молекул воды на “лёгкие” и ”тяжёлые”. Фото с сайта www.langvey.ru

Лёгкая питьевая вода «Лангвей» производится с различным остаточным содержанием дейтерия (от 125 до 50 ppm). Она фасуется в бутылки ПЭТ емкостью 0,55 л и 1,5 л) и предназначена для питья и приготовления пищи. На основании клинических испытаний, проведенных в Российском Научном Центре восстановительной медицины и урортологии и в Институте красоты, легкая питьевая вода «Лангвей» рекомендована в качестве ежедневного напитка для нормализации углеводного и липидного обмена, артериального давления, коррекции веса, улучшения работы желудочно-кишечного тракта, увеличения скорости водообмена и выведения шлаков и токсинов из организма.

Таблица. Сравнительная характеристика легкой питьевой воды "Лангвей" и минеральных вод известных марок

Наимено-вание минераль- воды

p Н

Концентрация основных ионов, мг/л

Концент- рация дейтерия, ppm

Катионы

Анионы

Ca 2+

Mg 2+

Na +

K +

Fe 2+/3+

HCO 3 -

Cl -

F -

SO 4 2-

NO 3 -

Лангвей

Московия

Не регламен-тируется

Подобная технология позволяет произвести очистку природной воды от дейтерия до рекордных величин порядка 1-2 ppm. Это по-настоящему химически чистая лёгкая вода заданного изотопного состава. Кроме того, производительность очистки воды этим методом на порядок величин выше любого другого способа, что, соответственно, снижает ее стоимость. При широкомасштабном производстве лёгкой воды, в будущем она станет доступной любому человеку.

Сейчас работы по улучшению качества воды ведутся во всех странах мира. Однако существующие очистительные сооружения и технологии водоподготовки не справляются со своими задачами. Поэтому и возникли различные способы и устройства для изотопной очистки питьевой воды от дейтерия. В общих чертах все эти устройства, какой бы совершенной ни была очистка, ничего не могут поделать с генетической памятью воды, проявляющемся в способности воды сохранять след действия на ее молекулярную структуру всех примесных соединений, в том числе изотопов.

Это не простая задача. Тем не менее многолетний труд, огромное количество экспериментов и технологических построений привели учёных к цели: получению лёгкой воды кристальной чистоты с глубокой очисткой от дейтерия, оптимальным минеральным составом и природной структурой, полученной в результате глубокой ректификации.

В будущих экспериментах планируется, что космонавты в межпланетных полетах будут пить в Космосе "легкую воду" - воду, из которой удалены тяжелые изотопы водорода и кислорода и обладающую положительным биологическим эффектами, в частности, защищающие организм от радиации.

Как сообщил на конференции в Москве, посвященной разработке систем жизнеобеспечения для космических полетов, профессор Института медико-биологических проблем Юрий Синяк, исследования показали, что "легкая вода", где дейтерий и тяжелый кислород отсутствуют или их содержание значительно снижено, напротив, обладают целым рядом полезных биологических свойств.

В экспериментах в институте медико-биологических проблем было показано, что легкая вода защищает от радиации: мыши, получившие значительную дозу облучения, имели больший срок жизни, если они пили легкую воду.

Кроме того, было обнаружено противоопухолевые свойства легкой воды - эксперименты показали, что она замедляет рост некоторых типов опухолей.

Лёгкая вода – это сложный по своей структуре и составу продукт, оказывающий полифизиологическое действие на организм человека. В этой связи важно оценить, какое влияние на организм окажет очистка питьевой воды от тяжелых молекул при сохранении всех других компонентов воды на регламентируемых гигиеническими нормативами уровнях. Учитывая роль воды в организме и известные изотопные эффекты тяжелой воды, и результаты, полученные по легкой воде, можно ожидать, что наибольший эффект такая очистка может оказать на свойства биологических мембран, регуляторные системы и энергетический аппарат живой клетки. Хорошо известно, например, что под влиянием тяжелой воды ингибируется инициируемый глюкозой выход инсулина из ткани поджелудочной железы и островков Лангерганса, уменьшается скорость поглощения кислорода митохондриями клеток.

Легкая вода – это природная вода, частично или полностью очищенная от тяжелой воды и благодаря такой очистке, приобретающая уникальные свойства.

Основное действие, оказываемое легкой питьевой водой на человеческий организм – постепенное снижение содержания дейтерия в жидкостях тела за счёт реакций изотопного обмена. Анализ полученных результатов позволяет говорить о том, что очистка воды организма от тяжелой воды с помощью легкой питьевой воды позволяет улучшить работу важнейших систем организма.

Ежедневное употребление легкой питьевой воды позволяет естественным образом снизить содержание тяжелой воды в организме человека за счёт реакций изотопного обмена. Такая уникальная очистка нормализует работу клеточных мембран, улучшает общее самочувствие, повышает работоспособность, увеличивает энергетические ресурсы организма, способствует быстрому восстановлению организма после больших физических нагрузок.

Уникальные свойства легкой питьевой воды подтверждены исследованиями и клиническими испытаниями.

Легкая питьевая вода:

нормализует обмен веществ и артериальное давление;

снижает содержание сахара в крови у больных сахарным диабетом II типа;

эффективно очищает организм от токсинов и шлаков;

способствует быстрому заживлению и восстановлению костных и мышечных тканей после травм;

обладает противовоспалительным действием;

усиливает действие лекарственных препаратов;

способствует коррекции веса;

-защищает клетки от радиации;

быстро устраняет признаки посталкогольной абстиненции;

Основные свойства легкой воды

Легкая вода обладает меньшей вязкостью, чем природная вода. Это позволяет ей легче проникать через клеточные мембраны и повысить скорость водообмена в организме

Растворимость веществ в легкой воде выше, чем в природной, что дает ей возможность более полно и быстро выводить продукты метаболизма из организма, очищая его при этом от солей тяжелых металлов, токсинов и других вредных веществ

Скорость ферментативных (каталитических) реакций в легкой воде выше, чем в обычной воде. Это позволяет интенсифицировать обменные процессы и помогает организму быстрее восстанавливаться после больших нагрузок

Легкая вода позволяет естественным образом, без применения каких-либо фармацевтических средств, существенно повысить энергетические ресурсы организма. Как показали исследования лаборатории мембранологии Научного центра здоровья детей РАМН, в легкой воде значительно (на 30%) вырастает уровень АТФ в клетках. При этом клетки более активно сопротивляются воздействию на них различных ядов. Так, при действии на клетку химических веществ, подавляющих дыхание клеток, выживаемость клеток в легкой воде через час оказывается в 2 раза выше, чем в бидистилляте.

При действии на животных у-облучения в дозе LD50, было обнаружено, что выживаемость животных, употреблявших в течение 15 дней перед облучением легкую воду, в 2,5 раза выше, чем в контрольной группе, что указывает на сильные радиопротекторные свойства легкой воды. Это означает, что употребление «легкой» воды для жителей больших городов, в условиях повышенного фона радиации, является безусловно полезным.

Таким образом, спектр действия легкой воды очень широк. Дело в том, что при регулярном потреблении легкой воды происходит постепенная очистка всего организма от тяжелой воды. Это сопровождается увеличением функциональной активности клеток, органов и различных систем организма. Происходит нормализация обменных процессов, увеличиваются защитные силы и устойчивость организма к повреждающим воздействиям. Скорость очистки организма от тяжелой воды зависит от массы тела человека и количества потребляемой легкой воды.

С уважением,

К.х.н. О.В. Мосин

Еще совсем недавно люди считали, что атом - это цельная неделимая частица. Позднее стало ясно, что он состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. При этом центральная часть снова считалась неделимой и цельной. Сегодня мы знаем, что она состоит из протонов и нейтронов. Причем, в зависимости от числа последних, у одного и того же вещества может быть несколько изотопов. Итак, тритий - за вещество, как его получить и использовать?

Тритий - что это такое?

Водород - самое простое вещество в природе. Если говорить про его самую распространенную форму, о которой подробнее будет сказано чуть ниже, то его атом состоит лишь из одного протона и одного электрона. Однако он может принимать и "лишние" частицы, которые несколько меняют его свойства. Так, ядро трития состоит из протона и двух нейтронов. И если протий, то есть самая простая форма водорода - это то про его "улучшенную" версию этого не скажешь - в природе он встречается в незначительных количествах.

Изотоп водорода тритий (название происходит от греческого слова "третий") был открыт в 1934 году Резерфордом, Олифантом и Хартеком. И на самом деле, найти его пытались очень долго и упорно. Сразу после открытия дейтерия и тяжелой воды в 1932 году ученые стали искать этот изотоп с помощью повышения чувствительности при изучении обычного водорода. Однако, несмотря ни на что, их попытки были тщетны - даже в самых концентрированных образцах не удавалось получить даже намек на присутствие вещества, которое было просто обязано существовать. Но в итоге поиски все-таки увенчались успехом - Олифант синтезировал элемент с помощью в лаборатории Резерфорда.

Если коротко, то определение трития звучит следующим образом: радиоактивный изотоп водорода, ядро которого состоит из протона и двух нейтронов. Итак, что о нем известно?

Об изотопах водорода

Первый элемент периодической таблицы является одновременно наиболее распространенным во Вселенной. При этом в природе он встречается в виде одного из трех своих изотопов: протия, дейтерия или трития. Ядро первого состоит из одного протона, что и дало ему название. Кстати, это единственный стабильный элемент, у которого отсутствуют нейтроны. Следующим в ряду изотопов водорода является дейтерий. Ядро его атома состоит из протона и нейтрона, а название восходит к греческому слову "второй".

В лаборатории были получены также еще более тяжелые изотопы водорода с массовыми числами от 4 до 7. Период их полураспада ограничивается долями секунд.

Свойства

Атомная масса трития составляет примерно 3,02 а. е. м. По своим физическим свойствам это вещество почти не отличается от обычного водорода, то есть в нормальных условиях является легким газом без цвета, вкуса и запаха, обладает высокой теплопроводностью. При температуре около -250 градусов по Цельсию становится легкой и текучей бесцветной жидкостью. Диапазон, в пределах которых он находится в данном агрегатном состоянии довольно узок. Температура плавления составляет около 259 градусов по Цельсию, ниже которой водород становится снегоподобной массой. Кроме того, этот элемент довольно хорошо растворяется в некоторых металлах.

Однако есть и некоторые отличия в свойствах. Во-первых, третий изотоп обладает меньшей реакционной способностью, а во-вторых, тритий радиоактивен и в связи с этим нестоек. составляет чуть более 12 лет. В процессе радиолиза он превращается в третий изотоп гелия с испусканием электрона и антинейтрино.

Получение

В природе тритий содержится в незначительных количествах и образуется чаще всего в верхних слоях атмосферы при соударении космических частиц и, например, атомов азота. Однако существует и промышленный метод получения этого элемента с помощью облучения лития-6 нейтронами в

Синтез трития в объеме, масса которого составляет около 1 килограмма, обходится примерно в 30 миллионов долларов.

Использование

Итак, мы немного больше узнали про тритий - что это такое и его свойства. Но зачем он нужен? Разберемся чуть ниже. По некоторым данным мировая коммерческая потребность в тритии составляет порядка 500 граммов в год, еще около 7 килограмм уходит на военные нужды.

По данным американского института исследований энергетики и окружающей среды, с 1955 по 1996 год в США было произведено 2,2 центнера сверхтяжелого водорода. А на 2003 год общие запасы этого элемента составляли около 18 килограмм. Для чего же они используются?

Во-первых, тритий необходим для поддержания боеспособности ядерного оружия, которым, как известно, пока еще обладают некоторые страны. Во-вторых, без него не обходится термоядерная энергетика. Еще тритий используется в некоторых научных исследованиях, например, в геологии с его помощью датируют природные воды. Еще одно назначение - источник питания подсветки в часах. Кроме того, в настоящее время проводятся эксперименты по созданию радиоизотопных генераторов сверхмалой мощности, например, для питания автономных датчиков. Ожидается, что в этом случае срок их службы составит около 20 лет. Стоимость такого генератора составит порядка одной тысячи долларов.

В качестве оригинальных сувениров также существуют брелки с небольшим количеством трития внутри. Они издают свечение и выглядят довольно экзотично, особенно если знать о внутреннем содержании.

Опасность

Тритий радиоактивен, именно этим объясняется часть его свойств и видов использования. Его период полураспада составляет около 12 лет, при этом образуется гелий-3 с испусканием антинейтрино и электрона. В процессе этой реакции выделяется 18,59 кВт энергии и бета-частицы распространяются в воздухе. Обывателю может показаться странным, что радиоактивный изотоп используется, скажем, для подсветки в часах, ведь это может быть опасным, разве нет? На самом деле тритий едва ли чем-то угрожает человеческому здоровью, поскольку бета-частицы в процессе его распада распространяются максимум на 6 миллиметров и не могут преодолеть простейшие преграды. Впрочем, это не значит, что работа с ним абсолютно безопасна - любое попадание внутрь с пищей, воздухом или впитывание через кожу может привести к проблемам. Хотя в большинстве случаев он легко и быстро выводится, так бывает не всегда. Итак, тритий - что это такое с точки зрения радиационной опасности?

Меры защиты

Несмотря на то что малая энергия распада трития не позволяет радиации серьезно распространяться, так что бета-частицы не могут преодолеть даже кожу, не стоит пренебрегать своим здоровьем. При работе с этим изотопом можно, конечно, не использовать костюм радиационной защиты, но элементарные правила, такие как закрытая одежда и хирургические перчатки, соблюдать необходимо. Поскольку основную опасность тритий представляет при попадании внутрь, важно пресечь деятельность, при которой это станет возможным. В остальном беспокоиться не о чем.

Если все же он в большом количестве поступил в ткани организма, может развиться, острая или хроническая лучевая болезнь в зависимости от длительности, дозы и регулярности воздействия. В некоторых случаях этот недуг успешно излечивается, но при обширных поражениях возможен летальный исход.

В любом нормальном организме есть следы трития, хоть они и абсолютно незначительны и едва ли влияют на Ну а у любителей часов со светящимися стрелками его уровень выше в несколько раз, хотя и все равно считается безопасным.

Сверхтяжелая вода

Тритий, как и обычный водород, может образовывать новые вещества. В частности, он входит в молекулу так называемой сверхтяжелой (супертяжелой) воды. Свойства этого вещества не слишком отличаются от привычной каждому человеку H 2 O. При том, что тритиевая вода также может участвовать в метаболизме, она отличается довольно высокой токсичностью и выводится в течение десятидневного срока, за который ткани могут получить довольно высокую степень облучения. И хотя данное вещество менее опасно само по себе, оно является более опасным в связи с периодом, на протяжении которого находится в организме.

Слова «дейтерий» и «тритий» напоминают нам о том, что сегодня человек располагает мощнейшим источником энергии, высвобождающейся при реакции:

2 1 Н + 3 1 Н > 4 2 Не + 1 0 n + 17,6 МэВ.

Эта реакция начинается при 10 млн. градусов и протекает за ничтожные доли секунды при взрыве термоядерной бомбы, причем выделяется гигантское по масштабам Земли количество энергии.

Водородные бомбы иногда сравнивают с Солнцем. Однако мы уже видели, что на Солнце идут медленные и стабильные термоядерные процессы. Солнце дарует нам жизнь, а водородная бомба - сулит смерть…

Но когда-нибудь настанет время - и это время не за горами, - когда мерилом ценности станет не золото, а энергия. И тогда изотопы водорода спасут человечество от надвигающегося энергетического голода: в управляемых термоядерных процессах каждый литр природной воды будет давать столько же энергии, сколько ее дают сейчас 300 л бензина. И человечество будет с недоумением вспоминать, что было время, когда люди угрожали друг другу животворным источником тепла и света…

Протий, дейтерий, тритий…

Физические и химические свойства изотопов всех элементов, кроме водорода, практически одинаковы: ведь для атомов, ядра которых состоят из нескольких протонов и нейтронов, не так уж и важно - одним нейтроном меньше или одним нейтроном больше. А вот ядро атома водорода - это один-единственный протон, и если к нему присовокупить нейтрон, масса ядра возрастет почти вдвое, а если два нейтрона - втрое. Поэтому легкий водород (протий) кипит при минус 252,6 °C, а температура кипения его изотопов отличается от этой величины на 3,2° (дейтерий) и 4,5° (тритий). Для изотопов это очень большое различие!

Удивительные изотопы распространены в природе неодинаково: один атом дейтерия приходится примерно на 7000, а один атом бета радиоактивного трития - на миллиард миллиардов атомов протия. Искусственным путем получен еще один, крайне неустойчивый изотоп водорода - 4 Н.

Точность - прежде всего

Относительная масса легкого изотопа водорода определена прямо-таки с фантастической точностью: 1,007276470 (если принять массу изотопа углерода 12 С равной 12,0000000). Если бы с такой точностью была измерена, к примеру, длина экватора, то ошибка не превысила бы 4 см!

Но зачем нужна такая точность? Ведь каждая новая цифра требует от экспериментаторов все больших и больших усилий… Секрет раскрывается просто: ядра протия, протоны, принимают участие во многих ядерных реакциях. А если известны массы реагирующих ядер и массы продуктов реакции, то, пользуясь формулой Е = mc 2 , можно рассчитать ее энергетический эффект. А так как энергетические эффекты даже ядерных реакций сопровождаются лишь незначительным изменением массы, то и приходится эти массы измерять как можно точнее.

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.

Почти сразу же после открытия дейтерия (см . ДЕЙТЕРИЙ И ТЯЖЕЛАЯ ВОДА) начались поиски в природе трития – третьего сверхтяжелого изотопа водорода, в ядре которого помимо одного протона есть два нейтрона. Физикам было очевидно, что если тритий есть в обычном водороде, он будет концентрироваться вместе с дейтерием. Поэтому сразу несколько групп исследователей, которые наладили получение тяжелой воды или имели доступ к ней, включились в погоню за новым изотопом, используя для поисков разные методы. Впоследствии обнаружилось, что почти все методы принципиально не могли дать положительных результатов, так как не обладали нужной чувствительностью.

Уже в первой работе Г.Юри , в которой был открыт дейтерий, была сделана попытка обнаружить и тритий – точно таким же образом, по заранее предсказанному теорией положению спектральных линий. Однако на спектрограммах не было даже намека на эти линии, что, в общем, не удивило исследователей. Если дейтерия в обычном водороде всего сотые доли процента, то вполне вероятно, что трития намного меньше. Вывод был ясен: надо увеличивать как чувствительность анализа, так и степень обогащения водорода его тяжелыми изотопами.

В начале 1933 известный американский физикохимик, автор теории электронных пар Гилберт Льюис совместно с химиком Франком Спеддингом повторил опыт Юри. На этот раз в распоряжении исследователей был сильно обогащенный образец, содержащий 67% дейтерия. Такой образец уже при 2-минутной экспозиции в спектрографе давал на фотопластинке четкие линии дейтерия. Но и за 40 часов экспозиции то место на пластинке, где по теории должны были проявиться линии трития, оставалось совершенно чистым. Это означало, что содержание в обычном водороде трития по крайней мере меньше, чем 1:6·10 6 , т.е. менее одного атома 3 H на 6 миллионов атомов 1 H. Отсюда был сделан такой вывод: надо брать еще более концентрированные образцы, то есть подвергать электролизу уже не обычную воду для накопления D 2 O, а тяжелую воду для накопления Т 2 О (или, по крайней мере, DТО). На практике это означало, что исходной тяжелой воды надо было взять столько, сколько раньше брали обычной воды для получения тяжелой!

После неудач спектроскопистов в поиски включились специалисты по масс-спектрометрии. Этот чрезвычайно чувствительный метод позволяет анализировать ничтожные количества вещества в виде ионов. Для опытов воду сконцентрировали в 225 тысяч раз. Исследователи надеялись найти в образце ионы (DT) + с массой 5. Ионы с такой массой были обнаружены, но оказалось, что они принадлежат трехатомным частицам (НDD) + , без какого-либо участия трития. Стало очевидным, что трития, если он и присутствует в природе, намного меньше, чем думали раньше: не больше, чем 1:5·10 8 , то есть уже 1 атом Т на 500 миллионов атомов Н!

Синтез трития.

Пока спектроскописты и масс-спектрометристы публиковали один за другим сообщения о тритии, которые все оказались ложными, тритий был получен искусственно. Это произошло в лаборатории патриарха ядерной физики Эрнста Резерфорда . В марте 1934 в выходящем в Англии журнале «Nature» («Природа») была опубликована небольшая заметка, подписанная М.Л.Олифантом, П.Хартеком и Резерфордом (фамилия лорда Резерфорда не требовала при публикации инициалов!). Несмотря на скромное название заметки: Эффект трансмутации, полученный с тяжелым водородом , она сообщала миру о важном достижении – получении третьего изотопа водорода. Соавторами работы были молодой австралиец Марк Лоуренс Олифант и австриец Пауль Хартек. И если Олифант стал впоследствии академиком и директором Физического института университета Канберры, то судьба Хартека сложилась иначе. Своеобразно понимая свой долг перед немецкой наукой, он в 1934 решил возвратиться в Германию и работать для нацистского режима. В 1939 он написал письмо в высшие военные инстанции Германии о возможности создания атомного оружия, а затем попытался построить урановый котел – к счастью, безуспешно.

В 1933 лабораторию в Кембридже посетил Г.Льюис из Беркли, который подарил Резерфорду три крошечные стеклянные ампулки почти чистой тяжелой воды. Их общий объем был всего 0,5 мл. Олифант получил из этой воды немного чистого дейтерия, который служил для получения пучков ионов D + , разгонявшихся в разрядной трубке до высоких энергий. А Хартек синтезировал соединения, в которых атомы водорода были частично заменены атомами дейтерия. Так были получены ничтожные количества «утяжеленного» хлорида аммония путем обменных реакций NH 4 Cl + D 2 O NH 3 DCl + HDO, NH 3 DCl + D 2 O NH 2 D 2 Cl + HDO и т.д. При бомбардировке дейтерированного хлорида аммония разогнанными ионами D + наблюдался очень интенсивный поток новых частиц. Как оказалось, это были ядра нового изотопа водорода – трития (их назвали тритонами). Стало очевидным также, что впервые в истории удалось наблюдать ядерный синтез: два атома дейтерия, сливаясь вместе, образовывали неустойчивое ядро гелия-4, которое затем распадалось с образованием трития и протона: 4 He ® 3 H + 1 H.

В том же году Резерфорд уже демонстрировал новые ядерные превращения на своих лекциях: счетчик частиц был соединен через усилитель с громкоговорителем, так что в аудитории раздавались громкие щелчки, которые по мере повышения напряжения на разрядной трубке становились все чаще. При этом на каждый миллион дейтериевых «снарядов», попадающих в мишень, получался один атом трития – это очень много для ядерных реакций такого типа.

Итак, первый тритий был получен искусственно, в результате ядерных реакций. Вопрос о существовании его в природе оставался открытым. Искусственный синтез трития в Кембридже только подхлестнул исследователей, проводивших концентрирование тяжелой воды во все больших и больших масштабах в надежде найти тритий в природном источнике. Так, физики и химики из Принстонского университета, объединив усилия, в 1935 подвергли электролизу уже 75 тонн воды – почти две железнодорожные цистерны! В результате титанических усилий была получена крохотная ампула с остатком обогащенной воды объемом всего 0,5 мл. Это было рекордное концентрирование – в 150 миллионов раз! Масс-спектральный анализ этого остатка не дал ничего нового – в спектре по-прежнему присутствовал пик, отвечающий массе 5, который был приписан ионам (DT) + , а оценка содержания трития в природе с учетом огромного концентрирования дала отношение Т:Н ~ 7:10 10 , то есть не больше одного атома Т на 70 миллиардов атомов Н.

Таким образом, для обнаружения трития надо было еще больше увеличить степень концентрирования воды. Но это требовало уже гигантских затрат. К решению проблемы подключили самого Резерфорда. Используя свой огромный авторитет, он обратился с личной просьбой к норвежцам, чтобы они провели невиданный доселе по масштабам эксперимент: получили бы тяжелую воду, сконцентрировав обычную в миллиард раз! Сначала было подвергнуто электролизу 13 000 тонн обычной воды, из которых получили 43,4 кг тяжелой воды с содержанием D 2 O 99,2%. Далее это количество путем почти 10-месячного электролиза уменьшили до 11 мл. Условия электролиза были выбраны так, чтобы способствовать концентрированию предполагаемого трития. Таким образом, из 13 тысяч тонн воды (а это 5 железнодорожных составов по 50 цистерн в каждом!) была получена всего одна пробирка обогащенной воды. Мир не знал еще столь грандиозных опытов!

Возникла проблема, как лучше всего поступить с этим драгоценным образцом. Вероятно, единственным человеком в мире, способным непосредственно различить в масс-спектрометре очень близкие по массе ионы (DT) + и «маскирующиеся» под них ионы (DDH) + , был нобелевский лауреат Ф.У.Астон – выдающийся специалист в области масс-спектрометрического анализа. Именно ему было решено передать образец для анализа. Результат был обескураживающим: не было никаких следов присутствия ионов DT + ! Соответственно оценка отношения T:H было снижено до 1:10 12 . Стало очевидным, что если тритий и присутствует в природных источниках, то в таких ничтожных количествах, что его выделение из них сопряжено с неимоверными, если вообще преодолимыми трудностями.

Обнаружение природного трития.

Может ли тритий быть радиоактивным? Уже Резерфорд после неудачи со своим грандиозным опытом не исключал такой возможности. Расчеты также говорили о том, что ядро трития должно быть нестабильным и, следовательно, он должен быть радиоактивным. Именно радиоактивностью трития со сравнительно небольшим временем жизни можно было объяснить ничтожные его количества в природе. Действительно, вскоре радиоактивности у трития была обнаружена экспериментально. Конечно, это был искусственно полученный тритий. В течение 5 месяцев не было заметно спада радиоактивности. Из этого следовало, с учетом точности экспериментов, что период полураспада трития не меньше 10 лет. Современные измерения дают для периода полураспада трития 12,262 года.

При распаде тритий испускает бета-частицы, превращаясь в гелий-3. Энергия излучения трития настолько мало, что оно не может пройти даже через тоненькую стенку счетчика Гейгера. Поэтому анализируемый на присутствие трития газ необходимо запускать внутрь счетчика. С другой стороны, малая энергия излучения имеет свои преимущества – с соединениями трития (если они нелетучи) работать не опасно: испускаемые им бета-лучи проходят в воздухе всего несколько миллиметров.

Для отработки методов анализа трития потребовались значительные его количества. Поэтому стали появляться новые способы его синтеза, например, 9 Be + 2 H ® 8 Be + 3 H, 6 Li + 1 n ® 4 He + 3 H и другие. А точность анализа чрезвычайно повысилась. Стало возможным, например, анализировать образцы, в которых происходил всего один распад атома трития в секунду – в таком образце трития содержится меньше, чем 10 –15 моль! Теперь в руках физиков был исключительно чувствительный метод анализа – в довоенные годы он был примерно в миллион раз чувствительнее, чем масс-спектрометрический. Настало время вернуться к поискам трития в природных источниках.

Тритий в природе.

В 1946 известный авторитет в области ядерной физики, лауреат Нобелевской премии У.Ф.Либби предположил, что тритий непрерывно образуется в результате идущих в атмосфере ядерных реакций. Первые измерения радиоактивности природного водорода, хотя и были неудачными, показали, что отношение Н:Т на 5 порядков меньше, чем думали раньше и составляет не более 1:10 17 . Стала очевидной невозможность обнаружения трития масс-спектрометрически даже при самых больших обогащениях: к началу 50-х годов масс-спектрометры позволяли определять концентрации примесей при их содержании не менее 10 –4 %.

В 1951 группа американских физиков из Чикагского университета с участием У.Либби достала хранившуюся «резерфордовскую» ампулу с 11 мл сверхобогащенной тяжелой воды, в которой Астон когда-то пытался обнаружить тритий масс-спектрометрически. И хотя с момента выделения этого образца из природной воды прошло полтора десятка лет и от содержащегося в нем трития осталось меньше половины, результат не заставил себя ждать: тяжелая вода была радиоактивна! Измеренная активность с учетом обогащения при получении образца соответствовала природному содержанию трития 1:10 18 .

Чтобы застраховаться от возможной ошибки, решили повторить все с самого начала, тщательно следя за каждым шагом этого решающего эксперимента. Авторы попросили норвежскую компанию приготовить еще несколько образцов обогащенной воды. Воду взяли из горного озера на севере Норвегии в январе 1948. Из нее путем электролитического концентрирования получили 15 мл тяжелой воды. Ее перегнали и ввели в реакцию с оксидом кальция: СаО + D 2 O ® Ca(OD) 2 . Восстановлением цинком при температуре красного каления из дейтероксида кальция получили дейтерий: Ca(OD) 2 + Zn ® CaZnO 2 + D 2 . Масс-спектрометрический анализ показал, что получен чистейший дейтерий, который и запустили в счетчик Гейгера для измерения его радиоактивности. Газ оказался радиоактивным, а это означало, что вода, из которой был выделен дейтерий, содержала тритий. Аналогично было приготовлено и проанализировано еще несколько образцов, чтобы уточнить, сколько же трития содержится на самом деле в природном водороде.

Исключительная тщательность работы не оставляла никаких сомнений в полученных результатах. Но еще за год до окончания этой работы вышла статья Ф.Фалтингса и того же П.Хартека из Физико-химического института при Гамбургском университете, в которой сообщалось об обнаружении трития в атмосферном водороде. Таким образом, Хартек дважды участвовал в открытии трития: сначала – искусственного, а через 16 лет – природного.

Воздух – не самый богатый источник водорода – его в нем всего 0,00005% (на уровне моря). Поэтому по заказу немецких физиков фирма «Линде» переработала сто тысяч кубометров воздуха, из которого путем сжижения и ректификации был выделен водород, а из него окислением на оксиде меди получено 80 г воды. С помощью электролиза эта вода была сконцентрирована в несколько десятков раз, затем ею был «погашен» карбид кальция: CaC 2 + 2H 2 O ® Ca(OH) 2 + С 2 H 2 , а ацетилен прогидрирован оставшимся водородом до этана: С 2 Н 2 + 2Н 2 ® С 2 Н 6 . Полученный этан, в который переходил весь исходный тритий, затем анализировали на радиоактивность. Расчет показал, что в воздухе трития (в виде молекул НТ) исключительно мало: в 20 куб. см воздуха содержится одна молекула трития, т.е. во всей атмосфере его должно быть всего... 1 моль или 3 г. Однако если учесть, что водорода в воздухе исключительно мало, то получается, что атмосферный молекулярный водород обогащен тритием в 10 000 раз больше, чем водород в составе дождевой воды. Отсюда следовало, что свободный и связанный водород в атмосфере имеют разное происхождение. Подсчет показал также, что во всех водоемах Земли трития содержится всего лишь 100 кг.

Значение, полученное в Чикаго для содержания трития в воде (Н:Т = 1:10 18), стало общепринятым. Такое содержание атомов трития получило даже специальное название – «тритиевая единица» (ТЕ). В 1 л воды в среднем содержится 3,2·10 –10 г трития, в 1 л воздуха – 1,6·10 –14 г (при абсолютной влажности 10 мг/л). Образуется тритий в верхних слоях атмосферы с участием космического излучения со скоростью 1200 атомов в секунду в расчете на 1 м 2 земной поверхности. Таким образом, в течение тысячелетий содержание трития в природе было почти постоянным – непрерывное его образование в атмосфере компенсировалось естественным распадом. Однако с 1954 (начало испытаний термоядерных бомб) положение резко изменилось и в дождевой воде содержание трития увеличилось в тысячи раз. И это не удивительно: взрыв водородной бомбы мощностью 1 мегатонна (Мт) приводит к выделению от 0,7 до 2 кг трития. Общая мощность воздушных взрывов составила за 1945–1962. 406 Мт, а наземных – 104 Мт. При этом общее количество трития, поступившее в биосферу в результате испытаний, составило сотни килограммов! После прекращения наземных испытаний уровень трития пошел на убыль. В последние годы основным источником техногенного трития в окружающей среде стали атомные электростанции, которые ежегодно выделяют несколько десятков килограммов трития.

Современные радиохимические методы позволяют с большой точностью определять содержание трития в сравнительно небольшом количестве воды, взятой из того или иного источника. Для чего это нужно? Оказывается, радиоактивный тритий с весьма удобным временем жизни – чуть больше 10 лет – может дать много ценной информации. У.Либби назвал тритий «радиоводородом», по аналогии с радиоуглеродом. Тритий может служить прекрасной меткой для изучения различных природных процессов. С его помощью можно определять возраст растительных продуктов, например, вин (если им не больше 30 лет), поскольку виноград поглощает тритий из почвенных вод, а после снятия урожая содержание трития в виноградном соке начинает снижаться с известной скоростью. Сам Либби провел множество подобных анализов, переработав сотни литров различных вин, поставленных ему виноделами из разных местностей. 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.

Запасы природного трития ничтожны. Поэтому весь тритий, используемый для различных целей, получают искусственно, путем облучения лития нейтронами. В результате стало возможным получить значительные количества чистого трития и изучить его свойства, а также свойство его соединений. Так, сверхтяжелая вода Т 2 О имеет плотность 1,21459 г/см 3 . 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. Например, сульфид цинка, содержащий небольшое количество соединений трития (примерно 0,03 мг на 1 г светосостава), непрерывно излучает зеленый свет. 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 (12%). Интересно, что газообразный Т 2 в 500 раз менее токсичен, чем сверхтяжелая 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. В среднем организм человека содержит 5·10 –12 г трития, что дает вклад 0,13 мбэр в общую дозу годового облучения (это в сотни раз меньше облучения от других источников радиации). Интересно, что у людей, носящих часы, в которых стрелки и цифры покрыты тритиевым люминофором, содержание трития в теле в 5 раз выше среднего.

А еще тритий является одним из основных компонентов взрывчатого вещества термоядерных (водородных) бомб, а также весьма перспективен для проведения управляемой термоядерной реакции по схеме D + T > 4 He + n.

Илья Леенсон