Моя жизнь — это жизнь в науке. Всю свою жизнь я посвятил этой прекрасной даме, которая называется радиохимия. Радиохимия — одна из самых молодых, при этом одна из самых актуальных областей современной химии. Днем рождения ее считается тот день в 1896 году, 124 года назад, когда Анри Беккерель и Мария Кюри на заседании Французской академии наук сделали доклад об открытии тогда еще не совсем понятного явления, которое получило название «радиоактивность» и «радиохимия». Радиоактивностью они называли свойство некоторых атомов излучать тогда еще неизвестные частицы. Труднее определить, когда исследования по радиохимии начались в нашей стране, тогда в Советском Союзе. Нужно вспомнить нашего ученого и философа, имя которого носит Институт геохимии и аналитической химии – Владимира Ивановича Вернадского, который сформулировал, что перед нами появляется «новая способность, основанная на использовании явления радиоактивности, новой силы, которая в миллионы раз превышает все то, о чем мыслил и думал человек». Все развитие радиохимии можно условно разделить на три этапа.
Презентация к тексту
Б.Ф. Мясоедов «Размышления об истории и путях развития отечественной радиохимии»
Первый этап был связан с открытием этого явления. Мария Кюри дважды была лауреатом Нобелевской премии. Ей принадлежала честь назвать эту науку радиохимией. К первому этапу относятся открытия в области физики: открытие нейтрона, открытие ядерного строения атома, открытие искусственной радиоактивности, строительство ускорителей и экспериментальных реакторов, открытие деления урана, которое лежит в основе ядерной энергетики и знаменитое открытие наших ученых, Константина Антоновича Петржака и Георгия Николаевича Флерова, — открытие спонтанного деления ядер урана. В это же время Виталий Григорьевич Хлопин в 1924 году в Ленинградском университете прочитал первый курс лекций по радиохимии. Он считается родоначальником этой новой науки в нашей стране. В честь признания его заслуг одна из престижных премий по радиохимии Академии наук СССР (с 1959 года) и Российской академии наук (с 1992 года) носит имя Хлопина. Радиевый институт, отвечая своему названию, в те годы проводил очень активные исследования по радию; основой для исследований стали выделенные граммовые количества радиоактивных элементов: полония и радия. Эти работы в 20-ых годах проводились в городе Менделееве в Татарстане. В мире в то время было накоплено около 11 г радия. В Советском Союзе в результате работ было выделено около 100 г радия, в том числе из подземных вод, где концентрация радия составляет 3 мг на кубометр воды. Трубопроводы делались не из железа, а из стволов старых елей, но и в этих условиях мы занимали довольно передовые позиции. С 40-ых годов прошлого века начинается новый этап, связанный с дальнейшим поиском новых радиоактивных элементов, не только естественных, не только в природе, но и искусственных, которые получаются облучением заряженными частицами на ускорителе или в результате деления урана и получения других радиоактивных веществ. В этот период развивались в основном методы осаждения и дробной кристаллизации.
Усилия были направлены на получение новых элементов. Свойства семейства актинидов, трех природных элементов, которые стоят за актинием, к этому времени были уже изучены. Особенно — свойства урана, который является сырьем для атомной энергетики. Но первый изотоп плутония, который стал новым сырьем для ядерной энергетики, был открыт только в начале 40-х годов путем облучения урана ядрами дейтерия. Позже при облучении на циклотронах были также синтезированы и изучены последующие элементы Периодической таблицы. Таким образом были получены новые элементы, до 98 включительно, а эйнштейний (99-й) и фермий (100-й) не могли быть получены этим известным способом; они были получены из продуктов подземного ядерного взрыва.Для выделения отдельных атомов этих элементов нужно было переработать тысячу тонн руды, чтобы эти элементы не только извлечь, но и изучить их химические свойства. Радиохимические методы позволяют на микроколичествах изучать свойства химических элементов. Потом были открыты 101-й элемент — менделевий (1955 год) и затем элемент 102. Теперь я перехожу к нашей стране и к нашей отечественной радиохимии.
Так получилось, что мой день рождения в какой-то степени связан с рождением атомного проекта. Я родился 2 сентября; в августе, а именно 20 августа 1945 года, был принят правительственный декрет о создании специальной комиссии, которая руководила бы всеми работами по созданию новой атомной промышленности.
В новой научной области было много проблем. Не были известны ни свойства плутония, ни материалы, из которых можно было бы получать плутоний в больших количествах. Самой главной проблемой была, конечно, подготовка кадров. Лозунг, что кадры решают все, который был в те годы, остается актуальным и в наши дни. Было очень быстро организовано обучение кадров. И я отношу себя к продуктам того, что делалось в рамках рождения атомного проекта. Окончив школу в Курске в 1948-м году, я поступил в Менделеевский институт на органический факультет, так как меня привлекала широта тех продуктов, которые можно синтезировать, используя подходы органической химии. Я успешно окончил 1-й курс, это был 1949 год, и вот идет молва о том, что организован новый физико-химический факультет, и на него идет набор, но по специальному приглашению. И я оказался на физико-химическом факультете.
Это было замечательное время, когда мы не знали целей проекта, не знали, насколько это важно. У нас была серьезная подготовка по физике и по математике. Писали мы, между прочим, в «закрытых» тетрадках, и, после того как лекция была закончена, сдавали тетради в первый отдел.
Я вам расскажу один случай из жизни, который чуть не закончился плохо. Тогда было принято, что студентов после 4-го курса, это был 52-й год, посылали на практику. Мы тогда не знали о существовании «Маяка», не знали, что такое плутоний, хотя лекции нам читали профессора, которые принимали участие в создании первого промышленного реактора, в переработке и в изучении свойств плутония. И нас послали в Челябинск на практику на металлургический завод. Я тогда купил фотоаппарат, очень этим увлекался. По окончании практики я возвращался в Москву. В поезде у открытой двери вагона, имея: новый аппарат, прекрасную природу и Уральские горы, — я фотографировал. Стою, смотрю вперед, поезд как змея загибается, красивая гора, мост, я думаю: «Сейчас сниму». Поезд въезжает на мост, я снимаю. Раздается выстрел в воздух, и поезд останавливается. Через пять минут вагон оцепили, и с двух сторон подошли люди с автоматами, спрашивают всех: «Кто здесь фотографировал?». Пришлось признаться, что это я. Меня посадили на телегу. Помню, была жара. Я сидел на повозке с двумя вооруженными людьми, а ребятишки смотрели на меня и кричали: «Шпион! Шпиона поймали!». Составили акт, откуда и так далее. Тут же связались с институтом, и, слава богу, что декан за меня поручился и подтвердил, что я действительно являюсь студентом.
И я продолжил свое обучение.
Нас готовили для работы в промышленности, это был Горно-химический комбинат, хотя мы об этом не знали. Строительство задерживалось, и мы были распределены отделом кадров Минсредмаша в институты Академии наук. В 53-м году я вышел на работу в Институт геохимии и аналитической химии имени Вернадского, в котором я работаю до сих пор, наряду с другими институтами. Я особенно благодарен Аслану Юсуповичу [Цивадзе], который меня пригласил сюда в ИФХЭ РАН, где давно и успешно развивалась радиохимия.
В ГЕОХИ в то время активно проводились работы по изучению деления различных элементов под действием ускоренных до высоких энергий (770 МВт) протонов на циклотроне в Дубне. Тогда еще никакого Объединенного Института не было. В Дубне существовал филиал ГЕОХИ, в который я был назначен руководителем.
Таким образом в 53-м году я познакомился с Дубной и работал там год. Помню тот день, когда запускалась первая в мире атомная станция в Обнинске в 1954 году, которая долгие годы работала и была образцом тех преимуществ, которые дает использование атомной энергетики. Вдруг звонок от нашего директора, Александра Павловича Виноградова, академика, Героя Социалистического труда, очень известного специалиста в области геохимии: «Борис Федорович, Вы должны немедленно явиться в лабораторию измерительных приборов — так назывался тогда институт атомной энергии - в распоряжение Курчатова». Там по идеям Георгия Николаевича Флерова начинались работы по синтезу новых элементов.
К этому времени без нашего участия уже были открыты все элементы по 102-й, и в Соединенных Штатах — велись работы по получению 102-го, 103-го и так далее элементов. И я оказался, и в течение 6 лет работал, будучи сотрудником ГЕОХИ, в этой прекрасной лаборатории, под руководством одного из моих учителей, Георгия Николаевича Флерова. Это был замечательный человек, который заражал своей энергией. Помню, он мог позвонить где-то в пять утра или ранее: «Борис, я тебя не разбудил?». Я говорил, конечно: «Нет», и у нас начинался разговор на час и более.
Успешно мы тогда работали. Было очень трудно соревноваться с американцами. Они имели опыт. Они имели ускорители не только для альфа-частиц, которые использовались у нас. У них был ускоритель для многозарядных ионов.
Но, тем не менее, наши работы стали известны.
Эта фотография (слайд 9) сделана чуть позже — в лабораториях, которые существуют сейчас, в лаборатории ядерных реакций имени Флерова. На фотографии — сам Георгий Николаевич Флеров, рядом профессор Чоппин, первооткрыватель 101-го элемента, и молодой Борис Федорович Мясоедов. И анонс нашей первой работы — о 102-м элементе.
Я работал членом ИЮПАКа — комиссии, которая принимает решения о приоритете в открытии элементов. Мне приходилось участвовать в очень трудных спорах с американцами, с профессором Хоффман, которая после ухода Сиборга возглавляла эти работы (слайд 10). Тогда близился юбилей Игоря Васильевича Курчатова, и мы хотели открытый нами (в 1961 г.) 104-й элемент назвать курчатовий. Однако американцы обладали большинством в международных организациях, и этого не получилось. 104-й элемент получил имя резерфордий.
Хотя элемент не получил имени советского ученого, работы, которые проводились в Дубне в 60-е годы, получили высокую международную оценку. Один из элементов, 105-й, полученный в этой лаборатории, был назван дубнием. В 60-е годы в Дубне построили прекрасный, до сих пор лучший в мире ускоритель, который дает максимальный поток ускоряемых ионов (азота, кислорода и других). Объекты ускорения самые разные, можно было бы ускорять и уран, но самый выгодный — это кальций.
И вот, с использованием этих технологий, новых подходов на основе глубоких теоретических фундаментальных исследований, за эти годы были открыты элементы по 118-й. Это действительно крупнейшее достижение отечественной науки. Как-то в современном мире не совсем отметили, даже в Академии наук, что из этих элементов, в открытии которых участвовали ведущие лаборатории, в первую очередь - Соединенных Штатов, Японии, Германии, шесть были открыты в Дубне. Последний элемент, 118, назван «оганесон» в честь Юрия Цолаковича Оганесяна. Это действительно крупное достижение, и Григорий Владимирович [Трубников] в своем выступлении говорил, что нам открываются новые возможности, и теперь американцы к нам ездят учиться, а не так, как когда начиналась эта работа.
Важным представляется и тот факт, что в нашей жизни в то время у нас была только наука. Она определяла все наши потребности и все интересы. Мы с удовольствием шли в лабораторию, с удовольствием работали. В библиотеку нельзя было прийти, если ты заранее не занял места, потому что днем все оказывалось занято. И тогда для молодежи все было открыто, но молодежь тогда действительно очень активно работала. Я помню, в один из дней Георгий Николаевич сказал: «Я занят, а там новый выпускник пришел, пойди посмотри». Я пошел, это был как раз Юрий Цолакович. Мы поговорили. Он действительно стал любимым учеником, и он стал его преемником.
Потом Георгий Николаевич предложил мне возглавить радиохимическую часть исследований по синтезу новых элементовию в лаборатории в Дубне, но я должен был вернуться в ГЕОХИ, и буквально через месяц меня спрашивает Александр Павлович Виноградов: «Доктор (он всех своих сотрудников называл «доктор»), Вы, наверное, не знаете, что такое протактиний? И уж, тем более, не знаете, что такое ториевый гомогенный реактор?» Ну, что такое протактиний, я знал: «Что Вы, Александр Павлович, это один из природных элементов, продукт распада урана». — «Но вот свойств его Вы не знаете, потому что их не знает никто. И Вам нужно на год поехать в Париж».
Таким образом в 60-м году после Дубны, срочно освоив французский язык, я оказался в Париже, в институте Радия, и работал в том помещении, в котором Мария Кюри перерабатывала тонны урановой смолки, чтобы выделить свои первые количества радия и полония.
Командировка прошла успешно. Были открыты новые реакции, доказана возможность существования протактиния в четырехвалентном состоянии. Все это было опубликовано в нашей монографии по протактинию и международной серии монографий по актинидам. Кстати, замечу, что в ГЕОХИ была подготовлена и издана серия «Аналитическая химия элементов периодической таблицы Менделеева» (в 50 томах). В написании глав по всем радиоактивным элементам я принимал непосредственное участие. Глава о протактинии вошла в международную монографию по актинидам из пятнадцати томов, и мы с Иваном Гундаровичем Тананаевым являлись ее авторами.
Одновременно изучалась химия такого продукта распада урана, как актиний. Об этом элементе ранее мало что было известно, потому что он существует в природе в крайне малых количествах, и обычными методами изучать его химические свойства было трудно.
Нужно было получить весовые количества актиния — поскольку физики рассчитали, что один из изотопов, а именно — 227 — обладает очень высоким сечением захвата нейтронов. То есть он мог бы играть ту же роль, что и плутоний. Для того, чтобы получить актиний, 100 г радия, которые ранее были выделены в Радиевом институте, были облучены в реакторе СМ-2 в Димитровграде. И затем из облученного радия у нас в радиохимической лаборатории ГЕОХИ были выделены первые в мире весовые количества актиния, и на этой основе изучены его химические свойства.
Такие крупные открытия в области радиохимии были сделаны не только в ГЕОХИ, но и в других организациях страны. Особенно большой интерес существовал к проблемам ядерно-го топливного цикла, в том числе и в Институте Физической Химии, который всегда занимал ведущее положение, особенно в решении практических задач. Скажем, стекло, которое сейчас используется для инкорпорирования радиоактивных отходов, было предложено в свое время Неонилой Евгеньевной Брежневой. Оно используется не только в нашей стране, но и далеко за ее рубежами.
Весовые количества технеция — не короткоживущего изотопа, а именно долгоживущего технеция-99 — были выделены из огромного количества радиоактивных отходов ПО «Маяк», и он нашел практическое применение.
Наиболее крупное открытие отечественных радиохимиков — это открытие нептуния, плутония и америция не только в состоянии окисления V, VI, IV, которые были уже известны, но существование этих трех элементов в семивалентном состоянии. Никто в это не верил, но потом Анна Дмитриевна Гельман и Николай Николаевич Крот это доказали. Вообще, такие открытия бывают редко, и оно произошло именно в этом институте. Все найденное было подытожено в монографии по химии актинидов, которая описывала достижения, которые были сделаны не только в нашем институте, но и вообще в России.
До этого времени мы говорили о фундаментальных результатах, которые были получены в области радиохимии. Теперь мы переходим к современным задачам.
Наиболее важной и крупной задачей было развитие атомной энергетики. Мы прекрасно знаем, что именно энергия определяет уровень развития того или иного общества. Поскольку ископаемые заканчиваются, и когда-нибудь они закончатся, нам нужно думать о новых способах получения энергии. Поэтому внимание отечественных и зарубежных радиохимиков направлено на вопросы, связанные с переработкой отработавшего ядерного топлива. Академия наук всегда была очень близка с Росатомом. Напомню некоторые исторические шаги. В начале 40-х годов состоялось специальное собрание Академии наук СССР, посвященное возможностям практического использования атомной энергии урана. Затем Георгий Николаевич Флеров написал свое историческое письмо в адрес Сталина, и в результате в 1945 году была создана государственная комиссия по атомной энергии. 75-летие этого события отмечается в наши дни. Позже в лаборатории измерительных приборов АН СССР был создан сектор Георгия Николаевича Флерова, и начались работы по синтезу новых заурановых элементов. В Атомном проекте активное участие принимали ученые Академии наук, в том числе в рамках Межведомственного научного совета по радиохимии, созданного в 64-м году, который активно работает до настоящего времени. Известные российские ученые: академик Александр Павлович Виноградов, академик Борис Петрович Никольский, академик Александр Сергеевич Никифоров -возглавляли этот Совет, а с 1989 года эта почетная миссия возложена на меня. Цель Совета состояла в том, чтобы те экспериментальные разработки, которые проводятся в институтах Академии наук, успешно воплощать в атомный проект нашей страны. Можно сказать, что Совет работает очень активно, проводятся конференции. С советских времен были конференции по отдельным элементам, по нептунию, плутонию, сейчас — в целом по радиохимии. Большая часть работ, которые обсуждались на конференциях, касается как раз трансурановых элементов и решения проблем с ядерным топливным циклом.
Какие это проблемы?
Во всем мире используется так называемый PUREX — процесс переработки облученного топлива. Он направлен на выделение в сверхчистом виде плутония. Требуется очищать плутоний от осколков деления с уровнем десять в девятой, т. е. одна часть на одну миллиардную. При этом полнота выделения должна быть не хуже, чем 99,9%.
Этот проект был хорош, и он используется во всех странах, в том числе и для переработки отработавшего топлива АЭС, но он не является оптимальным, потому что направлен на выделение чистого плутония.
Сейчас необходимо разрабатывать новые технологии.
В результате применения PUREX-процесса образуются радиоактивные отходы. Около 600 тыс. кюри — результат остекловывания — хранится сейчас на «Маяке» и предполагается быть экологически безопасно захороненным в подземное хранилище отходов, которое строится и после 30-ых годов должно вступить в эксплуатацию.
Но новая технология должна решать эти проблемы по-другому, а именно перерабатывать наиболее опасные отходы за счет дожигания, или рециклирования, или очистки материалов. Кроме того, проблемы возникли с экологией. Известно, что после проведения испытаний в воздухе (это были 70-е годы) поверхность Земли, а особенно — Северное полушарие, стала равномерно заражена плутонием. Это небольшие и абсолютно безопасные количества, но плутоний не захоранивается, а подвергается природным процессам, в том числе образует, например, комплексные соединения. Он может концентрироваться в отдельных местах, и тогда уже он будет опасен. Что нужно делать в этом отношении, сформулировано нами со Степаном Николаевичем Калмыковым в статье в журнале «Mendeleev Communication». На статью была большая реакция в научных кругах различных стран.
И главное — с нашими американскими коллегами было установлено, почему плутоний так подвижен, почему, независимо от условий его образования и формы существования, он токсичный. Было доказано, что, оказывается, он мигрирует в виде коллоидных частиц. Теперь эти результаты используются во всех лабораториях мира.
О тех задачах, которые нужно решать.
Еще раз хочу подчеркнуть, что сейчас главной задачей радиохимии я считаю создание надежного ядерного топливного цикла. Во-первых, нужно добиться полного фракционирования радиоактивных отходов. С одной стороны, это вопрос безопасности отходов, чтобы в них не было долгоживущих актинидов. Возникает проблема с исходным сырьем. Уран, который сейчас применяется в наших как тепловых, так и быстрых реакторах, используется далеко не полностью. И дальше отработавшие твэлы перерабатывались, а выделяющийся уран больше не использовался. Сейчас речь идет о том, что содержащаяся в уране атомная энергия должна использоваться полностью. То есть облученное топливо должно перерабатываться, а уран должен быть повторно возвращен в цикл. Предварительные работы показывают, что таким образом цикл можно эффективно повторять до 5-6 раз.
Для этого нужна новая технология переработки ОЯТ, основы ее здесь изложены (слайд 23). Я скажу только то, что PUREX-процесс вызывался необходимостью растворения облученного топлива в концентрированном растворе азотной кислоты. Все химики понимают, что с таким раствором работать очень сложно. Очень трудно подыскать экстрагенты и сорбенты, которые работают в таких жестких кислых растворах. Было установлено, что, оказывается, растворение ОЯТ можно проводить не в концентрированных растворах азотной кислоты, а в водных растворах, содержащих большое количество нитрата железа. Это открывает путь к созданию новых технологий, над чем мы сейчас работаем. А экстрагентом как здесь, так и в PUREX-процессе, остается тридцатипроцентный трибутилфосфат. Извлекается делящийся материал — сумма урана и плутония, которые затем осаждаются в виде их пероксидов. И этот пероксид с помощью новых методов может превращаться непосредственно в новое ядерное топливо.
Сейчас, чтобы получать таблетки ядерного топлива, используются огромные печи нагрева. Это габаритные печи, придуманные в Соединенных Штатах, и оказалось, что эту же проблему проще, экономичнее и, самое главное, надежнее решать с помощью СВЧ-излучения. Было продемонстрировано, и спасибо Росатому, который поддерживает эти работы, что с помощью СВЧ из растворов можно получать соответствующий техническим требованиям порошок, а потом его превращать в топливные таблетки. Там есть определенные трудности, но мы уверены, что мы доведем эти разработки до успеха. И следующий слайд (слайд 25) — проблема радиоактивных отходов. Я уже говорил, что сейчас для этого во всем мире используется стекло, но это не однозначно. Если взять то хранилище, которое находится на «Маяке», то никто не знает, в каком состоянии там сейчас стекло. Скорее всего, это уже порошок, а это очень опасно и для обращения с отходами, и для окружающей среды. Поэтому во всем мире рассматривается возможность использования минералоподобных матриц. В природе минералы существуют миллиарды лет, металлы в них практически не мобильны, т.е. не представляют опасности для окружающей среды. Но процессы получения минералоподобных матриц имеют тот недостаток, что эти матрицы образуются при высоких температурах и иногда - высоком давлении. Так вот, оказалось, что один из таких минералов, а именно на основе магний-калий-фосфата. образуется при комнатной температуре. Сейчас уже практически закончена разработка использования такой матрицы для включения в них РАО.
Два слова о другом ядерном цикле — так называемом торией-урановом ядерном цикле. Это будущее ядерной энергетики, это мое глубокое убеждение, но, конечно, это будет только или в конце этого века, может быть, или в следующем. В настоящее время у нас в стране разрабатывается опытная ядерная установка с гомогенным реактором, в котором в расплав солей, содержащий уран или плутоний, вводятся долгоживущие изотопы (минорные актиниды) для их дожигания. Использование гомогенного реактора позволяет производить переработку облученного топлива в процессе его работы, который может работать без остановки в течение пятидесяти лет. Сейчас имеется федеральный проект, над которым работает Росатом, и мы в этом принимаем участие. Это будет создание первой опытной установки, целевого реактора, который будет направлен на трансмутацию, в первую очередь, америция.
Обратите внимание на преимущества ториевого цикла перед уран-плутониевым циклом (слайд 28).
Наиболее перспективной областью развития радиохимии в настоящее время является ядерная медицина. Это использование изотопов с различными характеристиками для диагностики и лечения социально значимых заболеваний. Все мы знаем, что просвечивание легких раньше делалось с помощью гамма-лучей, При этом облучался весь организм. А теперь это можно делать с помощью направленной доставки альфа-излучающих или электронно-захватных радиоактивных изотопов к заболевшему органу. Это очень увлекательное направление, которое активно поддерживается Росатомом. На этом слайде (слайд 29) вы видите, что все медицинские проблемы на 99% диагностируются и решаются с помощью технеция-99м. Его используется в тысячи раз больше, чем любого другого изотопа. В свое время у нас в ГЕОХИ была сделана установка, в которой технеций получался не как продукт деления урана, а как продукт облучения обогащенного молибдена-98. По утрам в ГЕОХИ приезжали шесть специально оборудованных машин, которые развозили изотоп по 90 клиникам Москвы. Т.е. мы полностью обеспечивали потребности Москвы. Теперь все это делается на коммерческой основе.
На этом я хочу закончить. Я благодарю вас за ваше внимание. Я желаю вам всем здоровья, даже больше, чем на 90 лет. И я хочу вспомнить своих учителей — академика Александра Павловича Виноградова, дорогого мне Георгия Николаевича Флерова. Это был просто изумительный человек, это счастье тем, кто с ним работал. И таких людей у нас в стране много. Спасибо!
