Фундаментальная радиохимия

Рис. 1.5. Радиоактивное семейство тория (Th-232).

Отсутствие радионуклидов этого ряда в природных объектах является эмпирическим фактом и, поскольку ²³⁷Np не имеет в качестве материнского предшественника никакого более долгоживущего радиоактивного изотопа, обычно этот факт объясняют тем, что период полураспада нептуния недостаточно велик по сравнению с возрастом Земли, признаваемым сегодня за правдоподобный (несколько миллиардов лет). Одним словом, если на заре геологической истории нашей планеты это семейство и существовало, то его отсутствие на настоящее время объясняется очень просто: оно (т.е. даже самые долгоживущие его члены) распалось полностью.

Знание количественных особенностей эволюции природных семейств помогает решить ряд технологических и аналитических проблем, связанных с ураном и торием. Рассмотрим некоторые из них в качестве примеров.

1. Известно, что в каждом природном семействе присутствуют изотопы радиоактивного газа радона ²¹⁹Rn (T_1/2 = 3,96 c), ²²⁰Rn (T_1/2 = 55,6 с) и ²²²Rn (3,8235 сут). То, что эти газообразные радионуклиды создают сложную радиационную ситуацию в местах добычи и первичной обработки урановых и ториевых руд, является общеизвестным фактом. Но возникает вопрос: насколько опасны в этом отношении химически чистые соединения урана и тория?

Будем исходить из того, что более или менее чистые препараты этих элементов не могли быть приготовлены ранее до их открытия; скорее всего синтез их оксидов или солей состоялся несколько позже. Так, уран был открыт в виде UO₂ Клапротом в 1789 году, а в металлическом состоянии он был получен Пелиго только в 1841 году. Торий был открыт в 1829 году Берцеллиусом.

Вернемся к поставленому вопросу, уточнив его: если есть сейчас на Земле самые «старые» препараты (оксид, соль и т.п.) урана и тория, соответственно не более 212 и 160 лет, если приурочить оценку к началу третьего тысячелетия – 2001 году, то насколько заметно выделяют радон хотя бы они? (У более свежих препаратов этот процесс менее вероятен).

Обратимся прежде к ряду урана – радия. Примем к сведению следующее. Какой бы ни была технология переработки уранового сырья, любой препарат будет содержать все три природных его изотопа – ²³⁴U, ²³⁵U и ²³⁸U вследствие их химической идентичности. Очистка уранового соединения от всевозможных примесей приведет к удалению из препарата двух промежуточных радионуклидов (²³⁴Th и ²³⁴ Pa) и «хвостов» обоих рядов, начиная с ²³⁰Th и ²³¹Th, т.к. химические свойства этих изотопов отличаются от свойств урана.

На основании формулы Бейтмена можно сделать вывод, что уже через 7–8 месяцев (около 10 периодов полураспада ²³⁴Th) участок ряда между ²³⁸U и ²³⁴U «зарастет» и оба радионуклида, ²³⁴Th и ²³⁴Pa, будут находиться с ²³⁸U в вековом равновесии. Но восстановление равновесия между ²³⁴U и ²³⁰Th, что является лимитирующей стадией этого процесса для «хвоста» уранового ряда, в технологическое время невозможно. Даже достижение только 1% от векового (A230_Th/A234_U = A₂/A₁ = 0,01) потребует не один десяток тысяч лет:

0,01 = 1–2 ^{–t/T 1/2,2} , откуда t_p = 5,4 • 10⁴ года.

При таких соотношениях периодов полураспада появление ²²⁶Ra в чистом урановом препарате в технологически значимое время – еще менее вероятное событие. Именно поэтому урановые соединения не выделяют сколько-нибудь заметных количеств ²²²Rn.

²³⁵U, доля которого в природном уране составляет 0,72%, тоже довольно быстро восстановит равновесие со своим дочерним ²³¹Th (T_1/2 = 25,52 ч), но «перешагнуть» через долгоживущий ²³¹Pa (T_1/2 = 3,276 • 10⁴ года) он не сможет по тем же причинам, что и ²³⁸U, так что и другой изотоп радона («четырехсекундный» актинон) в урановом препарате не появится.

Другое дело – соединения тория. В его семействе временным барьером в установлении равновесия является ²²⁸Ra, период полураспада которого (5,75 года) не настолько велик, чтобы считать восстановление ториевого ряда в технологическое время явлением незаметным. Конечно, препараты, возраст которых по крайней мере 30 лет, содержат в своем составе все семейство тория, но, надо полагать, даже пятилетние образцы будут выделять заметные количества торона (так традиционно называют короткоживущий изотоп радона ториевого ряда, ²²⁰Rn). Это обстоятельство не следовало бы игнорировать, тем более, что здесь возможны количественные оценки на основании формулы Бейтмена.