Фермий был открыт в 1952 году в продуктах термоядерного взрыва. С тех пор прошло более семидесяти лет, но этот элемент остаётся одним из наименее изученных в периодической таблице. Причина не в отсутствии интереса со стороны учёных, а в банальной нехватке материала: фермий получают пикограммами, и исследователи физически не могут работать с достаточным количеством атомов для полноценных экспериментов. Именно поэтому работа, выполненная в Национальной лаборатории Ок-Риджа (ORNL), имеет значение далеко за пределами прикладной радиохимии. Исследователи разработали методы извлечения ²⁵⁷Fm, ^253/254Es и ²⁴⁹Bk из отходов производства ²⁵²Cf — с рекордной чистотой и выходом. То, что десятилетиями считалось радиоактивным мусором, становится сырьём для фундаментальной науки.

ORNL остаётся единственным производителем ²⁵²Cf в западном полушарии. Этот изотоп — мощный источник нейтронов, используемый для запуска ядерных реакторов, каротажа нефтяных скважин, анализа угля и цемента, а также в системах портовой безопасности. Спрос на него растёт: федеральные программы США предусматривают строительство десяти новых крупных реакторов к 2030 году, а малые модульные реакторы также нуждаются в калифорнии-252 для запуска.

Производство ²⁵²Cf — это многостадийный процесс. Мишени из кюрия облучаются в высокопоточном изотопном реакторе HFIR в течение четырёх-шести месяцев, после чего следуют месяцы химической переработки в горячих камерах Радиохимического инженерного центра. В ходе этого процесса образуются не только целевой калифорний, но и другие актиниды — включая берклий, эйнштейний и фермий. Раньше эти изотопы просто шли в отходы. Теперь их извлекают.

Количества, о которых идёт речь, трудно вообразить. Одна кампания по производству ²⁵²Cf даёт миллиграммы ²⁴⁹Bk, микрограммы ^253/254Es и пикограммы ²⁵⁷Fm. Для сравнения: если миллиграмм — это вес песчинки, то микрограмм — микроскопическая пылинка, а пикограмм — вес ДНК одной клетки. «Для тех количеств, которые мы производим, вы не должны видеть ничего невооружённым глазом, — говорит Кристиан Селис-Баррос, радиохимик ORNL, возглавляющий проект. — Вот насколько это чисто».

Фермий — сотый элемент периодической таблицы, названный в честь Энрико Ферми. Он был обнаружен в 1952 году в обломках первого термоядерного взрыва «Иви Майк» на атолле Эниветок. Исследователи из Беркли просеяли тонны радиоактивного коралла и нашли около 200 атомов нового элемента. С тех пор фермий остаётся самым тяжёлым элементом, который может быть получен нейтронной бомбардировкой лёгких элементов, и последним, который можно приготовить в макроскопических количествах.

Наиболее долгоживущий изотоп ²⁵⁷Fm имеет период полураспада 100,5 суток. Этого достаточно для химических экспериментов, но недостаточно для накопления запасов. Фермий не имеет применений за пределами фундаментальных исследований. Именно поэтому работа ORNL так важна: она снимает материальное ограничение с целого направления науки.

В ходе последней кампании Селис-Баррос заменил смолу в разделительной колонке, чтобы улучшить отделение эйнштейния-253/254 от ²⁵⁷Fm. «В предыдущих кампаниях не было интереса к разделению эйнштейния и фермия друг от друга», — пояснил он. Финальный материал достиг чистоты 99,93%. Это означает, что исследователи впервые получат доступ к фермию в форме, пригодной для прецизионных экспериментов.

²⁴⁹Bk — ключевой материал для синтеза сверхтяжёлых элементов. Именно мишень из ²⁴⁹Bk, облучённая ионами ⁴⁸Ca на циклотроне в Дубне, позволила в 2010 году получить теннессин — 117-й элемент периодической таблицы. ORNL производил эту мишень; в общей сложности в открытии участвовали два американских и два российских национальных лаборатории.

Усовершенствование процесса очистки берклия дало визуально драматичный результат. Селис-Баррос добавил дополнительную стадию колоночной хроматографии, которая удерживает ²⁴⁹Bk и пропускает примеси. Мутный желтоватый раствор превратился в чистое кристаллическое зелёное твёрдое вещество. «Не нужно быть химиком, чтобы понять: одно красивое, а другое — нет», — прокомментировал исследователь.

Для эйнштейния-253/254 Селис-Баррос использовал колонки того же типа, что и для берклия, но оптимизировал условия для максимального отделения от ²⁵²Cf. К концу кампании выход эйнштейния составил 95% за один прогон колонки — значительно больше, чем в прошлые кампании. «Было приятно увидеть это в конце кампании», — сказал он. Этот успех даст команде фору на следующую кампанию в 2027 году.

Доступ к редким изотопам — это не только вопрос химии разделения. Это вопрос наличия уникальных установок. ORNL располагает высокопоточным изотопным реактором HFIR — одним из двух реакторов в мире с достаточным потоком нейтронов для облучения кюриевых мишеней. Остановка кампании по производству калифорния-252 означала бы остановку поставок берклия-249, эйнштейния и фермия для всей мировой науки.

Производство ²⁵²Cf требует участия около 75 сотрудников на всех этапах — от изготовления мишеней до финальной очистки. Кампании проводятся раз в два года: период полураспада ²⁵²Cf составляет 2,6 года, и более частые кампании экономически нецелесообразны. Это означает, что каждый цикл должен быть максимально эффективным. Оптимизация процессов разделения, выполненная Селис-Барросом, сокращает время работы в горячих камерах и снижает дозовые нагрузки на персонал.

Параллельно в ORNL ведётся работа по ускорению самого производства ²⁵²Cf. Радиохимик Летиция Дельмо разработала новый процесс экстракции, который заменяет традиционное снижение кислотности раствора (занимавшее около недели) использованием нейтрального лиганда, работающего в сильнокислой среде. Новый метод

Фермий остаётся плохо изученным элементом. Его химия типична для поздних актинидов: преобладает степень окисления +3, но доступна и +2. Расчётная конфигурация внешних электронных оболочек — 5f¹²7s². Однако экспериментальные данные крайне ограничены из-за невозможности работать с весовыми количествами.

«Физики заинтересованы, — говорит Селис-Баррос. — Им нужны атомы для экспериментов». Доступ к фермию-257 с чистотой 99,93% может изменить ситуацию. Возможные направления исследований включают уточнение спектроскопических характеристик, изучение координационной химии и проверку релятивистских эффектов, предсказанных для тяжёлых элементов. Фермий также может найти применение в ядерной медицине, хотя до этого ещё далеко.

Связь с синтезом сверхтяжёлых элементов здесь прямая. ²⁴⁹Bk из ORNL уже использовался для получения теннессина, а радиоизотопы лаборатории внесли вклад в открытие или подтверждение флеровия (114), московия (115), ливермория (116) и оганесона (118). Следующие элементы — 119 и 120 — потребуют мишеней из ещё более редких изотопов. Доступность фермия и эйнштейния может оказаться критичной для этих экспериментов.

Работа ORNL демонстрирует смену оптики в радиохимии. Вместо поиска новых источников редких изотопов исследователи обратились к уже существующим потокам материалов и нашли способ извлекать из них то, что раньше терялось. Фермий, эйнштейний и берклий — элементы, которые невозможно купить или синтезировать «под задачу». Их можно только «поймать» в процессе производства других изотопов, и именно это удалось сделать с рекордной эффективностью. Результат — не просто улучшение технологии, а снятие материального барьера для целого направления фундаментальной науки.