Край Будущего

На прошлой неделе Израиль нанёс удары по трем ключевым ядерным объектам Ирана — Натанзу, Исфахану и Фордау, в результате чего погибли несколько иранских ядерных учёных. Эти объекты находятся под серьёзной охраной и в значительной степени расположены под землёй, и поступают противоречивые сообщения о том, какой ущерб был нанесён.

Натанз и Фордоу являются заводами по обогащению урана, а Исфахан обеспечивает их сырьевыми материалами, поэтому любые повреждения этих объектов ограничивают возможности Ирана в производстве ядерного оружия.

Но что же такое обогащение урана и почему оно вызывает опасения?

Чтобы понять, что значит "обогащать" уран, необходимо немного разобраться в изотопах урана и процессе деления атомов в реакции ядерного деления.

Что такое изотоп?

Все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов. Количество протонов определяет химические свойства атомов, различая химические элементы.

Атомы имеют одинаковое количество протонов и электронов. Например, у урана 92 протоны, тогда как у углерода — шесть. Однако у одного и того же элемента могут быть разные количества нейтронов, что формирует версии элемента, называемые изотопами.

Это не имеет большого значения для химических реакций, но ядерные реакции могут различаться значительно.

Разница между ураном-238 и ураном-235

Когда мы добываем уран из земли, 99,27% из него составляет уран-238, имеющий 92 протона и 146 нейтронов. Лишь 0,72% составляет уран-235 с 92 протонами и 143 нейтронами (остальные 0,01% — другие изотопы).

Для ядерных реакторов или оружия необходимо изменить пропорции изотопов. Это связано с тем, что только уран-235 может поддерживать цепную реакцию деления: один нейтрон вызывает деление атома, что производит энергию и несколько дополнительных нейтронов, вызывая дальнейшие деления, и так далее.

Это цепное деление высвобождает колоссальное количество энергии. В ядерном оружии целью является достижение этой цепной реакции за доли секунды, что приводит к ядерному взрыву.

В гражданских ядерных энергетических установках цепная реакция контролируется. Ядерные электростанции в настоящее время производят 9% мирового энергопотребления. Другим важным гражданским использованием ядерных реакций является производство изотопов, используемых в ядерной медицине для диагностики и лечения различных заболеваний.

Что же такое обогащение урана?

Обогащение урана означает извлечение природного элемента и увеличение доли урана-235 при удалении урана-238.

Существует несколько способов осуществления этого процесса (включая новые изобретения из Австралии), но в коммерческих целях обогащение в настоящее время выполняется с помощью центрифуг. Это как раз то, что происходит на иранских объектах.

Центрифуги используют тот факт, что уран-238 примерно на 1% тяжелее урана-235. Они берут уран (в газообразной форме) и используют роторы для вращения со скоростью 50,000 до 70,000 оборотов в минуту, при этом внешние стенки центрифуг движутся со скоростью 400-500 метров в секунду.

Это работает подобно соковыжималке для салата, которая откидывает воду к краям, в то время как листья салата остаются в центре. Более тяжелый уран-238 перемещается к краям центрифуги, оставляя уран-235 посередине.

Такой процесс недостаточно эффективен, поэтому вращение выполняется многократно, накапливая процент урана-235.

Большинство гражданских ядерных реакторов используют "слабообогащенный уран", который был обогащён до уровня от 3% до 5%. Это означает, что 3–5% общего объема урана в образце теперь составляет уран-235. Этого достаточно для поддержания цепной реакции и генерации электроэнергии.

Каков уровень обогащения, необходимый для ядерного оружия?

Для того чтобы получить взрывчатую цепную реакцию, уран-235 необходимо значительно более концентрировать, чем это требуется в ядерных реакторах для производства электроэнергии или медицинских препаратов.

Технически ядерное оружие можно создать с использованием всего лишь 20% урана-235 (известного как "высокообогащённый уран"), но чем больше будет обогащение урана, тем меньше и легче может быть оружие. Страны, обладающие ядерным оружием, обычно используют уран с обогащением около 90% — "военного" класса.

Согласно данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), Иран обогатил большие объёмы урана до 60%. На самом деле перейти от обогащения 60% к 90% проще, чем достичь начального уровня в 60%. Это связано с тем, что урана-238 остается всё меньше, который необходимо удалить.

Именно поэтому Иран считается находящимся на крайнем риске производства ядерного оружия, и почему технологии центрифуг для обогащения держатся в секрете.

В конечном счете, именно те самые технологии центрифуг, которые производят топливо для гражданских реакторов, могут быть использованы для создания ядерного оружия.

Инспекторы МАГАТЭ следят за ядерными объектами по всему миру, чтобы убедиться, что страны соблюдают правила, установленные в глобальном договоре о нераспространении ядерного оружия. Пока Иран утверждает, что обогащает уран только для "мирных целей", на прошлой неделе Совет МАГАТЭ постановил, что Иран нарушает свои обязательства по этому договору.

С помощью мощного телескопа Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) в Чили исследователи наблюдали эту гигантскую комету, находясь более чем на половине пути к Нептуну, на поразительном расстоянии в 16,6 раз больше расстояния от Солнца до Земли. Данные об этом открытии опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

C/2014 UN271 представляет собой настоящего гиганта, его диаметр составляет около 140 км — более чем в десять раз превышает размер большинства известных комет. До настоящего времени о том, как ведут себя такие холодные, удаленные объекты, было известно немного. Новые наблюдения выявили сложные и динамичные гейзеры угарного газа, извергающиеся из ядра кометы, предоставив первые прямые доказательства факторов, которые приводят к ее активности на таком значительном удалении от Солнца.

"Эти измерения дают нам возможность понять, как функционирует этот огромный, ледяной мир," — утверждает ведущий автор Натан Рот из Американского университета и Центра космических полетов имени Годдарда NASA. "Мы наблюдаем взрывы которые ставят новые вопросы о том, как эта комета будет эволюционировать по мере приближения к внутренней солнечной системе."

Телескоп ALMA наблюдал C/2014 UN271, фиксируя свет от угарного газа возле ядра и тепловое излучение, когда комета находилась еще очень далеко от Солнца. Благодаря высокой чувствительности и разрешающей способности ALMA ученые смогли сосредоточиться на крайне слабом сигнале от столь холодного, удаленного объекта.

Основываясь на предыдущих наблюдениях ALMA, которые впервые охарактеризовали большой размер ядра UN271, новые данные позволили измерить тепловой сигнал для более точного расчета размера кометы и количества пыли, окружавшей ее ядро.

Их оценки размеров ядра и массы пыли согласуются с предыдущими наблюдениями ALMA и подтверждают статус этой кометы как крупнейшей, найденной в Облачной области Оорта. Способность ALMA точно измерять эти сигналы сделала это исследование возможным, предоставив более ясное представление о этом далеком, ледяном гиганте.

Это открытие не только означает первое обнаружение молекулярного облака в комете-рекордсмене, но и предлагает редкое понимание химии и динамики объектов, происходящих из самых удаленных уголков нашей солнечной системы. По мере приближения C/2014 UN271 к Солнцу ученые ожидают, что больше замороженных газов начнет испаряться, открывая новые аспекты примитивного состава кометы и ранней солнечной системы.

Подобные открытия помогают ответить на фундаментальные вопросы о происхождении Земли и ее воды, а также о том, как могут формироваться условия, благоприятные для жизни, в других местах.

Представьте, что перед вами стоит задача испечь суфле, но единственная инструкция — это список ингредиентов без указания пропорций, температур и времени приготовления.

Скорее всего, для получения идеального суфле потребуется огромное количество времени, усилий и ингредиентов. Это потребует множества проб и ошибок — подбора компонентов, изменения температуры и продолжительности выпекания. Но что, если бы у вас была модель, способная предсказать конечный результат ещё до того, как ингредиенты попадут в чашу для смешивания? Это не только сэкономило бы недели экспериментов, но и позволило бы понять, почему суфле поднялось или опало, и откуда взялась его текстура.

Исследователи из Института передовых наук и технологий Бекмана (Beckman Institute for Advanced Science and Technology) не пекут суфле в буквальном смысле. Вместо этого они разработали вычислительную модель, которая анализирует химический "рецепт" создания полимеров, обеспечивая прогнозируемый контроль над самоорганизацией материалов, что позволяет получать новые текстуры и свойства.

«Это означает, что производители могут проектировать и моделировать материалы с заданными характеристиками — повышенной прочностью, меньшим весом или новыми функциями — ещё до того, как химикаты будут смешаны в лаборатории», — объясняет Джеффри Мур, директор Института Бекмана и профессор химии Иллинойского университета в Урбана-Шампейн.

Междисциплинарную команду возглавили Филипп Гюбель, исполнительный заместитель декана инженерного колледжа Грейнджер и профессор аэрокосмической инженерии, Джеффри Мур, а также ведущие исследователи — аспирантка Анна Крамблитт (материаловедение и инженерия) и постдок Дональд Бистри (аэрокосмическая инженерия). Их работа опубликована в журнале *Proceedings of the National Academy of Sciences*.

Фронтальная полимеризация — это метод быстрого превращения мономеров в полимеры за счёт распространения локализованной волны химической реакции. Полимерные материалы включают пластик, каучук и смолы. Мур сравнивает этот процесс с грозовым фронтом, а разработанную модель — с метеопрогнозом, предсказывающим путь шторма.

Жидкая смесь химических веществ при нагревании превращается в твёрдое вещество, и эта реакция распространяется подобно погодному фронту. Метод представляет собой химическую систему, в которой тесно связаны процессы реакции и теплопереноса.

Команда сосредоточилась на метатезисной полимеризации с фронтальным раскрытием кольца (FROMP) — новом методе создания настраиваемых материалов с различными формами и функциями путём реактивной обработки.

«Фронтальная полимеризация может использоваться для получения полимеров, а при определённых условиях — и материалов с периодическим рисунком, аналогичных тем, что встречаются в природе», — говорит Крамблитт.

В отличие от других синтетических методов, которые требуют сложных, многоступенчатых и трудоёмких процессов, FROMP позволяет материалам самоорганизовываться, как это происходит в природных системах.

Узоры в природе встречаются повсеместно: волнистые песчаные дюны, ветвящиеся деревья и кровеносные сосуды, фрактальные структуры, оптимизирующие распределение ресурсов, или спирали, наблюдаемые в ДНК, морских раковинах и ураганах. Эти структуры возникают из взаимодействия множества мелких компонентов без централизованного управления.

Многие природные узоры связаны с функциональностью. Например, полосы зебры помогают в терморегуляции и маскировке, а чередование жёстких и гибких участков на крыльях стрекоз делает их одновременно прочными и манёвренными.

Вдохновлённая такими проявлениями эмерджентного поведения в биологических системах, команда разработала интегрированную вычислительную и экспериментальную платформу для изучения и управления формированием узоров в синтетических материалах, полученных методом фронтальной полимеризации.

«Подобно балансировке гирь на весах, мы показали, как небольшие изменения в химическом равновесии могут нарушить баланс между кинетикой реакции и теплопереносом, что приводит к формированию узоров. В каком-то смысле, мы нашли рецепт создания материалов с заданной структурой», — объясняет Бистри.

Технология FROMP позволяет точно контролировать ключевые этапы полимеризации: ингибирование, инициирование и распространение. Изучая химические процессы на каждом этапе, исследователи выяснили, что сочетание равновесной и неравновесной динамики определяет формирование структуры в синтетических материалах.

Они также определили особое химическое равновесие, которое управляет формированием структуры во время полимеризации. Используя химию и термодинамику, команда инициировала экзотермические, самоподдерживающиеся реакции. Баланс между тепловыделением, кинетикой и теплопереносом обеспечивает устойчивое распространение фронта реакции и образование однородного материала.

Однако при изменении состава или теплового воздействия равновесие нарушается, и фронт становится неоднородным, что приводит к изменению микро- и макроструктуры материала. Например, можно получить материал с чередующимися полосами жёсткости и гибкости.

Продвигаясь дальше, команда интегрировала компьютерное моделирование, создав модель FROMP, основанную на принципах химической кинетики. Это позволило глубже понять, как возникают структуры в синтетических материалах, полимеризованных фронтально.

Таким образом, вместо того чтобы "выпекать" тысячи образцов в поисках идеального, учёные разработали модель, которая предсказывает, как изменения в рецептуре и температуре повлияют на конечный результат ещё до начала эксперимента.

«Я в восторге от той свободы в дизайне, которую даёт наше понимание системы. Это открывает двери для множества новых экспериментов. Я с нетерпением жду возможности создавать материалы с разнообразными узорами и изучать их поведение», — говорит Крамблитт.

Команда надеется использовать полученные знания для создания узорчатых материалов с настраиваемыми свойствами, имитирующими природные, чтобы добиться большей прочности и функциональности.

В сотрудничестве с исследователями из Массачусетского технологического института — Рафаэлем Гомесом-Бомбарелли и Лорен Чуа, специалистами по моделированию на основе теории функционала плотности (DFT), Гюбель планирует объединить их подход с моделью FROMP. Это позволит создавать модели для широкого спектра материалов и оптимизировать их свойства.

Систему моделирования можно сравнить с кулинарной книгой, а DFT — с информацией об ингредиентах. Чтобы рецепт работал, его нужно откалибровать, зная, например, энергетические характеристики каждого молекулярного компонента.

«Благодаря этой работе мы получаем возможность связать атомарный уровень с макроскопическим, чтобы разрабатывать экологически чистые материалы с помощью вычислений. Теперь мы можем создавать новые рецептуры катализаторов, мономеров и ингибиторов с нуля, что открывает путь к новым химическим направлениям», — говорит Чуа.

Это расширяет возможности проектирования реактивных, самоорганизующихся систем и позволяет создавать экологичные, биоинспирированные материалы с улучшенными свойствами.