Явление естественного разделения урана-234 и урана-238

Доктор физико-математических наук, профессор В. В. Чердынцев (Геологический институт АН СССР) и доктор технических наук, профессор П. И. Чалов (Институт физики и математики АН Киргизской ССР) открыли неизвестное ранее явление естественного разделения урана-234 и урана-238.

Уран был известен химикам еще во времена Д. И. Менделеева. В 1903 г. великий ученый писал: "Убежденный в том, что исследования урана, начиная с его природных источников, поведут еще ко многим новым открытиям, смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особо тщательно заниматься урановыми соединениями и прибавлю здесь, что для меня лично уран знаменателен уже потому, что играл выдающуюся роль в утверждении периодического закона..."

Разделение изотопов происходит в природе постоянно. Однако долгое время считалось, ч.то оно касается лишь легких элементов - водорода, азота, кислорода. углерода, серы, а изотопы более тяжелых элементов (начиная, примерно, с хлора) в природе не разделяются, и такой процесс возможен только в специальных установках.

Авторы открытия показали, что в естественных условиях при переходе самого тяжелого элемента периодической системы Менделеева - урана - из природных кристаллов в жидкости (в том числе в природные воды) происходит разделение его изотопов - урана-234 и урана-238, при котором жидкости обогащаются ураном-234. Образующийся при распаде урана-238 атом отдачи (торий-234) разрушает кристаллическую решетку, выбрасывая в пространство нарушений структуры кристалла тысячи атомов. Поскольку атом тория-234 остается в разрушенной области и впоследствии превращается в атом урана-234, в нарушениях структуры природных кристаллов создается избыток урана-234 по отношению к урану-238. Вода (или другая жидкость), проникающая в нарушения, выносит уран-элемент, обогащенный ураном-234.

Явление естественного разделения урана-234 и урана-238 подтверждено учеными СССР, США, Японии, Англии, Австралии и других стран. Исследования показали, что открытие имеет глобальные масштабы. Оказалось, что весь уран гидросферы и уран, поступивший из вод в другие земные образования, обогащен легким изотопом. Равновесное соотношение между ураном-234 и ураном-238 для урана, путешествующего с водой, является не правилом, а исключением. В этом смысле неравновесна даже столь большая природная система, как Мировой океан, в котором избыток урана-234 составляет около 17%.

Открытие изменило представления о возможностях естественного разделения изотопов тяжелых элементов. Оно показало, что такие возможности для радиоэлементов и радиогенных продуктов определяются ядерными процессами, постоянно происходящими в радиоактивных природных соединениях.

Исследование механизма явления естественного разделения урана-234 и урана-238 помогло установить наиболее общие закономерности разделения всех изотопов радиоактивных рядов в природных условиях. В соответствии с этими закономерностями при переходе из твердой фазы в жидкую степень разделения двух изотопов радиоактивного ряда при равных условиях определяется отношением констант распада, а также концентрацией и равномерностью распределения атомов родоначальника радиоактивного ряда в твердой фазе.

Обнаружение естественного разделения изотопов урана привело к выводу, что методы измерений геологического времени для четвертичного периода истории Земли, разработанные ранее и основанные на накоплении промежуточных продуктов распада урана-238, дают неверные результаты, так как их исходной посылкой является невозможность разделения этих изотопов в естественных условиях.

Неравновесный уран (с избытком урана-234) как новый инструмент познания позволил иначе подойти к решению ряда научных задач. Закономерности естественного разделения изотопов урана позволили разработать новый метод интерпретации радиоактивных аномалий при поисках уранового сырья.

Неравновесный уран лег в основу нового метода измерения геологического времени (геологических часов). Применение такого метода позволило, например, определить длительность существования крупных континентальных водоемов Советского Союза (Аральское море, Балхаш, Иссык-Куль и др.) и некоторые этапы их истории, решить некоторые спорные вопросы об их происхождении и связи между ними в прошлом. Это имеет и народнохозяйственное значение, так как позволяет оценивать перспективы континентальных водоемов, обоснованно решать вопросы природного экономического баланса и водообеспечения, охраны внешней среды.

Неравновесный уран получил широкое применение в океанологии, в частности для датирования океанических образований. С помощью этого индикатора удалось, например, решить дискуссионный вопрос о возможностях современного (в геологическом понимании) фосфорито-образования в океане, приобретающего практический интерес в связи с проблемой освоения ресурсов океана. Широкое применение неравновесный уран находит при решении задач гидрологии поверхностных и подземных вод, при выявлении скрытых разломов земной коры и т. п.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 163 с приоритетом от 27 марта 1954 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление естественного разделения урана-234 и урана-238, заключающееся в том, что при переходе изотопов урана из твердых природных ураносодержащих образований в жидкости, не растворяющие эти образования, происходит обогащение изотопной смеси ураном-234".