Металлы и человек - Михаил Васильев

Внешне уран напоминает сталь. Свежеотполированная его поверхность имеет серебристый, чуть голубоватый отблеск. Однако на воздухе она через несколько часов тускнеет. А тонкая пыль урана, распыленная в сухом воздухе, даже самовозгорается. Погруженный в воду, он медленно разлагает ее. Все это говорит о химической активности урана.

Впрочем, никто никогда и не пытался применить уран в качестве конструкционного материала (даже в качестве легирующих добавок к стали не нашел он себе применения). И если бы не другие удивительные его свойства, так и оставался бы он практически бесполезным элементом, занимающим последнее место в периодической системе, скупые образцы крупинок которого можно было бы встретить в немногих коллекциях лучших университетов, да и там его держали бы только для полноты этих коллекций. Лишь некоторые соединения урана использовались бы в фотографии и стекловарении.

Но уран оказался обладателем изумительных специфических свойств. Он непрерывно самопроизвольно выплескивает потоки лучей. При этом ядра атомов урана распадаются, превращаясь в атомы других элементов. И на этот процесс не может повлиять ни то, в состав каких веществ входит уран, ни температура, ни агрегатное состояние, в котором он находится.

В результате радиоактивного распада уран превращается в свинец. Процесс этот происходит, правда, чрезвычайно медленно. Один грамм урана содержит 2,51021 атомов. Каждую секунду из этого количества распадается около 12 тысяч атомов. Чтобы распалась половина всех атомов этого грамма урана, надо около 5 миллиардов лет. За следующие 5 миллиардов лет распадается половина оставшейся половины атомов и т. д.

При этом распаде выделяется огромное количество энергии. При распаде ядер одного килограмма урана выделяется такое количество энергии, что его хватит для кругосветного рейса паровоза через оба полюса.

Открывшиеся возможности овладеть этой энергией и сделали уран важнейшим металлом современности.

Ядра атома — новое горючее

Одна из важнейших характеристик горючего — количество энергии, выделяющейся при его сжигании. В этом отношении атомное горючее не имеет себе равных.

Один килограмм лучшего, самого калорийного топлива, нефти, при полном сжигании выделяет 11,6 киловатт-часа энергии.

Один килограмм урана — 22 900 тысяч киловатт-часов энергии!

Тепловая электростанция мощностью 600 тысяч киловатт сжигает в сутки 5 эшелонов каменного угля. Электростанция такой же мощности, работающая на атомном горючем, потребует в год около тонны урана.

Буквально несоизмеримые величины!

Так почему же не построены до сих пор повсеместно только атомные электростанции? Почему мы до сих пор возимся с добычей угля и нефти, строим громоздкие и дорогие гидроэлектростанции?

Может быть, атомное горючее, в первую очередь уран и торий, чрезвычайно редкие элементы? Ведь всего два десятка лет тому назад лишь в немногих лучших академических лабораториях можно было найти в коллекциях пробирку с сероватыми кусочками урана на дне, лишь немногие физики держали хоть раз в жизни непривычно тяжелые крупинки этого вещества на своей ладони.

Нет, уран не редкий элемент. Земная кора на 0,0005 процента состоит из урана. Примерно столько же в земной коре содержится свинца. А разве свинец можно считать редким металлом? Меньше в земной коре содержится и таких металлов, как висмут, серебро, золото, платина.

Мал да удал.

В полтора раза больше, чем урана, содержится в земной коре другого металла, способного служить ядерным горючим, — тория — 0,0008 процента.

Однако уран редко содержится в значительных количествах. Он обычно присутствует в рудах других элементов в качестве добавки. Даже при переработке богатых урановых руд из 100 тонн урановой руды выделяют всего 70 кг чистого металла, да и из этого металла лишь незначительная часть (всего около 500 г) составляет изотоп урана, называемый «уран-235», который может быть сразу применен в качестве ядерного горючего.

Чрезвычайно сложна металлургия урана и тория. Руду урана подвергают измельчению, обогащению, многократным последовательным растворениям в разнообразных химических реактивах и только после этого осуществляют собственно металлургический процесс — восстановление металлического урана или получение его газообразного соединения — шестифтористого урана.

Все эти процессы чрезвычайно осложняются ядовитыми свойствами урана. Надо внимательно следить за тем, чтобы ни пыль, ни пары урана не попадали в окружающую атмосферу. Ядовиты и огнеопасны некоторые растворители урановых соединений, поэтому заводы, производящие уран, имеют сверхмощную противопожарную защиту. И все-таки, когда получен слиток металлического урана, можно считать, что пройдена только половина пути превращения желтовато-зеленых камней добытой в земле руды в горючее атомных электростанций.

Металлический уран состоит главным образом из двух изотопов — урана-238 и урана-235. В качестве ядерного горючего в первую очередь применяется уран-235. Его и надо выделить из общей массы металлического урана.

Методы химии, применяемые для разделения вещества, бессильны помочь в этом случае. Нет такого растворителя, который растворил бы уран-238 и позволил отделить в виде нерастворимого осадка уран-235. Нет такого вещества, которое бы вступило в реакцию с ураном-235 и осталось бы нейтральным по отношению к урану-238. Оба изотопа урана, как и вообще всякие изотопы, являются, с точки зрения химии, неразделимыми близнецами.

Единственное отличие атома одного изотопа урана от атома другого изотопа в их массе, да и то эта разница только чуть-чуть больше процента. Но эта разница — единственное, чем можно воспользоваться для разделения изотопов урана.

Так начинается цепная реакция.

Физики знают много способов разделения веществ, отличающихся по весу. Одним из устройств, осуществляющих такое разделение, является всем известный сепаратор. В его приемный бак наливают обычное молоко, а из выводного устройства вытекают отдельно густые желтые сливки и синяя обезжиренная сыворотка. Разделение было осуществлено внутри сепаратора центробежной силой, которая в завихренных струях молока отделила, отжала к периферии более тяжелую сыворотку и подняла над ней легкие частицы жира.

Но и этот и другие способы разделения применимы к газообразным, жидким, сыпучим телам. А металлический уран — твердое тело, и размолоть его в порошок, частицы которого были бы величиной всего в один атом, конечно, невозможно.

Поэтому-то разделение изотопов урана производят, применяя не металлический уран, а его соединение со фтором — шестифтористый уран.

В обычных условиях это также твердое вещество. Однако оно испаряется при сравнительно невысокой температуре, и тогда его можно было бы направлять в центрифугу или систему центрифуг для разделения изотопов.

Однако в атомной промышленности обычно применяется другой способ разделения изотопов — метод газовой диффузии. Метод использования центрифуг, как показали расчеты, оказался бы слишком дорогим.

На фотографиях зарубежных газодиффузионных заводов видны огромные, занимающие целые гектары, плотно поставленные рядом друг с другом коробки — это диффузионные камеры. Они отделяются друг от друга мелкопористыми фильтрами, сквозь которые из одной камеры в другую диффундируют молекулы шестифтористого урана. При этом более легкие молекулы, содержащие уран-235, диффундируют несколько быстрее молекул урана-238. На этом и основана вся работа газодиффузионных установок.

Конечно, в связи с тем, что очень невелика разница их весов, невелика и разница в скорости диффузии их через мелкопористую перегородку. Поэтому процесс разделения приходится повторять несколько тысяч раз, прежде чем будет получен шестифтористый уран, в котором почти нет молекул урана-238.

Этот процесс разделения изотопов требует расхода огромных количеств электроэнергии, тепла, воды. Недешево обходится современной технике разделение близнецов — изотопов урана!

Еще сложнее процессы получения других ядерных горючих — плутония и урана-233. Первый получают из урана-238 после специальной обработки его в атомных котлах; второй аналогичным способом получают из тория.

Вот поэтому-то и обходится еще в настоящее время электроэнергия, вырабатываемая атомными электростанциями, дороже не только электроэнергии ГЭС, но и электроэнергии тепловых станций.

Так что же, атомная энергетика бесперспективна? Электроэнергия, выработанная атомной электростанцией, никогда не сможет конкурировать по дешевизне с электроэнергией от гидростанции?