Текст книги "Металлы и человек"
Автор книги: Михаил Васильев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 25 (всего у книги 30 страниц)
Соперник железа
От самого слова «титан» веет чем-то могучим, несокрушимым. Вспоминаются боги Древней Греции, сыны Урана (неба) и Геи (земли), восставшие против самого Зевса. Побежденные, они были низвергнуты в вечный мрак подземного царства. А последнего из титанов, рассказывают греческие мифы, Прометея, который похитил у богов огонь и научил людей обращению с ним, властный бог приковал к одной из скал далекого Кавказа. Но и осужденный на вечные муки, не смирился он, упрямый и непреклонный.
Впрочем, когда немецкий химик Мартин Клапрот открыл в 1796 году новый металл, он ничего по существу не знал об его удивительных свойствах. Мало того, ни крупинки этого металла не держал он в руках, ибо получить ему удалось только серый порошок окисла металла – «землю», как говорили тогда. А имя образующему эту «землю» металлу, по его собственному признанию, он дал просто по традиции, – обратившись к греческой мифологии.
Впрочем, английский химик Вильям Грегор на четыре года раньше столкнулся с титаном. Но – так исторически получилось – не ему выпала честь назвать металл. Данное им название не прижилось. А тот факт, что два химика почти одновременно в разных горных породах открыли наличие одного и того же металла, свидетельствует о его широкой распространенности в земной коре.
Действительно, содержание титана в земной коре превосходит 0,6 процента. Это очень много. Титан – четвертый по распространенности металл. Больше в земной коре содержится только алюминия, железа и магния. Титана в три раза больше, чем марганца, хрома, ванадия, цинка, никеля и меди, вместе взятых.
Но, несмотря на то что титан относится к числу самых распространенных элементов, он долго не давался людям. Только в 1910 году удалось впервые получить металлический титан. Первые несколько граммов нового металла не отличались высокой чистотой. Да и долгие годы еще удавалось получать только загрязненный металл. И о титане прошла дурная слава как о непрочном, хрупком, бесполезном металле, не поддающемся обработке. И долго считали, что единственное применение ему – быть легирующей добавкой в сталях да идти на производство высококачественных белил.
Только в последние годы и десятилетия развеялась эта слава. Металлурги изучили свойства титана и были изумлены ими. Они оказались несравнимо лучшими, чем у тех металлов и сплавов, которые издавна служили человеку. Оказалось, что титан почти вдвое легче железа, ко обладает прочностью, превосходящей прочность углеродистых сталей и приближающейся к лучшим нержавеющим сталям.
Это колоссальное преимущество! Представим себе, что на турбореактивном двигателе самолета заменили стальные лопатки компрессора титановыми. Их вес составит всего 59 процентов от веса стальных лопаток. Но ведь это повлечет за собой изменение всей конструкции двигателя. Более легким стал ротор – менее массивными, жесткими можно сделать опоры, подшипники ротора. Уменьшение массы ротора позволяет быстрее заводить и разгонять турбореактивный двигатель. И т. д. и т. д. Он позволяет облегчить самолет, а значит, увеличить дальность его полета, высоту, скорость, грузоподъемность.
Титан обладает высокой температурой плавления– 1680 градусов. Своей прочности он не теряет при нагревании до 537 градусов. Добавкой легирующих элементов эту температуру можно поднять до 650 градусов. А ведь прочность магниевых и алюминиевых сплавов резко падает уже при температурах около 315 градусов.
Растут скорости самолетов, и огромную роль начинает играть их аэродинамический нагрев, нагрев о встречный воздух. Еще сильнее нагреваются, проходя сквозь плотные слои атмосферы, высотные ракеты. На всесоюзной Выставке достижений народного хозяйства СССР летом 1959 года демонстрировалась головная часть такой ракеты, заброшенной к преддверию космического пространства и на парашюте опустившейся на Землю вместе с заключенными в ней приборами. Но парашют раскрылся недалеко от Земли, а большую часть атмосферы ракета прошла со скоростью нескольких километров в секунду, и страшный жар от встречного потока воздуха опалил поверхность ракеты. Так и лежит она со следами небесного огня, родственного тому, которым пылают в ясные ночи метеориты.
Как важно иметь металл, который выдерживал бы высокую температуру нагрева и не размягчался, не терял своей высокой прочности!
Титан обладает удивительной антикоррозионной стойкостью. Пластинку титана можно выбросить на улицу – пройдет год, с дождями, грязью, морозами, оттепелями, и следа ржавчины не появится на ней. Железная, испытавшая столько же, вся покроется рыжим налетом или даже насквозь проржавеет. И эти антикоррозионные свойства титан сохраняет до 400–500 градусов. А легированный хромом, алюминием и кремнием – и еще дальше.
По своей антикоррозионной стойкости титан превосходит нержавеющие хромоникелевые стали. На него не действует даже страшная для многих металлов морская вода.
Многие кислоты не страшны для титана. Против него бессильна даже всесъедающая «царская водка».
Все это открывает титану широкий путь для использования в морском и речном флоте, в химической и пищевой промышленности. Вероятно, титановые танкеры и титановые корпуса океанских кораблей – реальность ближайшего времени.
Выгодна ли замена дорогим сегодня титаном более дешевых материалов? Да, в целом ряде случаев.
Вот один пример. В химическом реакторе работала в горячей азотной кислоте мешалка из нержавеющей стали. Трудно противиться этой кислоте, учитывая еще то, что ее агрессивные способности умножены высокой температурой. И каждые несколько месяцев мешалку приходилось менять: даже всемогущая «нержавейка» не выдерживала более продолжительное время разъедающих атак кислоты.
Для смены мешалки останавливали весь цикл производства. Стоило это в десять раз больше, чем сама съеденная кислотой деталь.
И вот мешалку сделали из титана. Правда, обошлась она втрое дороже, чем прежние из «нержавейки». Но она проработала без замены целых пять лет.
А теперь подумайте, рациональна ли была эта замена?
Детали из нержавеющей стали, работающие в выщелачивающем автоклаве, приходится заменять каждые несколько часов. А титановые работают несколько лет.
Чугунные диффузоры пароструйных эжекторов меняют каждые три месяца. Титановые служат, не требуя замены, по нескольку лет.
Рационально ли внедрение титана во всех этих случаях?
Мы знакомы с железом. Буквально по всем показателям превосходит титан этого сегодняшнего «короля металлов». И как только ученые и металлурги выяснили это, начало стремительно расти производство юного металла. Приведем несколько цифр. В 1910 году впервые в мире были добыты граммы титана. В 1947 году в США получены первые две тонны этого металла. К 1951 году производство титана достигло 500 тонн, а в 1956 году приблизилось к 40 тысячам тонн. В 1960 году в США, по зарубежным данным, предполагалось получить 350 тысяч тонн титана!
История металлургии знает примеры того, как быстрый рост потребности вызывал не менее стремительный рост производства того или иного металла. Такова, например, судьба алюминия, из которого во времена наших прабабушек ювелиры выделывали драгоценнейшие броши, а в наши дни штампуют сотнями тысяч экземпляров раскладные кровати. Но такого стремительного взлета еще не знал ни один металл.
И это при условии, что далеко не все свойства и особенности титана выяснены и приняты на вооружение. Очень многое еще не ясно. В бесчисленных металлургических лабораториях ученые выпытывают сейчас тайны титана. Его рвут на части, гнут, испытывают при высоких и сверхнизких температурах, сплавляют с другими металлами, сваривают, действуют токами высокой частоты и ультразвуком.
Стремятся изучить новичка со всех сторон, как сегодня со всех сторон изучено железо.
Сколько интересного открывается ученым!
Оказывается, что легирование вольфрамом, алюминием, бериллием и бором уменьшает скорость ползучести титана при высокой температуре в 25–40 раз.
Даже незначительные количества азота, кислорода и водорода в титане резко изменяют его свойства – он становится прочнее, но снижаются его пластические свойства.
Наиболее перспективны сплавы титана с алюминием. И т. д. и т. д.
Хвастовство? Нет, уверенность!
Титан – металл с огромным будущим. За это – и его удивительные свойства, и широкая распространенность в природе, и наличие больших залежей руд, содержащих значительные количества титана.
Пока еще сложна и дорога технология его производства. Но и она упрощается с каждым днем, и титан с каждым днем дешевеет. За три года – с 1955 по 1958 – цена титана на мировом рынке упала вдвое.
Дорогу титану – металлу удивительных возможностей!
Работа по совместительству
Мы говорили только о работе титана по его основной специальности– в качестве материала, из которого конструкторы проектируют детали химической аппаратуры, сверхскоростных самолетов, космических ракет. Но титан совсем недавно перешел на эту должность. Прежде у него были другие дела, которые, впрочем, остаются и останутся за ним, каких бы удивительных успехов он ни достиг в других областях. Пусть эти дела скромнее, но и они важны для человека.
Самым первым применением титана было использование его соединения с кислородом для изготовления белой масляной краски. Титановые белила считаются лучшими в мире. Они обладают высокой кроющей способностью и постоянством состава.
Применяют окислы титана для изготовления тугоплавких стекол, люминесцентных светящихся составов, дымообразующих веществ (они применяются отнюдь не только в военном деле, а и, например, при окуривании посадок во время весенних заморозков), катализаторов, работающих при производстве синтетического каучука, и т. д.
Важное значение приобрел и карбид титана – его соединение с углеродом. Это вещество, обладающее высочайшей твердостью, входит в состав многих металлокерамических сплавов.
Нельзя забыть и «служебных» функций титана в металлургии. Используя его величайшую химическую жадность, титан применяют в качестве раскислителя стали. Титан удаляет из раскисляемого металла не только кислород, но попутно и азот: ведь титан жадно соединяется при высоких температурах с этим газом. Вместе с тем присутствие титана в стали улучшает ее качество. Титан, главный металл завтрашнего дня, – тоже один из витаминов главного металла сегодняшнего дня.
Наряду с внедрением титана – конструкционного материала будет расти и применение титана в других разнообразных отраслях техники.
IX. ТОПЛИВО ЯДЕРНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Великий Менделеев гениально предвидел изумительные свойства последнего элемента составленной им периодической системы. Он писал:
«Убежденный в том, что исследование урана, начиная с его природных источников, поведет еще ко многим новым открытиям, я смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особо тщательно заниматься урановыми соединениями».
Это было опубликовано в 1872 году. И уже в 1896 году сбылось предвидение русского ученого, ибо в феврале этого года французский физик Анри Беккерель сделал интереснейшее сообщение в Парижской Академии наук.
Вот отрывки из протокола об этом сообщении:
«…фотографическую бромо-серебряную пластинку Люмьера обертывают двумя листами очень плотной черной бумаги… На положенный сверху лист бумаги накладывают какое-либо фосфоресцирующее вещество (бисульфит урана и калия)… При проявлении пластинки на черном фоне появляется силуэт фосфоресцирующего вещества».
Крохотный лучик, засветивший фотопластинку в опыте Анри Беккереля, был первым лучом зари грядущего века атомной энергетики. Но немало труда должны были еще положить ученые, чтобы во всю ширь горизонта засияло зарево этой зари.
Пьер Кюри и Мария Кюри-Складовская были первыми, продвинувшими дальше работы Беккереля. В чудовищно тяжелых условиях получили они первые крупинки казавшегося тогда самым чудесным элементом на свете – радия. Всю жизнь посвятила оставшаяся одна Складовская исследованиям чудесного металла и погибла от болезни, которой только десятилетиями позже придумали имя – «лучевая».
На одной из всемирных выставок демонстрировались страницы из дневника лабораторных записей, которые вела Складовская. Когда к чуть пожелтевшим листкам бумаги подносили трубку Гейгера, прибор начинал трещать, засекая лавины элементарных частиц. Это с тонких пальцев женщины-ученой, перебравших по крупинкам сотни тонн урановой руды, попали сюда пылинки радиоактивных элементов, и доныне сохранивших свою казавшуюся тогда волшебной силу радиации.
И все же уран и радий оставались просто экзотическими казусами природы. Только открытия, сделанные в конце тридцатых годов, поставили реально на повестку дня вопрос о практическом использовании заключенной в ядре атома энергии.
Сегодня уже целый ряд электростанций в разных странах мира работает, используя энергию атомного ядра. Самая первая в мире такая электростанция была построена в нашей стране. В нашей стране спущен на воду и первый в мире атомный ледокол.
С энергией урана связаны великие надежды и великие опасения человечества. Целью всех прогрессивных людей стало поставить эту энергию на службу миру и прогрессу.
Будущее урана – это атомные космические ракеты и самолеты, движущиеся с фантастической скоростью в ионосфере, гигантские суда, обеспеченные одним зарядом «топлива» на десятки лет, и карманные фонари, одной батарейки которых хватает на всю жизнь человека. Будущее урана – это преобразование климата материков планеты, сооружение искусственных островов и уничтожение «лишних» горных хребтов, отепление Арктики и обводнение пустынь.
Вот какие фантастические перспективы сулит этот удивительный металл!
Тезка седьмой планеты
В 1781 году знаменитый английский астроном Вильям Гершель, наблюдая с помощью самодельного телескопа небо, обнаружил светящееся облачко, которое принял сначала за комету. Однако дальнейшие наблюдения убедили ученого, что это не комета, а новая, седьмая планета солнечной системы, родная сестра Земли. Гершель назвал ее по имени бога неба древних греков – Ураном.
Открытие Гершеля произвело огромное впечатление на все круги общества, привлекло всеобщее внимание к безвестному до этого скромному астроному-любителю. Одним из проявлений этого внимания и восхищения и было то, что немецкий химик М. Г. Клапрот в 1789 году назвал именем новой планеты открытый им металл.
Впрочем, Клапрот, как это часто бывало в те времена, получил не чистый уран, а его окисел, «землю». Металлический уран впервые выделил в 1841 году французский химик Э. Пелиго, восстановив его металлическим калием.
Уран оказался не очень интересным по своим механическим и химическим свойствам металлом. Прежде всего он обладает очень большим удельным весом – 19,05 г на куб. см, то есть он почти вдвое тяжелее свинца. Уран сравнительно мягкий металл, легко поддающийся механической обработке. При высоких температурах его можно ковать, волочить, выдавливать. Из него и делают этим способом трубы разного сечения, проволоку, фольгу.
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?
Сможет, обязательно сможет!
Во-первых, будут совершенствоваться и становиться все экономичнее способы производства атомного горючего.
Во-вторых, будет происходить накопление атомного горючего за счет выработки его в атомных реакторах некоторых типов. Дело в том, что нередко «зола», выгребаемая из атомных котлов, содержит в себе даже больше атомного горючего, чем было в них сожжено. Чем больше мы сжигаем в атомных электростанциях горючего, тем больше его имеем. Это парадоксально, но выгодно.
Ученые рассчитали, что при рациональном расходовании атомного горючего на АЭС с применением вновь получающегося горючего на новых электростанциях уже через 30 лет можно было бы удовлетворить потребности в электроэнергии всего человечества.
И поэтому атомная энергетика развивается семимильными шагами. В 1954 году вступила в строй первая в мире атомная электростанция Академии наук СССР мощностью в 5 тысяч киловатт. Осенью 1958 года дала промышленный ток первая очередь крупнейшей в мире советской атомной электростанции, общая мощность которой будет составлять 600 тысяч киловатт. А в декабре 1957 года спущен на воду гигантский ледокол «Ленин». Мощность двигателей этого ледокола, работающего на атомном топливе, составляет 44 тысячи лошадиных сил.
Советский Союз идет впереди других стран по мирному использованию атомной энергии.
