Ларс Орстрём - Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Мы не станем задерживаться на детальном описании элемента циркония, но вам следует знать, что в Периодической таблице он находится в середине, в большом семействе элементов, которые называют переходными металлами. Возможно, вы слышали о его кузене титане, расположенном прямо над ним, и о родном брате гафнии, стоящем на ступеньку ниже.

Почему я называю их родными братьями? Потому что элементы, расположенные в Периодической таблице в одной группе (то есть столбце), часто имеют схожие химические свойства. В частности, в центральной ее части, в семействе переходных металлов, состоящем из 27 элементов, – все они имеют много общих свойств – два нижних элемента обычно больше всего похожи друг на друга.

Схожие химические свойства циркония и титана означают, что мы обычно можем найти цирконий там, где добываем гораздо более распространенный титан; кроме того, как только мы отделим титан от циркония, за ними потянется некоторое количество гафния – примеси, от которой гораздо труднее отделаться.

Ушлого ювелира из Габороне не волнует, есть ли в его фальшивых бриллиантах следы HfO 2, смешанного с ZrO 2. Для нетренированного глаза это никак не повлияет на блеск, твердость или прозрачность камня, но для инженеров, проектирующих первые ядерные реакторы для электростанций в США, дело обстояло совсем иначе.

Всесторонние испытания различных материалов после Второй мировой войны показали, что сплав, основным компонентом которого служит металлический цирконий, лучше всего подойдет для покрытия оксида урана в топливных стержнях, которые предполагалось использовать в ядерных реакторах. Загвоздкой для инженеров, внедрявших эту технологию на электростанциях, оказалось то, что металл должен быть полностью очищен от примесей гафния. Причина заключается в том, что цирконий и гафний схожи во всем, кроме ядра – того места, где заканчивается химия и начинается физика. Эти два элемента (или, выражаясь точнее, их природные изотопы) очень по-разному реагируют, когда сталкиваются с нейтронами; как объяснил бы физик, их нейтронные сечения сильно различаются.

Для того чтобы цепная реакция деления ядра урана в ядерном реакторе шла с соответствующей низкой скоростью, требуется постоянный поток нейтронов. Если их будет слишком много, реакция выйдет из-под контроля, а если слишком мало – она просто прекратится. В обычном ядерном реакторе происходит следующее: уран-235, или 235U на языке химиков, сталкивается с нейтроном, имеющим массовое число 1. Далее может произойти множество вещей, самая важная из которых расщепление ядра урана с образованием двух новых атомов, 92Kr и 141Ва. Как вы заметили, сумма массовых чисел этих двух атомов не равняется 235 + 1 = 236: не хватает трех атомных единиц массы. Это происходит потому, что во время реакции испускаются три новых нейтрона, каждый из которых может расщепить еще одно урановое ядро и выпустить еще три новых нейтрона. Это и есть основа знаменитой цепной реакции в атомной бомбе. Эта реакция может стать совершенно неуправляемой, если тщательным образом не контролировать количество свободных нейтронов в реакторе.

Во время работы над проектом атомной электростанции металлы анализировали на наличие многих свойств, одним из которых была их способность захватывать нейтроны; уровень и детальность этого анализа были беспрецедентными по сравнению со всеми инженерными проектами прошлого. Ученые обнаружили, что все природные изотопы циркония имеют очень маленькое сечение захвата тепловых нейтронов; это означает, что нейтрон, столкнувшийся с атомом циркония, просто оттолкнется от него и полетит к другому атому. А вот изотоп гафния 178Hf, представляющий собой каждый второй встречающийся в природе атом гафния, испытывает большую симпатию к этим элементарным частицам. 178Hf легко поглощает нейтрон, в результате чего образуется 179Hf, тоже стабильный и встречающийся в природе изотоп. Самое малое количество гафния во внешнем слое топливных стержней быстро поглотит нейтроны, остановит цепную реакцию, и реактор встанет. Положительный аспект всего этого заключается в том, что гафний можно использовать в управляющих стержнях , которые опускаются между топливными стержнями реактора и эффективно останавливают процесс расщепления, поглощая все питающие его нейтроны.

Мы начали главу с обручального кольца в Габороне – городе, расположенном недалеко от пустыни Калахари в не имеющей выхода к морю Ботсване, а завершим ее рождественской историей из Северной Атлантики. Любопытное совпадение: гафний назван в честь датской столицы Копенгагена (Køpenhavn по-датски), и незадолго до Рождества в 1951 году легендарный (мы скоро поймем почему) датский капитан торгового судна Курт Карлсен покинул Гамбург на ходившем под американским флагом грузовом пароходе Flying Enterprise («Флаинг Энтерпрайз»), следовавшем в Нью-Йорк. Датчанином был не только капитан: судно принадлежало живущему в Нью-Йорке датчанину Хенрику Исбрандсену – необычному предпринимателю, связанному родственными узами со знаменитым семейством Мерск, чьи суда даже сегодня можно встретить во всех главных морских портах.