Техника - молодёжи 1956-08, страница 36

коэффициент разделения: отношение содержания дейтерия в обогащенной фракции к его содержанию в обедненной. Так как различия в свойствах незначительны, то, как правило, величина коэффициента разделения мала, то-есть близка "к единице. Поэтому почти все применяющиеся методы разделения изотопов включают в себя многократное повторение операций процесса разделения.

Следует отметить, что простым испарением получить сколько-нибудь существенное обогащение нельзя, так как коэффициент разделения изотопов водорода при испарении равен 1,03. Если испарить 100 т воды до 1 л, то-есть уменьшить объем в 100 тыс. раз, то концентрация дейтерия в остатке увеличится с 0,017 до 0,023%, то-есть только в 1,3 раза. Поэтому приходится прибегать к более сложным способам получения тяжелой воды. Существует целый ряд таких методов; мы остановимся лишь на наиболее распространенных в промышленности.

РАЗДЕЛЕНИЕ ФРАКЦИОННОЙ ПЕРЕГОН-КОЙ. Разделение легкой я тяжелой воды перегонкой принципиально ничем не отличается от обычной разгонки жидкостей с разными температурами кипения, например воды и спирта. Метод основан на различии в упругости паров. Проводить разделение изотопов, имеющих очень близкие температуры кипения, простым выпариванием и конденсацией слишком трудно из-за уноса большого количества обогащаемого компонента с паром и необходимости переработки чрезвычайно больших количеств воды. Поэтому при концентрировании тяжелой воды применяют метод непрерывного разделения в разделительных колоннах. В колонне создается поток пара, направленного вверх, и поток жидкости, стекающей вниз. Эти потоки тесно соприкасаются и непрерывно обмениваются молекулами. При этом поток,пара обогащается легким, а поток жидкости более тяжелым изотопом. Коэффициент разделения увеличивается с понижением температуры, для. чего необходим значительный вакуум. Но с увеличением вакуума уменьшается производительность колонны, поэтому для лучшего разделения подбирают оптимальные условия.

МЕТОД ДИСТИЛЛЯЦИИ жидкого ВОДОРОДА. Перегонка изотопов водорода основана на различии температур кипения жидкого дейтерия и водорода. Отличие от обычной разгонки состоит в том, что дистилляция водорода происходит при очень низких температурах, так как водород существует в жидком состоянии только при температуре ниже—252°. При таких условиях даже трудно сжижаемые газы, например азот и кислород, находятся уже в твердом состоянии, в виде азотного и кислородного снега.

При этом методе коэффициент разделения в зависимости от температуры колеблется от 3 до 10, то-есть значительно выше, чем при перегонке воды, так как газообразные изотопы имеют ббльшую

разницу в температурах кипения. Метод очень эффективен и выгоден при производстве большого количества дейтерия, но довольно сложен технологически и требует чрезвычайно высокой степени очистки водорода от примесей.

ИЗОТОПНЫЙ ОБМЕН. В этом методе извлечение дейтерия основано на различии в химических свойствах

,ВОДОРОД

КОНДЕНСАЦИЯ ПАРА —

ОБОГАЩЕННОГО ДЕЙТЕРИЕМ

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА )

В ОДА, ОБОГАЩЕН НАЯ ДЕЙТЕРИЕМ

СМЕСИТЕЛЬ

РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОЛИЗА И ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА. В электролитической ячейке ток разлагает воду на кислород и водород (преимущественно — протий). Дейтерий накапливается в электролите, а водород смешивается с парами свежей воды и поступает на катализатор, где пар обогащается дейтерием за счет водорода. В теплообменнике пар, обогащенный дейтерием, конденсируется в воду, а водород удаляется.

изотопов водорода. Если через катализатор пропускать смесь паров воды и водорода, то окажется, что вода содержит в 2,5 — 3 раза больше дейтерия, чем газообразный водород, находящийся в ней в равновесии. Вода как бы извлекает тяжелые изотопы водорода, заменяя их легкими. Такие реакции получили название изотопного обмена.

Чтобы добиться значительного концентрирования или получения чистой тяжелой воды, необходимо большое количество ступеней изотопного обмена. Этот метод широко используется при промышленном производстве тяжелой воды. Он очень прост технологически, не ограничен производительностью, но связан с большим расходом тепловой энергии на испарение воды, так как реакция изотопного обмена протекает с заметной скоростью только между паром и водородом.

Основ-

ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ.

нои и наилучший метод получения тяжелой воды — электролиз. Он наиболее прост и эффективен. Этим способом ее можно получать в количествах от десятых долей грамма в лабораторных условиях до десятков тонн в год на производстве.

Именно электролизом воды в 1933 году впервые была получена чистая тяжелая вода в количестве 0,1 грамма. Метод основан на том, что при электролитиче

ском разложении воды происходит также и заметное разделение изотопов водорода.

Дейтерий, как и легкий водород, образуется на катоде, но оказалось, что скорость его выделения значительно меньше, чем скорость выделения легкого изотопа. В результате этого образующийся при электролизе водород получается беднее, а оставшаяся неразложенной жидкость значительно богаче дейтерием.

Для получения концентрированной или 100-процентной тяжелой воды пользуются многоступенчатым электролизом, в котором жидкость, обогащенная предыдущей ступенью, питает последующую.

Такой метод также требует очень большого расхода электроэнергии. Для того чтобы электролизом получить 1 г чистой тяжелой воды, необходимо уменьшить первоначальный объем воды в 100 тыс. раз. В этом случае расход электроэнергии составит около 1 тыс. квт-ч.

ТЯЖЕЛЫЙ ВОДОРОД-АТОМНОЕ ТОПЛИВО БУДУЩЕГО.

Значение тяжелой воды далеко не ограничивается использованием ее в реакторах в качестве замедлителя. Дело в том, что тяжелый изотоп водорода, содержащийся в тяжелой воде (дгйтерий), представляет огромный интерес сам по себе как источник ядерной энергии.

Несмотря на очень большие возможности развития атомной техники, основанной на использовании реакции деления ядер урана и плутония, уже сейчас можно сказать, что она не является последним и наивысшим достижением науки и техники. Весьма перспективно применение термоядерных реакций — синтеза легких ядер с образованием более тяжелого ядра. Этот процесс чрезвычайно эффективен с точки зрения выделения энергии, количество которой примерно в 7 раз превышает энергию, получаемую при делении ядер тяжелых элементов.

Термоядерные реакции имеют очень важную особенность: для их начала необходим «запал», как и для начала реакций горения. Но в отличие от обычного зажигания этот «запал» должен развивать температуру в несколько миллионов градусов. Такая температура бывает только при взрыве атомной бомбы, что затрудняет применение термоядерных реакций в мирных целях.

При образовании одного грамма гелия, когда соединяются ядра дейтерия с ядрами трития, выделяется 190 млн. квт-ч энергии.

Недавно появились сообщения об успешных опытах советских физиков по осуществлению управляемой термоядерной реакции при помощи кратковременного электрического разряда огромной силы через небольшое количество газообразного дейтерия, который, сжимаясь, развивает температуру свыше 1 млн. градусов, необходимую для соединения ядер дейтерия в ядре гелия.

Открытие способов управления непрерывной термоядерной реакцией навсегда освободило бы человечество от поисков энергетического сырья, так как дейтерия достаточно содержится в воде океанов.

32