Техника - молодёжи 1976-03, страница 26
ЗИНАИДА ТКАЧЕК День вчерашний, день завтрашний Когда в начале 1943 года научные силы в нашей стране были мобилизованы для решения атомной проблемы, сразу же понадобилась тяжелая вода. Цепная реакция деления ядер природного урана могла идти в ней наиболее благоприятно. При делении ядер урана образуются быстрые (летящие со скоростью более 20 тыс. км/с) нейтроны, обладающие огромной энергией. При столкновении таких нейтронов с ядрами урана часть из них вызывает деление, другая, более значительная, не приводя к делению, захватывается ядрами. Остальные постепенно передают урану свою энергию и после многократных столкновений теряют способность вызывать деление основной массы природного урана. В таких условиях цепная реакция должна затухнуть. Если же быстрый нейтрон, счастливо избежав захвата после неоднократных столкновений, снизит скорость до 2 км/с и превратится в медленный (тепловой) нейтрон с энергией, почти в 60 млн. раз меньшей, то он уже не захватывается ядрами урана-238, а вызывает деление урана-235 с освобождением до трех новых быстрых нейтронов и поддерживает цепную реакцию. Следовательно, для ее осуществления нужно было или обогатить природную смесь ураном-235, что очень сложно и дорого, или затормозить быстрые нейтроны без больших их потерь до медленных Но как выбрать лучший замедлитель нейтронов? Тяжелые элементы для этого не годятся — в момент встречи с их ядрами потеря скорости нейтрона незначительна (как при ударе шарика о каменную стену, когда он отскакивает почти с такой же скоростью). Поэтому нейтрону для снижения начальной скорости до тепловой необходимо в сотни раз больше соударений с ядрами тяжелых элементов, чем с ядрами легких. Чтобы снизить скорость быстрого нейтрона до тепловой, ему необходимо более 2 тыс. встреч с ядрами природного урана, причем многие из столкновений грозят ему захватом, около 110 — с ядрами углерода (графита) и всего лишь около 25 — с ядрами водорода (в воде). Но беда в том, что и графит, и водород при столкновениях тоже захватывают значительную долю нейтронов. А вот если в обычной воде заменить водород на его тяжелый изотоп — дейтерий (с атомным весом 2), то замедление пойдет почти без поглощения. Один захват приходится на 98 тыс. столкновений, для чего нейтрон должен преодолеть более 350 м, тогда как в обычной воде нейтрон захватывается, не успев пройти и 17 ом. Вот почему тяжелая вода привлекает взоры физиков. Но в то время о ней можно было только мечтать. Ее в стране просто не было. Попытки найти природный источник, скажем, глубокое озеро со сколько-нибудь значительным содержанием тяжелой воды, хотя бы у самого дна, не увенчались успехом. В то же время она всегда есть в каждой капле воды океанов, морей, озер, рек в соотношении 1 молекула на 68 тыс. И нужно было найти осуществимые и разумные способы извлечения этой одной молекулы тяжелой воды из 68 тыс. молекул обычной, чтобы получать в чистом виде килограммы, а затем и тонны этого продукта. Разделение изотопов вещь вообще очень трудная и сложная из-за чрезвычайно малых различий в их физико-химических свойствах. Так, например, температура кипения тяжелой воды чуть выше (на 1,ЗВ0С), а упругость ее паров чуть ниже, чем у воды обычной. Но ученые, используя это «чуть-чуть», все же научились разделять изотопы до чистых веществ. Правда, технологические схемы разделения из-за этих «чуточных» различий отличаются многоступенчатостью, ибо приходится многократно повторять стадии концентрирования. Одни использовали разницу в скорости диффузии легкого водорода и дейтерия, другие — различия в упругости паров дейтериевой и про-тиевой воды, различия в их темпе ратуре замерзания и температуре кипения (ректификация водорода), в плотности атомов и ионов дейтерия и протия, в термодинамических и химических свойствах тяжелого и легкого изотопа водорода (изотопный и химический обмен). Часть методов отпала после более глубокой проработки и проведения расчетов, другие—на стадии лабораторных исследований, третьи — после проведения опытных проверок. Один из основных показателей эффективности разделения изотопов — так называемый коэффициент разделения, величина, характеризующая обогащение дейтерием после одной стадии концентрирования. Но совершенно не обязательно, что наибольший коэффициент разделения характеризует наиболее простой и экономный метод получения тяжелой воды. Как и при разработке любой другой те.ноло-гии, приходится учитывать многое: капитальные затраты, энергетические и сырьевые расходы, сложность технологической схемы и ее аппаратурного оформления, производительность, что в конце концов определяет стоимость конечного продукта. Поэтому промышленное применение у нас в стране нашли только электролиз, ректификация воды, изотопный обмен между водой и водородом, двухтемператур-ный сероводородный метод и ректификация жидкого водорода. У каждого метода свои преимущества и недостатки, и наиболее экономичные технологические схемы включают их комбинации. Однако при любых способах получения тяжелая вода до сих пор дорогостоящий продукт. Но когда дейтерий приобретет самостоятельное значение как топливо будущего в термоядерных установках, эти затраты окажутся несущественными по сравнению с энергией, которую можно будет получить. Для осуществления термоядерной реакции необходима температура в сотни миллионов градусов, и пока это непреодолимая трудность. Однако дейтерий представляет наибольший интерес, ибо для начала реакции синтеза его ядер требуются значительно меньшие температуры (несколько миллионов градусов). А запасы тяжелой воды на земле практически неисчерпаемы и исчисляются 9-10" т. Количество выделяемой энзргии при синтезе ядер дейтерия в миллион раз больше, чем при сжигании природного топлива. Вот почему произсодство тяжелой воды и в будущем представит большую ценность. 24 |
