Рассказы о металлах

Дело в том, что в 1789 году Клапрот открыл не только цирконий, но и еще один замечательный элемент, которому суждено было сыграть выдающуюся роль в науке и технике XX века. Этим элементом был уран. Ни сам Клапрот, ни кто-либо другой не могли тогда предвидеть, как сложатся судьбы "братьев" — циркония и урана. Пути их разошлись надолго: в течение полутора веков ничто не связывало эти элементы. И только в наши дни после долгой разлуки они встретились вновь. Сначала об этом знали лишь очень немногие ученые и инженеры, работавшие в области ядерной энергетики, куда, как известно, посторонним вход воспрещен. Встреча состоялась в атомных реакторах, где уран использовали как ядерное топливо, а цирконий должен был служить оболочкой для урановых стержней. Впрочем, точности ради, отметим, что еще за несколько лет до этого американские ученые попробовали применять цирконий в качестве материала для ядерного реактора, который был установлен на первой атомной подводной лодке США "Наутилус". Однако вскоре выяснилось, что из циркония выгоднее делать не стационарные детали активной зоны реактора, а оболочки топливных элементов. Вот тогда-то уран и попал в объятия циркония.

Выбор на цирконий пал не случайно: физикам было известно, что он, в отличие от многих других металлов, легко пропускает нейтроны, а именно таким свойством, называемом нейтронной прозрачностью, должен обладать материал для корпусов урановых стержней. Правда, некоторые металлы — магний, алюминий, олово — в этом отношении сходны с цирконием, но они легкоплавки и нежаропрочны. Цирконию же, который плавится лишь при 1850 °C, тепловые нагрузки ядерной энергетики вполне по плечу.

Однако и у циркония есть кое-какие грешки, которые могли бы помешать ему работать в этой ответственной области. Дело в том, что прозрачен для нейтронов только цирконий высокой степени чистоты. Вот тут-то и приходится снова вспомнить о гафнии — металле, который по химическим свойствам может быть назван близнецом циркония. Но взгляды на нейтроны у них оказались противоположными: гафний с жадностью поглощает нейтроны (в сотни раз сильнее, чем цирконий). Более того, примеси гафния даже в гомеопатических дозах способны испортить "кровь" цирконию и лишить его нейтронной прозрачности. Технические условия на цирконий так называемой реакторной чистоты допускают присутствие в нем не больше нескольких сотых долей процента гафния. Но и такие крохи до вольно существенно — в несколько раз — снижают нейтронную прозрачность циркония.

Поскольку в природе эти металлы обычно находятся вместе, получить полностью свободный от гафния цирконий — задача колоссальной трудности. И тем не менее химикам и металлургам пришлось взяться за эту проблему, так как атомная промышленность крайне нуждалась в конструкционном материале.

Когда задача была решена, на повестку дня встала другая: добиться того, чтобы при изготовлении конструкций из чистейшего циркония в процессе сварки в него не попадали чужеродные атомы, которые могли бы оказаться непреодолимой преградой на пути нейтронов и тем самым свести на нет все достоинства этого металла. К тому же сварку нужно было проводить таким образом, чтобы не нарушить однородность металла: сварочный шов должен обладать теми же свойствами, что и свариваемый материал. На помощь был призван электронный луч. Чистота и точность электроннолучевой сварки позволили решить и эту проблему — цирконий стал "одеждой" урановых стержней.

Именно тогда и произошел резкий скачок в производстве этого металла: только за десятилетие — с 1949 по 1959 год — мировое производство циркония возросло в тысячу раз! В ход пошли большие скопления цирконовых песков, которые раньше служили отходами при добыче других ископаемых. Так, в Калифорнии при добыче золота драгами в руслах древних рек вместе с золотом на промывку поднимали значительное количество циркона, но из-за отсутствия спроса его сбрасывали в отвалы. В штате Орегон (США) в годы войны добывали хромит, а попутно получали некоторое количество циркона, который не интересовал тогда промышленность и потому его не вывозили с места добычи. Когда же вскоре после войны начался циркониевый бум, все эти отвалы оказались лакомым кусочком.