Сергей Песков - История стекла. От стеклянного оружия до стекол иллюминаторов космических кораблей

– стойкостью к радиационному повреждению благодаря тому, что их собственный беспорядок допускает большое число атомных перемещений;

– относительной легкостью и дешевизной изготовления, т. к. не требует сложного оборудования;

– отработанностью технологии производства, литья, формовки и отжига.

Стеклообразное состояние вещества – основная разновидность аморфного состояния, формирующегося при затвердевании переохлажденного расплава. Застывание переохлажденной жидкости в виде стекла происходит благодаря быстрому и непрерывному увеличению вязкости расплава при понижении температуры, что затрудняет структурные перестройки в нем, необходимые для энергетически более выгодной кристаллизации. Вязкость расплава, обусловленная межмолекулярными силами, определяет степень склонности конкретной жидкости к стеклообразованию: чем сильнее связанность структуры жидкости, тем легче из расплава образуется стекло. Условия охлаждения оказывают большое влияние на процессы стеклообразования и кристаллизации. Критическая скорость охлаждения данного расплава (минимальная скорость, при которой образуется стекло) зависит от вязкости жидкости, температуры и теплоты кристаллизации.

Силикатные стекла представляют собой наиболее изученный и распространенный класс оксидных стекол, применяемых для иммобилизации радиоактивных отходов. Основой силикатных стекол служит оксид – стеклообразователь – диоксид кремния SiO 2. Оксиды, способные находиться в стеклообразном состоянии, например, B 2O, P 2O 5, составляют вместе с кремнеземом основу сложных по составу стекол. Трехмерный каркас, хаотически составленный из тетраэдров SiO 4, структурного элемента кремнезема легко включает в свои пустоты оксиды, называемые модификаторами.

Тип связывания атомов ответственен за сложное поведение стекла, содержащего радиоактивные отходы, при его выщелачивании. Понятие аморфности предполагает отсутствие дальнего порядка в расположении тетраэдра SiO 4. Ранее полагали, что стеклообразное состояние – это непрерывная беспорядочная сетка, имеющая бесконечно большую элементарную ячейку с отсутствием периодичности и симметрии. Сейчас предпочитают модель кристаллоподобной упорядоченности.

При охлаждении в процессе изготовления, свойства аморфного вещества зависят только от температуры и скорости охлаждения. Скоростью охлаждения определяется «замороженная структура», чем выше скорость охлаждения, тем выше температура стеклования. При повторном нагревании твердого аморфного вещества характер изменения свойств зависит от скорости нагрева и от тепловой предыстории, т. е. от структуры, зафиксированной в образце.

Процесс включения отходов в стекло заключается в добавлении оксидов, например, в виде кальцинированного порошка или шлама, к стеклообразующим материалам и последующем плавлении полученной смеси для образования гомогенной структуры.

Для увеличения надежности хранения отвержденных стеклопродуктов высоко радиоактивных отходов существуют различные способы:

– использование кольцевых контейнеров для хранения стекла или контейнеров с металлическими перегородками, что повышает теплопроводность продукта и снижает температуру в центральной части контейнера;

– проведение контролируемой кристаллизации стекла для превращения его в стеклокерамику специальной термообработкой продукта;

– включение небольших частиц стекла в металлические матрицы, например, на основе свинца.

По-настоящему пугающих отходов атомная энергетика производит немного. Самые активные и опасные радионуклиды содержит отработавшее ядерное топливо (ОЯТ): тепловыделяющие элементы и сборки, в которые они помещаются, излучают даже сильнее свежего ядерного топлива и продолжают выделять тепло. Это не отходы, а ценный ресурс, в нем содержится немало урана-235 и 238, плутоний и ряд других изотопов, полезных для медицины и науки. Все это составляет более 95 % ОЯТ и с успехом извлекается на специализированных предприятиях – в России это прежде всего знаменитое ПО «Маяк» в Челябинской области, где сейчас внедряется третье поколение технологий переработки, позволяющее вернуть в работу 97 % ОЯТ. Уже скоро производство, эксплуатация и переработка ядерного топлива замкнутся в единый цикл, не выдающий практически никаких опасных веществ.

Оптическое стекло – это материал, который производится с применением специального состава, который используется в производстве разных оптических систем. В производстве используются неорганические, оксидные нанопорошковые прозрачные керамические материалы, органические, минералоорнаические стекла. В зависимости от сора, материал может иметь особую прозрачность к различным лучам видимых и невидимых участков, светоспектра, а также может разниться по показателю упругости, твердости, биологической совместимости. Главное отличие оптического стекла от технического материала – однородность, а также одинаковые физические свойства в любом направлении.

Изготовление оптического стекла –довольно сложный процесс, для реализации которого требуется специальное оборудование и высокие температуры.

– Для варки материала используются специальные емкости, а сам процесс происходит при минимальной температуре 1500 °C (время варки – не менее 24 часов).

– После извлечения емкостей из печи, обеспечивается медленное охлаждение на протяжении 7–8 дней.

– После остывания, материал тщательно сортируется по размерам и отправляется на доработку. После доработки

– Заготовки нагреваются до температуры 500 °C и подвергаются медленному охлаждению.

– Полученный материал тщательно осматривается на предмет имеющихся дефектов, трещин.

На завершающем этапе оптическое стекло шлифуется и полируется. Этот процесс занимает примерно трое суток. Только после завершения всех вышеперечисленных процессов, получается поверхность, которая полностью готова для использования и производства деталей.

Оптическое оборудование. Оптическое стекло уже давно используется нами практически ежедневно. Это особый вид стекла, предназначенный для производства прозрачных частей оптики, которая отвечает за формирование изображений.

Основная отличительная черта оптического стекла – однородность и прозрачность в сравнении с техническим стеклом. С одной стороны производство стекла – несложная задача, но выдвижение целого ряда требований нормативной литературой к производству стекла в значительной мере усложняет изготовление и удорожает процесс.