Аркадий Курамшин - Жизнь замечательных веществ

Берлинская лазурь до сих пор может применяться в качестве синего пигмента, хотя со времени Дисбаха уже было разработано немалое количество синтетических красителей синего цвета, однако это не единственный вариант её использования. Например, берлинскую лазурь применяют для лечения людей, отравившихся ионами таллия или получивших в организм дозу ионов радиоактивного цезия. Пациент принимает капсулу с берлинской лазурью, и в его кишечнике наше замечательное соединение взаимодействует с опасными ионами, «засасывая» их в свою кристаллическую решетку. Эта адсорбция не позволяет организму реадсорбировать опасные ионы, и они с большей скоростью выводятся из организма – так в присутствии берлинской лазури время вывода цезия из организма понижается со 110 до 30 суток.

Итак, берлинская лазурь, обнаруженная случайно, совершенно замечательным образом когда-то перевернула отношение людей к синему цвету, сделав его доступным вплоть до дизайна военной формы. Ну а сейчас она не только не прекращает свою работу по окрашиванию, но и приобретает новые профессии.

Обычно ядерные реакторы и ядерные бомбы у нас как-то ассоциируются с триумфом воли физиков, но для того, чтобы физики смогли бы, нет, не раскрутить шарик наоборот на пари, а «приручить» атом, они должны были иметь дело с обогащенным ураном, а для обогащения урана используется вещество, получение которого без химиков невозможно – гексафторид урана (UF 6).

Разделение двух нуклидов, относящихся к одному химическому элементу, вообще является задачей не из легких – на качественном уровне химические свойства изотопов идентичны; физические способы разделения изотопной смеси усложняются по мере того, как уменьшается различие масс двух нуклидов, и ещё в большей степени усложняются, если один из нуклидов (в особенности тот, который нам нужен) содержится в количестве, меньшем, чем 1 % от общего состава изотопной смеси.

Что же такое «нуклид» и «изотопы»? Нуклид – вид атомов, характеризующийся определённым массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием ядер и имеющий время жизни, достаточное для наблюдения.

Например, водород представлен такими нуклидами, как протий (ядро состоит из одного протона), дейтерий или «тяжелый водород» (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона) и тритий (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов).

Нуклиды, имеющие одинаковый атомный номер (обладающие одинаковым числом протонов), называются «изотопами». Так вот, строго говоря, применение термина «изотоп» в единственном числе вместо термина нуклид неверно, однако широко распространено.

Для процесса деления атомного ядра, применяющегося для извлечения энергии что для ядерного оружия, что для атомной электростанции, необходим такой нуклид, как уран-235 (его ядро состоит из 92 протонов и 143 нейтронов, 0,72 % от общего содержания в изотопной смеси урана, период полураспада – 7,0410 8лет). Соответственно, остальные 99,27 % атомов урана в земной коре представлены менее активным ураном-238 (его ядро состоит из 92 протонов и 146 нейтронов, период полураспада – 4,47•10 9лет). Есть ещё и нуклид уран-234, но при его изотопной распространенности 0,0055 % никакого практического значения этот нуклид не имеет (по крайней мере – пока). Для применения в гражданской энергетике уран должен быть обогащен до 3–4 % содержания урана-235, оружейный уран должен содержать не менее 90 % урана-235.

Каким образом можно увеличить содержание урана-235 в его смеси с ураном-238, в то время как массы этих нуклидов различаются менее чем на 1 % и «нужного» нуклида в этой смеси мало? К счастью – с большим трудом. Сомнительное счастье заключается в том, что в отличие от относительной простоты получения химического оружия (которое иногда называют «ядерной бомбой для бедных стран» – зарин, который распыляла в 1995 году в токийском метро «Аум Синреке», был синтезирован сектантами самостоятельно) сложности, возникающие при обогащении урана, в какой-то степени способствуют нераспространению ядерного оружия. В то же самое время сложности, возникающие при обогащении урана, затрудняют развитие атомной энергетики, которой после Чернобыля и Фукусимы хоть и боятся, но, тем не менее, у неё нет реальной альтернативы для человечества.

И всё же разделение происходит, и происходит на основании исключительно различий в физических свойствах двух нуклидов. Основа метода такова: когда мы нагреваем материал до температуры кипения, его кристаллическая решетка разрушается, частицы вещества переходят в газовую фазу, более тяжелая частица переходит в газовую фазу с большим трудом и для её переноса в газ требуется больше энергии. Другими словами, уран-235 должен закипать при температуре чуть меньшей, чем уран-238.

Это хорошо на словах – температура кипения металлического урана приближается к 4000 °C, соответственно промышленная работа с газообразным ураном просто непрактична – для перевода урана в газ потребуется огромное количество энергии, не говоря уже про затраты на аппаратно-технологическое оформление такого процесса. Тут-то и вступают в дело химики и замечательное вещество – гексафторид урана, которое может переходить в газообразное состояние при вполне умеренных для промышленности температурах. При комнатной температуре гексафторид урана твердый, а при нормальном атмосферном давлении и достижении температуры 56,4 °C гексафторид урана, минуя жидкое агрегатное состояние, становится газом (этот процесс называется «сублимацией» и характерен, например, ещё для кристаллического йода или нафталина). Нагрев до 64 °C и сжатие примерно до 10 атмосфер позволяют получить жидкий гексафторид урана – все эти условия фазовых переходов (переходов из твердого состояния в жидкое и/или газообразное) позволяют довольно сильно облегчить промышленную работу по обогащению урана с применением UF 6.

Помимо удачных физических свойств преимуществом гексафторида урана является то, что входящий в его состав фтор представляет собой моноизотопный элемент, в природе состоящий только из одного нуклида – фтора-19 (9 протонов и 10 нейтронов). Это означает, что все атомы фтора, входящие в состав UF 6имеют одинаковую массу, и массы гексафторида урана-235 и гексафторида урана-238 различаются только массой атома урана.