Одяг уранових стрижнів

Цирконій був відкритий в 1789 році німецьким хіміком Мартіном Генріхом Клапротом. Але Мартін Клапрот відкрив не тільки цирконій, а й ще один чудовий елемент, якому судилося відіграти визначну роль в науці і техніці XX століття. Цим елементом був уран.

Ні сам Клапрот, ні будь-хто інший не могли тоді передбачити, як складуться долі "братів" - цирконію і урану. Їх шляхи розійшлися надовго: протягом півтора століття ніщо не пов'язувало ці елементи. І тільки в середині XX століття після довгої розлуки вони зустрілися знову. Спочатку про це знали далеко не всі вчені та інженери, а тільки ті, які працювали в галузі ядерної енергетики, куди, як відомо, стороннім вхід заборонений.

Зустріч відбулася в атомних реакторах, де уран використовували як ядерне паливо, а цирконій повинен був служити оболонкою для уранових стрижнів. Втім, ще за кілька років до цього американські вчені спробували застосовувати цирконій в якості матеріалу для ядерного реактора, який був встановлений на першому атомному підводному човні США "Наутілус". Однак незабаром з'ясувалося, що з цирконію вигідніше робити не стаціонарні деталі активної зони реактора, а оболонки паливних елементів. Ось тоді-то уран і потрапив в обійми цирконію.

Вибір на цирконій пав не випадково: фізикам було відомо, що він, на відміну від багатьох інших металів, легко пропускає нейтрони, а саме таку властивість, яка називається нейтронною прозорістю, повинен мати матеріал для корпусів уранових стрижнів. Правда, деякі інші метали - магній, алюміній, олово - в цьому відношенні подібні до цирконію, але вони легкоплавкі і нежароміцні. Цирконію ж, який плавиться лише при температурі 1850 °С, теплові навантаження ядерної енергетики цілком по плечу.

Однак і у цирконію є деякі грішки, які могли б перешкодити йому працювати в цій відповідальній області. Справа в тому, що прозорий для нейтронів тільки цирконій високого ступеня чистоти. Ось тут-то і доводиться знову згадати про гафній - метал, який за хімічними властивостями може бути названий близнюком цирконію. Але погляди на нейтрони у них виявилися протилежними: гафній з жадібністю поглинає нейтрони (в сотні разів сильніше, ніж цирконій). Більш того, домішки гафнію навіть в гомеопатичних дозах здатні зіпсувати "кров" цирконію і позбавити його нейтронної прозорості.

Технічні умови на цирконій так званої реакторної чистоти допускають присутність в ньому не більше декількох сотих часток відсотка гафнію. Але і такі крихти досить істотно - в кілька разів - знижують нейтронну прозорість цирконію. Оскільки в природі ці метали зазвичай знаходяться разом, отримати повністю вільний від гафнію цирконій - завдання колосальної складності. І тим не менше хімікам і металургам довелося взятися за цю проблему, так як атомна промисловість вкрай потребувала такого конструкційного матеріалу.

Коли завдання було вирішено, на порядку денному з’явилося інше: домогтися того, щоб при виготовленні конструкцій з найчистішого цирконію в процесі зварювання в нього не потрапляли сторонні атоми, які могли б виявитися перешкодою на шляху нейтронів і тим самим звести нанівець всі переваги цього металу. До того ж зварювання потрібно було проводити таким чином, щоб не порушити однорідність металу: зварювальний шов повинен володіти тими ж властивостями, що і зварюваний матеріал. На допомогу було покликано електронний промінь.

Чистота і точність електронно-променевого зварювання дозволили вирішити і цю проблему - цирконій став "одягом" уранових стрижнів. Саме тоді і відбувся різкий стрибок у виробництві цього металу: тільки за десятиліття - з 1949 по 1959 рік – світове виробництво цирконію зросло в тисячу разів! У хід пішли великі скупчення цирконієвих пісків, які раніше служили відходами при видобутку інших копалин. Так, в Каліфорнії при видобутку золота драгами в руслах річок разом з золотом на промивку піднімали значну кількість циркону, але через відсутність попиту його скидали в відвали. В штаті Орегон (США) в роки війни добували хроміт, а попутно отримували деяку кількість циркону, який не цікавив тоді промисловість і тому його не вивозили з місця видобутку. Коли ж невдовзі після війни почався цирконієвий бум, всі ці відвали виявилися ласим шматочком.

Великі родовища цирконію були виявлені в США, Австралії, Бразилії, Індії, країнах Західної Африки. Значні запаси цирконієвої сировини мав і СРСР. Відмінною цирконієвою рудою часто служать прибережні піски. В Австралії, наприклад, цирконові розсипи тягнуться майже на 150 кілометрів уздовж океанського узбережжя. В 80-х роках XX століття в західній частині цього материка, недалеко від міста Мікатарра, студенти-геологи, які досліджували сухе русло річки, виявили в піщаних породах кристали циркону, які виявилися найдавнішими на Землі. До цього висновку прийшли геофізики Національного університету в Канберрі. Вони встановили, що вік знайдених цирконієвих вкраплень - 4,1-4,2 мільярди років. Тобто вони на кілька сотень мільйонів років старші будь-яких інших відомих науці мінеральних утворень. Іншими словами, знайдений в Австралії циркон утворився через лише якихось 300-400 мільйонів років після того, як сформувалася наша планета.

(За матеріалами книги С. І. Венецького "Розповіді про метали" та Вікіпедії)