Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша - Ларс Орстрём Страница 20

Почему я называю их родными братьями? Потому что элементы, расположенные в Периодической таблице в одной группе (то есть столбце), часто имеют схожие химические свойства. В частности, в центральной ее части, в семействе переходных металлов, состоящем из 27 элементов, – все они имеют много общих свойств – два нижних элемента обычно больше всего похожи друг на друга.

Схожие химические свойства циркония и титана означают, что мы обычно можем найти цирконий там, где добываем гораздо более распространенный титан; кроме того, как только мы отделим титан от циркония, за ними потянется некоторое количество гафния – примеси, от которой гораздо труднее отделаться.

Ушлого ювелира из Габороне не волнует, есть ли в его фальшивых бриллиантах следы HfO₂, смешанного с ZrO₂. Для нетренированного глаза это никак не повлияет на блеск, твердость или прозрачность камня, но для инженеров, проектирующих первые ядерные реакторы для электростанций в США, дело обстояло совсем иначе.

Всесторонние испытания различных материалов после Второй мировой войны показали, что сплав, основным компонентом которого служит металлический цирконий, лучше всего подойдет для покрытия оксида урана в топливных стержнях, которые предполагалось использовать в ядерных реакторах. Загвоздкой для инженеров, внедрявших эту технологию на электростанциях, оказалось то, что металл должен быть полностью очищен от примесей гафния. Причина заключается в том, что цирконий и гафний схожи во всем, кроме ядра – того места, где заканчивается химия и начинается физика. Эти два элемента (или, выражаясь точнее, их природные изотопы) очень по-разному реагируют, когда сталкиваются с нейтронами; как объяснил бы физик, их нейтронные сечения сильно различаются.

Для того чтобы цепная реакция деления ядра урана в ядерном реакторе шла с соответствующей низкой скоростью, требуется постоянный поток нейтронов. Если их будет слишком много, реакция выйдет из-под контроля, а если слишком мало – она просто прекратится. В обычном ядерном реакторе происходит следующее: уран-235, или ²³⁵U на языке химиков, сталкивается с нейтроном, имеющим массовое число 1. Далее может произойти множество вещей, самая важная из которых расщепление ядра урана с образованием двух новых атомов, ⁹²Kr и ¹⁴¹Ва. Как вы заметили, сумма массовых чисел этих двух атомов не равняется 235 + 1 = 236: не хватает трех атомных единиц массы. Это происходит потому, что во время реакции испускаются три новых нейтрона, каждый из которых может расщепить еще одно урановое ядро и выпустить еще три новых нейтрона. Это и есть основа знаменитой цепной реакции в атомной бомбе. Эта реакция может стать совершенно неуправляемой, если тщательным образом не контролировать количество свободных нейтронов в реакторе.

Во время работы над проектом атомной электростанции металлы анализировали на наличие многих свойств, одним из которых была их способность захватывать нейтроны; уровень и детальность этого анализа были беспрецедентными по сравнению со всеми инженерными проектами прошлого. Ученые обнаружили, что все природные изотопы циркония имеют очень маленькое сечение захвата тепловых нейтронов; это означает, что нейтрон, столкнувшийся с атомом циркония, просто оттолкнется от него и полетит к другому атому. А вот изотоп гафния ¹⁷⁸Hf, представляющий собой каждый второй встречающийся в природе атом гафния, испытывает большую симпатию к этим элементарным частицам. ¹⁷⁸Hf легко поглощает нейтрон, в результате чего образуется ¹⁷⁹Hf, тоже стабильный и встречающийся в природе изотоп. Самое малое количество гафния во внешнем слое топливных стержней быстро поглотит нейтроны, остановит цепную реакцию, и реактор встанет. Положительный аспект всего этого заключается в том, что гафний можно использовать в управляющих стержнях, которые опускаются между топливными стержнями реактора и эффективно останавливают процесс расщепления, поглощая все питающие его нейтроны.

Мы начали главу с обручального кольца в Габороне – городе, расположенном недалеко от пустыни Калахари в не имеющей выхода к морю Ботсване, а завершим ее рождественской историей из Северной Атлантики. Любопытное совпадение: гафний назван в честь датской столицы Копенгагена (Køpenhavn по-датски), и незадолго до Рождества в 1951 году легендарный (мы скоро поймем почему) датский капитан торгового судна Курт Карлсен покинул Гамбург на ходившем под американским флагом грузовом пароходе Flying Enterprise («Флаинг Энтерпрайз»), следовавшем в Нью-Йорк. Датчанином был не только капитан: судно принадлежало живущему в Нью-Йорке датчанину Хенрику Исбрандсену – необычному предпринимателю, связанному родственными узами со знаменитым семейством Мерск, чьи суда даже сегодня можно встретить во всех главных морских портах.

Все, кто прожил достаточно, чтобы помнить новостную повестку начала 1952 года, скорее всего, в курсе событий, развернувшихся сразу после Рождества 1951-го. На Северную Атлантику и северо-западную Европу обрушился один из самых страшных штормов, случавшихся в 50-е годы; блуждающая волна ударила выходивший из Ла-Манша пароход, и в центре корпуса образовалась трещина. Команда произвела временный ремонт, который выглядел вполне надежно, и капитан приказал двигаться дальше как можно быстрее, хотя некоторые члены экипажа испытывали по поводу этого решения смешанные чувства и предпочли бы, чтобы Карлсен направил судно в безопасную гавань. И действительно, через несколько часов на судно обрушилась вторая волна, в результате чего в третьем трюме сдвинулись автомобили «фольксваген», а возможно, то был чугун в болванках в трюме номер два. Судно получило крен 60°, от которого так и не оправилось ^[102].

Нас интересует другой трюм, в котором находился незадекларированный груз металлического циркония; однако внимание общественности привлекла спасательная операция. Вторая волна также уничтожила двигатели и вывела из строя рулевое управление, так что у Карлсена не оставалось иного выбора, кроме как приказать всем покинуть корабль. На деле это оказалось не так просто, так как спасательные шлюпки не функционировали из-за крена. К счастью, на сигнал бедствия откликнулись три других судна, среди которых был и транспортный корабль USS General A.W. Greely («Генерал А.В. Грили»), так что Карлсен велел команде и пассажирам прыгать в воду и плыть к приближающимся спасательным шлюпкам.

В то время это казалось удачей, но, возможно, в ретроспективе Карлсен желал бы, чтобы корабль американского флота находился где-нибудь в другом месте. Постоянное присутствие нескольких американских кораблей рядом с его полуопрокинувшимся судном вызывало бесконечные домыслы о том, что старый и ветхий корабль перевозил очень важный и секретный груз для американского правительства; эти домыслы будут преследовать Карлсена до самой смерти.

Существует множество косвенных улик. Почему флот США не спасал другие пострадавшие от шторма суда? Почему Королевский флот Великобритании также обратил пристальное внимание на это судно? Почему часть груза спасли во время секретной операции весной 1953 года? Почему Карлсен не повернул назад после первой блуждающей волны? И самое главное: почему он оставался на тонущем судне в течение почти двух недель и покинул его за несколько мгновений до того, как оно затонуло в Ла-Манше примерно в 70 километрах от порта Фалмут в Корнуолле?