На вопросы электронного периодического издания AtomInfo. Ru отвечает академик РАН, председатель экспертного совета по проблемам флота и кораблестроению ВАК России, вице-адмирал Ашот Аракелович САРКИСОВ .
Изумление американцев.
Ашот Аракелович, наш первый вопрос к Вам легко предугадать. Как Вы оцениваете сейчас, по прошествии лет, АПЛ проекта 705 со свинцово-висмутовым реактором?
Без всякого преувеличения могу сказать, что это был уникальный научно-технический прорыв, который опередил уровень того времени на несколько десятилетий. В западных публикациях устоялся тезис, что лодка 705 проекта опередила время на 20 лет. А я бы сказал, что на 40-45 лет.
Рис. АПЛ пр.705.
Такая установка, конечно, могла быть создана только на основе самого широкого применения новейших научно-технических достижений. Пожалуй, это был единственный в нашей стране случай, когда научными руководителями создания подводной лодки являлись сразу четыре академика, ведущих специалиста в своей области. Первым из них упомяну Анатолия Петровича Александрова . За установку отвечал Александр Ильич Лейпунский . За всю автоматизацию управления - Владимир Александрович Трапезников , а за электрооборудование - Андроник Гевондович Иосифьян , академик АН Армянской ССР.
Вот такая концентрация в проекте 705 была не столько личностей, сколько тех коллективов, которые стояли за этими личностями! И того научно-производственного потенциала, который был связан с ведущими советскими институтами. Всё это позволило создать установку, далеко обогнавшую время.
Я глубоко убеждён, что если бы не сложная экономическая ситуация, то свинцово-висмутовое направление на подводном флоте сумело бы освободиться от недостатков, свойственных всякому начальному периоду разработки новых проектов, и стать равноправным направлением в развитии АПЛ.
Откуда пошла идея использовать теплоноситель свинец-висмут? Для наземной энергетики тяжёлые металлы не были характерны.
Первоначально для новых АПЛ просматривался традиционный натрий. Но сыграли свою роль соображения пожароопасности. Был также принят во внимание неудачный опыт эксплуатации на американской АПЛ «Seawolf» (SSN-575). По-видимому, всё это вместе взятое и подтолкнуло к поискам альтернативного металлического теплоносителя. Металлический теплоноситель был нужен по той причине, что разработчиков интересовал реактор на промежуточных или быстрых нейтронах, и поэтому теплоноситель не должен был содержать лёгких ядер, эффективно замедляющих нейтроны.
Не могу вам ответить точно, кто именно первым назвал свинец-висмут. Есть разные версии, различные варианты, но я думаю, что было бы справедливо приписать эту идею Александру Ильичу. Я немного знал Лейпунского. Это был, конечно, незаурядный человек. Большой патриот, абсолютно не стеснявшийся своих патриотических чувств и подчёркнуто их выражавший. И талантливейший, конечно, физик. С горечью должен признать, что его незаслуженно обидели, не избрав в нашу академию наук, хотя он заслужил это многократно.
На первых этапах освоения свинца-висмута пришлось преодолеть немало трудностей, связанных с технологией этого нигде, никогда и никем не применявшегося ранее теплоносителя. Была создана лаборатория под руководством Валерия Ивановича Субботина.
Построен в Обнинске стенд 27/ВТ,
чьё пятидесятилетие отмечалось в 2008 году. В конце концов, основные проблемы были решены.
Рис. Продольные разерезы АПЛ пр. 705
Первой лодкой со свинцово-висмутовыми реакторами стала АПЛ «К-27», построенная по проекту 645. К сожалению, в 1968 году она потерпела аварию и была плановым порядком затоплена в Карском море, недалеко от Новой Земли, где сейчас и покоится. Вопрос о её подъёме, на мой взгляд, является самостоятельной актуальной проблемой, требующей специального рассмотрения. Но эту тему оставим пока в стороне.
«К-27» позволила подтвердить правильность всех основных принятых конструктивных технологических решений, и наша страна приступила к строительству серии АПЛ 705 проекта. Эти лодки буквально взбудоражили американцев. Наш тогдашний наиболее вероятный противник, узнав о них, испытал шок.
Что их поразило больше всего? Во-первых, широкое применение титана, в том числе, при изготовлении корпуса, что позволило увеличить глубину погружения. Во-вторых, конечно же, установка. Неожиданно для всех у нас появилась установка с жидкометаллическим теплоносителем, позволившим создать малогабаритный реактор с большой плотностью объёмного энерговыделения. Иначе говоря, с возможностью получения больших мощностей при малых габаритах.
Последнее обстоятельство сразу открыло возможность создания подводной лодки небольшого размера, что на тот момент являлось важнейшей задачей. Многие умели строить АПЛ, но лодки получались большими. А тут в руках у СССР возникла принципиально новая технология, обеспечивавшая настоящий прорыв.
Рис. Центральный командный пост АПЛ пр.705.
Обязательно я должен упомянуть о третьей особенности проекта 705 - его полная автоматизация, комплексная автоматизация управления и подводной лодкой, и энергетической установкой.
Ого! Честно говоря, даже не верится…
В то время это было сделано, понимаете? Сейчас о полной автоматизации только говорят, а на проекте 705 она была реализована.
Американцы оказались абсолютно не готовыми к честному состязанию с нами, и единственное, чем они активно занимались - это разведработой.
Свинец-висмут для них оказался неизвестным направлением?
У них даже задумок не было до тех пор, пока они не узнали о наших лодках. Поэтому они не пытались сделать что-то самостоятельно. Это совершенно новая технология, и для неё требовался огромный объём НИР и НИОКР. Одно дело, знать, что свинец-висмут годится как теплоноситель, другое - на практике использовать его в качестве рабочего тела, отводящего тепло из активной зоны реактора.
От проекта 705 к СВБР
Лодки со свинцово-висмутовыми реакторами были построены, и началась их эксплуатация. Об опыте эксплуатации есть самые разные отзывы, от положительных до негативных.
То, что есть негативные отклики, не удивительно. Имели место аварии, и аварии были неприятны тем, что они сопровождались застыванием, замерзанием теплоносителя, которое полностью выводило из строя энергетическую установку. Конструкция установки не допускала повторного разогрева после замерзания.
То есть, как только запустили реактор, его требовалось постоянно поддерживать в горячем состоянии?
Всё время. Это был родовой недостаток этого реактора. Даже в тех случаях, когда лодка была на берегу и бездействовала в течение месяцев, надо было поддерживать теплоноситель в разогретом состоянии.
Чего боялись? Что твэлы будут раздавлены при замерзании?
Нет, всё гораздо проще. Установка при замерзании выходила из строя. Необратимый процесс - как замёрзла, так выбрасывать. В проекте была масса мелких трубок, страшно разветвлённая система контуров, и технически было нереально везде освободиться от пробок, которые возникали в результате замерзания.
Это первый недостаток установки, и надо честно признать, что он существовал. Второй недостаток обуславливался тем, что выбор спектра промежуточных нейтронов стал неоптимальным решением. В результате приходилось иметь довольно большой запас реактивности, многократно превышавший эффективную долю запаздывающих нейтронов. То есть, всегда была потенциальная опасность неуправляемого цепного процесса.
И общий вес стержней был при этом высоким? И, как следствие, опасность аварии с самоходом стержней…
Да, за счёт этого. Это был второй недостаток. Были и другие претензии, это я вам могу сказать откровенно как человек, выступавший в качестве заказчика этих лодок. Но в целом, несмотря на то, что имело место несколько аварий, я считаю, что опыт эксплуатации подтвердил жизнеспособность и перспективность этого направления.
К сожалению, в то время не было возможности тянуть два направления параллельно. Поэтому было построено семь подводных лодок 705-го проекта, и на этом серия завершила своё существование.
Приходилось слышать мнение от некоторых из Ваших коллег, что насосы никуда не годились.
Не согласен с таким утверждением. Те насосы, которые работали, свою задачу выполняли.
Я бы подошёл к делу так. Нельзя судить о правильности выбранного направления по ограниченному опыту эксплуатации. Было построено только несколько лодок, сделаны первые шаги. Если бы направление получило более широкое распространение, то, конечно, те идеи, которые сейчас реализуются в СВБР-100, были бы осуществлены и на лодках. Недостатки были бы ликвидированы, и мы могли бы с чистой совестью говорить, что свинцово-висмутовая установка по надёжности ничуть не уступает водо-водяным реакторам, а по безопасности превосходит их.
Почему превосходит? В первую очередь, потому что вода накладывает требование поддержания высокого давления в первом контуре. Жидкий металл этого не требует. У жидкометаллических реакторов нет потенциальной энергии, которая представляет собой «затаившийся» риск.
Я для себя сделал сравнительную таблицу - что нового предлагается реализовать в свинцово-висмутовом реакторе СВБР-100 по сравнению с реакторами подводных лодок? Первое - в СВБР перешли на быструю зону, что резко уменьшило запас реактивности и практически исключило возможность неуправляемого разгона. Даже при вынутых по ошибке стержнях СУЗ реактивность в СВБР оказывается меньше бета, и реактор остаётся управляемым.
Второй революционный скачок, который мы хотели, но не успели сделать на подводных лодках - интегральная компоновка энергетической установки, допускающая останов реактора и повторный пуск с разогревом теплоносителя. Никаких мелких трубок, никаких разветвлённостей . В компоновке СВБР всё это исключено.
Для СВБР принято правильное решение, и я его поддержал - несколько снижено удельное энерговыделение. В наземном реакторе нет жёсткой необходимости в уменьшении габаритов, как на подводной лодке. Для СВБР нет смысла гнаться за напряжённость, памятуя о том, что это может быть чревато уменьшением надежности.
Следующий шаг, сделанный в СВБР - создание автоматизированной системы управления технологией теплоносителя. Она будет регулироваться не вручную, а системой автоматики.
То есть, автоматика будет держать примеси, температуру…
Да, она будет отслеживать заданные параметры, вводить необходимые добавки и делать другие необходимые вещи. Очень правильно также, что в СВБР предусмотрели возможность естественной циркуляции в случае обесточивания установки. Так что, проект СВБР можно считать капитальным усовершенствованием свинцово-висмутовой технологии по сравнению с лодочными реакторами. В нём сохранены её уникальные положительные качества и одновременно исключены недостатки начальных этапов разработки.
Северо-западный мастер-план.
СВБР - это будущее свинца-висмута. Но какова же судьба его наследия, лодок проекта 705? Есть ли у России чёткое понимание, что требуется с ними сделать?
Сначала отвечу вам кратко, одним предложением, а потом можем перейти к деталям. По выводу из эксплуатации лодок 705 проекта мы имеем совершенно чёткую картину, чёткие планы, и у нас нет ни одной технологической проблемы, которая бы не решалась.
Положение дел на сегодняшний день таково. Все лодки выведены из числа действующих. Девять отработавших выемных частей покоятся в специальных шахтах посёлка Гремиха.
Извините, Вы можете уточнить значение термина «выемная часть»?
Отработавшая выемная часть - это активная зона, то есть, вся сборка активной зоны с топливом. В проекте 705 конструкция предусматривала выгрузку не поканально, а сразу всей зоны полностью. Зона там не такая большая, и поэтому её полная выгрузка была возможна.
Итак, семь подводных лодок были выгружены штатно, в горячем состоянии. Их выемные части были опущены в специальные стальные шахты и залиты слоем свинца-висмута. Потом этот свинец-висмут застывал и брал на себя роль дополнительной защиты. Как показал опыт, получающийся таким образом монолит с активной зоной внутри может храниться безопасно и без отрицательных экологических и радиационных воздействий на окружающую среду.
Часто вспоминают о полониевой проблеме…
Альфа-активный полоний, который образуется за счёт захвата нейтронов в висмуте, следует принимать во внимание при авариях с разливом теплоносителя. Но при эксплуатации и, тем более, при хранении вышедших из строя активных частей такой опасности просто не существует.
И вы задумайтесь - полоний ведь альфа-активный изотоп. Для защиты от такого излучения порой достаточно тонкой фольги, а мы заливаем реактор толстым слоем свинца-висмута. Так что, полоний при хранении реакторов не играет никакой роли.
Возвращаясь к исходной теме. Я сказал про семь выгруженных нормальных активных зон, но остаются ещё две аварийные. В сентябре 2009 года в Гремихе прошла операция по выгрузке выемной части из АПЛ №910. Это лодка аварийная, в 1989 году она была выведена из состава ВМФ и поставлена в режим ожидания своей дальнейшей судьбы.
Первоначально считалось, что выгрузка выемной части из аварийной лодки будет делом сложным, если не невозможным. Но эпопея выгрузки из лодки №910 показала, что задачу это можно решить. Конечно, для этого потребовалась смелость.
Я отдаю должное Валерию Николаевичу Пантелееву , который возглавлял операцию. Победителей не судят, а он стал очевидным победителем - выгрузил и сделал. Теперь Валерий Николаевич и его предприятие «СевРАО» готовятся к разгрузке аварийной лодки №900.
А что предполагается делать с активными зонами дальше?
В 2007 году мы закончили разработку стратегического мастер-плана утилизации и экологической реабилитации выведенных из эксплуатации объектов атомного флота и обеспечивающей инфраструктуры в Северо-Западном регионе России.
Несколько слов о важности этого документа. До 2002 года работы по данному направлению велись только по краткосрочным ведомственным планам, ориентированным на 5-7 лет вперёд. В них не охватывались все объекты, не учитывались должным образом взаимосвязи, и так далее.
В 2002 году на саммите G-8 в Кананаскисе было принято решение помочь России в ликвидации наследия холодной войны, выделив ей 10 миллиардов долларов в течение 10 лет. В качестве одной из главных задач рассматривалась задача утилизации подводных лодок и реабилитация объектов инфраструктуры, которые обслуживали АПЛ.
Но европейский банк реконструкции и развития поставил вопрос таким образом - мы не дадим России ни одного цента, пока у нашей страны не появится всеобъемлющий план. План, учитывающий все объекты, ориентированный на выполнение конечных целей, обосновывающий все приоритеты, и так далее. Тогда и была поставлена задача разработать мастер-план.
Руководство разработкой этого многотомного документа было поручено мне. Мы потратили на его составление целых четыре года.
В чём заключается его особенность?
Прежде всего, он охватывает все объекты, представляющие радиационную опасность. И атомные подводные лодки, и атомные надводные корабли, и суда технологического обслуживания, и объекты береговой инфраструктуры. То есть всё, что представляет радиационную опасность. Ни один план раньше такой широтой не отличался.
Второе. В отличие от всех предыдущих планов, здесь осуществлена беспрецедентная глубина планирования. Мы планируем не на пять, не на семь лет, а вплоть до достижения конечных целей. Поэтому некоторые проекты, которые здесь предусмотрены, будут выполняться через 25-30 лет.
Что Вы имеете в виду под конечной целью?
Первое - полный вывоз всего ядерного топлива из региона. Второе - создание инфраструктур обращения с радиоактивными отходами и захоронение радиоактивных отходов в регионе. Третье и очень важное - экологическая реабилитация загрязнённых территорий до уровня, позволяющего использовать их в нормальных промышленных целях.
Вернёмся к особенностям мастер-плана. Две я уже назвал, дополню их третьей. Мы этот проект выполняли с учетом как нашего, так и западного опыта. До сих пор не было, пожалуй, ни одного отечественного планового документа, который разрабатывался бы с участием иностранных специалистов.
У нас был назначенный банком международный консультант. Правда, честно признаться, мы его больше консультировали, чем он нас, но, тем не менее, совместная работа с компанией-консультантом позволила использовать накопленный на Западе позитивный опыт в этих вопросах.
Наконец, четвёртая особенность мастер-плана. Если раньше планы составлялись, опираясь на исследования, сделанные ранее или выполняемые в других учреждениях, то в рамках стратегического мастер-плана было предусмотрено восемь специальных стратегических исследований, ориентированных на решение принципиально важных проблем.
Пример таких исследований Вы можете привести?
Пожалуйста - обоснование критериев реабилитации радиационно-загрязнённых объектов береговой инфраструктуры. Здесь подходы могут быть разные, например, зелёная лужайка или что-то другое. Нам нужно было обосновать тот разумный критерий, до уровня которого надо заниматься реабилитацией.
Второе специальное стратегическое исследование касалось реакторов с жидко-металлическими теплоносителем. Было много неясностей у нас, и требовалось создать цельную картину обращения с ними.
Каков на данный момент статус мастер-плана?
Прежде всего, с гордостью скажу, что он утверждён. Он одобрен ассамблеей стран-доноров и введён в действие приказом Кириенко 26 декабря 2007 года как основной плановый документ самого высокого уровня, определяющий все работы в области утилизации. Сейчас всё, что делается по утилизации и экологической реабилитации в северо-западном регионе, проходит в соответствии с мастер-планом.
Недавно в дополнение к мастер-плану была разработана информационная система управления - специализированная ИСУП. В январе этого года ИСУП была утверждена госкорпорацией «Росатом» и введена в действие.
Группа, которая занимается ИСУП, находится в ИБРАЭ. К ней стекаются все сведения по работам, связанным с утилизацией. Если возникают какие-то новые обстоятельства, требующие альтернативных решений, то подключается группа экспертов, созданная при ИСУП, которая анализирует ситуацию и рекомендует оптимальные действия. После этого решение утверждается «Росатомом» и выдаётся как указание тем, кто занимается этими работами.
Подчёркиваю ещё раз, что сейчас все работы, связанные с утилизацией выведенного из эксплуатации атомного подводного флота, а так же объектов инфраструктуры, которая его обслуживала, сверяются и ведутся в соответствии с предначертаниями стратегического мастер-плана.
Предвидение адмирала Риковера.
Какой итог получился по реакторам? Что будут делать с выемными частями? Пойдут в хранилище?
Посмотрите мастер-план. Вот девять выемных частей, плюс ещё одна, которая находится в Сосновом Бору. В 2013 году начнётся их вывоз. Они сначала будут вывозиться к месту погрузки на железную дорогу, потом по железной дороге до порта и потом морским путем на площадку временного хранения.
Она будет расположена в Димитровграде?
Да, предполагается, что в Димитровграде. По каждой зоне составлен план по разборке и утилизации, от начала до конца.
Кроме реактора, есть ведь ещё собственно корпус и всё остальное. Если не ошибаемся, американцы предпочитают поставить всё это куда-нибудь лет на 50, чтобы всё спокойно высветилось.
Ответ простой. Всё, что связано с радиоактивностью, ограничивается реакторным отсеком. Как поступают американцы - и кстати, за что я воевал ещё в далёкие 80-ые годы, но тогда не получал поддержки? Они вырезают реакторный отсек вместе с реактором, в котором топлива уже нет. Иногда в этот реакторный отсек загружают радиоактивные детали и конструкции из других мест. Потом бочку с твёрдым радиоактивным металлом везут в пустыню Невада в штате Вашингтон и устанавливают на бетонные блоки.
В той местности очень маленькая влажность. Дожди там выпадают пять-семь дней в году. Поэтому всё хранилище просто обнесено колючей проволокой ржавой, а весь обслуживающий персонал - пара десятков человек.
Не могу не вспомнить феерическую картину, которую я наблюдал в американском хранилище - по территории свободно идёт индеец в красочном облачении и с перьями. Задаём вопрос, как он туда попал. Ответ таков - это индейская земля, их община дала разрешение на строительство хранилища, но землю они продолжают считать своей и гуляют по ней, как им заблагорассудится.
Реакторные отсеки американцы собираются хранить в течение 70-80 лет. Мы задавали им вопрос - как вы планируете поступать по окончанию этого срока? Неофициально нам сказали, хитро улыбнувшись, что получат разрешение на следующие 70-80 лет хранения.
В США никто ничего с реакторными отсеками делать не собирается. Нет смысла. Есть, конечно, технологии, позволяющие в результате переплавки выделять радиоактивную часть, а остальное пускать в производство, в промышленность. Но это будут настолько дорогие стали, что смысла заниматься такой работой нет. Проще выдерживать в хранилище. И мы поступим точно также.
Остальная часть подводной лодки не радиоактивна. Она разрезается на части, разделяется резина, кабели, медь, сталь, и всё идет на переплавку в производство. Это классическая схема.
У нас пытались сначала отсеки разместить в штольнях, которые были выстроены в своё время в скальном массиве на Севере и Дальнем Востоке для укрытия подводных лодок в случае атомного удара. Штольни представляют собой циклопические сооружения.
Но я, когда в первый раз приехал на объект вместе с группой специалистов, обратил внимание на две вещи. Первое - уровень нижнего основания штолен на десять метров ниже уровня моря. Там стоит плотина, и в случае её прорыва отсеки окажутся в морской воде со всеми вытекающими последствиями.
И второе - обстановка там не слишком подходящая для длительного хранения отсеков. Считалось, что в скальном грунте должно быть сухо, но, на самом деле, там было «сыровато». В сутки через щели в штольни поступало по десять тонн воды.
Я в свое время, будучи ещё председателем научно-технического комитета ВМФ, написал главнокомандующему письмо, где обратил внимание на нецелесообразность такого способа обращения. Тем более, что мне на тот момент уже были известны разведданные об американских подходах к хранению реакторных отсеков.
Меня вызвал к себе главком, Сергей Георгиевич Горшков , и сказал так: «Что касается техники я с вами согласен. Но вы рассуждаете слишком узко. У меня есть ещё социальные проблемы. Что я буду делать с десятком тысяч строителей, которые остаются на севере без работы?». На том беседа и закончилась. Загрузка строительных предприятий, другие социальные вопросы интересовали главкома в не меньшей степени, чем решение технических проблем.
Всё-таки, в конце концов от этой идеи благополучно отказались, и сегодня мы идём тем же путём, что и в остальном мире. Хранение отсеков никакой опасности для окружающей среды не представляет. За ними нужно присматривать и осуществлять локальный мониторинг.
Так вот и заканчивается жизненный цикл подводных лодок. Хотелось бы вернуться к концу 50-ых годов, когда началась разработка и была спущена первая атомная подводная лодка. Это было время гонки вооружений, отчаянное время. У нас, к сожалению, весь жизненный цикл продуман не был. Считалось, что надо в первую очередь строить, а обо всём прочем можно задуматься и потом.
Американцы действовали по тому же принципу?
Нет. У них руководителем создания АПЛ был адмирал Риковер. Читая его мемуары, я сам своими глазами нашёл в документах, относящихся к времени разработки «Наутилуса», указания о том, что надо думать о конечных стадиях обращения. Поэтому американцы так легко подошли к этому этапу, у них была готова концепция и даже выбрано место для хранения.
Знаете, наше личное мнение - Риковер был просто фантастически умный специалист.
Да, умный и пробивной. И очень проницательный. Незаурядный человек, конечно. Ничего не скажешь. Но тем приятнее подчеркнуть, что талант нашего российского ученого и конструктора оказался значительно более богатым и многообразным, чем американский. И лодки со свинцом-висмутом появились в нашей стране, а не в Соединённых Штатах. А американцы так и «упёрлись» в водо-водяные реакторы.
Благодаря нашему заделу, полученному на лодках, мы можем теперь переходить к созданию АЭС малой мощности с реакторами СВБР. Свинцово-висмутовые реакторы прописаны в ФЦП по новой технологической платформе. Есть все шансы, что этот реактор будет построен, им заинтересовался, как все знают, Дерипаска. AtomInfo. Ru.
Висмут соседствует с одной стороны с полонием, с другой стороны- со свинцом.
Висмут имеет нераспадающийся изотоп. Он довольно широко распространен в земной коре. Однако богатых висмутом руд на земном шаре не так уж много. Основной источник висмута в нашей стране - отходы свинцово-цинковых заводов, отходы обогащения вольфрамовых руд и концентраты медно-висмутовых месторождений.
Висмут был известен давно, еще в XVI веке. Однако его тогда считали просто разновидностью свинца или олова. Только в середине XVIII века был он, наконец признан самостоятельным металлом.
Свойства висмута не выделяют его из среднего круга не очень удавшихся природе металлов. Этот хрупкий металл имеет серебристо-красный цвет, удельный вес его - около 9,8 г на куб. см. Температура плавления висмута - 271 градус, кипения- 1560 градусов. Химическая активность средняя. Висмут не годится даже на роли легирующего элемента: его присутствие делает многие металлы хрупкими, нековкими, поэтому металлурги не только не стремятся ввести висмут в стали или бронзы, но, наоборот, стремятся удалить его, чтобы и следов не осталось, если уж на несчастье в руде окажется примесь висмута.
И все же висмут обладает такими редкими индивидуальными чертами характера, которые обеспечивают ему очень важные применения в технике.
Первое из них - изготовление легкоплавких сплавов. Обычно в их состав, кроме висмута, входят свинец, олово, кадмий, индий. Один из сплавов, состоящий из этих элементов, плавится при температуре всего в 47 градусов. Уже на дне стакана горячего чая можно расплавить этот сплав.
Такие сплавы применяются в автоматических системах огнетушения. Части труб, краны водопроводной системы в помещениях, где требуется автоматическое огнетушение, делаются из легкоплавкого сплава. В случае повышения температуры в этом помещении сплав плавится, струи воды вырываются навстречу пламени - они заливают помещение, ликвидируя пожар. Такие сплавы применяются и в качестве аварийных клапанов паросиловых установок. Вырастает температура пара, газа или перегретой жидкости выше допустимого предела- и плавится сделанная из легкоплавкого кадмиевого сплава пробка или стенка. Авария всего устройства предотвращена.
Другой сплав, содержащий одну часть висмута и четыре части ртути, обладает удивительной способностью прилипать к самым различным веществам. Отлично прилипает он и к стеклу, поэтому его применяют в качестве серебрителя стеклянных поверхностей.
Применяют сплавы висмута и в качестве припаев, в частности, если надо спаять стекло и металл. Делают из сплавов висмута и художественные отливки, он входит в состав типографских шрифтов.
Вот сколько применений находит немудрящий висмут.
Впрочем, мы не рассказали об еще одном. Висмут обладает уникальной способностью чрезвычайно сильно изменять свое электрическое сопротивление под влиянием температуры и изменения напряженности окружающего магнитного поля. Этим его свойством пользуются для измерения напряженности магнитного поля. Прибор для этой цели называется висмутовой спиралью.
Находят себе применение - главным образом в медицине, косметике и стеклоделии - многие соединения висмута.
Кристаллы висмута November 24th, 2013
До XVIII века этот элемент часто ошибочно принимали за олово или свинец. Его в два раза больше, чем золота, и он входит в состав популярного препарата против расстройств пищеварения Пепто-Бисмол.
Давайте я вам расскажу подробнее про висмут и про то, как получаются такие кристаллы …
Фото 2.
Висмут был известен человечеству с давних времен, впервые упомянут в письменных источниках в 1450 году как Wismutton или Bisemutum. Долгое время этот металл считался разновидностью сурьмы, свинца или олова. Первые сведения о металлическом висмуте, его добыче и переработке встречаются в трудах крупнейшего металлурга и минералога средневековья Георгия Агриколы, датированных 1529 г. Представление же о висмуте как о самостоятельном химическом элементе сложилось только в XVIII в. Символ Bi впервые ввел в химическую номенклатуру выдающийся шведский химик Йенс Якоб Берцелиус.
О происхождении слова «висмут» существует несколько версий. По одной из них считают, что в основе его лежат немецкие корни «wis» и «mat» (искаженно weisse masse и weisse materia) -белый металл (точнее, белая масса, белая материя). По другой — слово «висмут» — не что иное, как арабское «би исмид», то есть похожий на сурьму.
Фото 3.
Содержание висмута в земной коре 2*10 -5 % по массе, в морской воде — 2*10 -5 мг/л. Висмутовые руды, содержащие 1% и выше висмута, встречаются редко, обычно его источником служат свинцовые, оловянные и другие руды, где он содержится как примесь. Минералами висмута, входящими в состав таких руд, являются висмут самородный (содержит 98,5-99% Bi), висмутин — Bi 2 S 3 , бисмит — Bi 2 O 3 и другие.
Около 90% всего добываемого висмута извлекается попутно при металлургической переработке свинцово-цинковых, медных, оловянных руд и концентратов. Висмут получают сплавлением сульфида с железом: Bi 2 S 3 + 3Fe = 2Bi + 3FeS,
или последовательным проведением процессов:
2Bi 2 S 3 + 9O 2 = 2Bi 2 O 3 + 6SO 2 ; Bi 2 O 3 + 3C = 2Bi + 3CO.
Фото 4.
В отличие от сурьмы, в висмуте металлические свойства явно преобладают над неметаллическими. Ему свойствен сильный металлический блеск и белый розоватого оттенка цвет. Висмут одновременно хрупок и довольно мягок, тяжел (плотность 9,8 г/см3), легкоплавок (температура плавления 271°C). При плавлении висмут уменьшается в объеме (как лед), т.е. твердый висмут легче жидкого. Среди прочих металлов висмут выделяют малая теплопроводность (хуже него тепло проводит только ртуть) и самые сильные диамагнетические свойства.
Природный висмут состоит из одного стабильного изотопа 209 Bi.
Фото 5.
В сухом воздухе висмут не окисляется, во влажной атмосфере постепенно покрывается пленкой оксидов. При нагревании выше 1000°С сгорает с образованием основного оксида Bi 2 O 3 . При сплавлении висмута с серой образуется Bi 2 S 3 .
Взаимодействует с галогенами (наиболее изучены тригалогениды): 2Bi + 3Hal 2 = 2BiHal 3
Не реагирует с Н 2 , С, N 2 , Si..
При взаимодействии висмута с металлами образуются висмутиды, например, висмутид натрия Na 3 Bi, висмутид магния Mg 3 Bi и др. При действии кислот на такие сплавы висмута образуется висмутин BiH 3 .
Со щелочами и разбавленными кислотами висмут не реагирует, с концентрированными образует соли:
Bi + HNO 3 (конц.) => Bi(NO 3) 3 + …
Фото 6.
Основное применение висмута — его использование в качестве компонента легкоплавких сплавов. Висмут входит, например, в известный сплав Вуда, температура плавления которого ниже температуры кипения воды, во многие другие сплавы, используемые, например, при изготовлении легкоплавких предохранителей. Сплавы висмута и марганца (Mn) характеризуются ферромагнитными свойствами и поэтому идут на изготовление мощных постоянных магнитов.
Небольшие добавки висмута (0,003%-0,01%), в стали и в сплавы на основе алюминия улучшает пластические свойства металла, резко упрощает его обработку.
Некоторое значение висмут имеет в ядерной технологии при получении полония — важного элемента радиоизотопной промышленности. Соединения висмута, особенно Bi 2 O 3 , применяют в стекловарении и керамике, в фармацевтической промышленности, в качестве катализаторов и др.
Висмут относится к токсичным ультрамикроэлементам.
О физиологической роли висмута известно немного. Возможно он индуцирует синтез низкомолекулярных белков, принимает участие в процессах оссификации, образует внутриклеточные включения в эпителии почечных канальцев. Возможно, этот элемент обладает генотоксичными и мутагенными свойствами.
Не смотря на то, что висмут относится к категории тяжелых металлов, он является умеренно токсичным элементом. Растворимые соли висмута ядовиты и по характеру своего воздействия (хоть и в меньшей степени) аналогичны солям ртути.
Фото 7.
Соли висмута используют с 1700-ых гг. для лечения таких болезней, как диарея, а также для облегчения симптомов холеры.
Фото 8.
Во время разлива нефти в Мексиканском заливе, морских птиц заставляли глотать это вещество, чтобы вывести нефть, которая попала в их организм.
Хотя это вещество было известно с древних времен, слово «висмут» появилось впервые в конце XVII века. Алхимики применяли его в своих опытах в средние века. Шахтеры, добывавшие руду, называли его tectum argenti. Это переводится, как «производство серебра». Шахтеры полагали, что висмут был наполовину серебром.
И красота его кристаллов, несомненно, указывает на то, почему они так считали.
Название висмута считается латинизированной версией старогерманского слова «виссмут», и лишь в 1546 году немецкий ученый Георгий Агрикола (отец минералогии) заявил, что висмут – это отдельный металл.
Фото 9.
Висмут применялся не только в Европе: хотя его андское название было утеряно, инки использовали висмут для изготовления холодного оружия. Из-за этого мечи инков были очень красивыми, и их сияние было результатом радужного окисления – химической реакции с кислородом. Разница в цветах – это результат разной толщины слоя окиси поверх кристалла. Когда на кристаллы висмута попадает прямой свет, эти колебания в толщине приводят к разным длинам волн для прерывания отражения. Поэтому мы и получаем красивый эффект радуги.
В периодической таблице висмут имеет несколько соседей (его номер – 81), и если принять их вовнутрь, можно причинить серьезный урон здоровью. В этот список входят свинец, сурьма и полоний. И хотя висмут имеет высокую атомную массу, он всегда считался стабильным (долгие годы он даже считался самым стабильным элементом в плане массы).
Тем не менее, недавно обнаружилось, что этот элемент слегка радиоактивный. Но не волнуйтесь, висмут не может убить. На самом деле сплавы висмута уже давно заменяют свинец (в таких предметах, как вентили для питьевых водопроводных систем).
Фото 10.
В слитке чернового свинца содержится до 10% висмута, и для его добычи нужно пройти несколько стадий. Однако после двух главных процессов, в этой смеси остается еще много других металлов.
Чтобы получить чистый висмут, нужно расплавить переработанную смесь, а затем добавить хлор-газ. Остальные металлы добывают в их хлоридной форме, после чего остается чистый висмут. Висмут имеет некоторые удивительные характеристики. Как вы знаете, вода – одно из немногих веществ, которое является более плотным в жидкой форме, чем в твердой. В этом висмут похож на воду – в твердой форме он увеличивается на 3%.
Он также более диамагнитный, чем любой другой металл на планете. Диамагнетизм присутствует во всех материалах – это свойство, создающее магнитное поле. С другой стороны, висмут имеет самый низкий показатель теплопроводности, чем у любого другого металла. Считается, что висмут обладает низким воздействием на окружающую среду. Это потому, что его составляющие не очень растворимы, поэтому в воде он не может навредить людям. Однако в плане влияния висмута на окружающую среду были проведены лишь ограниченные исследования.
Фото 11.
Вообще, висмут - это легкоплавкий металл, который расширяется при затвердевании, поэтому слитки не имеют усадочной раковины, а наоборот, имеют выпуклую поверхность. Применяется висмут, в основном, для изготовления легкоплавких сплавов и припоев.
Чистый, неокисленный висмут имеет серебристо-белый цвет с небольшим красноватым оттенком. Радужная окраска этого кристалла обусловлена наличием тонкой оксидной пленки на его поверности. При желании, окраску легко удалить. Достаточно просто промыть кристалл разбавленной соляной кислотой, и его поверхность станет серебристой.
Если расплавленный металл залить в форму и дать ему затвердеть, то получится слиток. Но кристаллы висмута получаются немного по-другому.
Получить такие фантастические кристаллы висмута (только висмута! с другим металлом такое не получится!) можно так. Нужен очень чистый висмут. Чем он чище, тем красивее получатся кристаллы. Расплавленный на горелке металл выливается в подогретую ёмкость. Через некоторое время, когда он примерно на треть затвердеет, жидкий металл сливают, а на дне остаются такие кристаллы. Такую красивую окраску кристаллы висмута приобретают в результате окисления поверхностного слоя металла, причем чем выше чистота исходного металла, тем более красиво окрашивается кристалл.
Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия -
В 1833 г. Паттинсон предложил метод очистки свинца от серебра и висмута фракционной кристаллизацией Полученный таким образом свинец содержал менее 0,02% Bi. После внедрения в начале текущего столетия способа обессеребрения свинца цинком был внедрен электролитический способ обезвисмучивания.
В 1922 г Кроллем был предложен новый метод, основанный на том, что щелочные и щелочноземельные металлы образуют с висмутом соединения, обладающие высокой температурой плавления и не растворяющиеся в свинце.
Наименьшая полученная Кроллем концентрация висмута в свинце была около 0,03%, что явно недостаточно.
В 1934 г. Беттертон и Лебедев нашли, что одновременная добавка в свинец кальция и магния позволяет уменьшить содержание висмута в свинец до 0,02%, а в присутствии небольшого количества сурьмы это содержание может быть понижено до 0,005%.
В период 1939-1950 гг исследовались другие способы обезвисмучивания, но только способ Жолливета нашел практическое применение наряду с широко распространенным способом Кролля - Беттертона.
Имеются две четверные системы, в которых образуются двойные висмутиты: Pb-Bi-Mg-Ca и Pb-Bi-Mg-K. Первая система лежит в основе процесса Кролля - Беттертона, вторая - в основе процесса Жолливета.
С кальцием (рис. 55) висмут образует два химических соединения: Bi2Ca3 (22,3% Ca, температура плавления 928°) и Bi3Ca (6% Ca, разлагается при 507° на Bi2Ca3 и сплав). В этой системе имеются также две эвтектики с температурой плавления 270° (0,5% Ca) и 786° (58,5% Cа),
С магнием (рис. 56) висмут образует одно химическое соединение Bi2Mg3 (15% Mg, температура плавления 823°), и в системе имеется одна эвтектика с температурой плавления 260° (0,54% Mg).
Кальций и магний легко сплавляются со свинцом, образуя ряд химических соединений: Pb4Ca, PbCa, PbCa2 и Mg2Pb.
Процесс обезвисмучивания по своему химизму и практическому осуществлению похож на обессеребрение; в жидкий свинец при 370-380° вмешивают кальций и магний, образующие тугоплавкие химические соединения Bi2Ca3 и Bi2Mg3.
Эти более легкие (по удельному весу), чем свинец, соединения всплывают на поверхность ванны в виде висмутистой пены. Пену удаляют из котла и перерабатывают для извлечения висмута.
Кальций и магний применяют вместе в пропорции 1:2. Применение одного кальция позволяет снизить содержание Bi в свинце не более чем до 0,05%, один магний обезвисмучивает свинец только до 0,5% Bi. Совместное их действие позволяет снизить содержание Bi до 0,01%, так как при этом снижается растворимость Bi в свинце.
Магний для обезвисмучивания применяется в виде чистого металла. Кальций на воздухе окисляется, поэтому для обезвисмучивания его применяют в виде сплава со свинцом - лигатуры, получаемой различными способами.
Расход реагентов составляет (по отношению к свинцу) 0,1% Ca и 0,2% Mg, причем с увеличением содержания висмута в свинце расход реагентов мало возрастает.
Схема обезвисмучивания приведена на рис. 57.
Выход пены составляет 5-8% и концентрация в ней Bi раз в 15-20 выше, чем в исходном свинце. При обезвисмучивании пены ее удаляют из котла и направляют бедную пену в оборот на новые порции рафинируемого свинца.
После описанного процесса, называемого «грубым» обезвисмучиванием (после которого в свинце остается 0,2% Bi), необходимо «тонкое» обезвисмучивание. Для этого в свинцовую ванну, насыщенную кальцием и магнием, после удаления с ее поверхности богатой пены при температуре около 350° вводят небольшое количество металлической сурьмы и удаляют образующуюся пену. Операцию повторяют и получают свинец, содержащий менее 0,004% Bi и примерно 0,04% Ca и Mg. Дополнительная обработка такого свинца щелочью перед разливкой позволяет очистить его до уровня требований ГОСТа.
Расход сурьмы при обезвисмучивании составляет 0,2-0,3 кг/г свинца. На некоторых отечественных и зарубежных заводах металлическую сурьму заменили свинцовосурьмянистым сплавом, получаемым при переработке полупродуктов рафинировочного цеха.
Иногда свинец после обессеребрения подвергают обезвисмучиванию, минуя стадию извлечения цинка, который удаляется при последнем, щелочном рафинировании вместе с кальцием, магнием и сурьмой. При этом технологическая схема упрощается, но извлечение и использование цинка, оставшегося в свинце после обессеребрения, практически становится невозможным.
Полученную богатую висмутистую пену, содержащую 5-7% Bi, в которую переходит до 20% Pb, подвергают щелочному рафинированию для удаления кальция и магния, после чего отливают в аноды и направляют их на электролитическое рафинирование.
Процесс обезвисмучивания - операция сложная и длительная, связанная со значительным снижением прямого выхода свинца и переводом больших его количеств в полупродукты.
По способу Жолливета свинец практически обезвисмучивается при 340-350° до 0,005% и даже 0,001% Bi, что с трудом достигается по способу Кролля - Беттертона. При последнем способе только добавка небольших количеств сурьмы, образующей тугоплавкие соединения Sb2Mg3 и Sb2Ca3, позволяет достаточно полно извлечь висмут главным образом за счет физических процессов, способствующих извлечению из толщи металла остающихся в нем мелких кристаллов MgaCaBi2.
Лучшему обезвисмучиванию способствует также медленное охлаждение ванны в интервале температур 360-327°, так как при медленном охлаждении более полно выделяются кристаллы.
На двух европейских заводах процесс обезвисмучивания проводят непрерывно. Для этой цели применяют вертикальные котлы, аналогичные котлам для обессеребрения. На заводе Пеньяройа (Франция) процесс Жолливета проводится непрерывно в закрытом сверху котле, исключающем окисление калия, вводимого в ванну в виде сплава со свинцом.
В 1944 г. Бласкетом был предложен способ обезвисмучивания свинца при добавке натрия к свинцовой ванне под слоем флюса из каустической соды. При этом выделяется Na3Bi и висмут может быть удален до содержания в свинце 0,02%. В сочетании с процессом Жолливета описываемый способ позволяет получить содержание висмута в свинце ниже 0,001%.
Применяемую для обезвисмучивания свинцовокальциевую лигатуру получают тремя способами:
1) сплавлением, основанным на реакциях замещения между свинцовонатриевым сплавом и хлористым кальцием - натриевотермической процесс;
2) сплавлением, основанным на реакциях взаимодействия карбида кальция с алюминием и свинцом - карбидный процесс;
3) электролизом хлористого кальция с жидким свинцовым катодом - электролитическим способом.
Натриевотермический процесс широко распространен на свинцовых заводах России. Ho этому способу свинец, нагретый до 380-420°, заливают в котел, в котором уложены чушки металлического натрия. Образуется свинцовонатриевый сплав, который затем загружают в котел с расплавленным хлористым кальцием при тщательном вмешивании.
При этом происходит следующая реакция:
Полученный свинцовокальциевый сплав, содержащий 2,5-3% Ca и 1-1,5% Na, разливают в блоки весом 1-1,2 г и используют при рафинировании, а шлак, состоящий главным образом из NaCl, направляют в отвал.
Двуступенчатая схема получения лигатуры объясняется невозможностью прямого сплавления свинца с кальцием. Металлический кальций легко окисляется и при попытках непосредственного сплавления со свинцом сгорает. Необходимость использования металлического натрия и двуступенчатость процесса делают его весьма дорогим.
Карбидный способ получения лигатуры применяют в Польше, Югославии, Западной Германии, США и других странах. На заводе в Вареньске (Польша) смесь хлористого кальция и флюорита расплавляют и нагревают до 900°, после чего выливают в котел со свинцом, нагретым до такой же температуры. Туда же добавляют 1-1,5% Al (от веса свинца) и 7-8% карбида кальция.
Содержимое котла перемешивается механической мешалкой в течение нескольких часов при одновременном повышении температуры. К концу процесса температура поднимается до 1100°. Содержание кальция в приготовленной таким способом лигатуре составляет 2-4%.
Исследование этого способа инженером Родякиным показало, что хлористый кальций и флюорит служат плавнями и не участвуют в реакции. Основная реакция выражается уравнением
причем она протекает только вместе со второй реакцией:
По другим источникам протекает реакция
Во всяком случае алюминий способствует выделению свободного кальция, растворяющегося в свинце. Указанное исследование показало возможность замены трудно обезвоживаемого и дорогого хлористого кальция природным карналлитом, что упрощает и удешевляет процесс.
Карбидный способ примерно вдвое дешевле натриевотермического. Есть все основания для его внедрения на заводах России.
Электролитический метод получения лигатурь используют на заводах Иова в Кеокуке (США) и в Биттерфельде (ФРГ).
Способ включает операции подготовки хлористых солей к электролизу и электролиз расплавленных солей с жидким свинцовым катодом.
Хлористый кальций сушат в токе воздуха при 250° до содержания в нем одной молекулы воды (около 7%), после чего загружают в приведенный на рис. 58 электролизер с внутренними размерами 500х320х465 мм. Ванна электролизера выложена из магнезита и имеет токопроводящую подину из угольных блоков. Положительным полюсом служит графитовый электрод диаметром 200 мм. Через крышку в ванну погружена мешалка, служащая для перемешивания сплава. Выделяющийся при электролизе хлор отсасывается вентилятором.
Сплав выпускают через летку, расположенную на 30 мм выше подины, хлористый кальций загружают через специальное отверстие в крышке ванны, свинец - по мере выпуска сплава.
При температуре 750°, катодной плотности тока 1,2 а/см2, напряжении на ванне 8-12 в и силе тока 1800 а выход кальция по току близок к 36%. Содержание в сплаве кальция равняется 3,4%, расход электроэнергии составляет 44 квт*ч/кг кальция в лигатуре, расход электродов 2-3 кг/т лигатуры.
Электролитический метод позволяет, по расчетам, получить лигатуру в 3-4 раза дешевле, чем натриевотермическим методом, поэтому он, очевидно, в ближайшее время найдет применение на отечественных заводах.
03.04.2019
В ходе осуществления строительных процедур применяют большое количество разнообразных типов элементов крепежа, которые успешно справляются с определённым...
03.04.2019
Качество употребляемой воды имеет очень большое значение, так как вода это один из самых главных ресурсов для человека. Действительно, именно от качества употребляемой...
03.04.2019
Если вы считаете, что ковры уже вышли из моды, вы глубоко заблуждаетесь. Они снова начинают входить в моду, и спрос на них растет с каждым днем. Но что же надо знать о...
03.04.2019
Строительные нормативы РФ предусматривают обязательное выполнение определенных требований, призванных обеспечить прочность и качество постройки....
03.04.2019
Железорудное предприятие из Австралии Fortescue Metals сумело оформить всю необходимую документацию для воплощения в жизнь программы, направленной на добычу магниевого...
03.04.2019
На сегодняшний день во многих центральноевропейских государствах с целью обогрева комнат люди выбирают камины, тогда как для населения Восточной Европы источником тепла...