Вблизи абсолютного нуля

Атомы одного элемента похожи друг на друга, как близнецы. Но и тут имеется разница. Опять-таки встречается несколько сортов этих близнецов. Называются они изотопами. Для химика все они одинаковы, в химических реакциях их не различить никаким способом.

А вот физики говорят — близнецы, да не совсем. Вес у них различный. Возьмем водород. У него есть целых три изотопа.

Называются они — обычным или легким водородом, тяжелым и сверхтяжелым.

Тяжелый водород — дейтерий — в два раза тяжелее легкого, а сверхтяжелый — в три. Что такое вода? Два атома водорода и один кислорода — вот и получается молекула воды. Если вместо водорода в молекуле поселится дейтерий, тогда вода станет тяжелой.

Правда, не такая уж тяжелая. Если дать вам в руки стакан простой и тяжелой воды, то вы не отличите их по весу. Молекула тяжелой воды в 10/9 раза тяжелее обычной молекулы. Зато по многим свойствам тяжелая вода отличается от обычной — от той, которую мы пьем, которой умываемся. Говорят иногда, что тяжелая вода вроде мертвой воды наших сказок.

В любом водоеме вместе с обычной водой есть и тяжелая. Всего лишь 0,02 %. 0,2 грамма в каждом литре. А спрос на нее очень велик.

Тяжелая вода нужна атомной физике, атомной технике.

В чем разница? Атомная физика — наука, которая занимается исследованиями самых тонких свойств вещества, проникает в глубь молекул и атомов, изучает их строение. Вы думаете, меньше атома ничего нет? Ошибаетесь. Атом совсем не такой простой и неделимый. В нем есть частички еще меньших размеров. Бывает даже много этих частичек. До двух-трех сотен! Исследовать все частички, изучить их, проникнуть в глубь атома — нелегкая задача. И тяжелая вода помогает ученым в этой работе. Но еще чаще тяжелую воду мы встретим в атомных котлах. Их называют ядерными реакторами.

При обычных взрывах, скажем, пороха или динамита, выделяется мгновенно тепловая энергия. Она хранилась до этих пор внутри молекул. И запас этой скрытой энергии в момент взрыва стремительно вырывается наружу.

Гораздо больший запас энергии хранится внутри атомов. Но зато до него и труднее добраться. Лишь двадцать лет назад ученые добились этого. Человек начал осваивать энергию атомных ядер — атомную энергию. Сначала она появилась тоже при взрыве — атомном взрыве.

Атом напоминает нашу солнечную систему. Внутри — солнце, а вокруг него вращаются планеты. В атоме подобием солнца служит ядро. Это и есть самая сокровенная кладовая природы. Здесь скрываются бессчетные запасы энергии. Надо только уметь ее оттуда изъять. Первыми «раскошелились» ядра тяжелого темного металла урана. Ученые нашли способ освобождать энергию ядер урана. Происходит это в атомном котле. Кроме «топлива» — длинных урановых стержней урана, в таком котле есть одна весьма существенная часть — замедлитель.

Жители японских городов Хиросимы и Нагасаки хорошо запомнили августовские дни 1945 года. Они узнали, что получается, когда атомная энергия вырывается наружу мгновенным взрывом. Но человеку не нужна атомная бомба. Надо обуздать взрыв, чтобы атомная энергия выделялась постепенно, определенными порциями. Вот, например, электрическая энергия непрерывно вырабатывается электростанцией. И по проводам ее доставляют всюду. Работают станки, идут электропоезда, горят лампочки в квартирах, экраны кинотеатров. И все это благодаря тому, что электростанции исправно поставляют городу электричество. Вот таким способом надо поступать и с энергией атома.

Надо заставить атомы урана выделять ее не спеша. Эту работу выполняет замедлитель. Он успокаивает, замедляет реакцию. И вместо мгновенного взрыва атомы урана работают долго и равномерно.

Одним из лучших замедлителей является тяжелая вода.

Вот наконец-то мы добрались до дела.

Тяжелая вода нужна атомным реакторам. А их становится все больше и больше. Казалось бы, легче всего получать тяжелую воду из обычной воды. Выделить каким-нибудь образом эти 0,02 процента. Раньше так и поступали. И вдруг совсем недавно ученые доказали, что гораздо выгоднее окольный путь. Сначала из воды с помощью электричества получают водород. Разумеется, в этом случае водород появится на свет вместе со своим двойником — изотопом дейтерием. Химически они неразлучны, как настоящие двойники. Затем водород надо превратить в жидкость и тогда развести «близнецов» в разные стороны: дейтерию предложить для реакции атомы кислорода, чтобы он превратился в тяжелую воду, а водород отпустить на волю или передать химикам.

Так в атомную технику пришли температуры, лишь на двадцать градусов отличающиеся от абсолютного нуля. Сейчас к ним уже привыкли.

Газы удобно разделять в жидком виде из-за того, что они кипят при различных температурах. Азоту надо — 195,8 °C, а для кислорода хватит —183 °C.

Дейтерий и легкий водород ведут себя точно так же. Но точки кипения азота и кислорода различаются на целых двенадцать градусов. А для дейтерия и легкого водорода разница всего около трех градусов. Но и это уже хорошо. Ведь обычно изотопы почти не отличаются друг от друга. Поэтому и разделять их чрезвычайно трудно.

Значит, для разделения изотопов водорода нужно построить такие же разделительные колонны, заставить водород путешествовать по тарелкам, как это проделывают с жидким воздухом. Но сначала придется добывать обычный водород. Это ведь не воздух, который окружает нас. Поэтому первая ступень «дейтериевого» завода — электролизная ванна. Электрический ток разлагает воду. Затем водород очищают. Вымораживают воду, углекислый газ, кислород, азот, Особенно опасен кислород. Если в машину для сжатия водорода попадает хоть немного кислорода, ожидай взрыва. Дальше начинается знакомая нам работа. Жидкая смесь легкого и тяжелого водорода понемногу переходит с одной тарелки на другую, тянется в низ колонны. Навстречу — струя газа. Жидкость по дороге приобретает все больше и больше дейтерия, а газ, поднимающийся наверх, становится более чистым водородом. Полностью отделить изотопы с одного раза не удается.

Для того чтобы получить дейтерий, почаще приходится повторять эту операцию.

Когда дейтерий почти очищен от своего двойника — легкого водорода, можно приглашать кислород. Небольшой взрыв — это хлопнул гремучий газ, и вот она, желанная тяжелая вода. Теперь дейтерий крепко связан с кислородом и уже никуда не может улетучиться. Скоро дейтерий будет ценнейшим веществом сам по себе, а не только как составная часть тяжелой воды.

Еще одно «укрощение»

Запомните хорошенько слово «дейтерий». Он скоро сможет заменить уголь, нефть, горючие газы. И «загорится» в топках новых электростанций, самых удобных, самых лучших в мире.

Слово «загорится» стоит в кавычках. Это не зря. Гореть пламенем дейтерий не будет. Он ведь такой же горючий газ, как и обычный водород, его легко поджечь. Но ученые хотят зажечь особенный костер. Он называется термоядерным. Для костра термоядерного и предназначается дейтерий. Атомная реакция урановых ядер — уже близкий друг и помощник человека. Есть чудовище пострашнее атомной бомбы — водородная бомба. Миллионы, десятки, сотни миллионов градусов.

Атомная бомба уже укрощена учеными. Появились атомные котлы — источники энергии. Работают атомные электростанции, в том числе и первая в мире наша советская электростанция на ядерном горючем.

Теперь ученые хотят заставить мирно работать водородную бомбу. Какую замечательную победу одержали бы в этом случае люди!

Электростанцию, где работают ядра дейтерия, называют термоядерной. Таких электростанций еще нет. Но ученые надеются, что не за горами тот день, когда впервые родится ток самой удивительной фабрики электричества, работающей… на воде!

Знаете, сколько полезных веществ сжигают ежедневно наши тепловые электростанции? Химики могут изготовить из них миллионы ботинок, пальто, галош, соорудить великолепные дома, построить автомобили, пароходы, самолеты. Вот что можно поучить из угля и нефти, которые так бесследно исчезают в прожорливых топках. Кстати, обычного топлива на земле не так уж много: хватит еще лет на двести…