Сергей Венецкий - О редких и рассеянных. Рассказы о металлах
Какие же функции выполняет этот элемент в атомной энергетике? Подобно тому как автомобиль не обходится без тормозов, реактор не может работать без регулирующих стержней, увеличивающих или уменьшающих поток нейтронов. Чтобы началась реакция, стержни медленно поднимают, предоставляя нейтронам возможность свободно «резвиться» в атомном котле. Но если они при этом «теряют чувство меры», т. е. процесс становится слишком интенсивным, стержни вновь погружают в активную зону: нейтроны оказываются как бы взаперти, и реакция затормаживается.
В каждом реакторе «по штатному расписанию» предусмотрен также массивный аварийный стержень, который приступает к делу в том случае, если регулирующие стержни почему-либо не справляются с возложенными на них обязанностями. Ну, а вдруг и он откажет? Такой случай произошел на одном из американских реакторов (в штате Калифорния). Из-за каких-то конструктивных неполадок аварийный стержень не смог своевременно погрузиться в котел — цепная реакция стала неуправляемой, возникла серьезная авария. Реактор с разбушевавшимися нейтронами представлял огромную опасность для окрестного населения. Пришлось срочно эвакуировать людей из опасной зоны, пока ядерный «костер» не погас. К счастью, обошлось без жертв, но убытки были очень велики, да и реактор на некоторое время вышел из строя. А будь исправен механизм аварийного стержня, нейтроны удалось бы утихомирить в считанные мгновения.
Главное требование, предъявляемое к материалу регулирующих и аварийных стержней, — способность поглощать нейтроны, а кадмий-один из «крупнейших специалистов» в этой области. С одной только оговоркой: если речь идет о тепловых нейтронах, энергия которых очень мала (она измеряется сотыми долями электрон-вольта). В первые годы атомной эры ядерные реакторы работали именно на тепловых нейтронах и кадмий долгое время считался «первой скрипкой» среди стержневых материалов. Позднее, правда, ему пришлось уступить ведущую роль бору и его соединениям. Но для кадмия физики-атомщики находят все новые и новые сферы деятельности: так, например, с помощью кадмиевой пластинки, устанавливаемой на пути нейтронного пучка, исследуют его энергетический спектр, определяют, насколько он однороден, какова в нем доля тепловых нейтронов.
Если атомная энергетика — своего рода эпицентр современной техники, то лакокрасочная промышленность — всего лишь ее периферия. Но и тут кадмий работает так же добросовестно, как и на «ответственных постах» в ядерных реакторах. Еще в прошлом веке сульфид этого элемента использовали в качестве минерального красителя. В «Технической энциклопедии», изданной в начале нашего века, приведена следующая справка: «…светлые желтые тона, начиная от лимонно-желтого, получаются из чистых слабокислых и нейтральных растворов сернокислого кадмия, а при осаждении раствором сернистого натрия получают тона более темно-желтые…Тем или другим способом можно получить кадмиевую желть шести оттенков, начиная от лимонно-желтого до оранжевого… Краска эта в готовом виде имеет очень красивый блестящий желтый цвет. Она довольно постоянна к слабым щелочам и кислотам, а к сероводороду совершенно нечувствительна; поэтому она смешивается в сухом виде с ультрамарином и дает прекрасную зеленую краску, которая в торговле называется кадмиевой зеленью… Будучи смешана с олифою, она идет как масляная краска в малярном деле; очень хорошо укрывиста, но вследствие большой рыночной цены (фунт стоит от 5 до 6,50 руб.) она большей частью идет в живописи как масляная или акварельная краска, а также и для печатания. Благодаря ее большой огнеупорности употребляется для живописи по фарфору».
Амплуа красителя сульфид кадмия сохранил и в последующие годы. С почтением относились к кадмиевой краске вагоностроители, которые многие годы красили ею железнодорожные пассажирские вагоны. Объяснялось это не столько тем, что она «очень хорошо укрывиста», сколько ее высокой стойкостью против «дурного влияния» паровозного дыма. В последнее время сравнительно дорогой чистый сульфид кадмия часто заменяют более дешевыми красителями — кадмопоном и цинко-кадмиевым литопоном; последний имеет приятный цвет — кремовый или слоновой кости.
У пиротехников сульфид кадмия пользуется популярностью благодаря его способности создавать синее пламя, а при соответствующих добавках — голубое и фиолетовое. Но этим не исчерпываются «творческие возможности» кадмиевых соединений: селенид этого элемента применяют как красную краску; ему же обязаны своим рубиновым цветом звезды московского Кремля. Словом, кадмий имеет «дружеские связи» со всеми цветами радуги. Кадмиевые пигменты используют для окраски резины, тканей, пластических масс, синтетических волокон.
Уже знакомые вам соли кадмия — сульфид и селенид — известны также своими полупроводниковыми свойствами. Ученые полагают, что кристаллам сульфида кадмия суждено сыграть важную роль в развитии электроники, ядерной физики, акустики (в частности, для усиления ультразвука).
Вполне возможно, что сульфид кадмия сыграет важную роль и в преобразовании солнечной энергии в электрическую. Над этой интересной проблемой работают ученые различных стран. Ведь из огромного количества энергии, посылаемой Солнцем на Землю, человек использует сегодня лишь 0,001 %. Что и говорить, маловато! Не случайно замечательный французский физик Фредерик Жолио-Кюри, посвятивший свою жизнь извлечению энергии из недр атома, считал, что «решение проблемы использования солнечной энергии для человечества важнее, чем покорение атомного ядра». Уже созданы солнечные элементы, аккумулирующие лучи небесного светила и преобразующие их в электроэнергию. Такие элементы устанавливают, например, на космических аппаратах. На солнечное «обслуживание» переведены маяки Камчатки и Курильских островов. Достаточно двух-трех месяцев безоблачной погоды, чтобы маяки, заряженные энергией Солнца, светили целый год. Наибольшее распространение получили кремниевые элементы, но они очень дороги, и бесплатная энергия Солнца с их помощью заметно возрастает в цене. Физики уже предложили ряд других элементов, которые во много раз дешевле кремниевых. Так, в США изготовлены солнечные элементы в виде тонкой пленки на основе сульфидов кадмия и меди. Правда, коэффициент полезного действия их пока невысок, но специалисты считают, что это дело поправимое.
В последние годы многие технологические эксперименты ставят не в земных лабораториях, а в условиях космического пространства. «Тут (в космосе) можно роскошно производить всевозможные металлургические работы», — говорит один из героев фантастической повести К. Э. Циолковского «Вне Земли». Прошло всего несколько десятков лет, и дерзновенные мечты великого ученого стали реальностью. Невесомость действительно уникальная среда для проведения разнообразных опытов. Однако пропускная способность космических лабораторий пока еще невелика, и поэтому «участников» внеземных экспериментов приходится придирчиво отбирать из наиболее интересных и перспективных материалов. Кадмию в этом отношении повезло: в программу космического материаловедения было включено получение на борту орбитальной научной станции «Салют-6» на установках «Сплав» и «Кристалл» ряда полупроводниковых веществ, в том числе теллурида и сульфида кадмия, а также тройного соединения кадмий-ртуть-теллур (сокращенно КРТ).
Особый интерес ученых вызывало выращивание в невесомости кристалла КРТ, представляющего собой твердый раствор теллуридов кадмия и ртути. Этот полупроводниковый материал незаменим для изготовления тепловизиров — точнейших инфракрасных приборов, применяемых в медицине, геологии, астрономии, электронике, радиотехнике и многих других важных областях науки и техники. Получить это соединение в земных условиях чрезвычайно трудно: его компоненты из-за большой разницы в плотности ведут себя как герои известной басни И. А. Крылова — лебедь, рак и щука, и в результате вместо однородного сплава получается слоеный «пирог». Ради крохотного кристаллика КРТ приходится выращивать большой кристалл и вырезать из него тончайшую пластинку пограничного слоя, а все остальное идет в отходы. Иначе нельзя: ведь чистота и однородность кристалла КРТ оцениваются в стомиллионных долях процента. Немудрено, что на мировом рынке один грамм этих кристаллов стоит «всего» восемь тысяч долларов.
Вот почему ученые возлагали большие надежды на невесомость, где у компонентов этого вещества нет никаких оснований для раздела объема кристалла: в отсутствие силы тяжести все равны — и легкие, и тяжелые. Ну, а чтобы создать на борту «Салюта» полную «гравитационную тишину», в те часы, когда формировался кристалл, Центр управления полетом не допускал резких движений станции: разворотов, переориентации, включения бортовых двигателей. Да и сами космонавты прекращали на время занятия физкультурой: упражнения на бегущей дорожке и велоэргометре могли помешать кристаллу спокойно расти.
