О редких и рассеянных. Рассказы о металлах

Из-за этого сходства химики долго не замечали гафний, и поэтому тот оказался значительно моложе циркония. Оно же ставит на пути технологов, стремящихся разлучить близнецов, многочисленные «препоны и рогатки». Еще не так давно для разделения циркония и гафния приходилось выполнять 500 операций растворения и кристаллизации, основанных на буквально микроскопической разнице в растворимости солей этих элементов. Нетрудно представить, во что обходилась такая процедура. Поэтому всего каких-нибудь полтора десятка лет назад никто не занимался производством гафния в примышленных масштабах: нужен он был только ученым для исследовательских целей — им хватало нескольких килограммов в год. Что же касается циркония, который всегда содержал примеси гафния, то большой бедой это не считалось: «Гафний, так гафний. Разве он мешает цирконию?»

До поры до времени гафний и в самом деле не мешал своему более маститому собрату. Цирконий обычно использовали как коррозионностойкий материал, и примеси гафния, которому борьба с коррозией тоже была вполне по плечу, не становились ложкой дегтя. Но когда цирконий получил ответственное назначение стал служить «одеждой» урановых стержней в ядерных реакторах, родство с гафнием могло губительно повлиять на его «карьеру». Дело в том, что, несмотря на необыкновенное сходство этих элементов, по одному вопросу их «мнения» принципиально расходятся. «Пропускать или не пропускать нейтроны»? — эту дилемму каждый из них решает по-своему: если цирконий практически прозрачен для нейтронов, то гафний, наоборот, жадно их поглощает. Материал, в который «одевают» уран, не должен быть препятствием для инициаторов ядерной реакции. Чистый цирконий подходит для этой цели как нельзя лучше. Но присутствие всего лишь 2 % гафния ухудшает «пропускную способность» циркония в 20 раз.

Ученые вынуждены были всерьез задуматься над проблемой получения циркония так называемой реакторной чистоты, т. е. практически не содержащего гафния (не более 0,01 %). Полтысячи операций, разумеется, не устраивали промышленность, и наука нашла выход: вскоре был разработан достаточно эффективный и экономичный способ очистки циркония от гафния. Гафний же в виде гидроокиси, получаемой в процессе разделения, поначалу рассматривался как побочный продукт. Однако вскоре эти взгляды пришлось изменить: технике потребовался и сам гафний, причем для чего бы вы думали? Для использования в… ядерных реакторах, где он прежде считался персоной «нон-грата».

Ни один реактор не мог бы работать без регулирующих стержней, которые, будучи нейтрононепроницаемыми, позволяют управлять ходом ядерной реакции. Когда регулирующие стержни выведены из активной зоны реактора, нейтроны обретают простор, они начинают быстро «размножаться», реакция протекает все энергичнее. Но за нейтронами нужен глаз да глаз. Если не сдерживать их «порывы», реактор превратится в… атомную бомбу со всеми вытекающими отсюда последствиями. Чтобы этого не произошло, регулирующие стержни поглощают избыточные нейтроны. Ну, а попробуйте найти лучший поглотитель нейтронов, чем гафний, да еще с такой отличной механической прочностью, с таким умением сопротивляться коррозии и высоким температурам?

Если к началу 50-х годов в США было получено менее 50 килограммов гафния, то уже спустя примерно 10 лет ежегодное производство его достигало 60 тонн, причем на повестке дня уже стоял вопрос о получении ультрачистого гафния — без губительных примесей циркония, мешающего ему работать в ядерной энергетике.

Как и большинство других новых материалов, гафний пока еще очень дорог: по американским данным, гафниевый прокат в несколько раз дороже серебра. Это, с одной стороны, сдерживает его применение, а с другой — предъявляет химикам и металлургам законное требование: создать такие способы получения этого металла, которые позволили бы резко снизить его стоимость.

Весьма перспективно для этой цели применение так называемых ионообменных смол. Если через колонку, содержащую эти смолы, пропустить раствор циркония и гафния, то на выходе в растворе не окажется гафния-он «застрянет» в смолах, а в результате последующей промывки колонки кислотой предстанет очищенным от циркония.

На гафний начинают претендовать различные области техники. Металлурги, например, не без основания считают, что он может благотворно влиять на механические свойства других металлов, принимать участие в создании специальных жаростойких сталей. Тугоплавкость гафния (температура плавления свыше 2200 °C!) в сочетании со способностью быстро поглощать и отдавать тепло делают его подходящим конструкционным материалом для деталей реактивных двигателей (турбинных лопаток, клапанов, сопел и т. д.). Правда, есть одно «но»: гафний несколько тяжеловат-вдвое тяжелее, чем цирконий, и втрое, чем титан, а уж с таким легковесом, как бериллий, и сравнивать не приходится! В химическом машиностроении этот недостаток проявляется в меньшей мере, зато здесь высокие антикоррозионные свойства гафния могут быть оценены по достоинству.