Термоядерное оружие

В период начала работ по созданию термоядерного оружия в США 1 кг трития стоил 500 млн. долларов. Для получения 1 кг трития требовалось 11–12 т металлического урана; для ежедневного производства 2 г трития нужно было 10 кг урана 235 и реактор мощностью в 1 млн. квт. Гигантский завод, производящий тритий, должен был работать два с половиной года, чтобы создать количество трития, необходимое для одной водородной бомбы (очевидно, дейтериево-тритиевой). Теперь производство трития обходится значительно дешевле. Но и в настоящее время стоимость трития в США еще в тысячи раз выше стоимости газообразного дейтерия и составляет сотни тысяч долларов за 1 кг.

Дейтерий

Природная вода, в водороде которой обычно содержится 0,014% дейтерия, является самым удобным сырьем для получения дейтерия. Вода доступна, и ее запасы практически неисчерпаемы.

Получение дейтерия в чистом виде связано с необходимостью разделения изотопов водорода.

Задача разделения изотопов водорода несравненно проще, чем других элементов. В самом деле, дейтерий тяжелее обычного водорода в 2 раза, тогда как, например, изотоп урана U²³⁸ тяжелее изотопа U²³⁵ менее чем на 1,3%. Поэтому ряд физических свойств (плотность, теплопроводность и др.) соединений тяжелого и легкого водорода заметно различаются, тогда как у соединений двух изотопов урана такие различия практически отсутствуют. Так, например, плотность тяжелой воды D₂O равна 1,1079 г/см³, кипит она при 101,42° C и замерзает при 3,802° C.

Благодаря такому различию в свойствах тяжелая вода может быть сравнительно просто отделена от обычной воды перегонкой (за счет различия в температурах кипения), а также электролизом. Таким образом, выделять дейтерий из воды в концентрированном виде можно различными методами.

Раньше всего был разработан метод, основанный на разложении воды электрическим током. Как известно, при этом вода распадается на водород и кислород. Опыты показали, что обычная вода Н₂О гораздо легче разлагается электрическим током, чем тяжелая вода D₂O. Поэтому содержание дейтерия в водороде, выделяющемся при электролизе, примерно в 5 раз меньше, чем его относительное содержание в подвергающейся разложению воде.

Ясно, что при электролизе остающаяся неразложенной вода все больше и больше обогащается дейтерием. Этот метод позволяет в конце концов получить воду, водород которой содержит более 99% дейтерия и лишь около 1% обычного водорода. Такой метод получения тяжелой воды может применяться только в тех странах и районах, где велико производство электроэнергии и она дешевая.

Второй метод основан на том, что обычная вода кипит при несколько более низкой температуре, чем тяжелая вода. Поэтому легкую воду можно отделить от тяжелой воды при помощи многократной перегонки. Таким образом, на опытных установках удавалось повышать содержание дейтерия в водороде воды от 0,014% до 88–92%. Дальнейшее концентрирование дейтерия целесообразнее производить путем электролиза.

Преимуществом метода перегонки является возможность получать большие количества дейтерия, а также простота оборудования. Однако недостатком метода является его дороговизна, связанная с огромным расходом тепла для многократного испарения больших количеств воды.

Также экономически невыгодными оказались методы перегонки при очень низких температурах водорода, полученного из воды и содержащего 0,014% дейтерия.

Наиболее целесообразным методом получения дейтерия оказался химический метод. Этот метод основан на том, что дейтерий из газообразного водорода, где его атомы соединены в пары с атомами протия, стремится соединиться с кислородом и перейти в воду (HDO) по реакции

HD+Н₂О=Н₂+HDO

Эта реакция происходит довольно быстро при 500° C, а в присутствии катализаторов[10] даже при 100° C.

В качестве катализаторов для этой цели применяются металлический палладий, платина, нанесенная на уголь, или никель с окисью хрома.

Схема заводской установки для получения воды, обогащенной дейтерием, показана на рис. 22. Пары воды смешиваются с водородом и поступают в первую колонну, в которой расположены слои катализатора. Проходя через этот аппарат, вода постепенно обогащается дейтерием. Водород входящего в колонну водяного пара содержит 0,014%, а выходящего — 0,02% дейтерия (на рисунке процентное содержание дейтерия в воде всюду дано по отношению к водороду воды).

Рис. 22. Установка для получения воды, обогащенной дейтерием:

1 — обменные колонны; 2 — слои катализатора; 3 — холодильники; 4 — кипятильники; 5 — электролизер