Гафний
Гафний
Гафний выпускают в виде порошка, губки, прутков, слитков, проволоки, листа, трубок, фольги, заготовок, специальных тугоплавких сплавов, лигатуры и т.п. 90% гафния потребляет ядерная энергетика.
В конце 1990-х годов учеными Техасского университета было обнаружено, что при бомбардировке изотопа гафний-178 «мягкими» рентгеновскими лучами, металл неожиданно выбрасывает пучок гамма-лучей в 60 раз более мощный, чем доза полученного рентгеновского облучения. Этот эффект было предложено использовать для создания безопасного гафниевого реактора. Это был нонсенс! Оказалось, что небольшой генератор рентгеновских лучей вызывает гамма-излучение в таких объемах, что полученного тепла вполне достаточно для работы реактивного двигателя средней величины (самолеты с неограниченной дальностью полета). Гафниевый реактор по расчетам техасских ученых оказался безопасен в работе (как известно, период полураспада гафния-178 составляет тридцать один год, а у атомного горючего – тысячелетия), и в случае прекращения работы рентгеновского генератора выброс гамма-лучей немедленно прекращается.
В промышленном реакторостроении гафний нашел свое применение в серийных поглощающих элементах (ПЭЛ) энергетических и транспортных реакторов. Он с успехом используется в поглощающих элементах в качестве поглощающих стержней системы управления и защиты (ПС СУЗ) реакторов ВВЭР-1000, РБМК, БН, в транспортных энергетических установках [2].
Высокое сопротивление гафния процессу коррозии позволяет использовать его без защитной оболочки в контакте с водой и паром в активной зоне реактора. Он обладает высоким уровнем термической и радиационной стойкости при длительном облучении (у гафния, как поглощающего материала, характеристики физической эффективности намного выше, чем у традиционно используемого для этих целей карбида бора). При длительном облучении в реакторе снижение эффективности гафния составляет 15%, тогда как для карбида бора оно превышает 50%. Сегодня комбинированные поглощающие элементы и ПЭЛы предпочтительней изготавливать целиком из гафния. Так, в исследовательском реакторе ГНЦ РФ НИИАР успешно эксплуатируются пластинчатые стержни регулирования из гафния, а в реакторе ВВЭР-1000 Ровенской АЭС поставлены на эксплуатацию 12 комбинированных кластерных сборок, в которых в нижней части расположены прутки из гафния в защитной оболочке (а в верхней части – карбид бора).
В настоящее время гафний используется и в стержнях регулирования реакторов PWR и BWR в Японии и Франции [2]. Уже сейчас можно говорить о создании регулирующих органов с использованием гафния, работающих в течение всего срока службы реактора (более 30 лет). Так, например, регулирующими органами с использованием гафния оснащены атомные подводные лодки в США и Великобритании.
Другим перспективным направлением применения гафния в атомной технике является изготовление ядернобезопасной и коррозионностойкой аппаратуры для транспортировки и переработки отработанного ядерного топлива, так как благодаря большому сечению захвата тепловых нейтронов гафний препятствует возникновению цепной реакции деления при высоком содержании урана и плутония в растворах, а высокая коррозионная стойкость гафния увеличивает ресурс работы аппаратуры. Высокие коррозионные свойства гафния используются также для изготовления особо стойкого химического оборудования.
Другой стороной «ядерного применения» гафния является использование его в виде ядерного заряда в военном деле. Так, по сообщению британского научного журнала «New Scientist», вооруженные силы США в настоящее время занимаются разработкой нового вида ядерного заряда, который даже в малых количествах обладает огромной разрушительной силой. При взрыве таких бомб возникает излучение, которое подобно нейтронной бомбе, уничтожает все живое в районе взрыва. Основой является гафний, при облучении атомы которого активизируются и начинают выделять энергию в форме смертельного гамма-излучения. По разрушительной способности один грамм гафния может быть эквивалентен 50 килограмм тротила [4]. Пентагон заявил, что такая необычная плотность энергии может произвести революцию в военном деле, и что при помощи гафния можно будет создавать миниатюрные снаряды, которые затем сбрасывать с самолета, выстреливать из танка или обычного артиллерийского орудия. Газета «Frankfurter Rundschau» сообщила, что радиоактивных осадков после взрыва гафниевой бомбы солдатам опасаться не следует, она значительно менее радиоактивна, чем обычная атомная бомба. Пентагон подтвердил, что гафний детонирует без ядерного распада, и что гафниевые снаряды к обычным вооружениям ближе, чем к ядерным, а это значит, что их можно взять на вооружение, так как применение таких снарядов не противоречит ядерной политике американского правительства [4]. При этом стоимость вещества не выше стоимости обогащенного урана, но в отличие от урановой бомбы для реакции не нужна критическая масса вещества.
Кроме ядерной энергетики и военного дела, гафний находит применение в электротехнической и радиотехнической промышленности (электронная керамика, некоторые типы электролитических конденсаторов (так как гафниевая губка намного дешевле танталового порошка), изготовление нитей накаливания электроламп (добавка двуокиси гафния к вольфраму резко увеличивает срок службы нитей накаливания вследствие того, что предотвращает рекристаллизацию последнего), электродов выпрямителей, катодов, газоразрядных трубок высокого давления, рентгеновских и телевизионных трубок, контактов, резисторов, диэлектрических покрытий и т.п.).
В металлургии гафний улучшает механические и физико-технические свойства других металлов и используется как добавка к сплавам, а также для получения суперсплавов (жаропрочных и тугоплавких) и гафниевых композиций. Как легирующий элемент гафний добавляют в сплавы на основе циркония (сплав циркония с 8–20% гафния по внешнему виду и изнашиваемости не уступает серебру), титана, ниобия, тантала, никеля, кобальта, вольфрама, молибдена, рения, в легкие сплавы. В таких сплавах гафний образует очень прочный карбид, предупреждает выделение карбидных фаз на основе других элементов по границам зерен, препятствует карбидной ликвации.
Таблица 5. Лигатура гафний – никель (ГФН-10)*
| Элемент | Массовая доля, %, не более: |
| Цирконий | 2,0 |
| Кальций | 0,05 |
| Углерод | 0,5 |
| Азот | 0,02 |
| Кислород | 0,2 |
| Никель | 9–12 |
| Гафний | остальное |
*Внешний вид – куски неправильной формы.
Масса одного куска не более 5 кг
Он также прекрасный конструкционный материал для лопаток турбин реактивных двигателей, для клапанов, сопел ракетных двигателей, для корпусов ракет, термоионных преобразователей и т.д. Сплавы титана, легированные гафнием, используют в судостроении (для двигателей). В сплавах с никелем гафний способствует измельчению зерна и увеличивает стойкость сплава к растрескиванию в области околошовной зоны при сварке. Легирование гафнием сплавов на основе кобальта повышает их прочность и работоспособность. А добавки гафния в тантал защищают его от окисления (благодаря образующейся на поверхности изделия плотной пленки сложного оксида). Благодаря тому, что диоксид гафния имеет высокую температуру плавления, он востребован для изготовления тиглей для плавки тугоплавких металлов, как плакирующий материал для защиты тугоплавких металлов и для изготовления огнеупорных изделий (из него изготовляют специальные огнеупоры и термопарные чехлы). Твердые сплавы, содержащие карбид гафния, применяют в производстве инструмента для высокоскоростной обработки металлов.
Кроме того, диоксид гафния применяется в качестве катализатора при получении бутадиена из этилового спирта, в крекинг-процессе, в других каталитических процессах. Диоксид гафния применяется в оптической промышленности, в волоконной оптике (он характеризуется высоким коэффициентом преломления и слабым поглощением электромагнитного излучения). Еще он – подходящий материал для изготовления твердых, устойчивых к царапинам покрытий для оптических элементов. Гафнийсодержащие стекла характеризуются высокой прозрачностью в широком диапазоне длин волн – от 0,2 до 7 мкм и низкими потерями в инфракрасной и видимой областях. Такие стекла идут на изготовление окон для лазеров, корпусов детекторов, световодов. Применение фторидных гафниевых стекол позволяет улучшить оптические возможности приборов.
Покрытия диоксида гафния используют для изготовления металлических зеркал, применяемых в широком диапазоне спектра – от ближней ультрафиолетовой до инфракрасной области. Покрытия из соединений гафния используют в гидрометаллургических процессах для футеровки электролизных ванн (например, при электролизе из криолит-глиноземных расплавов) и в машиностроении для повышения износостойкости инструмента и деталей. Гафний является эффективным газопоглотителем, применяемым для удаления кислорода и азота. Он нашел применение в качестве компонента очень тонких пленок, преимущеcтвом которых является быстрое нагревание до рабочей температуры и которые предполагается [6] применять как подложки для благородных металлов в каталитических фильтрах-нейтрализаторах выхлопных газов автомобилей. Промышленность также использует и соединения гафния – бориды, гидриды и карбиды. Востребованы также и гафниевые химикаты: оксохлориды, сульфаты и хлориды.
Малая скорость выгорания гафния позволила создать эффективные плазматроны для воздушно-плазменной резки без водяного охлаждения. Из гафния изготавливают наконечники для плазменнодуговой резки металлов. В качестве материала гафниевого катода при плазменной резке он позволяет (в три раза по сравнению с циркониевым катодом) расширить диапазон рабочих токов и вдвое увеличить ресурс работы катода.
Еще, гафний – единственный работоспособный материал для плазменной сварки малоуглеродистых и низкоуглеродистых сталей с нерасходным электродом в среде углекислого газа [2].
Кроме того, гафний востребован в производстве высококачественных магнитов на основе редкоземельных элементов. Здесь использование гафния повышает магнитные и технологические свойства постоянных магнитов.
Все продано!
Метки:Гафний
И что скажете!?