Нас с вами гораздо больше интересует водород жидкий. Ведь мы занимаемся сверххолодом. Это одна из самых холодных жидкостей на земле.
Получить жидкий водород гораздо труднее, чем сжимать воздух и разделять его на составные части. Можно использовать детандеры. А можно сжимать водород и в дроссельных установках. Только надо учесть, что «жары» это вещество не любит и на подходе к дросселю должно быть не теплее —69 °C!
Куда идет эта «холодная» жидкость? Где она нужнее? Ведь не зря сооружают большие установки, чтобы получить жидким самый легкий газ на свете.
Вероятно, жидкому водороду обеспечено славное будущее в ракетных кораблях. Но он нужен и сейчас.
Используют водород и в лабораториях.
Но, видимо, очень скоро жидкий водород ожидает всемирная слава. С одной из разновидностей его — дейтерием — люди будут так же хорошо знакомы, как сейчас с углем или нефтью. История эта длинная и начинается она с тяжелой воды.
«Мертвая» вода
Мы много говорили о молекулах. Молекулы — мельчайшие частички вещества. Они сохраняют все свойства этого вещества.
В самом маленьком кусочке тела, в капле жидкости содержится громадное количество молекул. Все они в точности одинаковы. И по виду, и по массе, и по свойствам.
Молекулы непрерывно двигаются, обладают внутренней энергией. Если эту энергию отнять, то тела охлаждаются.
Это все мы уже хорошо знаем. Но молекулы еще не самые маленькие частички вещества. Все молекулы состоят из атомов. Если молекула — карлик, лилипут, то атом — совсем малютка. Правда, у некоторых молекул всего лишь один-два атома. Зато в составе других — тысячи и десятки тысяч атомов. В нашем теле есть белковые молекулы. Они сложнее любой машины. Даже не верится. Вы видите, художник нарисовал нам макет одной такой молекулы. Даже не самой молекулы, а ее составной части. Спираль вроде лестницы с восемнадцатью витками тянется вверх. А от нее во все стороны — отростки. И это все атомы. Сотни, тысячи атомов. Стоит только один из них переменить, как сразу же изменится и молекула.
Молекул в мире огромное количество. А вот атомов значительно меньше. Отдельных разновидностей атомов — их называют элементами — немногим больше сотни. Конечно, складываются атомы по-разному, можно набрать сколько угодно различных молекул. Даже если взять пять атомов и только переставлять местами по-всякому, то сколько будет таких пятиатомных молекул? Сто двадцать! Понятно, что таким образом можно получить бесчисленное множество всевозможных молекул. Химики чуть ли не каждый день готовят их.
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.