Свинец-Plumbum (Pb). Висмут-Bismuthum (Bi)

Свинец - металл, который, подобно меди, сурьме и олову, известен с глубокой древности.

Как ни странно, но впервые широкое применение свинец нашел там, где ныне он совершенно не употребляется, - при изготовлении водопроводных труб. Один из наиболее мягких металлов, хорошо прокатывающийся в листы, свинец уже в древности использовался для устройства водопроводных труб.

Трубы римского водопровода, выстроенного рабами, были свинцовыми. Очевидно, поэтому такой короткой и была средняя продолжительность жизни римлян. Все растворимые соединения свинца являются ядовитыми. На устойчивость свинца к воде оказывает большое влияние содержащийся в ней углекислый газ. При малых количествах он образует на поверхности свинца соединение, не растворимое в воде (углекислый свинец), и тем способствует устойчивости свинца. Если же содержание углекислого газа в воде сравнительно велико, а так именно было с водой, питавшей древний Рим, то углекислый газ, реагируя со свинцом, образует кислый углекислый свинец, который хорошо растворяется в воде. Поступая в организм в малых порциях, свинец задерживается в нем и, постепенно замещая кальций, входящий в состав костей, вызывает хроническое отравление.

В чистом виде свинец представляет синевато-серый, тяжелый (плотность 11,3), мягкий металл, способный под давлением (200 кг на 1 см2) течь сквозь тонкие отверстия. Известность свинца с глубокой древности сделала его материалом, нашедшим многочисленное применение в различных областях человеческой деятельности. В средневековье большие количества свинца расходовались в Европе для покрытия крыш замков, дворцов и храмов. Между прочим, известная в Венеции тюрьма для "государственных преступников", соединенная "Мостом вздохов" с замечательным произведением раннего средневековья - Дворцом дожей, имела на чердаке камеры под свинцовой крышей. Зимой под этой крышей "преступники" стыли от холода, летом - изнывали от жары. С изобретением огнестрельного оружия большие количества свинца стали расходоваться на изготовление пуль для ружей и пистолетов, картечи для артиллерии.

В настоящее время можно перечислить очень много областей применения свинца: производство аккумуляторов, освинцовка внутренней поверхности химической аппаратуры, трубы для перекачки кислот, сточные трубы химических лабораторий, военная техника, производство электрических кабелей, свинцового стекла-хрусталя, глазурей - все это требует много чистого свинца.

Книги, журналы, газеты изготовляются руками людей, которым приходится работать с типографским металлом, содержащим свинец. Свинцовая пыль ядовита. Максимальное содержание свинца в воздухе на промышленных предприятиях не должно превышать 0,00001 мг на литр.

Металлический свинец - очень хорошая защита от всех видов радиоактивного излучения и рентгеновских лучей. Попробуйте взвесить фартук врача-рентгенолога или его перчатки, и вас поразит их тяжесть. В резину фартука и защитных рукавиц введен свинец, он задерживает рентгеновские лучи и предохраняет организм рентгенологов от их губительного действия.

Защищает от радиоактивного излучения и стекло, содержащее окислы свинца. Подобное свинцовое стекло позволяет управлять обработкой радиоактивных материалов с помощью "механической руки"- манипулятора. Иллюминатор из свинцового стекла на атомном центре в Бухаресте имеет толщину одного метра и весит более полутора тонн.

В природе свинца сравнительно немного - 0,0001 % от общего числа атомов земной коры. Oднако содержащие свинец минералы - галенит (свинцовый блеск или сернистый свинец), церрусит (углекислый свинец), англезит (сернокислый свинец) и др. - встречаются во многих странах.

Сравнительная легкость получения свинца из руд объясняется низкой температурой плавления свинца (всего 327°С). Из важнейшей его руды - галенита- свинец легко отделяется от серы. Достаточно галенит в смеси с углем обжечь на воздухе, чтобы выплавить чистый свинец.

Немаловажную роль играют и различные соединения свинца. Так, некоторые окислы свинца, а также его соли используются в качестве отличных красок для ускорения высыхания олифы. Растворимые соединения свинца применяются в медицине как вяжущие, болеутоляющие и противовоспалительные средства. Свинцовая примочка известна многим. Иногда ее называют "свинцовым сахаром" за сладковатый вкус. Не следует забывать о большой ядовитости свинцового сахара

Как часто мы встречаем надпись на автомашине "бензин этилированный". Почти все автомашины работают на таком бензине и заметно отравляют воздух городов., свинцом. Этилированный бензин содержит тетраэтилсвинец (ТЭС), который уменьшает детонацию топлива в моторе, но в виде летучих соединений поступает из глушителей в воздух, которым мы дышим.

В рассказе о титане говорилось о том, что старые картины и иконы, написанные красками на основе свинцовых белил, со временем темнеют. Однако, если такое изображение протереть слабым раствором перекиси водорода, которая известна с 1818 г., то образовавшийся под воздействием сероводорода черный сульфид свинца перейдет в бeлoe соединенне - сульфат свинца. Картина просветлет, обновится. Используя это явление, церковники неоднократно "чудесным образом" "обновляли" иконы, дурача верующих.

Для обновления сначала использовали концентрированный раствор уксуса, а в конце XIX - начале XX в. пользовались для этой цели уксусной эссенцией, прекрасно смывавшей черневший от времени слой олифы, которой всегда покрывалась живопись икон. Как видно, никакого чуда в таком "обновлении" нет.

Висмут-Bismuthum (Bi)

Сидящему в зале нового театра, работающему на складе легковоспламеняющихся материалов или на заводе взрывчатых веществ зачастую неведомо, что его защищает от пожара сплав, содержащий висмут.

Начали тлеть портьера или сиденье мягкого кресла, дыма можно и не заметить. Но потоки теплого воздуха устремились вверх под потолок. Там круглые сутки бодрствует незаметный "пожарника- тонкая проволочка из сплава висмута (14%), свинца, олова и ртути. Красновато-белый металл висмут имеет температуру плавления всего 271°С, а указанный сплав - лишь 45°С. Как только воздух под потолком нагреется до этой температуры, проволока расплавится, сдерживаемая ею пружинка "сработает", замкнув контакт, и во всех служебных помещениях зазвонят резкие звонки, предупреждая об опасности. Если это происходит в складе с легковоспламеняющимися веществами, где нет людей, из труб, скрытых в стенах, тут же хлынут пoтоки воды. По сигналу тревоги из ворот пожарного депо вылетят стремительные пожарные автомобили.

Существует большое количество легкоплавких сплавов на основе висмута. Изменяя пропорции металлов, составляющих висмутовый сплав, можно получить различные температуры плавления от 45°С и выше.

Соединения висмута со щелочными металлами обладают свойствами сверхпроводимости. Если у гелия это проявляется при температурах, близких к абсолютному нулю, то в указанных соединениях подобное свойство проявляется при высоких температурах. Сплав висмута с германием обладает настолько низкой температурой плавления, что проблема термометров-автоматов получила совершенно новое и оригинальное решение.

Сплавы висмута легко приклеиваются к стеклу. Благодаря этому их удобно применять для изготовления зеркал и для припаивания металлов к стеклу. Каждому известно, что при плавлении объем металла увеличивается, а при затвердевании - уменьшается. Исключение составляет висмут. У него при плавлении объем заметно уменьшается. У большинства веществ температура плавления возрастает при значительном увеличении внешнего давления, у висмута наоборот.

Соединения этого "противоречивого" металла известны человечеству давно. В Европе висмут стал известен со времен немецкого средневекового врача, алхимика и металлурга Агриколы, который указал, как отличать соединения висмута. Описания соединений висмута были даны алхимиком, псевдоним которого - Василий Валентин. В металлическом виде висмут был выделен в 1739 г. И. Поттом. Свое название висмут получил от древнегерманского слова "висмут", что значило "белый металл".

Висмута в природе очень мало - 0,000 002 % от общего числа всех атомов земной коры. Неудивительно, что мировая добыча висмута составляет несколько сот тонн, из которых большая часть идет на изготовление "противопожарных" сплавов. Нерастворимые или труднорастворимые соединения висмута применяются в медицине как вяжущие, противовоспалительные средства.

Основной карбонат висмута - белый, тонкий, не растворимый в воде порошок - употребляется в рентгеноскопии.

Органические соединения висмута - дерматол, ксероформ и другие - применяются в виде мазей как обеззараживающие и высушивающие средства для лечения ран, труднозаживающих язв и т. д.

Ядерная энергетика открыла перед висмутом, как и перед многими другими элементами, совершенно неожиданные перспективы. Висмут плохо захватывает тепловые нейтроны, или, выражаясь термином ядерной физики, обладает малым сечением захвата нейтронов. По этой причине его используют для охлаждения атомных реакторов. Жидкометаллический сплав висмута с ураном нашел применение в качестве реакторного "топлива".

Заканчивая рассказ о висмуте, напомним, что первая батарея термоэлементов была создана Эрстедом и Фурье из спаянных проволочек сурьмы и висмута.

В 1833 г. Паттинсон предложил метод очистки свинца от серебра и висмута фракционной кристаллизацией Полученный таким образом свинец содержал менее 0,02% Bi. После внедрения в начале текущего столетия способа обессеребрения свинца цинком был внедрен электролитический способ обезвисмучивания.
В 1922 г Кроллем был предложен новый метод, основанный на том, что щелочные и щелочноземельные металлы образуют с висмутом соединения, обладающие высокой температурой плавления и не растворяющиеся в свинце.
Наименьшая полученная Кроллем концентрация висмута в свинце была около 0,03%, что явно недостаточно.
В 1934 г. Беттертон и Лебедев нашли, что одновременная добавка в свинец кальция и магния позволяет уменьшить содержание висмута в свинец до 0,02%, а в присутствии небольшого количества сурьмы это содержание может быть понижено до 0,005%.
В период 1939-1950 гг исследовались другие способы обезвисмучивания, но только способ Жолливета нашел практическое применение наряду с широко распространенным способом Кролля - Беттертона.
Имеются две четверные системы, в которых образуются двойные висмутиты: Pb-Bi-Mg-Ca и Pb-Bi-Mg-K. Первая система лежит в основе процесса Кролля - Беттертона, вторая - в основе процесса Жолливета.
С кальцием (рис. 55) висмут образует два химических соединения: Bi2Ca3 (22,3% Ca, температура плавления 928°) и Bi3Ca (6% Ca, разлагается при 507° на Bi2Ca3 и сплав). В этой системе имеются также две эвтектики с температурой плавления 270° (0,5% Ca) и 786° (58,5% Cа),
С магнием (рис. 56) висмут образует одно химическое соединение Bi2Mg3 (15% Mg, температура плавления 823°), и в системе имеется одна эвтектика с температурой плавления 260° (0,54% Mg).

Кальций и магний легко сплавляются со свинцом, образуя ряд химических соединений: Pb4Ca, PbCa, PbCa2 и Mg2Pb.
Процесс обезвисмучивания по своему химизму и практическому осуществлению похож на обессеребрение; в жидкий свинец при 370-380° вмешивают кальций и магний, образующие тугоплавкие химические соединения Bi2Ca3 и Bi2Mg3.
Эти более легкие (по удельному весу), чем свинец, соединения всплывают на поверхность ванны в виде висмутистой пены. Пену удаляют из котла и перерабатывают для извлечения висмута.
Кальций и магний применяют вместе в пропорции 1:2. Применение одного кальция позволяет снизить содержание Bi в свинце не более чем до 0,05%, один магний обезвисмучивает свинец только до 0,5% Bi. Совместное их действие позволяет снизить содержание Bi до 0,01%, так как при этом снижается растворимость Bi в свинце.
Магний для обезвисмучивания применяется в виде чистого металла. Кальций на воздухе окисляется, поэтому для обезвисмучивания его применяют в виде сплава со свинцом - лигатуры, получаемой различными способами.
Расход реагентов составляет (по отношению к свинцу) 0,1% Ca и 0,2% Mg, причем с увеличением содержания висмута в свинце расход реагентов мало возрастает.
Схема обезвисмучивания приведена на рис. 57.

Выход пены составляет 5-8% и концентрация в ней Bi раз в 15-20 выше, чем в исходном свинце. При обезвисмучивании пены ее удаляют из котла и направляют бедную пену в оборот на новые порции рафинируемого свинца.
После описанного процесса, называемого «грубым» обезвисмучиванием (после которого в свинце остается 0,2% Bi), необходимо «тонкое» обезвисмучивание. Для этого в свинцовую ванну, насыщенную кальцием и магнием, после удаления с ее поверхности богатой пены при температуре около 350° вводят небольшое количество металлической сурьмы и удаляют образующуюся пену. Операцию повторяют и получают свинец, содержащий менее 0,004% Bi и примерно 0,04% Ca и Mg. Дополнительная обработка такого свинца щелочью перед разливкой позволяет очистить его до уровня требований ГОСТа.
Расход сурьмы при обезвисмучивании составляет 0,2-0,3 кг/г свинца. На некоторых отечественных и зарубежных заводах металлическую сурьму заменили свинцовосурьмянистым сплавом, получаемым при переработке полупродуктов рафинировочного цеха.
Иногда свинец после обессеребрения подвергают обезвисмучиванию, минуя стадию извлечения цинка, который удаляется при последнем, щелочном рафинировании вместе с кальцием, магнием и сурьмой. При этом технологическая схема упрощается, но извлечение и использование цинка, оставшегося в свинце после обессеребрения, практически становится невозможным.
Полученную богатую висмутистую пену, содержащую 5-7% Bi, в которую переходит до 20% Pb, подвергают щелочному рафинированию для удаления кальция и магния, после чего отливают в аноды и направляют их на электролитическое рафинирование.
Процесс обезвисмучивания - операция сложная и длительная, связанная со значительным снижением прямого выхода свинца и переводом больших его количеств в полупродукты.
По способу Жолливета свинец практически обезвисмучивается при 340-350° до 0,005% и даже 0,001% Bi, что с трудом достигается по способу Кролля - Беттертона. При последнем способе только добавка небольших количеств сурьмы, образующей тугоплавкие соединения Sb2Mg3 и Sb2Ca3, позволяет достаточно полно извлечь висмут главным образом за счет физических процессов, способствующих извлечению из толщи металла остающихся в нем мелких кристаллов MgaCaBi2.
Лучшему обезвисмучиванию способствует также медленное охлаждение ванны в интервале температур 360-327°, так как при медленном охлаждении более полно выделяются кристаллы.
На двух европейских заводах процесс обезвисмучивания проводят непрерывно. Для этой цели применяют вертикальные котлы, аналогичные котлам для обессеребрения. На заводе Пеньяройа (Франция) процесс Жолливета проводится непрерывно в закрытом сверху котле, исключающем окисление калия, вводимого в ванну в виде сплава со свинцом.
В 1944 г. Бласкетом был предложен способ обезвисмучивания свинца при добавке натрия к свинцовой ванне под слоем флюса из каустической соды. При этом выделяется Na3Bi и висмут может быть удален до содержания в свинце 0,02%. В сочетании с процессом Жолливета описываемый способ позволяет получить содержание висмута в свинце ниже 0,001%.
Применяемую для обезвисмучивания свинцовокальциевую лигатуру получают тремя способами:
1) сплавлением, основанным на реакциях замещения между свинцовонатриевым сплавом и хлористым кальцием - натриевотермической процесс;
2) сплавлением, основанным на реакциях взаимодействия карбида кальция с алюминием и свинцом - карбидный процесс;
3) электролизом хлористого кальция с жидким свинцовым катодом - электролитическим способом.
Натриевотермический процесс широко распространен на свинцовых заводах России. Ho этому способу свинец, нагретый до 380-420°, заливают в котел, в котором уложены чушки металлического натрия. Образуется свинцовонатриевый сплав, который затем загружают в котел с расплавленным хлористым кальцием при тщательном вмешивании.
При этом происходит следующая реакция:

Полученный свинцовокальциевый сплав, содержащий 2,5-3% Ca и 1-1,5% Na, разливают в блоки весом 1-1,2 г и используют при рафинировании, а шлак, состоящий главным образом из NaCl, направляют в отвал.
Двуступенчатая схема получения лигатуры объясняется невозможностью прямого сплавления свинца с кальцием. Металлический кальций легко окисляется и при попытках непосредственного сплавления со свинцом сгорает. Необходимость использования металлического натрия и двуступенчатость процесса делают его весьма дорогим.
Карбидный способ получения лигатуры применяют в Польше, Югославии, Западной Германии, США и других странах. На заводе в Вареньске (Польша) смесь хлористого кальция и флюорита расплавляют и нагревают до 900°, после чего выливают в котел со свинцом, нагретым до такой же температуры. Туда же добавляют 1-1,5% Al (от веса свинца) и 7-8% карбида кальция.
Содержимое котла перемешивается механической мешалкой в течение нескольких часов при одновременном повышении температуры. К концу процесса температура поднимается до 1100°. Содержание кальция в приготовленной таким способом лигатуре составляет 2-4%.
Исследование этого способа инженером Родякиным показало, что хлористый кальций и флюорит служат плавнями и не участвуют в реакции. Основная реакция выражается уравнением

причем она протекает только вместе со второй реакцией:

По другим источникам протекает реакция

Во всяком случае алюминий способствует выделению свободного кальция, растворяющегося в свинце. Указанное исследование показало возможность замены трудно обезвоживаемого и дорогого хлористого кальция природным карналлитом, что упрощает и удешевляет процесс.
Карбидный способ примерно вдвое дешевле натриевотермического. Есть все основания для его внедрения на заводах России.
Электролитический метод получения лигатурь используют на заводах Иова в Кеокуке (США) и в Биттерфельде (ФРГ).
Способ включает операции подготовки хлористых солей к электролизу и электролиз расплавленных солей с жидким свинцовым катодом.
Хлористый кальций сушат в токе воздуха при 250° до содержания в нем одной молекулы воды (около 7%), после чего загружают в приведенный на рис. 58 электролизер с внутренними размерами 500х320х465 мм. Ванна электролизера выложена из магнезита и имеет токопроводящую подину из угольных блоков. Положительным полюсом служит графитовый электрод диаметром 200 мм. Через крышку в ванну погружена мешалка, служащая для перемешивания сплава. Выделяющийся при электролизе хлор отсасывается вентилятором.
Сплав выпускают через летку, расположенную на 30 мм выше подины, хлористый кальций загружают через специальное отверстие в крышке ванны, свинец - по мере выпуска сплава.
При температуре 750°, катодной плотности тока 1,2 а/см2, напряжении на ванне 8-12 в и силе тока 1800 а выход кальция по току близок к 36%. Содержание в сплаве кальция равняется 3,4%, расход электроэнергии составляет 44 квт*ч/кг кальция в лигатуре, расход электродов 2-3 кг/т лигатуры.
Электролитический метод позволяет, по расчетам, получить лигатуру в 3-4 раза дешевле, чем натриевотермическим методом, поэтому он, очевидно, в ближайшее время найдет применение на отечественных заводах.

03.04.2019

В ходе осуществления строительных процедур применяют большое количество разнообразных типов элементов крепежа, которые успешно справляются с определённым...

03.04.2019

Качество употребляемой воды имеет очень большое значение, так как вода это один из самых главных ресурсов для человека. Действительно, именно от качества употребляемой...

03.04.2019

Если вы считаете, что ковры уже вышли из моды, вы глубоко заблуждаетесь. Они снова начинают входить в моду, и спрос на них растет с каждым днем. Но что же надо знать о...

03.04.2019

Строительные нормативы РФ предусматривают обязательное выполнение определенных требований, призванных обеспечить прочность и качество постройки....

03.04.2019

Железорудное предприятие из Австралии Fortescue Metals сумело оформить всю необходимую документацию для воплощения в жизнь программы, направленной на добычу магниевого...

03.04.2019

На сегодняшний день во многих центральноевропейских государствах с целью обогрева комнат люди выбирают камины, тогда как для населения Восточной Европы источником тепла...

Кристаллы висмута November 24th, 2013

До XVIII века этот элемент часто ошибочно принимали за олово или свинец. Его в два раза больше, чем золота, и он входит в состав популярного препарата против расстройств пищеварения Пепто-Бисмол.

Давайте я вам расскажу подробнее про висмут и про то, как получаются такие кристаллы …

Фото 2.

Висмут был известен человечеству с давних времен, впервые упомянут в письменных источниках в 1450 году как Wismutton или Bisemutum. Долгое время этот металл считался разновидностью сурьмы, свинца или олова. Первые сведения о металлическом висмуте, его добыче и переработке встречаются в трудах крупнейшего металлурга и минералога средневековья Георгия Агриколы, датированных 1529 г. Представление же о висмуте как о самостоятельном химическом элементе сложилось только в XVIII в. Символ Bi впервые ввел в химическую номенклатуру выдающийся шведский химик Йенс Якоб Берцелиус.

О происхождении слова «висмут» существует несколько версий. По одной из них считают, что в основе его лежат немецкие корни «wis» и «mat» (искаженно weisse masse и weisse materia) -белый металл (точнее, белая масса, белая материя). По другой — слово «висмут» — не что иное, как арабское «би исмид», то есть похожий на сурьму.

Фото 3.

Содержание висмута в земной коре 2*10 -5 % по массе, в морской воде — 2*10 -5 мг/л. Висмутовые руды, содержащие 1% и выше висмута, встречаются редко, обычно его источником служат свинцовые, оловянные и другие руды, где он содержится как примесь. Минералами висмута, входящими в состав таких руд, являются висмут самородный (содержит 98,5-99% Bi), висмутин — Bi 2 S 3 , бисмит — Bi 2 O 3 и другие.
Около 90% всего добываемого висмута извлекается попутно при металлургической переработке свинцово-цинковых, медных, оловянных руд и концентратов. Висмут получают сплавлением сульфида с железом: Bi 2 S 3 + 3Fe = 2Bi + 3FeS,
или последовательным проведением процессов:
2Bi 2 S 3 + 9O 2 = 2Bi 2 O 3 + 6SO 2 ; Bi 2 O 3 + 3C = 2Bi + 3CO.

Фото 4.

В отличие от сурьмы, в висмуте металлические свойства явно преобладают над неметаллическими. Ему свойствен сильный металлический блеск и белый розоватого оттенка цвет. Висмут одновременно хрупок и довольно мягок, тяжел (плотность 9,8 г/см3), легкоплавок (температура плавления 271°C). При плавлении висмут уменьшается в объеме (как лед), т.е. твердый висмут легче жидкого. Среди прочих металлов висмут выделяют малая теплопроводность (хуже него тепло проводит только ртуть) и самые сильные диамагнетические свойства.
Природный висмут состоит из одного стабильного изотопа 209 Bi.

Фото 5.

В сухом воздухе висмут не окисляется, во влажной атмосфере постепенно покрывается пленкой оксидов. При нагревании выше 1000°С сгорает с образованием основного оксида Bi 2 O 3 . При сплавлении висмута с серой образуется Bi 2 S 3 .

Взаимодействует с галогенами (наиболее изучены тригалогениды): 2Bi + 3Hal 2 = 2BiHal 3

Не реагирует с Н 2 , С, N 2 , Si..

При взаимодействии висмута с металлами образуются висмутиды, например, висмутид натрия Na 3 Bi, висмутид магния Mg 3 Bi и др. При действии кислот на такие сплавы висмута образуется висмутин BiH 3 .
Со щелочами и разбавленными кислотами висмут не реагирует, с концентрированными образует соли:
Bi + HNO 3 (конц.) => Bi(NO 3) 3 + …

Фото 6.

Основное применение висмута — его использование в качестве компонента легкоплавких сплавов. Висмут входит, например, в известный сплав Вуда, температура плавления которого ниже температуры кипения воды, во многие другие сплавы, используемые, например, при изготовлении легкоплавких предохранителей. Сплавы висмута и марганца (Mn) характеризуются ферромагнитными свойствами и поэтому идут на изготовление мощных постоянных магнитов.

Небольшие добавки висмута (0,003%-0,01%), в стали и в сплавы на основе алюминия улучшает пластические свойства металла, резко упрощает его обработку.

Некоторое значение висмут имеет в ядерной технологии при получении полония — важного элемента радиоизотопной промышленности. Соединения висмута, особенно Bi 2 O 3 , применяют в стекловарении и керамике, в фармацевтической промышленности, в качестве катализаторов и др.

Висмут относится к токсичным ультрамикроэлементам.

О физиологической роли висмута известно немного. Возможно он индуцирует синтез низкомолекулярных белков, принимает участие в процессах оссификации, образует внутриклеточные включения в эпителии почечных канальцев. Возможно, этот элемент обладает генотоксичными и мутагенными свойствами.

Не смотря на то, что висмут относится к категории тяжелых металлов, он является умеренно токсичным элементом. Растворимые соли висмута ядовиты и по характеру своего воздействия (хоть и в меньшей степени) аналогичны солям ртути.

Фото 7.

Соли висмута используют с 1700-ых гг. для лечения таких болезней, как диарея, а также для облегчения симптомов холеры.

Фото 8.

Во время разлива нефти в Мексиканском заливе, морских птиц заставляли глотать это вещество, чтобы вывести нефть, которая попала в их организм.

Хотя это вещество было известно с древних времен, слово «висмут» появилось впервые в конце XVII века. Алхимики применяли его в своих опытах в средние века. Шахтеры, добывавшие руду, называли его tectum argenti. Это переводится, как «производство серебра». Шахтеры полагали, что висмут был наполовину серебром.

И красота его кристаллов, несомненно, указывает на то, почему они так считали.

Название висмута считается латинизированной версией старогерманского слова «виссмут», и лишь в 1546 году немецкий ученый Георгий Агрикола (отец минералогии) заявил, что висмут – это отдельный металл.

Фото 9.

Висмут применялся не только в Европе: хотя его андское название было утеряно, инки использовали висмут для изготовления холодного оружия. Из-за этого мечи инков были очень красивыми, и их сияние было результатом радужного окисления – химической реакции с кислородом. Разница в цветах – это результат разной толщины слоя окиси поверх кристалла. Когда на кристаллы висмута попадает прямой свет, эти колебания в толщине приводят к разным длинам волн для прерывания отражения. Поэтому мы и получаем красивый эффект радуги.

В периодической таблице висмут имеет несколько соседей (его номер – 81), и если принять их вовнутрь, можно причинить серьезный урон здоровью. В этот список входят свинец, сурьма и полоний. И хотя висмут имеет высокую атомную массу, он всегда считался стабильным (долгие годы он даже считался самым стабильным элементом в плане массы).

Тем не менее, недавно обнаружилось, что этот элемент слегка радиоактивный. Но не волнуйтесь, висмут не может убить. На самом деле сплавы висмута уже давно заменяют свинец (в таких предметах, как вентили для питьевых водопроводных систем).

Фото 10.

В слитке чернового свинца содержится до 10% висмута, и для его добычи нужно пройти несколько стадий. Однако после двух главных процессов, в этой смеси остается еще много других металлов.

Чтобы получить чистый висмут, нужно расплавить переработанную смесь, а затем добавить хлор-газ. Остальные металлы добывают в их хлоридной форме, после чего остается чистый висмут. Висмут имеет некоторые удивительные характеристики. Как вы знаете, вода – одно из немногих веществ, которое является более плотным в жидкой форме, чем в твердой. В этом висмут похож на воду – в твердой форме он увеличивается на 3%.

Он также более диамагнитный, чем любой другой металл на планете. Диамагнетизм присутствует во всех материалах – это свойство, создающее магнитное поле. С другой стороны, висмут имеет самый низкий показатель теплопроводности, чем у любого другого металла. Считается, что висмут обладает низким воздействием на окружающую среду. Это потому, что его составляющие не очень растворимы, поэтому в воде он не может навредить людям. Однако в плане влияния висмута на окружающую среду были проведены лишь ограниченные исследования.

Фото 11.

Вообще, висмут - это легкоплавкий металл, который расширяется при затвердевании, поэтому слитки не имеют усадочной раковины, а наоборот, имеют выпуклую поверхность. Применяется висмут, в основном, для изготовления легкоплавких сплавов и припоев.

Чистый, неокисленный висмут имеет серебристо-белый цвет с небольшим красноватым оттенком. Радужная окраска этого кристалла обусловлена наличием тонкой оксидной пленки на его поверности. При желании, окраску легко удалить. Достаточно просто промыть кристалл разбавленной соляной кислотой, и его поверхность станет серебристой.

Если расплавленный металл залить в форму и дать ему затвердеть, то получится слиток. Но кристаллы висмута получаются немного по-другому.

Получить такие фантастические кристаллы висмута (только висмута! с другим металлом такое не получится!) можно так. Нужен очень чистый висмут. Чем он чище, тем красивее получатся кристаллы. Расплавленный на горелке металл выливается в подогретую ёмкость. Через некоторое время, когда он примерно на треть затвердеет, жидкий металл сливают, а на дне остаются такие кристаллы. Такую красивую окраску кристаллы висмута приобретают в результате окисления поверхностного слоя металла, причем чем выше чистота исходного металла, тем более красиво окрашивается кристалл.

Довольно интересная и дискуссионная тема проявилась в небольшой заметке на атоминфо. Быстрые реакторы с тяжелометаллическим теплоносителем (ТЖМТ) сейчас на звание будущего стандарта реакторов. В свою очередь ТЖМТ может быть свинцовым или свинцово-висмутовым, и по этой линии существует отдельный холивар (на стороне свинца-висмута реальный опыт эксплуатации и относительно низкая температура замерзания (140 С), а минусами является дороговизна висмута и наработка полония-210 в первом контуре - вещества со смертельной дозой в 0,5 микрограмма).

Исходную статью я позволю себе разбавить картинками установки, про которую идет речь, и комментариями.

В статье утверждается, что китайские специалисты разрабатывают при поддержке военных реактор малой мощности, причём степень готовности проекта высока.

Само по себе, это не сенсация. Намного интереснее другое утверждение в статье - реактор будет быстрым аппаратом с тяжёлометаллическим теплоносителем.

Китайская статья

Нашумевшая публикация появилась в газете "South China Morning Post", влиятельном средстве массовой информации, выходящем в Гонконге. Внешний налёт некоторой оппозиционности не должен вводить в заблуждение - газета прочно ориентируется на Пекин, и к статье нужно отнестись со всей серьёзностью.

Конкретных технических деталей в статье не так уж и много.

Учёные института технологии безопасности ядерной энергетики (INEST, Institute of Nuclear Energy Safety Technology) , входящего в структуру академии наук и расположенного в городе Хэфэй (провинция Анхой), разрабатывают так называемую hedianbao , транспортабельную ядерную батарейку.

Журналисты, как обычно, забыли заглянуть в публикации, и хотя бы узнать, как выглядит "батарейка". Например, ее вес составит около 2000 тонн - плата за свинцово-висмутовый теплоноситель.

Реакторная установка имеет габариты 6,1 метров в длину и 2,6 метров в высоту. Её мощность составляет 10 МВт(т). Длина кампании - годы или десятилетия. Это быстрый реактор, и он может установлен на островах - в том числе, на островах спорных архипелагов.

Работу частично финансирует армия, однако создатели проекта надеются и на его гражданское использование.

Наибольшая загадка статьи - какой конкретно теплоноситель предлагается в проекте? В тексте прямо упоминается свинец, а в одном из абзацев идут рассуждения, основанные на температуре кипения свинца. С другой стороны, статья содержит отсылки к советским лодочным технологиям, а это, в свою очередь, означает выбор в пользу свинца-висмута.

Очень интересны и названные в статье сроки по готовности нового реактора. Первый образец может быть сделан уже через пять лет.

CLEAR или не CLEAR

Любые попытки угадать, какой проект скрывается за туманными описаниями общеполитических СМИ сравнимы со старой забавой на российском телевидении, когда участники пытались угадать мелодию с семи, а то и с трёх нот.

Но одно совпадение обращает на себя внимание сразу. Институт INEST известен по своим публикациям как институт, в котором занимаются созданием ADS-системы с подкритическим реактором на ТЖМТ - проект, напоминающий бельгийский проект .

ADS-системы, если коротко - это подкритический реактор, в котором недостающие нейтроны получаются из разрушения теплоносителя мощным протонным пучком из ускорителя. Подробнее . На картинке планы по разработке технологических узлов ADS от 2012 года - видно, что сегодня китайцы отстают от них примерно на год-два.

С руководителем этого направления в INEST профессором Ицань Ву (Yican Wu, в другой транскрипции Икан Ву) в 2013 году встречались корреспонденты AtomInfo.Ru во время его участия в конференции ТЖМТ-2013. Профессор рассказал, что, действительно, в Китае планируется построить в рамках освоения ADS-технологий реактор CLEAR-I мощностью 10 МВт(т), и этот реактор будет с теплоносителем свинец-висмут.

На прошедшей в сентябре 2016 года конференции МНТК НИКИЭТ-2016 профессор Ицань Ву рассказал примерно то же самое, что и корреспондентам нашего издания три года назад.

Вообще по пути создания ТЖМТ реакторов китайцы идут не первое десятилетие. Список экспериментальных установок для проверки различных аспектов свинцово-литиевых и свинцово-висмутовых теплоносителей.

На данный момент, CLEAR-I находится на стадии разработки. Но к первому железу китайские специалисты уже подходят. В этом году они намерены сдать в эксплуатацию критсборку CLEAR-0, построенную для получения экспериментальных данных по НФХ для грядущего лицензирования своего более мощного собрата.

Вот эта критсборка.

В статье гонконгской газеты профессор Ицань Ву не упоминается. Но зато в ней для рассказа о новом проекте дают слово профессору Qunying Huang . Эта замечательная женщина входит в команду профессора Ицань Ву.

Загадка выбора между свинцом и свинцом-висмутом разрешается легко. В своих публикациях работники INEST часто опускают для простоты упоминание о сплаве, называя свой проект просто свинцовым. Однако где-нибудь в тексте обязательно будет точно назван тип теплоносителя, и это именно свинец-висмут.

Можно с уверенностью утверждать, что публикация в "South China Morning Post" касается именно проекта CLEAR-I.

Остаётся последний вопрос. CLEAR-I до сих позиционировался как составная часть ADS-системы, а в статье говорится о его самостоятельном использовании в виде ядерной батарейки.

Никакого противоречия на самом деле нет. Достаточно вспомнить, что говорят в Бельгии об аналогичном проекте MYRRHA - получится ADS, прекрасно, не получится, значит, в распоряжении окажется исследовательский реактор со свинцом-висмутом.

Родная технология

Интерес Китая к тяжёлометаллическим технологиям возник не на пустом месте. Постфукусимские ужесточения норм и правил, спад интереса к атомной энергетике у государств и корпораций, дешёвый газ и ряд других факторов заставляют искать технологии, способные придать атому новый импульс для развития.

Тяжёлометаллические теплоносители могут сыграть свою роль и стать одной из подобных технологий.

Китайцы не ограничиваются картинками и стендами - материаловедение и промышленные технологии по этому направлению тоже подтягиваются

Применение ТЖМТ в быстрых реакторах позволяет кардинально повысить внутреннюю самозащищённость реакторной установки за счёт его природных свойств, а именно, высокой температуры кипения и химической инертности по отношению к воде, а также к воздуху.

ТЖМТ даёт возможность конструктору и проектанту существенно упростить проект реакторной установки, что тут же положительно скажется на экономической стороне дела (в этой связи нельзя не приветствовать приказ Минстроя России № 648/пр от 09.09.2015, развязавший, наконец, стоимость проектирования и стоимость блока).

Ещё одним важным преимуществом ТЖМТ-реакторов является возможность приблизить их к потребителям, что весьма полезно для проектов малой и средней мощности. Внутренняя самозащищённость таких реакторов позволяет исключить многие тяжёлые аварии с последующей эвакуацией населения - соответственно, и строить их можно на небольшом удалении от потребителя.

Про ТЖМТ и их преимущества написано много, повторяться нет смысла. Существенно другое - в Китае перспективы ТЖМТ-направления, а более конкретно, направления быстрых реакторов с теплоносителем свинец-висмут оценили и занялись его воплощением в железе.

Прототипы различных железяк для реактора. Одной из самых важных задач является поддержание концентрации кислорода в теплоносителе в узком диапазоне - левые панели слайда посвещены именно этой работе.

И тут, пожалуй, есть смысл вспомнить о российском проекте СВБР-100, пребывающем в последние годы в подвешенном состоянии.

Тем усилиям, которые китайская сторона прилагает для развития свинцово-висмутового направления, можно только позавидовать и пожелать китайским коллегам удачи.

Но в то же время было бы очень обидно, если первый энергетический реактор подобного типа появится не в России, а в Китае - и потому, что Pb-Bi технология для нашей страны родная, и потому, что у ТЖМТ-реакторов есть хорошие перспективы для развития.

Так, может быть, настала пора разморозить проект СВБР-100 и вернуться к обсуждению его судьбы?

В дополнение хотел привести еще пару слайдов, выходящих за границы статьи Рычина, но не менее интересных. В рамках CLEAR китайцы разрабатывают:

Высокоинтенсивный нейтронный генератор с довольно хорошим нейтронным потоком в 10^13 нейтронов в секунду, и в целом привязывают R&D программу к термоядерной программе Китая

Которая включает в себя все немаргинальные направления - токамаки, стеллараторы, гибридные реакторы, открытые ловушки.