Почему графит ускоряет ядерную реакцию

Почему графит ускоряет ядерную реакцию

Муниципальный округ Чертаново Центральное

ул. Днепропетровская, д 3, к 5

Муниципальный округ Чертаново Центральное

ул. Днепропетровская, д 3, к 5

Авария на Чернобыльской АЭС

Чернобыльская катастрофа. Это одна из самых трагических страниц не только Украины, но и мира. Катастрофа стала крупнейшей за всю историю ядерной энергетики, как по количеству погибших и пострадавших от её последствий людей, так и по экономическому ущербу.

Объект: Энергоблок № 4 чернобыльской АЭС, город Припять, Украина.

Дата: 26 апреля 1986 года, 01:23:47 местного времени

Жертв: 2 человека погибли во время катастрофы, 31 человек умер в последующие месяцы, около 80 — в последующие 15 лет. У 134 человек развилась лучевая болезнь, в 28 случаях приведшая к смерти. Порядка 60 000 человек (в основном — ликвидаторы) получили высокие дозы облучения.

Причины катастрофы

Вокруг Чернобыльской катастрофы сложилась необычная ситуация: буквально до секунд известен ход событий той роковой ночи 26 апреля 1986 года, изучены все возможные причины возникновения аварийной ситуации, но до сих пор неизвестно, что именно привело к взрыву реактора. Существует несколько версий причин аварии, а за последние три десятилетия катастрофа обросла множеством домыслов, фантастических и откровенно бредовых версий.

Первые месяцы после аварии основную вину за нее возлагали на операторов, которые допустили массу ошибок, приведших к взрыву. Но с 1991 года ситуация изменилась, и с персонала АЭС были сняты практически все обвинения. Да, люди допустили несколько ошибок, но все они соответствовали действующему на тот момент регламенту эксплуатации реактора, и ни одна из них не была фатальной. Так что в качестве одной из причин аварии признано низкое качество регламентов и требований безопасности.

Основные причины катастрофы лежали в технической плоскости. Многие тома расследований причин катастрофы сводятся к одному: взорвавшийся реактор РБМК-1000 имел ряд конструктивных недостатков, которые при определенных (достаточно редких!) условиях оказываются опасными. Кроме того, реактор просто-напросто не соответствовал многим правилам ядерной безопасности, хотя считается, что это не сыграло особой роли.

Двумя главными причинами катастрофы считаются положительный паровой коэффициент реактивности и так называемый «концевой эффект». Первый эффект сводится к тому, что при закипании воды в реакторе резко возрастает его мощность, то есть — в нем более активно начинают идти ядерные реакции. Это обусловлено тем, что пар поглощает нейтроны хуже, чем вода, а чем больше нейтронов — тем активнее идут реакции деления урана.

А «концевой эффект» вызван особенностями конструкции стержней управления и защиты, использовавшихся в реакторах РБМК-1000. Эти стержни состоят из двух половин: верхняя (длиной 7 метров) изготовлена из поглощающего нейтроны материала, нижняя (длиной 5 метров) — из графита. Графитовая часть необходима для того, чтобы при вытягивании стрежня его канал в реакторе не занимала вода, которая хорошо поглощает нейтроны, а потому может ухудшить течение ядерных реакций. Однако графитовый стержень вытеснял воду не со всего канала — примерно 2 метра нижней части канала оставались без вытесняющего стержня, а поэтому заполнялись водой.

Известно, что графит значительно хуже поглощает нейтроны, чем вода, а поэтому при опускании полностью вытащенных стержней в нижней части каналов из-за резкого вытеснения воды графитом ядерные реакции не замедляются, а напротив — резко ускоряются. То есть, из-за «концевого эффекта» в первые мгновения опускания стержней реактор не глушится, как это должно происходить, а наоборот — его мощность скачком увеличивается.

Как все это могло привести к катастрофе? Считается, что положительный паровой коэффициент реактивности сыграл роковую роль в тот момент, когда мощность реактора была снижена, а одновременно с этим снижены и обороты циркуляционных насосов — из-за этого вода внутри реактора стала течь медленнее и начала быстро испаряться, что вызвало ускорение течения ядерных реакций. В первые секунды рост мощности контролировался, но затем он приобрел лавинообразных характер, и оператор был вынужден нажать кнопку аварийного опускания стержней. В это мгновение сработал «концевой эффект», в доли секунды мощность реактора скачком увеличилась, и… И прогремел взрыв, едва не поставивший крест не всей ядерной энергетике, и оставивший неизгладимый след на лице Земли и в сердцах людей.

Единый телефон службы спасения «01» или «101»

Пресс-служба Управления по ЮАО

Главного управления МЧС России по г. Москве

Физика. 11 класс

Для реализации управляемой цепной реакцией созданы специальные устройства — ядерные реакторы, позволяющие получать электроэнергию в промышленных масштабах. Как это происходит? Как устроен ядерный реактор? Какие проблемы он создает для окружающей среды?

Цепная реакция может быть управляемой и неуправляемой (ядерный взрыв). Для управления цепной реакцией необходимо очень точно контролировать процесс размножения нейтронов с помощью поглотителей нейтронов (рис. 223), делая его таким, чтобы число нейтронов в процессе реакции оставалось практически неизменным.

Определяющую роль в управлении цепными ядерными реакциями в реакторах играют запаздывающие нейтроны. Их среднее время жизни для составляет несколько секунд. Это дает возможность для манипулирования управляющими стержнями с целью поддержания коэффициента размножения нейтронов .

Если коэффициент размножения нейтронов выше 1,0075, то количества мгновенных нейтронов вполне достаточно для увеличения интенсивности реакции, что неминуемо приводит к взрыву. Если же значение коэффициента колеблется от 1,0000 до 1,0075, то для увеличения интенсивности реакции нейтронам необходима помощь со стороны запаздывающих нейтронов, или нейтронов второго поколения (рис. 221, б). Это значит, что в течение очень короткого периода времени интенсивность деления ядер растет медленно. В это время необходимо задвинуть регулирующие кадмиевые стержни для уменьшения интенсивности деления. Автоматические системы управления стержнями позволяют поддерживать коэффициент размножения в пределах 1,0000-1,0075, не приводя ни к угасанию реакции, ни к взрыву.

Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит управляемая цепная ядерная реакция деления ядер тяжелых элементов под действием нейтронов (рис. 224). В ходе реакции освобождается энергия, которую можно использовать для производства электрической энергии.

Энергия, освобождаемая при делении ядра, уносится осколками деления, нейтронами, γ-квантами и электронами с сопровождающими их антинейтрино. В конечном итоге вся энергия деления ядра, около , переходит во внутреннюю энергию, которая выделяется как в самом реакторе, так и в окружающих его материалах (в бетонной защите и др.).

Ядерный реактор имеет пять основных составных частей, изображенных на рисунке 224. Упрощенная (функциональная) схема ядерного реактора приведена на рисунке 225.

1) Активная зона, которая содержит ядерное горючее, находящееся в специальных тепловыделяющих элементах, или твэлах (по первым буквам словосочетания). Твэлы представляют собой очень длинные трубки, проходящие через всю активную зону реактора. Именно в них идет цепная реакция. Активная зона окружена отражателем нейтронов, возвращающим их внутрь активной зоны для продолжения реакции. Хорошим отражателем нейтронов является бериллий.

В качестве ядерного горючего используется три вида радиоактивных изотопов: урана , и плутония .

2) Замедлитель быстрых нейтронов (графит, обычная и тяжелая вода, бериллий, окись бериллия, гидриды металлов, органические жидкости). Средняя энергия нейтронов, появляющихся в реакторе, около E ~ 2 МэВ. Если энергия нейтронов меньше E ~ 0,1 МэВ, то их называют тепловыми, так как их скорости близки к скорости теплового движения, модуль которой . Если энергия нейтронов больше , а модуль их скорости, то нейтроны называют быстрыми. Промежуточная область энергий отведена промежуточным (резонансным) нейтронам. Замедлитель эффективно отбирает энергию от быстрых нейтронов, рождающихся в реакции деления (Вспомните столкновение двух тел одинаковой массы). Нейтроны замедляются (отсюда и название вещества — замедлитель) до энергий порядка долей электронвольта.

Под действием медленных (тепловых) нейтронов, делится лишь достаточно редкий в природе изотоп урана , в то время как гораздо более распространенный изотоп поглощает тепловые нейтроны без деления на осколки. При каждом акте деления выделяется в среднем в виде кинетической энергии разлетающихся осколков. Делящиеся под действием тепловых нейтронов изотопы , в природе не встречаются и получаются искусственным путем.

В реакторах на быстрых нейтронах используются урано-плутониевый цикл, в котором ядро превращается в ядро , и ториевый цикл, в котором ядро превращается в ядро .

Ядра изотопа могут делиться только под действием быстрых нейтронов. Однако основной реакцией при взаимодействии с нейтронами является захват нейтрона, после которого они самопроизвольно превращаются в ядра изотопа плутония :

Полученный изотоп является практически стабильным, так как его период полураспада . Плутоний по способности к взаимодействию с нейтронами похож на изотоп урана . При захвате нейтрона ядро плутония делится и испускает в среднем 2 — 3 нейтрона, которые способны поддерживать развитие цепной реакции.

Под действием быстрых нейтронов ядро изотопа тория также самопроизвольно претерпевает цепочку распадов, превращаясь в ядро изотопа :

Изотоп урана также является практически стабильным, так как его период полураспада , но он делится тепловыми нейтронами.

Таким образом, захват быстрых нейтронов изотопами и позволяет осуществлять воспроизводство ядерного горючего и .

Ядерный реактор на быстрых нейтронах выполняет одновременно две функции — производство энергии и воспроизводство ядерного горючего. Именно поэтому он называется еще реактором-размножителем (бридером). Кроме того, в нем можно использовать в качестве горючего не только редкий в природе изотоп урана , но и гораздо более распространенный изотоп урана .

В связи с тем, что запасы естественно делящихся радиоактивных изотопов ограничены, возможность осуществления процессов производства ядерного горючего и в реакторах на быстрых нейтронах имеет принципиальный характер для будущего ядерной энергетики. Кроме того, ядерные реакторы на тепловых нейтронах способны «сжечь» только урана . Применение реактора-размножителя позволяет увеличить эффективность использования горючего в десятки раз.

3) Система охлаждения — теплоноситель (для отвода из активной зоны реактора выделяющейся в ней энергии) — вода, газы, жидкий натрий. Вода нагревается стенками твэлов до температуры и под давлением порядка (100 атм) выводится из активной зоны. Далее вода превращается в пар и направляется к паровым турбинам для генерации электрической энергии.

4) Система регулирования — устройство для обеспечения возможности управления цепной реакцией. В системе регулирования используются поглотители (стержни) из бора, т.е. вещества, которые активно поглощает нейтроны.

Если стержни с поглотителем ввести в активную зону, то коэффициент размножения нейтронов уменьшается. И, наоборот, выведение стержней из активной зоны увеличивает коэффициент размножения. Этим и достигается управление реакцией. Обычно это делается автоматически. В нештатных ситуациях предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции, которое осуществляется сбрасыванием в активную зону специальных аварийных стержней (стержней безопасности).

5) Система безопасности — оболочка из бетона с железным наполнителем (для защиты окружающего пространства от ионизирующего излучения компонентов топлива и продуктов ядерной реакции).

Ядерные реакторы различаются по типу используемого ядерного горючего, замедлителя и теплоносителя. Выработка электроэнергии, основанная на использовании управляемой ядерной реакции, производится на атомных электростанциях (АЭС) (рис. 226).

Преимущества атомных электростанций:

1) не потребляют кислород и органическое топливо;

2) отсутствует загрязнение окружающей среды золой, серой и другими продуктами сгорания органического топлива.

Опасные факторы воздействия АЭС на окружающую среду:

1) радиоактивные отходы;

2) радиоактивное загрязнение местности;

3) опасность экологических катастроф;

4) нарушение теплового баланса в окрестности АЭС.

Всем известна Чернобыльская катастрофа, произошедшая на 4-м блоке Чернобыльской атомной станции в апреле 1986 г . В результате нарушения технологических процессов произошло перегревание активной зоны. Последовавший за этим взрыв разрушил оболочку реактора. Большое количество радиоактивных веществ было выброшено в атмосферу. Кратковременному загрязнению короткоживущими изотопами подверглись огромные территории. Долговременное загрязнение сделало невозможными для проживания тысячи квадратных километров территории Беларуси, России и Украины, где выпали наиболее опасные нуклиды стронция (период полураспада 27,7 года) и цезия (период полураспада около 30 лет). Нуклиды откладываются в костных тканях и костном мозге — органе кроветворения, что может привести к развитию рака крови (лейкемии) и костей. Нуклиды , попадающие в организм главным образом через пищеварительный тракт и дыхательные пути, накапливаются в основном в скелетных мышцах, испускают γ-излучение, наносящее значительные повреждения организму.

Первая в мире атомная электростанция была построена в СССР в г. Обнинске и дала ток 27 июня 1954 г .

Первая в Беларуси атомная электростанция построена в северо-западной части страны вблизи города Островец Гродненской области. Её проектная мощность с двумя энергоблоками составляет 2,4 ГВт.

История создания первого промышленного реактора в СССР

Знакомство с производственным объединением «Маяк» начинается с посещения особого, закрытого для публики музея. Он располагается на территории действующего завода химического производства — буквально через стену от первого советского реактора «А», вошедшего в историю под ласковым названием «Аннушка».

В атомный век на лошадках

В зале пульта управления, в котором когда-то дни и ночи проводил академик Игорь Курчатов и другие пионеры атомной промышленности страны, с тех пор мало что изменилось. Бережно хранятся вещи и документы, а в витринах — реальные детали и механизмы, которые приходилось буквально на ходу изобретать для выполнения поставленной государством задачи.

— Уже через девять дней после бомбардировок Японии под руководством Берии был создан специальный комитет, наделенный неограниченными полномочиями для создания атомной бомбы, — рассказывает инженер отдела коммуникаций ПО «Маяк» Борис Ентяков. — Записка Курчатова — 10 страниц рукописного текста — до сих пор хранится в архиве. В ней говорится, что разведанных месторождений урана в стране нет, добычи и обогащения нет, производства металлического урана и тяжелой воды не существует. Но если для государства создание атомной бомбы — задача N 1, то это возможно за 2,5-3 года.

Сталин назначил испытания на весну 1948 года, отмерив меньше трех лет. При том,что Великобритания и США шли к ее созданию четыре года. Трумэн рассчитывал, что к 1950 году сможет нанести соцлагерю одномоментный удар такой силы, который исключит любые ответные действия. Строить атомный реактор решили на Южном Урале, направив 40-тысячную армию рабочих и специалистов «Челябметаллургстроя». А когда в 1947 году стало понятно, что в установленные Сталиным сроки завершить строительство невозможно, перебросили еще 15 тысяч человек, установив для них 10-часовой рабочий день.

— Первая проблема возникла уже на стадии проектирования, — рассказывает Ентяков. — Дело в том, что американские реакторы имели горизонтальное расположение урановой загрузки: тысячи тонн графита пронизывают 1200 скважин, в них вставляются тонкостенные алюминиевые трубы, в которые загружаются урановые блочки. Каждую трубку нужно идеально закрепить, компенсировать термические деформации, подать воду, измерить ее температуру на выходе. Наших конструкторов такая задача поставила в тупик. И тогда они предложили оригинальное решение — вертикальный реактор. С тех пор вся мировая практика реакторостроения пошла по этому пути. Больше горизонтальных реакторов никто не делал!

Однако вертикальное расположение осложнило строительство. Глубину котлована пришлось увеличить с восьми до 54 метров, проходку вести через скальные породы. Единственная механизация труда — отбойный молоток. А дальше люди поднимали выработку тележками наверх и лошадьми вывозили за три километра в лес. На строительстве был занят конный парк в три тысячи лошадей. Такова была готовность страны к овладению атомными технологиями.

Отсюда и вторая глобальная проблема — отсутствие необходимых технологий и материалов. По техзаданию, разработанному физиками во главе с Курчатовым, доля примесей в используемом в реакторе графите не должна была превышать 0,004 процента. Однако в стране не было не только технологии его производства, но и приборов, способных измерить чистоту конечного продукта.

8,7 грамма — таким был первый «королек» металлического плутония, полученного в реакторе «А»

Легировать алюминий для трубок, в которые загружается уран, после большой серии опытов ученые предложили компонентами, о существовании которых металлурги даже не подозревали. И тем более не знали, как они поведут себя в процессе металлургического производства.

Не было в стране даже электропроводов нужного сечения, и при монтаже пульта управления реактором пришлось использовать трофейные. 120 тонн урана тоже вывезли с территории Германии. Разведывать свои месторождения времени не было: счет шел на дни и часы.

Ускорение на финише

Что это была за гонка, можно понять по датам: 1 июня 1948 года подписан акт о завершении строительства реактора (его возвели за один год и девять месяцев), а в ночь с 7-го на 8 июня прошли первые испытания. Неделя понадобилась, чтобы вручную загрузить реактор ураном. В воспоминаниях сохранилась фраза Курчатова: «Если проведем физический пуск и останемся живы, подпишем все бумаги».

В расчетах ученый был уверен. Но на практике успех зависел от точности исполнения технического задания десятками предприятий страны. Вес начинки атомной бомбы — 6-8 килограммов. Для испытаний в реактор загрузили 36,6 тонны урана. Трудно даже предположить, какие были бы последствия, если бы что-то пошло не так.

Однако реакция началась, мощность реактора последовательно довели до четырех процентов, понизили до двух, опять подняли до четырех — убедились, что реакция управляемая. Догрузили еще 36 тонн урана, дали воду на охлаждение. И 10 июня провели второй физический пуск, подняв мощность до 40 процентов.

А уже 19-го, убедившись, что реактор отвечает всем требованиям техзадания, вышли на 100-процентную мощность. С этого момента и ведет историю «Маяк», а вместе с ним и российская атомная промышленность.

В такие короткие сроки освоить абсолютно новую технологию — в этом трудовой героизм первого поколения атомщиков. Двигаться вперед приходилось почти вслепую — причины сбоев изучали по мере их возникновения. Работу недостающих самописцев выполняли 17-летние выпускницы челябинского ремесленного училища, которые стояли по всему реактору до нижней его отметки и снимали показания приборов.

На «Маяке» сделан важный шаг в реализации идей безотходного производства, о чем говорил академик Курчатов

В августе 1948 года из реактора выгрузили первую партию облученного урана. 16 апреля 1949-го получили из него первый «королек» металлического плутония весом 8,7 грамма. А 29 августа испытали бомбу на Семипалатинском полигоне.

Известно, что президент Трумэн две недели не мог отойти от шока — монополия США на сверхоружие была утеряна. В это время он дает задание возобновить создание водородной бомбы. Но и советские ученые были готовы к работам по созданию водородной бомбы. Рядом с «Аннушкой» за девять месяцев построили реактор АИ. На химико-металлургическом заводе создали компонент водородного заряда. И первую водородную бомбу в СССР взорвали в 1953 году раньше американцев.

— «Аннушка» была остановлена только в 1987 году, отработав 39 лет, — завершает рассказ инженер. — За это время на «Маяке» пущено еще девять реакторов разной модификации. А в стране наработано столько плутония, что с пуском новых атомных станций его хватит на все обозримое будущее.

Завет Курчатова

— Стремление быть на шаг впереди не теряет актуальности и сегодня, — рассказывает гендиректор ПО «Маяк» Михаил Похлебаев. — Оставаясь одним из основных предприятий ядерного оружейного комплекса России, мы приобрели уникальные компетенции по производству изотопов и переработке отработавшего ядерного топлива, которым сегодня нет равных в мире.

С момента возникновения атомной энергетики существовало две концепции использования отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). В США его предпочли хранить до будущих времен, пока не придумают, что с ним делать. В России, Франции и Англии начали искать способы переработки, поскольку топливо в реакторах выгорает не полностью.

В России уже созданы технологии, позволяющие в ходе радиохимической переработки ОЯТ отделять продукты распада, регенерировать уран и получать новое топливо для станций. А из продуктов деления выделять полезные компоненты — изотопы, широко использующиеся в современной промышленности, сельском хозяйстве и медицине. Эти два направления гражданской деятельности ПО «Маяк» выгодно дополняют друг друга, давая вторую жизнь топливу, ранее подлежавшему захоронению. А это реальный шаг к реализации концепции безотходного производства, о котором еще на заре атомной эры говорил академик Курчатов.

Сегодня предприятие перерабатывает сотни тонн ОЯТ в год, причем способно перерабатывать практически любые его виды, включая даже некондиционное. По словам Михаила Похлебаева, осталось освоить переработку уран-циркониевого топлива — решить эту задачу на предприятии намерены уже в нынешнем году. А через три года на «Маяке» начнут перерабатывать 14-метровые тепловыделяющие сборки с Белоярской атомной электростанции, где работают единственные в мире реакторы на быстрых нейтронах.

В свою очередь изотопный комплекс предприятия выпускает несколько тысяч источников ионизирующего излучения, тепла и света, а также радиоактивных препаратов: предприятие является одним из крупнейших мировых производителей источников гамма-излучения на основе кобальта-60, цезия-137 и источников быстрых нейтронов на основе америция-241.

— Еще одно новое направление, — рассказывает Михаил Похлебаев, — это комплексная услуга по сопровождению источников ионизирующего излучения на всем жизненном цикле: от поставки нового до возврата на ПО «Маяк» для утилизации или перезарядки. Мы предвидим, что будет завтра, и готовы к этому уже сейчас, постоянно развиваемся и учимся. Повышение эффективности работы — веление времени не только для «Маяка», но и для всей атомной отрасли страны.

Прямая речь

Алексей Лихачев, генеральный директор ГК «Росатом»:

— Первое поколение советских атомщиков совершило подвиг для всего человечества — восстановило в мире ядерный паритет. Поражает то, как при отсутствии кадров в разрушенной войной стране за год и девять месяцев был построен завод N 817 и наработано достаточное количество плутония для испытания атомной бомбы. И знаковую роль в этом, конечно, сыграл «Маяк». Сегодня есть еще одна серьезная и амбициозная задача, сравнимая с осуществлением советского Атомного проекта. Мы двигаемся в сторону замыкания ядерного топливного цикла. Ученые об этом говорят, технологи спорят, но сами решения пока не найдены. Я очень надеюсь, что мы именно здесь, на «Маяке», эти технологии и создадим. В таком случае обеспечим топливом российскую атомную энергетику на столетия вперед.

Серый, черный, стальной

Хорошо проводит электрический ток, относительно мягкий, имеет металлический блеск, устойчив при нагревании, скользкий на ощупь и хорошо известен своей чешуйчатой структурой – все это свойства графита. С этим минералом мы знакомимся еще в детстве, когда к нам в руки попадает простой карандаш. Но помимо стержней у графита еще множество полезных применений. О свойствах, характеристиках, способах переработки и применения графита читайте в нашем материале.

История о первом карандаше

Ученые не могут понять, когда древние люди впервые начали использовать графит. Все дело в том, что по своим красящим свойствам он напоминает другие минералы. В частности – молибденит. Так что рисовать и чертить люди могли с помощью разных ископаемых. А вот первое точно зафиксированное применение графита – древняя посуда культуры Боян-Марица, раскрашенная графитом за 4000 лет до н. э. Однако старинные карандаши появились, увы, не в эпоху неолита.

Широкое применения графита в рисовании началось после происшествия в Англии. В середине XVI века в графстве Камберленд была сильная буря. Много старых и грузных деревьев были повалены вверх корнями. В образовавшихся ямах пастухи нашли твердое красящее вещество, напоминающее уголь. Местные ремесленники решили, что это разновидность олова и прозвали минерал «рисовальным оловом». Свое нынешнее название графит обрел лишь в 1789 году, благодаря немецкому геологу Абрааму Вернеру. В основе – древнегреческое слово «γράφω», что означает «я пишу».

Свойства и характеристики

Графит обладает рядом полезных свойств, которые сегодня активно применяются в промышленности. Чтобы не вдаваться в подробности, для знакомства с графитом достаточно основных характеристик:

1. Проводит электрический ток;
2. Обладает низкой твердостью (1 по шкале Мооса);
3. Плотность 2,08—2,23 г/см³;
4. Цвет серый, черный, стальной/ блеск металлический;
5. Устойчив при нагревании в отсутствие воздуха;
6. Жирный, скользкий на ощупь (содержит 10—12 % примесей глин и окислов железа);
7. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (например, след карандаша на бумаге – последовательно уложенные чешуйки графита).

Происхождение и добыча

Природный графит образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, а именно – пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и другими минералами. Широко распространен в кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах. Крупные залежи образуются в результате термического разложения каменного угля на каменноугольные отложения. Известное месторождение графита – Тунгусский бассейн. В горных породах, где есть графит, часто встречаются сопутствующие минералы: кварц, пирит, гранаты, шпинель. В очень малых количествах графит присутствует в составе метеоритов.

Помимо природного графита, есть графит искусственный. Его ученые научились получать разными способами.

• Ачесоновский графит. Производится из смеси кокса и пека при нагревании до 2800 °C;
• Рекристаллизованный графит. Основной способ – термомеханическая обработка смеси кокса, пека, природного графита и карбидообразующих элементов.
• Пиролитический графит. Производится путем пиролиза (термического разложения) из газообразных углеводородов при температуре 1400—1500 °C в вакууме с последующим увеличением температуры до 2500—3000 °C при давлении 50 Мпа. В результате получается пиро- или электрографит.
• Доменный графит. Выделяется при медленном охлаждении больших масс чугуна.
• Карбидный графит. Образуется при термическом разложении карбидов.

Применение и переработка

У графита много областей применения. Он используется в производстве нагревательных элементов, так как обладает высокой электропроводностью и стойкостью практически к любым агрессивным водным растворам. В твердых смазочных материалах, при производстве токосъемников, тепловой защиты носовой части боеголовок баллистических ракет и возвращаемых космических аппаратов. О некоторых вариантах применения графита на практике расскажем подробнее.

Отверждение отходов

Ученые научились не только синтезировать графит, но и перерабатывать его в другие вещества с улучшенными качествами. Так, например, появился терморасширенный графит. Технология производства такая: исходный кристаллический графит окисляют с помощью молекул и ионов серной или азотной кислоты в присутствии окислителя. Окисленный графит отмывают и сушат, а затем подвергают высокой термической обработке на большой скорости. Благодаря скорости процесса происходит разложение внедренной серной кислоты из кристаллической решетки графита и дальнейшее выделение газообразных продуктов. Они давят на межкристальное пространство и расклинивают структуру графита, расширяя его. Далее материал прокатывают, армируют (увеличивают прочность с помощью дополнительной арматуры), добавляют присадки для улучшения свойств и прессуют. Терморасширенный графит отличается высокой удельной прочностью и низкой насыпной плотностью. Выглядит как порошок. Его используют в атомной промышленности для отверждения отходов радиоактивных масел.

Замедление нейтронов

В ядерной промышленности графит также играет важную роль при замедлении нейтронов. Однако природный графит для этих целей не подходит, так как в нем слишком много примесей. Реакторный графит получают из смеси нефтяного кокса и каменноугольной смолы. Из них прессуют блоки и термически их обрабатывают при высокой температуре. Замедлители нейтронов при ядерной реакции крайне важны, без них реакция может не состояться.

Калибровочный материал

Существует также пиролитический графит, который используется в сфере микроскопических исследований в качестве калибровочного материала. Этот вид создан искусственно при нагревании кокса и пека. Чаще всего его используют в сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии.

Наполнение для пластмасс

Графитопласты – это композиционные материалы на основе углеграфитовых наполнителей и полимерных связующих. В состав могут входить природный, тигельный или коллоидный графиты. Графитопласт используется для производства скользящих электроконтактов, узлов трения сельскохозяйственной техники, насосов, компрессоров без смазки, сепараторов водоэмульсионных сред, химически стойких узлов оборудования, теплообменников для агрессивных сред.

Золото и алмазы

Российские ученые изучили пробы графита и выяснили, что содержание золота достигло 17,8 г/т. Это сравнимо с уровнем золотых приисков и делает графитовые руды перспективным местом добычи золота, так как чаще всего месторождения находятся в районах с развитой инфраструктурой, а не в местах с суровыми природными условиями. Из графита возможно получить и алмазы синтетического происхождения.

Материал подготовлен по данным из открытых источников.