Главная / Технологии / Знаковые ядерные катастрофы

Знаковые ядерные катастрофы

Знаковые ядерные катастрофы

Об ядерных авариях на территории бывшего Союза говорят мало, если вообще говорят. Долгое время они была засекречены, хотя «Кыштымская авария» произошла за 29 лет, а авария в бухте Чажма на атомной подводной лодке К-431 за год до Чернобыля. Но забывать о них нельзя. Болеют и гибнут ликвидаторы, последствия аварии и теперь сказываются на здоровье их детей и внуков. Авария на АЭС «Три-Майл Айленд» в США заставила западный мир переоценить свое отношение к ядерной и радиационной опасности с точки зрения обеспечения ее безопасной эксплуатации. В Союзе проблемы наоборот замалчивались. Что делать два мира и два диаметральных подхода в принципе к одной проблеме…

«Кыштымская авария» Восточно-уральский радиоактивный след

Место, где произошла эта крупная ядерная катастрофа, долгое время было засекречено, у него не было официального названия. Поэтому многим она известна как «Кыштымская авария», по названию небольшого старинного уральского городка Кыштым, расположенного недалеко от секретного города Челябинск-65 (сейчас г. Озерск, Челябинская область) где на комбинате Маяк и произошла эта страшная радиационная катастрофа. Но и сейчас комбинат «Маяк» продолжает работать, продолжает принимать отходы с атомных электростанций и сбрасывать их в окружающую среду.

Знаковые ядерные катастрофы

Для производства ядерного оружия в Советском Союзе, в Челябинской области на Урале был создан комбинат «Маяк». Было запущено сложное производство, в результате работы которого получали не только необходимый «ружейный» уран и плутоний, но и огромное количество твердых и жидких радиоактивных отходов. В этих отходах содержалось большое количество остатков урана, стронция, цезия и плутония, а также других радиоактивных элементов. В то «героическое» время не заботились об окружающей среде и здоровье людей – главное выполнить государственное задание.

Сначала радиоактивные отходы сливали прямо в реку Теча, на которой стоит завод. Потом, когда в деревнях на берегах реки стали болеть и умирать люди, решили выливать в реку только низкоактивные отходы.

Среднеактивные отходы стали сливать в озеро Карачай. Высокоактивные отходы начали хранить в специальных емкостях из нержавеющей стали, которые стояли в подземных бетонных хранилищах. Эти емкости очень сильно разогревались из-за активности содержащихся в них радиоактивных материалов. Для того чтобы не произошло перегрева и взрыва, их нужно было охлаждать водой. У каждой емкости была своя система охлаждения и контроля за состоянием содержимого. К осени 1957 г используемые измерительные приборы, пришли в неудовлетворительное состояние, а из-за высокой радиоактивности кабельных коридоров в хранилище их ремонт вовремя не проводился.

29 сентября 1957 года в 16 часов 20 мин беда не заставила себя ждать. На одной из емкостей произошла серьезная поломка в системе охлаждения и одновременный сбой в системе контроля. Работники, которые в тот день производили проверку, обнаружили, что одна емкость сильно разогрелась, но сообщить об этом руководству не успели – емкость взорвалась.

Знаковые ядерные катастрофы

Сухой язык отчета описывается это так: «Нарушение системы охлаждения вследствие коррозии и выхода из строя средств контроля в одной из емкостей хранилища радиоактивных отходов, объемом 300 куб.м обусловило саморазогрев хранившихся там 70-80 тонн высокоактивных отходов преимущественно в форме нитратно-ацетатных соединений. Испарение воды, осушение остатка и разогрев его до температуры 330 — 350 градусов привели 29 сентября 1957 года в 16 часов по местному времени к взрыву содержимого емкости. Мощность взрыва, подобного взрыву порохового заряда, оценена в 70 — 100 т. тринитротолуола».

Комплекс, в который входила взорвавшаяся емкость, представлял собой заглубленное бетонное сооружение с ячейками — каньонами для 20 подобных емкостей. Взрыв полностью разрушил емкость, находившуюся в бетонном каньоне на глубине 8.2 м, сорвал и отбросил на 25 м бетонную плиту перекрытия каньона.

В воздух было выброшено около 20 миллионов кюри радиоактивных веществ (выброс Чернобыля — 50 миллионов Кюри.). Основная часть выброса осела на территории комбината «Маяк». Радиоактивные вещества были подняты взрывом на высоту 1-2 км и образовали радиоактивное облако, состоящее из жидких и твердых аэрозолей. Юго-западный ветер, который дул в тот день со скоростью около 10 м/с, разнес аэрозоли. Через 4 часа после взрыва радиоактивное облако проделало путь в 100 км, а через 10-11 часов радиоактивный след полностью оформился. 2 миллиона кюри, осевшие на землю, образовали загрязненную территорию, которая примерно на 300 -350 км протянулась в северо-восточном направлении от комбината «Маяк». Граница зоны загрязнения была проведена по изолинии с плотностью загрязнения 0,1 Ки/кв.км и охватила территорию, площадью 23 тыс. кв.км.

Знаковые ядерные катастрофы

Со временем происходило «размывание» этих границ за счет переноса радионуклидов ветром. Впоследствии эта территория получила название: «Восточно-уральский радиоактивный след» (ВУРС), а головная, наиболее загрязненная ее часть, занимающая 700 кв.км, получила статус Восточно-уральского государственного заповедника. Максимальная длина ВУРСа составила 350 км. Радиация совсем немного не дошла до одного из крупнейших городов Сибири — Тюмени. Ширина следа местами достигала 30 — 50 км. Граница загрязненной зоны охватила территорию, площадью 23000 кв.км в ней частично оказались три области — Челябинская, Свердловская и Тюменская с общим населением 270 000 человек в 217 населенных пунктах.

Эвакуация началась через 10 часов после аварии, когда было получено разрешение из Москвы. Людей на открытых бортовых машинах и в пешем строю вывели из опасной зоны.

По оценкам специалистов, в первые часы после взрыва, до эвакуации с промплощадки комбината, в результате прохождения радиоактивного облака подверглись разовому облучению до 100 рентген более пяти тысяч человек.

Из-за высоких уровней радиации для дезактивации загрязненной территории требовалось очень много людей. На самые опасные и тяжелые работы, как всегда, были направлены солдаты-«добровольцы».

Знаковые ядерные катастрофы

В результате аварии 23 сельских населенных пункта были выселены и уничтожены, фактически стерты с лица земли. Скот убивали, одежду сжигали, продукты и разрушенные строения закапывали в землю. Десятки тысяч людей, в одночасье лишившиеся всего, были оставлены в чистом поле и стали беженцами. Все происходило так же, как будет происходить спустя 29 лет в зоне Чернобыльской аварии. Переселение жителей с зараженных территорий, дезактивация, привлечение военных и гражданского населения к работам в опасной зоне, отсутствие информации, секретность, запрет рассказывать о случившемся несчастье.

В результате расследования, был сделан вывод, что наиболее вероятной причиной был взрыв сухих солей нитрата и ацетата натрия, образовавшихся в результате выпаривания раствора в емкости из-за его саморазогрева при нарушении условий охлаждения.

Однако независимого расследования не было проведено. До сих пор, не опубликованы технический и химический отчеты об аварии.

Авария на атомной подводной лодке К-431

Серьезная авария в Советском Союзе произошла 10 августа 1985 г. в бухте Чажма (Приморский край). Здесь, у пирса судоремонтного завода Военно-морского флота, находилась атомная подводная лодка (АПЛ) К-431. При перезагрузке ядерного топлива, в результате грубейших нарушений технологии проведения операции произошел взрыв, который сорвал пятитонную крышку реактора. Был существенно поврежден корпус, одну сборку с только что загруженной активной зоной выбросило из реактора. Сразу после взрыва в реакторном отсеке начался пожар, который удалось локализовать только через 4 часа. Он привел к выпадению продуктов горения вместе с радиоактивными веществами в радиусе 50-100 м вокруг АПЛ. Спустя 7,5 часа после аварии мощность экспозиционной дозы излучения в районе аварии достигала 250-500 мР/ч.

Знаковые ядерные катастрофы

10 человек (8 офицеров и 2 военнослужащих срочной службы), проводивших регламентные работы, погибли мгновенно: взрывом тела разорвало на куски, а чудовищная радиация превратила останки в биомассу. По золотому обручальному кольцу одного из погибших было установлено, что в момент взрыва уровень радиации достигал 90 тысяч рентген в час.

Ликвидация началась стихийно. Первыми к устранению последствий аварии приступили экипажи стоявших поблизости подводных лодок. Подвергаясь облучению, люди работали в чем придется. Никаких средств защиты у первых ликвидаторов не было, действовали как в случае элементарного пожара. В результате многие переоблучились. Ведь контроль за радиационной обстановкой тогда практически не велся.

Как впоследствии описывали очевидцы, несмотря на гарь, копоть, гигантские языки пламени и клубы бурого дыма, вырывавшиеся из раскуроченной подводной лодоки, в воздухе отчетливо чувствовался резкий запах озона (как после сильной грозы) — первый признак мощного радиоактивного излучения. Люди улавливали необычный запах, но даже не подозревали о том, что это может быть не что иное, как свидетельство высочайшего уровня радиация. Осознание произошедшего пришло только тогда, когда перед глазами предстала ужасная картина разрушений ядерного реактора.

Известно, что в результате аварии пострадали 290 человек — 10 погибли в момент аварии, у 10 зафиксирована острая лучевая болезнь, у 39 — лучевая реакция. Значительную часть пострадавших составили военнослужащие, которые одними из первых приступили к ликвидации последствий аварии.

Знаковые ядерные катастрофы

Трагедия в бухте продемонстрировала полную неподготовленность к решению задач чрезвычайного реагирования многочисленных служб Тихоокеанского флота. Для ликвидации последствий аварии было привлечено более двух тысяч человек и не менее 10 типов различных подразделений флота. Для координации действий требовалось создать командный пункт управления, пригласить экспертов и консультантов, сформировать штаб чрезвычайной ситуации, подразделения особого назначения, ввести спецрежим работ и взаимодействия с гражданским населением, федеральными органами и т.д. На все это нужно было время, которого катастрофически не хватало. В результате было допущено множество ошибок, а также недоработок подготовительного характера, которые должны были быть решены еще в «мирный» период. Через год практически те же самые недостатки дали о себе знать, но уже гораздо ярче и контрастнее, в период ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

Авария в бухте Чажма была своего рода предтечей чернобыльской трагедии. Если бы чажминский случай сразу получил верную оценку, его масштабы и последствия не замалчивались, а опыт ликвидации последствий получил обобщение, многих непоправимых ошибок при ликвидации последствий на Чернобыльской АЭС удалось бы избежать.

Авария на АЭС «Три Майл Айленд»

На АЭС «Три-Майл Айленд» (Three Mile Island – трёхмильный остров. Остров расположен на реке Саскуэханна, недалеко от Гаррисберга (Пенсильвания, США) использовались водо-водяные реакторы с двухконтурной системой охлаждения. На станции эксплуатировались два энергоблока, авария произошла на блоке номер два (TMI-2).

Событие, после которого западный мир начал переоценку своего отношения к атомной энергетике, начали развиваться с того, что 28 марта 1979 года в 4 часа 36 секунд отказал насос во втором контуре системы охлаждения второго энергоблока. Автоматически включился резервный насос, однако он оказался отсечён от контура охлаждения клапанами, которые были по ошибке закрыты во время проверок, проводившихся незадолго до аварии. И пошло-поехало…

В результате серии технических и человеческих ошибок, вкупе с недочётами в конструкции энергоблока, произошло частичное расплавление активной зоны реактора и выброс радиоактивных веществ.

Хотя ядерное топливо частично расплавилось, оно не прожгло корпус реактора и радиоактивные вещества, в основном, остались внутри. По разным оценкам, радиоактивность благородных газов, выброшенных в атмосферу, составила от 2,5 до 13 миллионов кюри (480 × 1015 Бк), однако выброс опасных радионуклидов, таких как йод-131, был незначительным. Территория станции также была загрязнена радиоактивной водой, вытекшей из первого контура. Было решено, что в эвакуации населения, проживавшего рядом со станцией нет необходимости, однако губернатор Пенсильвании посоветовал покинуть пятимильную (8 км) зону беременным женщинам и детям дошкольного возраста. Средняя эквивалентная доза радиации для людей, живущих в 10-мильной (16 км) зоне составила 8 миллибэр (80 мкЗв) и не превысила 100 миллибэр (1 мЗв) для любого из жителей. Для сравнения, восемь миллибэр примерно соответствуют дозе, получаемой при флюорографии, а 100 миллибэр равны одной трети от средней дозы, получаемой жителем США за год за счёт фонового излучения.

Бы

Знаковые ядерные катастрофы

ло проведено тщательное расследование обстоятельств аварии и признано, что операторы допустили ряд ошибок, которые серьёзно ухудшили ситуацию. Эти ошибки были вызваны тем, что они были перегружены информацией, часть которой не относилась к ситуации, а часть была просто неверной. После аварии были внесены изменения в систему подготовки операторов. Если до этого главное внимание уделялось умению оператора анализировать возникшую ситуацию и определять, чем вызвана проблема, то после аварии подготовка была сконцентрирована на выполнении оператором заранее составленных технологических процедур. Были также улучшены пульты управления и другое оборудование станции. На АЭС США были составлены планы действий на случай аварии, предусматривающие быстрое оповещение жителей в 10-мильной зоне.

Работы по устранению последствий аварии были начаты в августе 1979 года и официально завершены в декабре1993. Они обошлись в 975 миллионов долларов. Была проведена дезактивация территории станции, топливо было выгружено из реактора. Однако часть радиоактивной воды впиталась в бетон и оказалось. что ее практически невозможно удалить. Эксплуатация другого реактора станции (TMI-1) была возобновлена в 1985 г.

Авария на АЭС Три Майл Айленд оказала беспрецедентное влияние на развитие атомной энергетики, с точки зрения обеспечения ее безопасной эксплуатации.

До Чернобыльской аварии, случившейся через семь лет, авария на АЭС «Три-Майл Айленд» считалась крупнейшей в истории мировой ядерной энергетики и до сих пор считается самой тяжёлой ядерной аварией в США.

Смотрите также

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

На примере гальванопластикибыло впервые продемонстрировано (наряду с электродвигателем) энергетическое применение электричества в ХIХ веке. Люди увидели, что электричество способно осуществлять сложные химические превращения, имеющие большое практическое значение.

Начало статьи —История создания гальванотехники

Существующая на начало 1839 г. технология изготовления медных копий гальванопластическим способом была достаточно сложна для широкого промышленного применения и имела ряд значительных недостатков.

РАЗРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННОГО СПОСОБА ГАЛЬВАНОПЛАСТИКИ

Для снятия копий сначала надо было гальванопластическим путем изготовить медную форму и уже на нее наращивать медный слой, точно воспроизводящий оригинал. Сложность была и в поддержании раствора медного купороса в насыщенном состоянии. Но наибольшее неудобство заключалось в том, что перегородка в установке для снятия гальванопластических копий должна была точно повторять очертания копируемого предмета, что было почти невыполнимо при сложных и больших фигурах. Такая сложная перегородка требовалась для того, чтобы все точки на поверхности медного электрода были в одинаковых условиях (в смысле их соприкосновения с раствором медного купороса). При плоской перегородке на выпуклых частях электрода оседало больше металла, чем на вогнутых.

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

В 1839 г. Якоби удалось успешно решить задачу создания промышленного способа снятия гальванопластических копий. Он отделил источник питания от гальванопластической ванны, ввел растворимый анод и нашел способ осуществлять осаждение меди на неметаллических формах путем покрытия их проводящим слоем. Идея отделения источника тока от гальванической ванны связана с известным еще по первым электрохимическим опытам начала ХIХ в. положением о том, что электрохимические процессы могут происходить не только в самом электрохимическом генераторе — гальваническом элементе, но и в любом сосуде с раствором электролита, через который протекает постоянный ток. Этими усовершенствованиями гальванопластике были приданы все основные черты, с которыми она дошла до наших дней.

Установка (рис. 1 ) с отделенным источником тока имела следующее устройство: в электролитическую ванну CD, наполненную раствором медного купороса, погружались два медных электрода (a — анод, с — катод); при замыкании цепи батареи AB осуществлялся электролиз медного купороса. При этом на катоде с восстанавливалась медь; пластина а постепенно переходила в раствор.

Данное устройство имело следующие преимущества:

  • появилась возможность снимать гальванопластические копии с предмета любой формы и размеров, что раньше было ограничено как трудностью изготовления перегородки, так и габаритами гальванического элемента;
  • для питания устройства мог быть применен любой источник тока;
  • отделение электролитической ванны от источника тока привело к использованию растворимого анода; таким образом, в результате электрохимического процесса раствор медного купороса автоматически поддерживался в постоянном насыщении.

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Рис. 1. Гальванопластическая установка с отделенным источником тока

Якоби ввел в употребление формы из непроводящих пластических материалов (воск, гипс, стеарин и др.). Использовать такие формы в гальванопластике можно было только в случае придания их поверхностям проводящих свойств. В качестве проводящего покрытия Якоби использовал сначала медный порошок. Позже он стал использовать для этих целей графит, который и получил широкое распространение для покрытия форм, так как мог быть наносим более тонким слоем, чем медный порошок. Изготовление гальванопластических копий с восковых и подобных форм значительно упростило гальванотехнический процесс и сделало его более дешевым.

Успехи Якоби в совершенствовании своего изобретения были настолько велики и несомненны, что уже в 1839 г. ему поручили обеспечить изготовление гравировальных досок для производства новых денежных знаков в Экспедиции заготовления государственных бумаг (ЭЗГБ) в связи с осуществлявшейся тогда денежной реформой. Это было первое в мире промышленное применение гальванопластики. На рис. 2 показан билет депозитной кассы достоинством 5 руб. Государственного коммерческого банка России 1840 г.

14 февраля 1840 г. Якоби подал заявку в Департамент Мануфактур и Торговли на исключительную привилегию на свое изобретение. Вместо этого он получил денежное вознаграждение в сумме 25 000 руб. серебром «…за оказанную наукам, художествам и вообще художественной промышленности услугу». Ему предложили опубликовать описание изобретения, чтобы всякий желающий мог им воспользоваться. Вероятно, такой шаг был сделан в подражание французскому правительству, купившему за год перед этим изобретение фотографии с условием обязательной публикации.

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Рис. 2. Билет депозитной кассы достоинством 5 руб., 1840 г.

В середине 1840 г. в Петербурге вышла книга Якоби «Гальванопластика, или Способ по данным образцам производить медные изделия из медных растворов с помощью гальванизма» (рис. 3), которая вскоре была издана в переводах на немецкий и французский языки. В книге на высоком научном уровне и в то же время в общедоступной форме были изложены главные теоретические положения, на которых основывался способ, описаны различные конструкции гальванопластических аппаратов и дана полная детальная технология гальванопластического производства медных предметов. Вскоре после издания этого труда Якоби получил ряд восторженных отзывов о своем открытии от выдающихся мировых ученых, в том числе от Фарадея, Эрстеда и Гумбольдта.

В 1840 г. Якоби был удостоен Демидовской премии, которой Академия наук отмечала выдающиеся научные работы.

Работы Якоби по гальванопластике очень скоро стали широко известны во всем мире, и над развитием и совершенствованием изобретения ученого начали трудиться ученые разных стран.

Современники Якоби проявляли повышенный интерес к изобретению гальванопластики прежде всего потому, что она явилась первым производственным процессом, в котором главным действующим агентом было электричество. До этого представления об электричестве были связаны с сугубо физическими демонстрациями в лаборатории или с такими же неэнергетическими применениями электричества, как телеграф и мины. Это было первое (наряду с электродвигателем) энергетическое применение электричества. Люди увидели, что электричество способно осуществлять сложные химические превращения, имеющие большое практическое значение.

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Рис. 3. Титульный лист книги Б. С. Якоби по гальванопластике

ИЗОБРЕТЕНИЕ ГАЛЬВАНОСТЕГИИ

Следует особо отметить, что для Якоби не осталось незамеченным и такое свойство гальванопластического осадка меди, как плотное сращивание с электродом. Он сразу понял, что гальванопластика может быть применена для покрытия поверхностей одних металлов слоями других металлов, т. е. гальваностегии. Уже в 1839 г. Якоби изготавливает образцы, покрытые гальваническим слоем металла, причем не только слоем меди, но и золота, серебра и платины.

Гальванопластика трудами ее изобретателя переросла в гальванотехнику, включающую в себя и воспроизведение электролитическим путем формы предметов с последующим отделением слоя с отпечатком (гальванопластика) и покрытие одного металла тонким слоем другого (гальваностегия).

Исторической справедливости ради следует сказать, что в 1842 г., т. е. через два года после выхода в свет первого руководства по гальванопластике Якоби, в Университетской типографии в Москве было издано первое руководство по гальваностегии, написанное Алексеем Федоровичем Грековым, — «Теоретическое и практическое руководство к золочению, серебрению, платинированию, лужению». В том же году петербургский зубной врач Бриан предложил первый удачный железосинеродистый электролит для золочения. Его методу был посвящен «Доклад о гальваническом золочении», сделанный Якоби на заседании физико-математического отделения Академии наук 23 сентября 1842 г. В дальнейшем этот метод был усовершенствован А. Ф. Грековым и П. Р. Багратионом. В 1844 г. князь В. Ф. Одоевский, писатель, критик и популяризатор научных знаний, написал книгу «Гальванизм в техническом применении».

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Рис. 4 Внутренняя скульптура Исаакиевского собора.

ГАЛЬВАНОТЕХНИКА В РОССИИ В 40-х — 60-х гг. ХIХ ст.

В России изобретение Якоби получило широкое развитие. В указанной выше Экспедиции заготовления государственных бумаг гальванопластическое производство было поставлено на высоком техническом уровне и в большом масштабе. Здесь изготавливались не только денежные знаки и государственные бумаги, но и различные художественные изделия. Гальванопластическая мастерская ЭЗГБ к концу XIX в. была самой крупной в Европе. В 1839 г. гальванопластика начала внедряться в Депо карт при Генеральном штабе. Проведение опытов печатания карт с гальванопластических клише и организация дела были поручены Якоби.

В конце 1844 г. герцогом Максимилианом Лейхтенбергским, зятем Николая I, при самом непосредственном участии Якоби было открыто в С.-Петербурге «Гальванопластическое, литейное и механическое заведение» — первый завод в России, на котором получило широкое применение электроосаждение меди, золота и серебра. Здесь впервые были созданы заводские цеха гальванопластики и металлопокрытий, осуществлены электролитические процессы в широких промышленных масштабах. Основными направлениями деятельности этого заведения, производившегоработы по гальванопластике с 1845 по 1857 гг., явилась медная монументально-декоративная скульптура и электролитическое золочение. К 1853 г. на всех видах производств было занято более 1 800 рабочих. Первым промышленным заказом, выполненным заведением в 1845 г., было электролитическое меднение 4 000 орлов для кирасирских шлемов. Изготовление барельефов, модильонов, розетт и медной монументально-декоративной скульптуры было начато в 1846 г. после заключения контрактов на отделку Исаакиевского собора в С.-Петербурге и продолжалось до 1855 г. включительно.

Гальванопластическая скульптура Исаакиевского собора в основном комбинированная. Более тонкие детали, требующие точной репродукции, выполнены гальванопластическим методом, остальные — медночеканной техникой.

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Рис. 5. Квадрига Аполлона.

Отдельные элементы скульптуры скреплялись пайкой встык оловянносвинцовым припоем с накладкой меди на швы изнутри.

Многие скульптуры для Исаакиевского собора создавались с моделей русского скульптора итальянского происхождения Ивана Петровича Витали. На рис. 4 показана внутренняя скульптура Исаакиевского собора.

Гальванопластическим методом с применением медно-чеканной техники были созданы медные кони для Большого театра в Москве (квадрига Аполлона — рис. 5), статуи для Эрмитажа, Зимнего дворца и др. Скульптура «Квадрига Аполлона» была создана с моделей скульптора Петра Карловича Клодта.

Образцы гальванопластической садово-паровой скульптуры широко и разнообразно представлены в Екатерининском парке города Пушкин (бывшее Царское Село). На рис. 6 показана одна из этих гальваноскульптур — «Венера с амуром», 1851 г.

В заведении производилась позолота листов куполов Исаакиевского собора, Петропавловского собора, храма Христа Спасителя в Москве и нескольких других куполов. Всего мастерская израсходовала на эти цели 45 пудов 32 фунта золота.

Гальванотехника получила широкое распространение и в Западной Европе. В 1851 г. Якоби, вернувшись из командировки в Западную Европу, писал: «Я получил удовлетворение, еще раз увидев, что гальванопластика, дитя, которое я дал миру не без трудностей, растет и хорошеет, обходя весь свет и всюду оставляя бессмертные следы».

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Рис. 6. Гальваноскульптура «Венера с амуром».

Актом всемирного признания заслуг Якоби в изобретении гальванопластики явилось награждение ученого первой премией и Большой золотой медалью на Парижской Всемирной выставке 1867 г. Данным актом был положен конец притязаниям разных лиц на первенство в этом изобретении.

На Всемирной Парижской выставке были представлены не только художественные образцы и монументальная скульптура, выполненные способом гальванопластики, но и образцы технических изделий. Их представил лейтенант Иван Михайлович Федоровский, мастер «по части цинкования и гальванопластики» Кронштадтского пароходного завода, изготовивший там различные детали котельной арматуры: бесшовные тонкостенные медные трубы диаметром от 3 до 240 мм с толщиной стенки от 0,75 до 9,5 мм, прямые и фасонные — с тремя разветвлениями, угловые и изогнутые по радиусу. Все трубы при очень сложных формах имели равномерную толщину стенок. Этот экспонат был награжден серебряной медалью выставки.

Гальванопластика была первым техническим производством, потреблявшим электрическую энергию в значительных количествах. Необходимость замены дорогостоящих гальванических батарей более дешевыми и удобными источниками тока ощущалось все острее по мере роста и развития гальванотехники. Потребности гальванопластики явились серьезным стимулом для совершенствования электрических генераторов. Появление в 70-х гг. XIX в. наряду с гальванопластикой такого мощного потребителя электроэнергии, как электрическое освещение, ускорило процесс совершенствования электрических генераторов. Со своей стороны успехи электромашиностроения создали возможность еще большего развития гальванотехнических производств.

До наших дней над Театральной площадью перед московским Большим театром летит квадрига Аполлона. Вероятно, это и есть самый лучший памятник трудам «русского иностранца» — академика Бориса Семеновича Якоби, изобретателя гальванотехники.

Статья была опубликована вфевральском номере журнала «Наука и техника» за 2020 год

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

На примере гальванопластикибыло впервые продемонстрировано (наряду с электродвигателем) энергетическое применение электричества в ХIХ веке. Люди увидели, что электричество способно осуществлять сложные химические превращения, имеющие большое практическое значение.

Начало статьи —История создания гальванотехники

Существующая на начало 1839 г. технология изготовления медных копий гальванопластическим способом была достаточно сложна для широкого промышленного применения и имела ряд значительных недостатков.

РАЗРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННОГО СПОСОБА ГАЛЬВАНОПЛАСТИКИ

Для снятия копий сначала надо было гальванопластическим путем изготовить медную форму и уже на нее наращивать медный слой, точно воспроизводящий оригинал. Сложность была и в поддержании раствора медного купороса в насыщенном состоянии. Но наибольшее неудобство заключалось в том, что перегородка в установке для снятия гальванопластических копий должна была точно повторять очертания копируемого предмета, что было почти невыполнимо при сложных и больших фигурах. Такая сложная перегородка требовалась для того, чтобы все точки на поверхности медного электрода были в одинаковых условиях (в смысле их соприкосновения с раствором медного купороса). При плоской перегородке на выпуклых частях электрода оседало больше металла, чем на вогнутых.

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

В 1839 г. Якоби удалось успешно решить задачу создания промышленного способа снятия гальванопластических копий. Он отделил источник питания от гальванопластической ванны, ввел растворимый анод и нашел способ осуществлять осаждение меди на неметаллических формах путем покрытия их проводящим слоем. Идея отделения источника тока от гальванической ванны связана с известным еще по первым электрохимическим опытам начала ХIХ в. положением о том, что электрохимические процессы могут происходить не только в самом электрохимическом генераторе — гальваническом элементе, но и в любом сосуде с раствором электролита, через который протекает постоянный ток. Этими усовершенствованиями гальванопластике были приданы все основные черты, с которыми она дошла до наших дней.

Установка (рис. 1 ) с отделенным источником тока имела следующее устройство: в электролитическую ванну CD, наполненную раствором медного купороса, погружались два медных электрода (a — анод, с — катод); при замыкании цепи батареи AB осуществлялся электролиз медного купороса. При этом на катоде с восстанавливалась медь; пластина а постепенно переходила в раствор.

Данное устройство имело следующие преимущества:

  • появилась возможность снимать гальванопластические копии с предмета любой формы и размеров, что раньше было ограничено как трудностью изготовления перегородки, так и габаритами гальванического элемента;
  • для питания устройства мог быть применен любой источник тока;
  • отделение электролитической ванны от источника тока привело к использованию растворимого анода; таким образом, в результате электрохимического процесса раствор медного купороса автоматически поддерживался в постоянном насыщении.

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Рис. 1. Гальванопластическая установка с отделенным источником тока

Якоби ввел в употребление формы из непроводящих пластических материалов (воск, гипс, стеарин и др.). Использовать такие формы в гальванопластике можно было только в случае придания их поверхностям проводящих свойств. В качестве проводящего покрытия Якоби использовал сначала медный порошок. Позже он стал использовать для этих целей графит, который и получил широкое распространение для покрытия форм, так как мог быть наносим более тонким слоем, чем медный порошок. Изготовление гальванопластических копий с восковых и подобных форм значительно упростило гальванотехнический процесс и сделало его более дешевым.

Успехи Якоби в совершенствовании своего изобретения были настолько велики и несомненны, что уже в 1839 г. ему поручили обеспечить изготовление гравировальных досок для производства новых денежных знаков в Экспедиции заготовления государственных бумаг (ЭЗГБ) в связи с осуществлявшейся тогда денежной реформой. Это было первое в мире промышленное применение гальванопластики. На рис. 2 показан билет депозитной кассы достоинством 5 руб. Государственного коммерческого банка России 1840 г.

14 февраля 1840 г. Якоби подал заявку в Департамент Мануфактур и Торговли на исключительную привилегию на свое изобретение. Вместо этого он получил денежное вознаграждение в сумме 25 000 руб. серебром «…за оказанную наукам, художествам и вообще художественной промышленности услугу». Ему предложили опубликовать описание изобретения, чтобы всякий желающий мог им воспользоваться. Вероятно, такой шаг был сделан в подражание французскому правительству, купившему за год перед этим изобретение фотографии с условием обязательной публикации.

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Рис. 2. Билет депозитной кассы достоинством 5 руб., 1840 г.

В середине 1840 г. в Петербурге вышла книга Якоби «Гальванопластика, или Способ по данным образцам производить медные изделия из медных растворов с помощью гальванизма» (рис. 3), которая вскоре была издана в переводах на немецкий и французский языки. В книге на высоком научном уровне и в то же время в общедоступной форме были изложены главные теоретические положения, на которых основывался способ, описаны различные конструкции гальванопластических аппаратов и дана полная детальная технология гальванопластического производства медных предметов. Вскоре после издания этого труда Якоби получил ряд восторженных отзывов о своем открытии от выдающихся мировых ученых, в том числе от Фарадея, Эрстеда и Гумбольдта.

В 1840 г. Якоби был удостоен Демидовской премии, которой Академия наук отмечала выдающиеся научные работы.

Работы Якоби по гальванопластике очень скоро стали широко известны во всем мире, и над развитием и совершенствованием изобретения ученого начали трудиться ученые разных стран.

Современники Якоби проявляли повышенный интерес к изобретению гальванопластики прежде всего потому, что она явилась первым производственным процессом, в котором главным действующим агентом было электричество. До этого представления об электричестве были связаны с сугубо физическими демонстрациями в лаборатории или с такими же неэнергетическими применениями электричества, как телеграф и мины. Это было первое (наряду с электродвигателем) энергетическое применение электричества. Люди увидели, что электричество способно осуществлять сложные химические превращения, имеющие большое практическое значение.

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Рис. 3. Титульный лист книги Б. С. Якоби по гальванопластике

ИЗОБРЕТЕНИЕ ГАЛЬВАНОСТЕГИИ

Следует особо отметить, что для Якоби не осталось незамеченным и такое свойство гальванопластического осадка меди, как плотное сращивание с электродом. Он сразу понял, что гальванопластика может быть применена для покрытия поверхностей одних металлов слоями других металлов, т. е. гальваностегии. Уже в 1839 г. Якоби изготавливает образцы, покрытые гальваническим слоем металла, причем не только слоем меди, но и золота, серебра и платины.

Гальванопластика трудами ее изобретателя переросла в гальванотехнику, включающую в себя и воспроизведение электролитическим путем формы предметов с последующим отделением слоя с отпечатком (гальванопластика) и покрытие одного металла тонким слоем другого (гальваностегия).

Исторической справедливости ради следует сказать, что в 1842 г., т. е. через два года после выхода в свет первого руководства по гальванопластике Якоби, в Университетской типографии в Москве было издано первое руководство по гальваностегии, написанное Алексеем Федоровичем Грековым, — «Теоретическое и практическое руководство к золочению, серебрению, платинированию, лужению». В том же году петербургский зубной врач Бриан предложил первый удачный железосинеродистый электролит для золочения. Его методу был посвящен «Доклад о гальваническом золочении», сделанный Якоби на заседании физико-математического отделения Академии наук 23 сентября 1842 г. В дальнейшем этот метод был усовершенствован А. Ф. Грековым и П. Р. Багратионом. В 1844 г. князь В. Ф. Одоевский, писатель, критик и популяризатор научных знаний, написал книгу «Гальванизм в техническом применении».

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Рис. 4 Внутренняя скульптура Исаакиевского собора.

ГАЛЬВАНОТЕХНИКА В РОССИИ В 40-х — 60-х гг. ХIХ ст.

В России изобретение Якоби получило широкое развитие. В указанной выше Экспедиции заготовления государственных бумаг гальванопластическое производство было поставлено на высоком техническом уровне и в большом масштабе. Здесь изготавливались не только денежные знаки и государственные бумаги, но и различные художественные изделия. Гальванопластическая мастерская ЭЗГБ к концу XIX в. была самой крупной в Европе. В 1839 г. гальванопластика начала внедряться в Депо карт при Генеральном штабе. Проведение опытов печатания карт с гальванопластических клише и организация дела были поручены Якоби.

В конце 1844 г. герцогом Максимилианом Лейхтенбергским, зятем Николая I, при самом непосредственном участии Якоби было открыто в С.-Петербурге «Гальванопластическое, литейное и механическое заведение» — первый завод в России, на котором получило широкое применение электроосаждение меди, золота и серебра. Здесь впервые были созданы заводские цеха гальванопластики и металлопокрытий, осуществлены электролитические процессы в широких промышленных масштабах. Основными направлениями деятельности этого заведения, производившегоработы по гальванопластике с 1845 по 1857 гг., явилась медная монументально-декоративная скульптура и электролитическое золочение. К 1853 г. на всех видах производств было занято более 1 800 рабочих. Первым промышленным заказом, выполненным заведением в 1845 г., было электролитическое меднение 4 000 орлов для кирасирских шлемов. Изготовление барельефов, модильонов, розетт и медной монументально-декоративной скульптуры было начато в 1846 г. после заключения контрактов на отделку Исаакиевского собора в С.-Петербурге и продолжалось до 1855 г. включительно.

Гальванопластическая скульптура Исаакиевского собора в основном комбинированная. Более тонкие детали, требующие точной репродукции, выполнены гальванопластическим методом, остальные — медночеканной техникой.

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Рис. 5. Квадрига Аполлона.

Отдельные элементы скульптуры скреплялись пайкой встык оловянносвинцовым припоем с накладкой меди на швы изнутри.

Многие скульптуры для Исаакиевского собора создавались с моделей русского скульптора итальянского происхождения Ивана Петровича Витали. На рис. 4 показана внутренняя скульптура Исаакиевского собора.

Гальванопластическим методом с применением медно-чеканной техники были созданы медные кони для Большого театра в Москве (квадрига Аполлона — рис. 5), статуи для Эрмитажа, Зимнего дворца и др. Скульптура «Квадрига Аполлона» была создана с моделей скульптора Петра Карловича Клодта.

Образцы гальванопластической садово-паровой скульптуры широко и разнообразно представлены в Екатерининском парке города Пушкин (бывшее Царское Село). На рис. 6 показана одна из этих гальваноскульптур — «Венера с амуром», 1851 г.

В заведении производилась позолота листов куполов Исаакиевского собора, Петропавловского собора, храма Христа Спасителя в Москве и нескольких других куполов. Всего мастерская израсходовала на эти цели 45 пудов 32 фунта золота.

Гальванотехника получила широкое распространение и в Западной Европе. В 1851 г. Якоби, вернувшись из командировки в Западную Европу, писал: «Я получил удовлетворение, еще раз увидев, что гальванопластика, дитя, которое я дал миру не без трудностей, растет и хорошеет, обходя весь свет и всюду оставляя бессмертные следы».

Изобретения русского иностранца Якоби: от гальванопластики к гальваностегии.

Рис. 6. Гальваноскульптура «Венера с амуром».

Актом всемирного признания заслуг Якоби в изобретении гальванопластики явилось награждение ученого первой премией и Большой золотой медалью на Парижской Всемирной выставке 1867 г. Данным актом был положен конец притязаниям разных лиц на первенство в этом изобретении.

На Всемирной Парижской выставке были представлены не только художественные образцы и монументальная скульптура, выполненные способом гальванопластики, но и образцы технических изделий. Их представил лейтенант Иван Михайлович Федоровский, мастер «по части цинкования и гальванопластики» Кронштадтского пароходного завода, изготовивший там различные детали котельной арматуры: бесшовные тонкостенные медные трубы диаметром от 3 до 240 мм с толщиной стенки от 0,75 до 9,5 мм, прямые и фасонные — с тремя разветвлениями, угловые и изогнутые по радиусу. Все трубы при очень сложных формах имели равномерную толщину стенок. Этот экспонат был награжден серебряной медалью выставки.

Гальванопластика была первым техническим производством, потреблявшим электрическую энергию в значительных количествах. Необходимость замены дорогостоящих гальванических батарей более дешевыми и удобными источниками тока ощущалось все острее по мере роста и развития гальванотехники. Потребности гальванопластики явились серьезным стимулом для совершенствования электрических генераторов. Появление в 70-х гг. XIX в. наряду с гальванопластикой такого мощного потребителя электроэнергии, как электрическое освещение, ускорило процесс совершенствования электрических генераторов. Со своей стороны успехи электромашиностроения создали возможность еще большего развития гальванотехнических производств.

До наших дней над Театральной площадью перед московским Большим театром летит квадрига Аполлона. Вероятно, это и есть самый лучший памятник трудам «русского иностранца» — академика Бориса Семеновича Якоби, изобретателя гальванотехники.

Статья была опубликована вфевральском номере журнала «Наука и техника» за 2020 год

Новая литий-серная батарея сможет в пять раз увеличить запас хода электромобилей

Новая литий-серная батарея сможет в пять раз увеличить запас хода электромобилей

Использование оригинальной аккумуляторной мембраны, вдохновленная биологией, позволило создать батарею с емкостью в пять раз превышающей стандартную литий-ионную конструкцию и выдерживать более тысячи циклов заряда-разряда.

Сеть арамидных нановолокон, переработанных из кевлара, может позволить литий-серным батареям преодолеть их ахиллесову пяту срока службы — количество циклов заряда-разряда.

Предыдущими исследованиями ученых удавалось получать несколько сотен циклов заряда-разряда для литий-серных аккумуляторов, но это достигалось за счет ухудшения других параметров — емкости, скорости зарядки, отказоустойчивости и безопасности.

В настоящее время задача состоит в том, чтобы создать аккумулятор, в котором можно увеличить количество циклов от прежних 10 до сотен, и он смог бы удовлетворять множеству других требований, включая стоимость.

В новом исследовании биомиметическая инженерия этих батарей объединила два масштаба — молекулярный и наномасштаб. Ученым удалось впервые объединить ионную селективность клеточных мембран и прочность элементов.

Новая литий-серная батарея сможет в пять раз увеличить запас хода электромобилей

Схема батареи показывает, как ионы лития могут возвращаться к литиевому электроду, в то время как полисульфиды лития не могут пройти через мембрану, разделяющую электроды. Кроме того, остроконечные дендриты, растущие из литиевого электрода, не могут закоротить аккумулятор, пробив мембрану и достигнув серного электрода. Предоставлено: Ахмет Эмре, Kotov Lab.

Ранее команда исследователей полагалась на сети арамидных нановолокон, пропитанных электролитным гелем, чтобы остановить одну из основных причин короткого срока службы – не допустить образования дендритов, которые растут от одного электрода к другому, прокалывая мембрану. Было установлено, что прочность арамидных волокон останавливает дендриты.

Но у литий-серных аккумуляторов есть еще одна проблема: небольшие молекулы лития и серы формируются и перемещаются к литию, прикрепляясь к нему и уменьшая емкость аккумулятора. Мембрана должна позволять ионам лития перемещаться от лития к сере и обратно, а также блокировать частицы лития и серы, известные как полисульфиды лития.

Ученым удалось решить эти противоречия в новой батарее.

Достижение рекордных уровней для нескольких параметров для различных свойств материалов — это именно то, что сейчас необходимо для автомобильных аккумуляторов.

Конструкция новой батареи достаточно совершенна, а емкость и эффективность приближаются к теоретическим пределам. Она также может выдерживать экстремальные температуры автомобильной жизни, от жары при зарядке на ярком солнце до низкой температуры холодной зимы. Кроме того в ее литий-ионных электродах серы гораздо больше чем кобальта, а арамидные волокна аккумуляторной мембраны можно получать из старых бронежилетов.

Новая литий-серная батарея сможет в пять раз увеличить запас хода электромобилей

Использование оригинальной аккумуляторной мембраны, вдохновленная биологией, позволило создать батарею с емкостью в пять раз превышающей стандартную литий-ионную конструкцию и выдерживать более тысячи циклов заряда-разряда.

Сеть арамидных нановолокон, переработанных из кевлара, может позволить литий-серным батареям преодолеть их ахиллесову пяту срока службы — количество циклов заряда-разряда.

Предыдущими исследованиями ученых удавалось получать несколько сотен циклов заряда-разряда для литий-серных аккумуляторов, но это достигалось за счет ухудшения других параметров — емкости, скорости зарядки, отказоустойчивости и безопасности.

В настоящее время задача состоит в том, чтобы создать аккумулятор, в котором можно увеличить количество циклов от прежних 10 до сотен, и он смог бы удовлетворять множеству других требований, включая стоимость.

В новом исследовании биомиметическая инженерия этих батарей объединила два масштаба — молекулярный и наномасштаб. Ученым удалось впервые объединить ионную селективность клеточных мембран и прочность элементов.

Новая литий-серная батарея сможет в пять раз увеличить запас хода электромобилей

Схема батареи показывает, как ионы лития могут возвращаться к литиевому электроду, в то время как полисульфиды лития не могут пройти через мембрану, разделяющую электроды. Кроме того, остроконечные дендриты, растущие из литиевого электрода, не могут закоротить аккумулятор, пробив мембрану и достигнув серного электрода. Предоставлено: Ахмет Эмре, Kotov Lab.

Ранее команда исследователей полагалась на сети арамидных нановолокон, пропитанных электролитным гелем, чтобы остановить одну из основных причин короткого срока службы – не допустить образования дендритов, которые растут от одного электрода к другому, прокалывая мембрану. Было установлено, что прочность арамидных волокон останавливает дендриты.

Но у литий-серных аккумуляторов есть еще одна проблема: небольшие молекулы лития и серы формируются и перемещаются к литию, прикрепляясь к нему и уменьшая емкость аккумулятора. Мембрана должна позволять ионам лития перемещаться от лития к сере и обратно, а также блокировать частицы лития и серы, известные как полисульфиды лития.

Ученым удалось решить эти противоречия в новой батарее.

Достижение рекордных уровней для нескольких параметров для различных свойств материалов — это именно то, что сейчас необходимо для автомобильных аккумуляторов.

Конструкция новой батареи достаточно совершенна, а емкость и эффективность приближаются к теоретическим пределам. Она также может выдерживать экстремальные температуры автомобильной жизни, от жары при зарядке на ярком солнце до низкой температуры холодной зимы. Кроме того в ее литий-ионных электродах серы гораздо больше чем кобальта, а арамидные волокна аккумуляторной мембраны можно получать из старых бронежилетов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *