Российские ученые разработали новый способ получения вольфрама

Вольфрам — ​тугоплавкий металл, который применяется во многих сферах промышленности. Однако технология его производства дорогая и трудоемкая. Ученые Университета науки и технологий «МИСиС» и Института физической химии и электрохимии им. Фрумкина РАН опробовали альтернативный метод собственного авторства.

Технология производства

Для получения компактного вольфрама во всем мире используют одну химическую реакцию, в ходе которой металл осаждается на подложке и выделяется фтороводород, рассказывает инженер центра инфраструктурного взаимодействия и партнерства MegaScience МИСиСа Тимофей Букатин. Российские ученые предложили формировать слой металла не на подложке, с нуля, а на вольфрамовом ломе. Это порошковая форма вольфрама, и стоит она относительно недорого — ​около 4,5 тыс. рублей за килограмм.

Вольфрам, осаждаясь на ломе, заполняет зазоры между крупинками. Но из-за того, что площадь поверхности у слоя порошка больше, чем у гладкой подложки, а вольфрам распределяется так, как ему удобно, некоторые зазоры он не «заращивает», а прикрывает корочкой. Пористость такого массива составляет 24 %. Это плохо влияет на прочность изготовленных из него изделий. Проблему можно частично решить, тщательно подобрав соотношение компонентов: чтобы вольфрама было достаточно для заполнения пустот, и чтобы не было излишка, иначе образуется еще один слой, другой плотности.

Кроме того, ученые предлагают воздействовать на формирующуюся вольфрамовую пленку температурой. «По нашим расчетам, локальный нагрев подложки за час снизит пористость до 5 %, и мы получим достаточно плотный металл. Сейчас мы моделируем установку, — говорит Тимофей Букатин. — ​Предположительно, нагреватель будет графитовым». В промышленности широко применяются нихромовые, но в случае с вольфрамом они не годятся: в агрессивной среде фтороводорода нихром довольно быстро разрушается.

Экономия на сырье не единственное преимущество нового способа. Благодаря использованию порошка скорость выращивания пленки увеличивается в 11 раз. В лабораторных условиях слой толщиной 600 мкм образуется за четыре часа. Раньше для формирования такой пленки требовалось более двух суток.

Атомные нужды

Значимый стимул для развития технологии — ​растущая потребность атомной промышленности в качественном вольфраме. О применении этого металла в производстве ядерной техники «СР» рассказал Никита Попов, инженер, аспирант кафедры физических проблем материаловедения Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»: «Вольфрам есть, например, в РИТЭГе, радиоизотопном термоэлектрическом генераторе, или, по-простому, в ядерной батарейке. Эти устройства основаны на термоэлектронной эмиссии — ​испускании электронов под воздействием температуры. Их источником и выступает вольфрам. Можно поместить вольфрам в пары цезия, это упростит выход электронов. Почему батарейку называют ядерной? Потому что металл в ней нагревается благодаря распаду нестабильных изотопов. РИТЭГ работает длительное время и не требует технического обслуживания. Например, космический зонд Voyager, автоматическая межпланетная станция New Horizons, многие марсоходы и луноходы оснащены РИТЭГами».

Кроме того, у вольфрама высокие теплопроводность и температура плавления. Эти свойства важны для материалов, которые контактируют с плазмой в термоядерных реакторах. В проекте ИТЭР из вольфрама сделаны пластины дивертора — ​устройства, в которое из плазмы выводятся загрязняющие тяжелые атомы. В некоторых статьях дивертор называют пепельницей. Помимо этого, бериллий в первой стенке реактора собираются заменить на более безопасный вольфрам. Оба металла распыляются при соприкосновении с плазмой. Но бериллиевая пыль при вдыхании вызывает опасную болезнь — ​бериллиоз. Из-за этого все операции, которые нужно выполнять с бериллием, ограничены множеством нормативов. Вольфрам же из-за высокой температуры плавления распыляется намного меньше. Вдыхать его вредно, но не смертельно.