Уран для чего его используют

Урановая руда: свойства, применение, добыча

В последние несколько все большей актуальности набирает тема ядерной энергетики.

Для производства атомной энергии принято использовать такой материал, как уран. Он представляет собой химический элемент, относящийся к семейству актинидов.

Химическая активность этого элемента обуславливает тот факт, что он не содержится в свободном виде. Для его производства используются минеральные образования под названием урановые руды. В них концентрируется такое количество топлива, которое позволяет считать добычу этого химического элемента экономически рациональной и выгодной. На данный момент в недрах нашей планеты содержание этого металла превышает запасы золота в 1000 раз (см. Всё о добыче золота. Где и как добывается золото?). В целом залежи данного химического элемента в грунте, водной среде и горной породе оцениваются в более чем 5 миллионов тонн.

Свойства урана

В свободной состоянии уран представляет собой серо-белый металл, которому свойственно 3 аллотропических модификации: ромбическая кристаллическая, тетрагональная и объемно центрированная кубическая решетки. Температура кипения этого химического элемента составляет 4200 °C.

Уран является химическим активным материалом. На воздухе этот элемент медленно окисляется, легко растворяется в кислотах, реагирует с водой, но при этом не взаимодействует с щелочами.

Урановая руда

Урановая руда: характеристики и классификации

Урановые руды в России принято классифицировать по различным признакам. Чаще всего они различаются условиями образования. Так, существуют эндогенные, экзогенные и метаморфогенные руды. В первом случае они представляют собой минеральные образования, сформировавшиеся под воздействием высоких температур, влажности и пегматитовых расплавов. Экзогенные урановые минеральные образования возникают в поверхностных условиях. Они могут формироваться непосредственно на поверхности земли. Это происходит из-за циркуляции подземных вод и накопления осадков. Метаморфогенные минеральные образования появляются, как результат перераспределения первично разнесенного урана.

В соответствии с уровнем содержания урана, эти природные образования могут быть:

Современное применение урана

Сегодня уран чаще всего используется в качестве топлива для ракетных двигателей и ядерных реакторов. Учитывая свойства этого материала, он также предназначен для повышения мощности ядерного орудия. Этот химический элемент также нашел свое применение в живописи. Его активно применяют в качестве желтого, зеленого, бурого и черного пигментов. Уран также используется для производства сердечников для бронебойных снарядов.

Добыча урановой руды в России: что для этого необходимо?

Добыча радиоактивных руд осуществляется тремя основными технологиями. Если залежи руды сконцентрированы максимально близко к поверхности земли, то для их добычи принято использовать открытую технологию. Она предусматривает использование бульдозеров и экскаваторов, которые роют ямы большого размера и грузят полученные полезные ископаемые в самосвалы. Далее она отправляется в перерабатывающий комплекс.

При глубоком залегании этого минерального образования принято использовать подземную технологию добычи, предусматривающую создание шахты глубиной до 2-х километров. Третья технология существенно отличается от предыдущих. Подземное выщелачивание для разработки месторождений урана предполагает бурение скважин, через которые в залежи закачивается серная кислота. Далее осуществляется бурение еще одной скважины, которая необходима для выкачивания полученного раствора на поверхность земли. Затем он проходит процесс сорбции, позволяющий собрать соли этого металла на специальной смоле. Последний этап технологии СПВ – циклическая обработка смолы серной кислотой. Благодаря такой технологии концентрация этого металла становится максимальной.

Месторождения урановых руд в России

Россия считается одним из мировых лидеров по добыче урановых руд. На протяжении последних нескольких десятков лет Россия стабильно входит в топ-7 стран-лидеров по этому показателю.

Наиболее крупными месторождениями этих природных минеральных образований являются:

Крупнейшие месторождения по добыче урана в мире – страны лидеры

Мировым лидером по добыче урана считается Австралия. В этом государстве сконцентрировано более 30% всех мировых запасов. Наиболее крупными австралийскими месторождениями являются Олимпик Дам, Биверли, Рейнджер и Хонемун.

Главным конкурентом Австралии считается Казахстан, на территории которого содержится практически 12% мировых запасов топлива. На территории Канады и ЮАР сконцентрировано по 11% мировых запасов урана, в Намибия – 8%, Бразилии – 7%. Россия замыкает семерку лидеров с 5%. В список лидеров также входят такие страны, как Намибия, Украина и Китай.

Крупнейшими мировыми урановыми месторождениями являются:

Запасы и объемы добычи урановой руды в России

Разведанные запасы урана в нашей стране оцениваются в более чем 400 тысяч тонн. При этом показатель прогнозируемых ресурсов составляет более 830 тысяч тонн. По состоянию на 2017 год в России действует 16 урановых месторождений. Причем 15 из них сосредоточены в Забайкалье. Главным месторождением урановой руды считается Стрельцовское рудное поле. В большинстве отечественных месторождениях добыча осуществляется шахтным способом.

Источник

Уран известен человечеству еще с 79 года нашей эры, когда он использовался в керамической промышленности (в форме природного оксида) в нескольких частях Европы. Химический элемент был официально открыт только в 1789 году, когда во время эксперимента немецкий химик Мартин Генрих Клапрот наткнулся на странное, неизвестное вещество (оксид урана). Клапроту также приписывают открытие циркония, церия и теллура.

Впервые это стало известно на мировой арене в 1930-х годах, когда команда исследователей во главе с физиком Энрико Ферми, а затем Отто Ханом-Фрицем Страсманном раскрыла способность Урана распадаться (делиться) на более легкие элементы.

15. Нет недостатка в Уране как источнике энергии

Исследование, проведенное учеными Массачусетского технологического института в 2010 году показали, что более чем достаточно запасов урана для мировой атомной энергетики в обозримом будущем. В настоящее время все ядерные реакторы используют в этом процессе как уран, так и плутоний.

Интересно отметить, что большая часть используемого плутония фактически производится из изотопов урана, поскольку плутоний доступен только в небольших количествах в природе.

После успешного обнаружения способности деления урана, другая команда во главе с Энрико Ферми, на этот раз в рамках Манхэттенского проекта, начала работу над первым в мире ядерным реактором под названием Чикагская свая-1 (CP-1). 2 декабря 1942 года команда смогла инициировать первую в истории самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию в СР-1.

Их первоначальный план состоял в том, чтобы использовать обогащенный уран-235 в качестве топлива, но был отброшен из-за его дефицита в то время. Вместо этого реактор был заправлен 45 тоннами оксида урана и 5,4 тоннами металлического урана. В качестве замедлителя нейтронов было использовано около 360 тонн гранита. В отличие от многих современных ядерных реакторов, СР-1 не имел системы охлаждения.

13. Уран гораздо важнее, чем вы думаете

Распад тория, урана и калия-40 является основным источником тепла вблизи мантии Земли, который управляет критической мантийной конвекцией и удерживает внешнюю жидкость в противоположность твердому внутреннему ядру. Это тепло также играет важную роль в тектонике плит.

Кроме того, длительный период полураспада урана-238 (4,51× 10,9 лет) делает его идеальным для всех видов радиометрических исследований (радиоуглеродного датирования), т. е. Уран-уранового, уран–ториевого и уран-свинцового датирования. Он также используется для создания высокоэнергетических рентгеновских лучей.

12. Это самый тяжелый природный элемент, известный нам

Тяжесть элемента может быть определена двумя способами; с точки зрения его атомного веса и с точки зрения его плотности. С 92 протонами в его ядре и атомным весом около 238,0289 уран является самым тяжелым природным элементом на Земле.

Самым тяжелым синтетическим элементом, известным на сегодняшний день, является Оганесон (атомный номер 118). С другой стороны, самым тяжелым элементом по плотности является осмий (22,59 г / см 3 ).

11. Уран очень нестабилен

Все изотопы урана очень нестабильны, и это в основном из-за его размера. Том Зеллнер в своей книге «Уран: война, энергия и скала» описал уран примерно так: «Атом урана настолько перегружен, что он начал отливать из себя куски, как обманутый человек может сорвать с себя одежду».

10. Уран был впервые выделен в 1841 году.

Фотопластинки Беккереля, которая была засвечена излучением солей урана.

Первым человеком, который изолировал уран, был Эжен Пелиго, профессор химии в Национальной консерватории искусств и ремесел (Conservatoire National des Arts et Métiers) в Париже.

Пилиго успешно продемонстрировал, что таинственный черный порошок, открытый Мартином Генрихом Клапротом, был не чистым веществом, а оксидом урана (UO2 ). Он сделал это, обработав тетрахлорид урана (черный порошок) калием.

Затем в 1896 году физик Анри Беккерель обнаружил радиоактивные свойства урана наряду с самой радиоактивностью. Для этого он использовал несколько фосфоресцентных материалов, которые светятся в темноте после воздействия света.

Он накрыл фотопластинку черной бумагой и поочередно поместил разные фосфоресцентные соли. Он предположил, что свечение, создаваемое в ЭЛТ (электронно-лучевые трубки) рентгеновскими лучами, может быть связано с фосфоресценцией.

Результаты были неожиданными, так как урановая соль была единственным веществом, которое вызывало значительное почернение пластины. Исследование прояснило, что фосфоресценция не была позади запотевания пластины (соли урана не являются фосфоресцентными) и что там была какая-то форма невидимого излучения, которое проникало в черную бумагу и создавало вид, будто пластина подвергается воздействию света.

9. Природный реактор ядерного деления

Вам может быть интересно, как это возможно? Ну, чтобы понять это, вы должны сначала знать, что уран-235, который сегодня составляет всего около 0,72% природного урана, может выдерживать цепную реакцию деления, в отличие от урана-238. Он также разлагается гораздо быстрее, чем уран-238. Это означает, что уран-235 истощил намного больше, чем уран-238 с момента рождения Земли.

Краткие и быстрые факты

Теоретически, килограмм урана-235 может произвести

80 тераджоулей энергии. Потребовалось бы более 3000 тонн угля для производства такого же количества энергии.

Пенетраторы высокой плотности из обедненного урана военного класса

Однако прямое употребление этого вещества может привести к серьезным повреждениям многих органов, раку и длительным неврологическим расстройствам. Хотя потребление большого количества урана, безусловно, смертельно, почки могут справиться с низким уровнем воздействия урана.

Источник

Уран: свойства, способы добычи и обогащения, применение

Уран – тяжёлый слаборадиоактивный металл серо-стального цвета с серебристо-белым глянцем. Современное использование данного химического элемента связано напрямую с атомной энергетикой. Также он является сырьём для получения другого важного в ядерной энергетике элемента – плутония.

Процесс открытия минерала и дальнейшее исследование его уникальных в физическом отношении свойств, напрямую связано с именами множества исследователей и учёных того времени. Среди которых можно выделить:

Естественно, что свой вклад в исследование этого основополагающего элемента ядерной физики и атомной энергетики, внесло множество учёных. Именно благодаря им были открыты следующие физико-химические свойства этого элемента:

Способы добычи

Уран распространён в природе. По этому показателю он занимает 38 место среди других химических элементов. Больше всего этот радиоактивный металл сосредоточен в осадочных породах: углистых сланцах и фосфоритах. Наиболее важными для добычи минералами (всего их, имеющих промышленное значение, насчитывается 15 видов) являются:

Метод извлечения урана на поверхность зависит от глубины залегания руд, породы месторасположения, состава изотопов и ряда иных признаков.

Открытый

Один из самых распространённых способов добычи полезных ископаемых при условии размещения их недалеко от наружного слоя земного грунта.

Именно его и приходится удалять, прибегая к вскрышным буровзрывным работам и перевозке пустой породы в отвалы. Для чего используется тяжёлая техника: бульдозеры, экскаваторы, погрузчики самосвалы. В дальнейшем с использованием того же оборудования разрабатывается ураносодержащее сырьё, затем отправляемое на переработку.

Строительство карьеров – дело достаточно дорогостоящее и объёмное по своим масштабам и привлекаемым ресурсам. Кроме того, оно связано с нанесением невосполнимого экологического ущерба месту разработки и окружающей местности.

Подземный

Способ ещё более затратный по сравнению с открытым методом, так как приходится проникать внутрь недр, чтобы достичь места залегания рудного тела. Другим неблагоприятным фактором является экономическое ограничение на строительство шахт, глубиной более 2 км, что нецелесообразно в связи со значительным удорожанием стоимости добытого минерального ресурса.

Однако, несмотря на эти обстоятельства и высокий уровень опасности для работающего персонала, именно этот способ позволяет добывать наиболее качественное сырьё. Технологический цикл подземной добычи включает в себя:

Скважинное подземное выщелачивание

В связи с множеством возникающих сложностей организационного и экономического порядка, всё чаще горнодобывающие предприятия начинают прибегать к методу скважинного подземного выщелачивания (СПВ).

Проведя геологические исследования, определяется контур месторождения, по периметру которого на необходимую глубину бурятся скважины. В них закачивается серная кислота – выщелачивающий реагент. Полученный раствор выкачивают уже через откачные скважины, пробуренные внутри контура.

Извлекаемую пульпу прогоняют через специальные сорбционные колонны, где урановые соли остаются на смоляных поверхностях. В дальнейшем эту смесь подвергают многократной очистке до получения сначала необходимой концентрации раствора, а затем – и до формирования закиси-окиси урана.

Обогащение урана

Добытая урановая руда содержит в своём составе 0,72% изотопов урана-235 ( 235 U). Остальную часть составляют:

Причины

Самостоятельно поддерживать ядерную реакцию способен только нуклид 235 U. Мало того, чтобы цепная реакция происходила стабильно – не важно: в ядерном реакторе или в атомном оружии – необходимо достичь его определённой концентрации, тем самым обеспечив высокую вероятность встречи нейтронов с атомами.

Именно для этого и проводится обогащение, то есть увеличение доли урана-235 в минерале. Однако, требуемый уровень концентрации этого изотопа в каждой из областей применения – свой.

Степени

Практическое применение имеют три степени обогащения урана, имеющие соответствующие процентному содержанию названия:

Технологии

В основе значительного количества технологий обогащения лежат стандартные физические процессы обретения различного ускорения телами, обладающими разной массой. Именно на этом принципе основано абсолютное большинство апробированных обогатительных методов.

Существует также целый ряд лазерных технологий, пока что не получивших широкой промышленной эксплуатации.

Применение

Ядерное топливо

Основным направлением использования всех видов изотопов металлического урана является атомная энергетика. Именно в ядерных реакторах происходит регулируемая цепная реакция, позволяющая вырабатывать гигантские электрические мощности. Причём применение находит как низкообогащённый, так и высокообогащённый уран (в реакторах на быстрых нейтронах).

Геология

Геохронологическое использование урана (уран-свинцовый метод радиоизотопного датирования) даёт возможность определять возраст геологических пород и минералов. Это открывает широкие перспективы для исследования протекания геологических процессов в недрах нашей планеты.

Другие сферы

Также, некоторые соединения урана входят в состав красителей. Они (соединения) в своё время использовались в фотографии для улучшения световых показателей негативов и позитивов.

Месторождения в России и мире

Список крупнейших мировых ураносодержащих месторождений по странам мира:

Мировые запасы

Планетарные запасы урана оцениваются по-разному. Согласно данным Всемирной ядерной ассоциации в 2017 году они составляли 6,1426 млн. тонн.

В других источниках указывается цифра в 5,5 млн. тонн. Хотя, при этом оговаривается, что разведанные запасы составляют 3,3 млн. тонн, а 2,2 – предполагаемые. Ещё не обнаруженные залежи оцениваются в 10,2 млн. тонн. В процентном соотношении урановые запасы размещены следующим образом по странам и континентам:

Страны, добывающие уран

Топ мировых стран-добытчиков (всего их насчитывается 14) ядерного топлива в 2018 году:

Источник

Уран: факты и фактики

Откуда взялся уран? Скорее всего, он появляется при взрывах сверхновых. Дело в том, что для нуклеосинтеза элементов тяжелее железа должен существовать мощный поток нейтронов, который возникает как раз при взрыве сверхновой. Казалось бы, потом, при конденсации из образованного ею облака новых звездных систем, уран, собравшись в протопланетном облаке и будучи очень тяжелым, должен тонуть в глубинах планет. Но это не так. Уран — радиоактивный элемент, и при распаде он выделяет тепло. Расчет показывает, что если бы уран был равномерно распределен по всей толще планеты хотя бы с той же концентрацией, что и на поверхности, то он выделял бы слишком много тепла. Более того, его поток по мере расходования урана должен ослабевать. Поскольку ничего подобного не наблюдается, геологи считают, что не менее трети урана, а может быть, и весь он сосредоточен в земной коре, где его содержание составляет 2,5∙10 –4 %. Почему так получилось, не обсуждается.

Где добывают уран? Урана на Земле не так уж мало — по распространенности он на 38-м месте. А больше всего этого элемента в осадочных породах — углистых сланцах и фосфоритах: до 8∙10 –3 и 2,5∙10 –2 % соответственно. Всего в земной коре содержится 10 14 тонн урана, но главная проблема в том, что он весьма рассеян и не образует мощных месторождений. Промышленное значение имеют примерно 15 минералов урана. Это урановая смолка — ее основой служит оксид четырехвалентного урана, урановая слюдка — различные силикаты, фосфаты и более сложные соединения с ванадием или титаном на основе шестивалентного урана.

Что такое лучи Беккереля? После открытия Вольфгангом Рентгеном Х-лучей французский физик Антуан-Анри Беккерель заинтересовался свечением солей урана, которое возникает под действием солнечного света. Он хотел понять, нет ли и тут Х-лучей. Действительно, они присутствовали — соль засвечивала фотопластинку сквозь черную бумагу. В одном из опытов, однако, соль не стали освещать, а фотопластинка все равно потемнела. Когда же между солью и фотопластинкой положили металлический предмет, то под ним потемнение было меньше. Стало быть, новые лучи возникали отнюдь не из-за возбуждения урана светом и через металл частично не проходили. Их и назвали поначалу «лучами Беккереля». Впоследствии было обнаружено, что это главным образом альфа-лучи с небольшой добавкой бета-лучей: дело в том, что основные изотопы урана при распаде выбрасывают альфа-частицу, а дочерние продукты испытывают и бета-распад.

Насколько велика радиоактивность урана? У урана нет стабильных изотопов, все они радиоактивные. Самый долгоживущий — уран-238 с периодом полураспада 4,4 млрд лет. Следующим идет уран-235 — 0,7 млрд лет. Оба они претерпевают альфа-распад и становятся соответствующими изотопами тория. Уран-238 составляет более 99% всего природного урана. Из- за его огромного периода полураспада радиоактивность этого элемента мала, а кроме того, альфа-частицы не способны преодолеть ороговевший слой кожи на поверхности человеческого тела. Рассказывают, что И. В. Курчатов после работы с ураном просто вытирал руки носовым платком и никакими болезнями, связанными с радиоактивностью, не страдал.

Исследователи не раз обращались к статистике заболеваний рабочих урановых приисков и обрабатывающих комбинатов. Вот, например, недавняя статья канадских и американских специалистов, которые проанализировали данные о здоровье более 17 тысяч рабочих прииска Эльдорадо в канадской провинции Саскачеван за 1950–1999 годы (Environmental Research, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Они исходили из того, что сильнее всего радиация действует на быстро размножающиеся клетки крови, приводя к соответствующим видам рака. Статистика же показала, что у рабочих прииска заболеваемость различными видами рака крови меньше, чем в среднем у канадцев. При этом основным источником радиации считается не сам по себе уран, а порождаемый им газообразный радон и продукты его распада, которые могут попасть в организм через легкие.

Чем же вреден уран? Он, подобно другим тяжелым металлам, весьма ядовит, может вызывать почечную и печеночную недостаточность. С другой стороны, уран, будучи рассеянным элементом, неизбежно присутствует в воде, почве и, концентрируясь в пищевой цепочке, попадает в организм человека. Разумно предположить, что в процессе эволюции живые существа научились обезвреживать уран в природных концентрациях. Наиболее опасен уран в воде, поэтому ВОЗ установила ограничение: поначалу оно составляло 15 мкг/л, но в 2011 году норматив увеличили до 30 мк/г. Как правило, урана в воде гораздо меньше: в США в среднем 6,7 мкг/л, в Китае и Франции — 2,2 мкг/л. Но бывают и сильные отклонения. Так в отдельных районах Калифорнии его в сто раз больше, чем по нормативу, — 2,5 мг/л, а в Южной Финляндии доходит и до 7,8 мг/л. Исследователи же пытаются понять, не слишком ли строг норматив ВОЗ, изучая действие урана на животных. Вот типичная работа (BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Французские ученые девять месяцев поили крыс водой с добавками обедненного урана, причем в относительно большой концентрации — от 0,2 до 120 мг/л. Нижнее значение — это вода вблизи шахты, верхнее же нигде не встречается — максимальная концентрация урана, измеренная в той же Финляндии, составляет 20 мг/л. К удивлению авторов — статья так и называется: «Неожиданное отсутствие заметного влияния урана на физиологические системы. », — уран на здоровье крыс практически не сказался. Животные прекрасно питались, прибавляли в весе как следует, на болезни не жаловались и от рака не умирали. Уран, как ему и положено, откладывался прежде всего в почках и костях и в стократно меньшем количестве — в печени, причем его накопление ожидаемо зависело от содержания в воде. Однако ни к почечной недостаточности, ни даже к заметному появлению каких-либо молекулярных маркеров воспаления это не приводило. Авторы предложили начать пересмотр строгих нормативов ВОЗ. Однако есть один нюанс: воздействие на мозг. В мозгах крыс урана было меньше, чем в печени, но его содержание не зависело от количества в воде. А вот на работе антиоксидантной системы мозга уран сказался: на 20% выросла активность каталазы, на 68–90% — глютатионпероксидазы, активность же суперкоксиддисмутазы упала независимо от дозы на 50%. Это означает, что уран явно вызывал окислительный стресс в мозгу и организм на него реагировал. Такой эффект — сильное действие урана на мозг при отсутствии его накопления в нем, кстати, равно как и в половых органах, — замечали и раньше. Более того, вода с ураном в концентрации 75–150 мг/л, которой исследователи из университета Небраски поили крыс полгода (Neurotoxicology and Teratology, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), сказалаcь на поведении животных, главным образом самцов, выпущенных в поле: они не так, как контрольные, пересекали линии, привставали на задние лапы и чистили шерстку. Есть данные, что уран приводит и к нарушениям памяти у животных. Изменение поведения коррелировало с уровнем окисления липидов в мозгу. Получается, что крысы от урановой водички делались здоровыми, но глуповатыми. Эти данные нам еще пригодятся при анализе так называемого синдрома Персидского залива (Gulf War Syndrome).

Загрязняет ли уран места разработки сланцевого газа? Это зависит от того, сколько урана в содержащих газ породах и как он с ними связан. Например, доцент Трейси Бэнк из Университета Буффало исследовала сланцевые породы месторождения Марцелус, протянувшегося с запада штата Нью-Йорк через Пенсильванию и Огайо к Западной Виргинии. Оказалось, что уран химически связан именно с источником углеводородов (вспомним, что в родственных углистых сланцах самое высокое содержание урана). Опыты же показали, что используемый при разрыве пласта раствор прекрасно растворяет в себе уран. «Когда уран в составе этих вод окажется на поверхности, он может вызвать загрязнение окрестностей. Радиационного риска это не несет, но уран — ядовитый элемент», — отмечает Трейси Бэнк в пресс-релизе университета от 25 октября 2010 года. Подробных статей о риске загрязнения окружающей среды ураном или торием при добыче сланцевого газа пока не подготовлено.

Что такое деление ядра? Распад ядра на два неравных больших куска. Именно из-за этого свойства при нуклеосинтезе за счет нейтронного облучения ядра тяжелее урана образуются с большим трудом. Суть явления состоит в следующем. Если соотношение числа нейтронов и протонов в ядре не оптимально, оно становится нестабильным. Обычно такое ядро выбрасывает из себя либо альфа-частицу — два протона и два нейтрона, либо бета-частицу — позитрон, что сопровождается превращением одного из нейтронов в протон. В первом случае получается элемент таблицы Менделеева, отстоящий на две клетки назад, во втором — на одну клетку вперед. Однако ядро урана помимо излучения альфа- и бета-частиц способно делиться — распадаться на ядра двух элементов середины таблицы Менделеева, например бария и криптона, что и делает, получив новый нейтрон. Это явление обнаружили вскоре после открытия радиоактивности, когда физики подвергали новооткрытому излучению все, что придется. Вот как пишет об этом участник событий Отто Фриш («Успехи физических наук», 1968, 96, 4). После открытия бериллиевых лучей — нейтронов — Энрико Ферми облучал ими, в частности, уран, чтобы вызвать бета-распад, — он надеялся за его счет получить следующий, 93-й элемент, ныне названный нептунием. Он-то и обнаружил у облученного урана новый тип радиоактивности, который связал с появлением трансурановых элементов. При этом замедление нейтронов, для чего бериллиевый источник покрывали слоем парафина, увеличивало такую наведенную радиоактивность. Американский радиохимик Аристид фон Гроссе предположил, что одним из этих элементов был протактиний, но ошибся. Зато Отто Ган, работавший тогда в Венском университете и считавший открытый в 1917 году протактиний своим детищем, решил, что обязан узнать, какие элементы при этом получаются. Вместе с Лизой Мейтнер в начале 1938 года Ган предположил на основании результатов опытов, что образуются целые цепочки из радиоактивных элементов, возникающих из-за многократных бета-распадов поглотивших нейтрон ядер урана-238 и его дочерних элементов. Вскоре Лиза Мейтнер была вынуждена бежать в Швецию, опасаясь возможных репрессий со стороны фашистов после аншлюса Австрии. Ган же, продолжив опыты с Фрицем Штрассманом, обнаружил, что среди продуктов был еще и барий, элемент с номером 56, который никоим образом из урана получиться не мог: все цепочки альфа-распадов урана заканчиваются гораздо более тяжелым свинцом. Исследователи были настолько удивлены полученным результатом, что публиковать его не стали, только писали письма друзьям, в частности Лизе Мейтнер в Гётеборг. Там на Рождество 1938 года ее посетил племянник, Отто Фриш, и, гуляя в окрестностях зимнего города — он на лыжах, тетя пешком, — они обсудили возможности появления бария при облучении урана вследствие деления ядра (подробнее о Лизе Мейтнер см. «Химию и жизнь», 2013, №4). Вернувшись в Копенгаген, Фриш буквально на трапе парохода, отбывающего в США, поймал Нильса Бора и сообщил ему об идее деления. Бор, хлопнув себя по лбу, сказал: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». В январе 1939 года вышла статья Фриша и Мейтнер о делении ядер урана под действием нейтронов. К тому времени Отто Фриш уже поставил контрольный опыт, равно как и многие американские группы, получившие сообщение от Бора. Рассказывают, что физики стали расходиться по своим лабораториям прямо во время его доклада 26 января 1939 года в Вашингтоне на ежегодной конференции по теоретической физике, когда ухватили суть идеи. После открытия деления Ган и Штрассман пересмотрели свои опыты и нашли, так же, как и их коллеги, что радиоактивность облученного урана связана не с трансуранами, а с распадом образовавшихся при делении радиоактивных элементов из середины таблицы Менделеева.

Как проходит цепная реакция в уране? Вскоре после того, как была экспериментально доказана возможность деления ядер урана и тория (а других делящихся элементов на Земле в сколько-нибудь значимом количестве нет), работавшие в Принстоне Нильс Бор и Джон Уиллер, а также независимо от них советский физик-теоретик Я. И. Френкель и немцы Зигфрид Флюгге и Готфрид фон Дросте создали теорию деления ядра. Из нее следовали два механизма. Один — связанный с пороговым поглощением быстрых нейтронов. Согласно ему, для инициации деления нейтрон должен обладать довольно большой энергией, более 1 МэВ для ядер основных изотопов — урана-238 и тория-232. При меньшей энергии поглощение нейтрона ураном-238 имеет резонансный характер. Так, нейтрон с энергией 25 эВ имеет в тысячи раз большую площадь сечения захвата, чем с другими энергиями. При этом никакого деления не будет: уран-238 станет ураном-239, который с периодом полураспада 23,54 минуты превратится в нептуний-239, тот, с периодом полураспада 2,33 дня, — в долгоживущий плутоний-239. Торий-232 станет ураном-233.

Загрузка ТВЭЛа в реактор на четвертом блоке Калининской АЭС. Фото: ОАО Росатом, www.rosatom.ru

Второй механизм — беспороговое поглощение нейтрона, ему следует третий более-менее распространенный делящийся изотоп — уран-235 (а равно и отсутствующие в природе плутоний-239 и уран-233): поглотив любой нейтрон, даже медленный, так называемый тепловой, с энергией как у молекул, участвующих в тепловом движении, — 0,025 эВ, такое ядро разделится. И это очень хорошо: у тепловых нейтронов площадь сечения захвата в четыре раза выше, чем у быстрых, мегаэлектронвольтных. В этом значимость урана-235 для всей последующей истории атомной энергетики: именно он обеспечивает размножение нейтронов в природном уране. После попадания нейтрона ядро урана-235 становится нестабильным и быстро делится на две неравные части. Попутно вылетает несколько (в среднем 2,75) новых нейтронов. Если они попадут в ядра того же урана, то вызовут размножение нейтронов в геометрической прогрессии — пойдет цепная реакция, что приведет к взрыву из-за быстрого выделения огромного количества тепла. Ни уран-238, ни торий-232 так работать не могут: ведь при делении вылетают нейтроны со средней энергией 1–3 МэВ, то есть при наличии энергетического порога в 1 МэВ значительная часть нейтронов заведомо не сможет вызвать реакцию, и размножения не будет. А значит, про эти изотопы следует забыть и придется замедлять нейтроны до тепловой энергии, чтобы они максимально эффективно взаимодействовали с ядрами урана-235. При этом нельзя допустить их резонансного поглощения ураном-238: все-таки в природном уране этот изотоп составляет чуть меньше 99,3% и нейтроны чаще сталкиваются именно с ним, а не с целевым ураном-235. А действуя замедлителем, можно поддерживать размножение нейтронов на постоянном уровне и взрыва не допустить — управлять цепной реакцией.

Расчет, проведенный Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном в том же судьбоносном 1939 году, показал, что для этого нужно применить замедлитель нейтронов в виде тяжелой воды или графита и обогатить ураном-235 природный уран по меньшей мере в 1,83 раза. Тогда эта идея показалась им чистой фантазией: «Следует отметить, что примерно двойное обогащение тех довольно значительных количеств урана, которые необходимы для осуществления цепного взрыва, представляет собой чрезвычайно громоздкую, близкую к практической невыполнимости задачу». Сейчас эта задача решена, и атомная промышленность серийно выпускает для электростанций уран, обогащенный ураном-235 до 3,5%.

Что такое спонтанное деление ядер? В 1940 году Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили, что деление урана может происходить спонтанно, без всякого внешнего воздействия, правда период полураспада гораздо больше, чем при обычном альфа-распаде. Поскольку при таком делении тоже получаются нейтроны, если не дать им улететь из зоны реакции, они-то и послужат инициаторами цепной реакции. Именно это явление используют при создании атомных реакторов.

Смоленская АЭС. Фото: ОАО Росатом, www.rosatom.ru

Зачем нужна атомная энергетика? Зельдович и Харитон были в числе первых, кто посчитал экономический эффект атомной энергетики («Успехи физических наук», 1940, 23, 4). «. В настоящий момент еще нельзя сделать окончательных заключений о возможности или невозможности осуществления в уране ядерной реакции деления с бесконечно разветвляющимися цепями. Если такая реакция осуществима, то автоматически осуществляется регулировка скорости реакции, обеспечивающая спокойное ее протекание, несмотря на огромное количество находящейся в распоряжении экспериментатора энергии. Это обстоятельство исключительно благоприятно для энергетического использования реакции. Приведем поэтому — хотя это и является делением шкуры неубитого медведя — некоторые числа, характеризующие возможности энергетического использования урана. Если процесс деления идет на быстрых нейтронах, следовательно, реакция захватывает основной изотоп урана (U238), то стоимость калории из основного изотопа урана оказывается примерно в 4000 раз дешевле, чем из угля (если, конечно, процессы «сжигания» и теплосъема не окажутся в случае урана значительно дороже, чем в случае угля). В случае медленных нейтронов стоимость «урановой» калории (если исходить из вышеприведенных цифр) будет, принимая во внимание, что распространенность изотопа U235 равна 0,007, уже лишь в 30 раз дешевле «угольной» калории при прочих равных условиях».

Первую управляемую цепную реакцию провел в 1942 году Энрико Ферми в Чикагском университете, причем управляли реактором вручную — задвигая и выдвигая графитовые стержни при изменении потока нейтронов. Первая электростанция была построена в Обнинске в 1954 году. Помимо выработки энергии первые реакторы работали еще и на производство оружейного плутония.

Как функционирует атомная станция? Сейчас большинство реакторов работают на медленных нейтронах. Обогащенный уран в виде металла, сплава, например с алюминием, или в виде оксида складывают в длинные цилиндры — тепловыделяющие элементы. Их определенным образом устанавливают в реакторе, а между ними вводят стержни из замедлителя, которые и управляют цепной реакцией. Со временем в тепловыделяющем элементе накапливаются реакторные яды — продукты деления урана, также способные к поглощению нейтронов. Когда концентрация урана-235 падает ниже критической, элемент выводят из эксплуатации. Однако в нем много осколков деления с сильной радиоактивностью, которая уменьшается с годами, отчего элементы еще долго выделяют значительное количество тепла. Их выдерживают в охлаждающих бассейнах, а затем либо захоранивают, либо пытаются переработать — извлечь несгоревший уран-235, наработанный плутоний (он шел на изготовление атомных бомб) и другие изотопы, которым можно найти применение. Неиспользуемую часть отправляют в могильники.

В так называемых реакторах на быстрых нейтронах, или реакторах-размножителях, вокруг элементов устанавливают отражатели из урана-238 или тория-232. Они замедляют и отправляют обратно в зону реакции слишком быстрые нейтроны. Замедленные же до резонансных скоростей нейтроны поглощают названные изотопы, превращаясь соответственно в плутоний-239 или уран-233, которые могут служить топливом для атомной станции. Так как быстрые нейтроны плохо реагируют с ураном-235, нужно значительно увеличивать его концентрацию, но это окупается более сильным потоком нейтронов. Несмотря на то что реакторы-размножители считаются будущим атомной энергетики, поскольку дают больше ядерного топлива, чем расходуют, — опыты показали: управлять ими трудно. Сейчас в мире остался лишь один такой реактор — на четвертом энергоблоке Белоярской АЭС.

Как критикуют атомную энергетику? Если не говорить об авариях, то основным пунктом в рассуждениях противников атомной энергетики сегодня стало предложение добавить к расчету ее эффективности затраты по защите окружающей среды после выведения станции из эксплуатации и при работе с топливом. В обоих случаях возникают задачи надежного захоронения радиоактивных отходов, а это расходы, которые несет государство. Есть мнение, что если переложить их на себестоимость энергии, то ее экономическая привлекательность пропадет.

Существует оппозиция и среди сторонников атомной энергетики. Ее представители указывают на уникальность урана-235, замены которому нет, потому что альтернативные делящиеся тепловыми нейтронами изотопы — плутоний-239 и уран-233 — из-за периода полураспада в тысячи лет в природе отсутствуют. А получают их как раз вследствие деления урана-235. Если он закончится, исчезнет прекрасный природный источник нейтронов для цепной ядерной реакции. В результате такой расточительности человечество лишится возможности в будущем вовлечь в энергетический цикл торий-232, запасы которого в несколько раз больше, чем урана.

Теоретически для получения потока быстрых нейтронов с мегаэлектронвольтными энергиями можно использовать ускорители частиц. Однако если речь идет, например, о межпланетных полетах на атомном двигателе, то реализовать схему с громоздким ускорителем будет очень непросто. Исчерпание урана-235 ставит крест на таких проектах.

Что такое оружейный уран? Это высокообогащенный уран-235. Его критическая масса — она соответствует размеру куска вещества, в котором самопроизвольно идет цепная реакция, — достаточно мала для того, чтобы изготовить боеприпас. Такой уран может служить для изготовления атомной бомбы, а также как взрыватель для термоядерной бомбы.

Отдельный вопрос — последствия для здоровья людей. Согласно официальной статистике, многим людям, пережившим бомбардировку или живущим на загрязненной территории, облучение пошло на пользу — у первых более высокая продолжительность жизни, у вторых меньше онкологических заболеваний, а некоторое увеличение смертности специалисты связывают с социальным стрессом. Количество же людей, погибших именно от последствий аварий или в результате их ликвидации, исчисляется сотнями человек. Противники атомных электростанций указывают, что аварии привели к нескольким миллионам преждевременных смертей на европейском континенте, просто они незаметны на статистическом фоне.

Вывод земель из человеческого использования в зонах аварий приводит к интересному результату: они становятся своего рода заповедниками, где растет биоразнообразие. Правда, отдельные животные страдают от болезней, связанных с облучением. Вопрос, как быстро они приспособятся к повышенному фону, остается открытым. Есть также мнение, что последствием хронического облучения оказывается «отбор на дурака» (см. «Химию и жизнь», 2010, №5): еще на стадии эмбриона выживают более примитивные организмы. В частности, применительно к людям это должно приводить к снижению умственных способностей у поколения, родившегося на загрязненных территориях вскоре после аварии.

Что такое обедненный уран? Это уран-238, оставшийся после выделения из него урана-235. Объемы отхода производства оружейного урана и тепловыделяющих элементов велики — в одних США скопилось 600 тысяч тонн гексафторида такого урана (о проблемах с ним см. «Химию и жизнь», 2008, №5). Содержание урана-235 в нем — 0,2%. Эти отходы надо либо хранить до лучших времен, когда будут созданы реакторы на быстрых нейтронах и появится возможность переработки урана-238 в плутоний, либо как-то использовать.

Ампулы с изотопами, выделенными из облученного материала в НИИЯР ОАО Росатом. Фото: ОАО Росатом, www.rosatom.ru

Применение ему нашли. Уран, как и другие переходные элементы, используют в качестве катализатора. Например, авторы статьи в ACS Nano от 30 июня 2014 года пишут, что катализатор из урана или тория с графеном для восстановления кислорода и перекиси водорода «имеет огромный потенциал для применения в энергетике». Поскольку плотность урана высока, он служит в качестве балласта для судов и противовесов для самолетов. Годится этот металл и для радиационной защиты в медицинских приборах с источниками излучения.

Зато известно, что пластины из обедненного урана применяют для укрепления брони американских танков (этому способствуют его высокие плотность и температура плавления), а также вместо вольфрамового сплава в сердечниках для бронебойных снарядов. Урановый сердечник хорош еще и тем, что уран пирофорен: его горячие мелкие частицы, образовавшиеся при ударе о броню, вспыхивают и поджигают все вокруг. Оба применения считаются радиационно безопасными. Так, расчет показал, что, даже просидев безвылазно год в танке с урановой броней, загруженном урановым боекомплектом, экипаж получит лишь четверть допустимой дозы. А чтобы получить годовую допустимую дозу, надо на 250 часов прикрутить к поверхности кожи такой боеприпас.

Источник