; атомный номер 92, атомная масса 238,029; металл. Природный Уран состоит из смеси трех изотопов: 238 U - 99,2739% с периодом полураспада T ½ = 4,51·10 9 лет, 235 U - 0,7024% (T ½ = 7,13·10 8 лет) и 234 U - 0,0057% (T ½ = 2,48·10 5 лет).
Из 11 искусственных радиоактивных изотопов с массовыми числами от 227 до 240 долгоживущий - 233 U (T ½ = 1 ,62·10 5 лет); он получается при нейтронном облучении тория. 238 U и 235 U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов.
Историческая справка. Уран открыт в 1789 немецким химиком М. Г. Клапротом и назван им в честь планеты Уран, открытой В. Гершелем в 1781. В металлическом состоянии Уран получен в 1841 французским химиком Э. Пелиго при восстановлении UCl 4 металлическим калием. Первоначально Уран приписывали атомную массу 120, и только в 1871 году Д. И. Менделеев пришел к выводу, что эту величину надо удвоить.
Длительное время уран представлял интерес только для узкого круга химиков и находил ограниченное применение для производства красок и стекла. С открытием явления радиоактивности Урана в 1896 году и радия в 1898 году началась промышленного переработка урановых руд с целью извлечения и использования радия в научных исследованиях и медицине. С 1942 года, после открытия в 1939 году явления деления ядер, Уран стал основным ядерным топливом.
Распространение Урана в природе. Уран - характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Среднее содержание Урана в земной коре (кларк) 2,5·10 -4 % по массе, в кислых изверженных породах 3,5·10 -4 %, в глинах и сланцах 3,2·10 -4 %, в основных породах 5 ·10 -5 %, в ультраосновных породах мантии 3·10 -7 %. Уран энергично мигрирует в холодных и горячих, нейтральных и щелочных водах в форме простых и комплексных ионов, особенно в форме карбонатных комплексов. Важную роль в геохимии Урана играют окислительно-восстановительные реакции, поскольку соединения Урана, как правило, хорошо растворимы в водах с окислительной средой и плохо растворимы в водах с восстановительной средой (например, сероводородных).
Известно около 100 минералов Урана; промышленное значение имеют 12 из них. В ходе геологической истории содержание Урана в земной коре уменьшилось за счет радиоактивного распада; с этим процессом связано накопление в земной коре атомов Рb, He. Радиоактивный распад Урана играет важную роль в энергетике земной коры, являясь существенным источником глубинного тепла.
Физические свойства Урана. Уран по цвету похож на сталь, легко поддается обработке. Имеет три аллотропических модификации - α, β и γ с температурами фазовых превращений: α → β 668,8 °С, β → γ 772,2 °С; α-форма имеет ромбическую решетку (а = 2,8538Å, b = 5.8662Å, с = 4.9557Å), β-форма - тетрагональную решетку (при 720 °С а = 10,759Å, b = 5,656Å), γ-форма - объемноцентрированную кубическую решетку (при 850 °С а = 3,538Å). Плотность Урана в α-форме (25 °С) 19,05 г/см 3 ; t пл 1132 °С; t кип 3818 °С; теплопроводность (100-200 °С), 28,05 вт/(м·К) , (200-400 °С) 29,72 вт/(м·К) ; удельная теплоемкость (25 °С) 27,67 кдж/(кг·К) ; удельное электросопротивление при комнатной температуре около 3·10 -7 ом·см, при 600 °С 5,5·10 -7 ом·см; обладает сверхпроводимостью при 0,68 К; слабый парамагнетик, удельная магнитная восприимчивость при комнатной температуре 1,72·10 -6 .
Механические свойства Урана зависят от его чистоты, от режимов механической и термической обработки. Среднее значение модуля упругости для литого Уран 20,5·10 -2 Мн/м 2 ; предел прочности при растяжении при комнатной температуре 372-470 Мн/м 2 ; прочность повышается после закалки из β- и γ-фаз; средняя твердость по Бринеллю 19,6-21,6·10 2 Мн/м 2 .
Облучение потоком нейтронов (которое имеет место в ядерном реакторе) изменяет физико-механические свойства Урана: развивается ползучесть и повышается хрупкость, наблюдается деформация изделий, что заставляет использовать Уран в ядерных реакторах в виде различных урановых сплавов.
Уран - радиоактивный элемент. Ядра 235 U и 233 U делятся спонтанно, а также при захвате как медленных (тепловых), так и быстрых нейтронов с эффективным сечением деления 508·10 -24 см 2 (508 барн) и 533·10 -24 см 2 (533 барн) соответственно. Ядра 238 U делятся при захвате только быстрых нейтронов с энергией не менее 1 Мэв; при захвате медленных нейтронов 238 U превращается в 239 Рu, ядерные свойства которого близки к 235 U. Критическая масса Урана (93,5% 235 U) в водных растворах составляет менее 1 кг, для открытого шара - около 50 кг, для шара с отражателем - 15-23 кг; критическая масса 233 U- примерно 1/3 критической массы 235 U.
Химические свойства Урана. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Урана 7s 2 6d l 5f 3 . Уран относится к реакционноспособным металлам, в соединениях проявляет степени окисления +3, +4, + 5, +6, иногда +2; наиболее устойчивы соединения U (IV) и U (VI). На воздухе медленно окисляется с образованием на поверхности пленки оксида (IV), которая не предохраняет металл от дальнейшего окисления. В порошкообразном состоянии Уран пирофорен и горит ярким пламенем. С кислородом образует оксид (IV) UO 2 , оксид (VI) UО 3 и большое число промежуточных оксидов, важнейший из которых U 3 O 8 . Эти промежуточные оксиды по свойствам близки к UO 2 и UO 3 . При высоких температуpax UO 2 имеет широкую область гомогенности от UO 1, 60 до UO 2,27 . С фтором при 500-600 °С образует тетрафторид UF 4 (зеленые игольчатые кристаллы, малорастворимые в воде и кислотах) и гексафторид UF 6 (белое кристаллическое вещество, возгоняющееся без плавления при 56,4 °С); с серой - ряд соединений, из которых наибольшее значение имеет US (ядерное горючее). При взаимодействии Урана с водородом при 220 °С получается гидрид UH 3 ; с азотом при температуре от 450 до 700 °С и атмосферном давлении - нитрид U 4 N 7 , при более высоком давлении азота и той же температуре можно получить UN, U 2 N 3 и UN 2 ; с углеродом при 750-800 °С - монокарбид UC, дикарбид UC 2 , а также U 2 С 3 ; с металлами образует сплавы различных типов. Уран медленно реагирует с кипящей водой с образованием UO 2 н Н 2 , с водяным паром - в интервале температур 150-250 °С; растворяется в соляной и азотной кислотах, слабо - в концентрированной плавиковой кислоте. Для U (VI) характерно образование иона уранила UO 2 2+ ; соли уранила окрашены в желтый цвет и хорошо растворимы в воде и минеральных кислотах; соли U (IV) окрашены в зеленый цвет и менее растворимы; ион уранила чрезвычайно способен к комплексообразованию в водных растворах как с неорганических, так и с органических веществами; наиболее важны для технологии карбонатные, сульфатные, фторидные, фосфатные и других комплексы. Известно большое число уранатов (солей не выделенной в чистом виде урановой кислоты), состав которых меняется в зависимости от условий получения; все уранаты имеют низкую растворимость в воде.
Уран и его соединения радиационно и химически токсичны. Предельно допустимая доза (ПДД) при профессиональном облучении 5 бэр в год.
Получение Урана. Уран получают из урановых руд, содержащих 0,05-0,5% U. Руды практически не обогащаются, за исключением ограниченного способа радиометрической сортировки, основанной на γ-излучении радия, всегда сопутствующего урану. В основном руды выщелачивают растворами серной, иногда азотной кислот или растворами соды с переводом Урана в кислый раствор в виде UО 2 SO 4 или комплексных анионов 4- , а в содовый раствор - в виде 4- . Для извлечения и концентрирования Урана из растворов и пульп, а также для очистки от примесей применяют сорбцию на ионообменных смолах и экстракцию органических растворителями (трибутилфосфат, алкилфосфорные кислоты, амины). Далее из растворов добавлением щелочи осаждают уранаты аммония или натрия или гидрооксид U(OH) 4 . Для получения соединений высокой степени чистоты технические продукты растворяют в азотной кислоте и подвергают аффинажным операциям очистки, конечными продуктами которых являются UO 3 или U 3 О 8 ; эти оксиды при 650-800 °С восстанавливаются водородом или диссоциированным аммиаком до UO 2 с последующим переводом его в UF 4 обработкой газообразным фтористым водородом при 500-600 °С. UF 4 может быть получен также при осаждении кристаллогидрата UF 4 ·nН 2 О плавиковой кислотой из растворов с последующим обезвоживанием продукта при 450 °С в токе водорода. В промышленности основные способом получения Уран из UF 4 является его кальциетермическим или магниетермическим восстановление с выходом Урана в виде слитков массой до 1,5 т. Слитки рафинируются в вакуумных печах.
Очень важным процессом в технологии Урана является обогащение его изотопом 235 U выше естественного содержания в рудах или выделение этого изотопа в чистом виде, поскольку именно 235 U - основные ядерное горючее; осуществляется это методами газовой термодиффузии, центробежными и другими методами, основанными на различии масс 238 U и 235 U; в процессах разделения Уран используется в виде летучего гексафторида UF 6 . При получении Урана высокой степени обогащения или изотопов учитываются их критические массы; наиболее удобный способ в этом случае - восстановление оксидов Урана кальцием; образующийся при этом шлак СаО легко отделяется от Урана растворением в кислотах. Для получения порошкообразного Урана, оксида (IV), карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений применяются методы порошковой металлургии.
Применение Урана. Металлический Уран или его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах. Природная или малообогащенная смесь изотопов Урана применяется в стационарных реакторах атомных электростанций, продукт высокой степени обогащения - в ядерных силовых установках или в реакторах, работающих на быстрых нейтронах. 235 U является источником ядерной энергии в ядерном оружии. 238 U служит источником вторичного ядерного горючего - плутония.
Уран в организме. В микроколичествах (10 -5 -10 -8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В золе растений (при содержании Уран в почве около 10 -4 %) его концентрация составляет 1,5·10 -5 %. В наибольшей степени Уран накапливается некоторыми грибами и водорослями (последние активно участвуют в биогенной миграции Урана по цепи вода - водные растения - рыба - человек). В организм животных и человека Уран поступает с пищей и водой в желудочно-кишечный тракт, с воздухом в дыхательные пути, а также через кожные покровы и слизистые оболочки. Соединения Уран всасываются в желудочно-кишечном тракте - около 1% от поступающего количества растворимых соединений и не более 0,1% труднорастворимых; в легких всасываются соответственно 50% и 20%. Распределяется Уран в организме неравномерно. Основное депо (места отложения и накопления) - селезенка, почки, скелет, печень и, при вдыхании труднорастворимых соединений, - легкие и бронхолегочные лимфатические узлы. В крови Уран (в виде карбонатов и комплексов с белками) длительно не циркулирует. Содержание Уран в органах и тканях животных и человека не превышает 10 -7 г/г. Так, кровь крупного рогатого скота содержит 1·10 -8 г/мл, печень 8·10 -8 г/г, мышцы 4·10 -11 г/г, селезенка 9·10 8-8 г/г. Содержание Урана в органах человека составляет: в печени 6·10 -9 г/г, в легких 6·10 -9 -9·10 -9 г/г, в селезенке 4,7·10 -7 г/г, в крови 4-10 -10 г/мл, в почках 5,3·10 -9 (корковый слой) и 1,3·10 -8 г/г (мозговой слой), в костях 1·10 -9 г/г, в костном мозге 1 -Ю -8 г/г, в волосах 1,3·10 -7 г/г. Уран, содержащийся в костной ткани, обусловливает ее постоянное облучение (период полувыведения Урана из скелета около 300 суток). Наименьшие концентрации Урана - в головном мозге и сердце (10 -10 г/г). Суточное поступление Урана с пищей и жидкостями - 1,9·10 -6 г, с воздухом - 7·10 -9 г. Суточное выведение Уран из организма человека составляет: с мочой 0,5·10 -7 - 5·10 -7 г, с калом - 1,4·10 -6 -1,8·10 -6 г, с волосами - 2·10 -8 г.
По данным Международной комиссии по радиационной защите, среднее содержание Урана в организме человека 9·10 -5 г. Эта величина для различных районов может варьировать. Полагают, что Уран необходим для нормальной жизнедеятельности животных и растений.
Токсическое действие Уран обусловлено его химические свойствами и зависит от растворимости: более токсичны уранил и других растворимые соединения Урана. Отравления Ураном и его соединениями возможны на предприятиях по добыче и переработке уранового сырья и других промышленного объектах, где он используется в технологическом процессе. При попадании в организм Уран действует на все органы и ткани, являясь общеклеточным ядом. Признаки отравления обусловлены преимущественным поражением почек (появление белка и сахара в моче, последующая олигурия); поражаются также печень и желудочно-кишечный тракт. Различают острые и хронические отравления; последние характеризуются постепенным развитием и меньшей выраженностью симптомов. При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения, нервной системы и др. Полагают, что молекулярный механизм действия Урана связан с его способностью подавлять активность ферментов.
Уран - седьмая планета в Солнечной системе и третий по счету газовый гигант. Планета является третьей по величине и четвертой по массе, а свое название получила в честь отца римского бога Сатурна.
Именно Уран удостоился чести быть первой планетой, открытой в современной истории. Однако на самом деле, его первоначальное открытие его как планеты фактически не происходило. В 1781 году астроном Уильям Гершель при наблюдении звезд в созвездии Близнецов, заметил неких дискообразный объект, который он поначалу записал в разряд комет, о чем и сообщил в Королевское научное сообщество Англии. Однако позже самого Гершеля озадачил тот факт, что орбита объекта оказалась практически круглой, а не эллиптической, как это бывает у комет. И только когда это наблюдения было подтверждено другими астрономами, Гершель пришел к выводу, что на самом деле открыл планету, а не комету, и открытие, наконец, получило широкое признание.
После подтверждения данных о том, что обнаруженный объект является планетой, Гершель получил необыкновенную привилегию - дать ей свое название. Не долго думая, астроном выбрал имя короля Англии Георга III и назвал планету Georgium Sidus, что в переводе означает «Звезда Георга». Однако название так и не получило научного признания и ученые, в большинстве своем, пришли к выводу, что лучше придерживаться определенной традиции в названии планет Солнечной системы, а именно называть их в честь древнеримских богов. Так Уран получил свое современное название.
В настоящее время единственной планетарной миссией, которой удалось собрать сведения про Уран, является Voyager 2.
Эта встреча, которая произошла в 1986 году, позволила ученым получить достаточно большое количество данных о планете и сделать множество открытий. Космический корабль передал тысячи фотографий Урана, его спутников и колец. Несмотря на то, что многие фотографии планеты не отобразили практически ничего, кроме сине-зеленого цвета, который можно было наблюдать и с наземных телескопов, другие изображения показали наличие десяти ранее неизвестных спутников и двух новых колец. На ближайшее будущее никаких новых миссий к Урану не запланировано.
Из-за темно-синего цвета Урана атмосферную модель планеты оказалось составить гораздо сложнее, нежели модели того же или даже . К счастью, снимки, полученные с космического телескопа «Хаббл» позволили получить более широкое представление. Более современные технологии визуализации телескопа дали возможность получить гораздо более детальные снимки, нежели чем у Voyager 2. Так благодаря фотографиям «Хаббл» удалось выяснить, что на Уране существуют широтные полосы как и на других газовых гигантах. Кроме того, скорость ветров на планете может достигать более 576 км / час.
Считается, что причиной появления однообразной атмосферы является состав самого верхнего ее слоя. Видимые слои облаков состоят в основном из метана, который поглощает эти наблюдаемые длины волн, соответствующие красному цвету. Таким образом, отраженные волны представлены в виде синего и зеленого цветов.
Под этим наружным слоем метана, атмосфера состоит из примерно 83% водорода (H2) и 15% гелия, где присутствует определенное количество метана и ацетилена. Подобный состав аналогичен другим газовым гигантам Солнечной системы. Однако атмосфера Урана резко отличается в другом отношении. В то время как у атмосферы у Юпитера и Сатурна в основном газообразные, атмосфера Урана содержит гораздо больше льда. Свидетельством тому являются экстремально низкие температуры на поверхности. Учитывая тот факт, что температура атмосферы Урана достигает -224 °С, ее можно назвать самой холодной из атмосфер в Солнечной системе. Кроме того, имеющиеся данные указывают на то, что такая крайне низкая температура присутствует практически вокруг всей поверхности Урана, даже на той стороне которая не освещается Солнцем.
Уран, по мнению планетологов, состоит из двух слоев: ядра и мантии. Современные модели позволяют предположить, что ядро в основном состоит из камня и льда и примерно в 55 раз превышает массу . Мантия планеты весит 8,01 х 10 в степени 24 кг., или около 13,4 масс Земли. Кроме того, мантия состоит из воды, аммиака и других летучих элементов. Основным отличием мантии Урана от Юпитера и Сатурна является то, что она ледяная, пусть и не в традиционном смысле этого слова. Дело в том, что лед очень горячий и толстый, а толщина мантии составляет 5,111 км.
Что самое удивительное в составе Урана и то, что отличает его от других газовых гигантов нашей звездной системы, является то, что он не излучает больше энергии, чем получает от Солнца. Учитывая тот факт, что даже , который очень близок по размеру к Урану, производит примерно в 2,6 раза больше тепла, чем получает от Солнца, ученые сегодня очень заинтригованы в столь слабой мощности генерируемой Ураном энергии. На данный момент существует два объяснения данному явлению. Первая указывает на то, что Уран подвергся воздействию объемного космического объекта в прошлом, что привело к потере большей части внутреннего тепла планеты (полученной во время формирования) в космическое пространство. Вторая теория утверждает, что внутри планеты существует некий барьер, который не позволяет внутреннему теплу планеты вырваться на поверхность.
Орбита и вращение Урана
Само открытие Урана позволило ученым расширить радиус известной Солнечной системы почти в два раза. Это означает, что в среднем орбита Урана составляет около 2,87 х 10 в степени 9 км. Причиной столь огромного расстояния является длительность прохождения солнечного излучения от Солнца до планеты. Солнечному свету необходимо около двух часов и сорока минут чтобы достичь Урана, что почти в двадцать раз дольше, чем требуется солнечному свету для того, чтобы достигнуть Земли. Огромное расстояние влияет и на продолжительность года на Уране, он длится почти 84 земных года.
Эксцентриситет орбиты Урана составляет 0.0473, что лишь немногим меньше, чем у Юпитера - 0,0484. Данный фактор делает Уран четвертым из всех планет Солнечной системы по показателю круговой орбиты. Причиной столь небольшого эксцентриситета орбиты Урана является разница между его перигелием 2,74 х 10 в степени 9 км и афелием 3,01 х 109 км составляет всего 2,71 х 10 в степени 8 км.
Самым интересным моментом в процессе вращения Урана является положение оси. Дело в том, что ось вращения для каждой планеты, кроме Урана, примерно перпендикулярна их плоскости орбиты, однако ось Урана наклонена почти на 98°, что фактически означает, что Уран вращается на боку. Результатом такого положения оси планеты является то, что северный полюс Урана находится на Солнце половину планетарного года, а другая половина приходится на южный полюс планеты. Другими словами, дневное время на одном полушарии Урана длится 42 земных года, а ночное, на другом полушарии столько же. Причиной, по которой Уран «повернулся на бок», ученые опять же называют столкновение с огромным космическим телом.
Учитывая тот факт, что самыми популярными из колец в нашей Солнечной системе длительное время оставались кольца Сатурна, кольца Урана не удавалось обнаружить вплоть до 1977 года. Однако причина не только в этом, есть еще две причины столь позднего обнаружения: расстояние планеты от Земли и низкая отражательная способность самих колец. В 1986 году космический аппарат Voyager 2 смог определить наличия у планеты еще двух колец, помимо известных на то время. В 2005 году космический телескоп «Хаббл» заметил еще два. На сегодняшний день планетологам известно 13 колец Урана, самым ярким из которых является кольцо Эпсилон.
Кольца Урана отличаются от сатурнианских практически всем — от размеров частиц до из состава. Во-первых, частицы, составляющие кольца Сатурна маленькие, немногими больше, чем несколько метров в диаметре, тогда как кольца Урана содержат множество тел до двадцати метров в диаметре. Во-вторых, частицы колец Сатурна в основном состоят изо льда. Кольца Урана, тем не менее, состоят как изо льда так и значительной пыли и мусора.
Уильям Гершель открыл Уран в только 1781 году, так как планета была слишком тускла для того, чтобы ее могли заметить представители древних цивилизаций. Сам Гершель поначалу полагал, что Уран это комета, однако позже пересмотрел свое мнение и наука подтвердила планетарный статус объекта. Так Уран стал первой планетой, открытой в современной истории. Оригинальное название предложенное Гершелем было «Звезда Георга» — в честь короля Георга III, но научное сообщество не приняло его. Название «Уран» было предложено астрономом Иоганном Боде, в честь древнеримского бога Урана.
Уран делает оборот вокруг своей оси один раз за каждые 17 часов и 14 минут. Подобно , планета вращается в ретроградном направлении, противоположном направлению Земли и остальным шести планетам.
Считается, что необычный наклон оси Урана могло вызывать грандиозное столкновение с другим космическим телом. Теория состоит в том, что планета, размеры которой были предположительно с Землю резко столкнулась с Ураном, что сдвинуло его ось практически на 90 градусов.
Скорость ветра на Уране может достигать до 900 км в час.
Масса Урана составляет около 14,5 раз масс Земли, что делает его самым легким из четырех газовых гигантов нашей Солнечной системы.
Уран часто упоминается как «ледяной гигант». Помимо водорода и гелия в верхнем слое (как у других газовых гигантов), Уран также имеет ледяную мантию, которая окружает его железное ядро. Верхние слои атмосферы, состоят из аммиака и кристаллов ледяного метана, что дает Урану характерный бледно-голубой цвет.
Уран является второй наименее плотной планетой в Солнечной системе, после Сатурна.
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. ). В целом залежи данного химического элемента в грунте, водной среде и горной породе оцениваются в более чем 5 миллионов тонн .
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.
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:
- супербогатыми (свыше 0,3%);
- богатыми (от 0,1 до 0,3%);
- рядовыми (от 0,05 до 0,1%);
- убогими (от 0,03 до 0,05%);
- забалансовыми (от 0,01 до 0,03%).
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:
| Месторождение | Страна | Начало обработки |
| Олимпик-Дэм | Австралия | 1988 |
| Россинг | Намибия | 1976 |
| МакАртур-Ривер | Канада | 1999 |
| Инкай | Казахстан | 2007 |
| Доминион | ЮАР | 2007 |
| Рейнджер | Австралия | 1980 |
| Харасан | Казахстан | 2008 |
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.
- Уран был открыт еще в XVIII веке. В 1789 году немецкий ученый Мартин Клапрот сумел произвести из руды металлоподобный уран. Что интересно, этот ученый также является первооткрывателем титана и циркония.
- Соединения урана активно используют в сфере фотодела. Этот элемент применяется для окрашивания позитивов и усиления негативов.
- Главным отличием урана от других химических элементов является естественная радиоактивность. Атомы урана имеют свойство самостоятельно изменяться с течением времени. При этом они испускают лучи, невидимые глазу человека. Эти лучи делятся на 3 вида – гамма-, бета- альфа-излучения (см. ).
У Уран является одним из тяжёлых металлических элементов таблицы Менделеева. Уран находит широкое применение в энергетической и военной промышленности. В таблице Менделеева его можно найти под номером 92 и обозначается латинской буквой U с массовым числом 238.
Как был открыт Уран
Вообще, такой химический элемент как уран был известен очень давно. Известно, что ещё до нашей эры природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики. Открытие этого элемента произошло можно считать в 1789 году, когда немецкий химик, по имени Мартин Генрих Клапрот, восстановил из руды черный металлоподобный материал. Этот материал Мартин решил назвать Ураном, чтобы поддержать название новой открытой планеты с одноименным названием(в этом же году была открыта планета Уран). В 1840 году было выявлено, что этот материал открытый Клапротом, оказался оксидом Урана не смотря на характерный металлический блеск. Эжен Мелькиор Пелиго из оксида синтезировал атомарный Уран и определил его атомный вес равный 120 а.е., а в 1874 году Менделеев удвоил это значение, поместив его в самую дальнюю клетку своей таблицы. Только через 12 лет решение Менделеева о удвоении массы было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана.
Где и как добывают Уран
Уран является довольно распространенным элементом, но он распространен в виде урановой руды. Чтоб вы понимали, содержание ее в земной коре составляет 0.00027% от общей массы Земли. Урановая руда как правило входит в состав кислых минеральных пород с высоким содержанием кремния. Основными видами урановых руд являются настуран, карнотит, казолит и самарскит. Крупнейшие запасы урановых руд с учётом резервных месторождений являются такие страны как Австралия, Россия и Казахстан, причем из всех перечисленных Казахстан занимает лидирующую позицию. Добыча урана является очень не простой и дорогостоящей процедурой. Далеко не все страны могут позволить себе добывать и синтезировать чистый уран. Технология производства выглядит следующим образом: руда или минералы добываются в шахтах, сравнимо золоту или драгоценным камням. Добытые породы дробят и смешивают с водой для того, чтобы отделить урановую пыль от остальных. Урановая пыль очень тяжёлая и поэтому она выпадает в осадок быстрее остальных. Следующим шагом является очищение урановой пыли от других пород путем кислотного или щелочного выщелачивания. Процедура выглядит примерно так: урановую смесь нагревают до 150 °С и подают чистый кислород под давлением. В результате образуется серная кислота которая очищает уран от других примесей. Ну и на заключительном этапе отбирают уже чистые частицы урана. Помимо урановой пыли там попадаются и другие полезные минералы.
Опасность радиоактивного излучения урана
Все прекрасно знают такое понятие как радиоактивное излучение и то, что оно наносит непоправимый вред здоровью, который приводит к летальному исходу. Уран как раз является одним из таких элементов, который при определенных условиях может выпускать радиоактивное излучение. В свободной форме в зависимости от его разновидности он может испускать альфа и бета лучи. Альфа лучи не представляют большой опасности для человека если облучение является внешним так как у этого излучения малая проникающая способность, но при попадании внутрь организма они наносят непоправимый вред. Для сдерживания внешних альфа лучей хватит даже листа писчей бумаги. С бета излучением дела обстоят серьезнее, но не намного. Проникающая способность бета излучения выше, чем у альфа излучения, но для сдерживания бета излучения потребуется 3-5 мм ткань. Вы скажете как так? Уран же является радиоактивным элементом, который используется в ядерном оружии! Все верно, он используется в ядерном оружии, которое наносит колоссальный урон всему живому. Просто при детонировании ядерной боеголовки, основной урон живым организмам наносят гамма излучения и поток нейтронов. Данные виды излучений образуются в результате термоядерной реакции при взрыве боеголовки, которая выводит частицы урана из стабильного состояния и уничтожает все живое на земле.
Разновидности урана
Как говорилось выше, у урана есть несколько разновидностей. Разновидности подразумевают собой наличие изотопов, чтоб вы понимали изотопы подразумевают собой одинаковые элементы, но с разными массовыми числами.
Итак существуют два вида:
- Природный;
- Искусственный;
Как вы уже догадались природный тот который добывают из земли, а искусственный люди создают самостоятельно. К природным относят изотопы урана с массовым числом 238, 235 и 234. Причем U-234 является дочерним от U-238, то есть первый получается от распада второго в природных условиях. Вторая группа изотопов, которую создают искусственно, имеет массовые числа от 217 до 242. Каждый из изотопов имеет разные свойства и характеризуется разным поведением при определенных условиях. В зависимости от потребностей учёные ядерщики пытаются найти всевозможные решения проблем, ведь каждый изотоп имеет разную энергетическую ценность.
Периоды полураспада
Как уже говорилось выше, каждый из изотопов урана обладает разной энергетической ценностью и разными свойствами, одним из которых является полураспад. Для того чтобы понимать что это такое нужно начать с определения. Периодом полураспада называется время за которое число радиоактивных атомов уменьшается в двое. Период полураспада влияет на многие факторы, в пример можно привести его энергетическую ценность или полное очищение. Если в пример взять последнее то можно посчитать за какой промежуток времени произойдет полная очистка от радиоактивного заражения земли. Полураспады изотопов урана:
Как можно увидеть из таблицы период полураспада изотопов варьируется от минут до сотен миллионов лет. Каждый из них находит себе применение в разных областях жизнедеятельности людей.
Применение урана очень широко во многих сферах деятельности, но наибольшую ценность представляет в энергетической и военной сфере. Наибольший интерес представляет изотоп U-235. Его преимущество в том, что он способен самостоятельно поддерживать цепную ядерную реакцию, которая широко используется в военном деле для изготовления ядерного оружия и в качестве топлива в ядерных реакторах. Кроме этого уран широко применяется в геологии для определения возраста минералов и горных пород, а также для определения протекания геологических процессов. В автомобилестроении и самолетостроении обеденный уран используется как противовес и центровочный элемент. Также применение было найдено в живописи, а конкретнее в качестве краски по фарфору и для изготовления керамических глазурей и эмалей. Ещё одним интересным моментом можно считать применение обеденного урана для защиты от радиоактивного излучения, как это странно не звучит.
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.
Зачем нужен уран? Раньше его применяли в качестве пигмента для изготовления керамики и цветного стекла. Теперь же уран - основа атомной энергетики и атомного оружия. При этом используется его уникальное свойство - способность ядра делиться.
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.
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.
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 <исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран> 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.
Какие катастрофы связаны с применением урана? Энергия, запасенная в ядрах делящихся элементов, огромна. Вырвавшись из-под контроля по недосмотру или вследствие умысла, эта энергия способна натворить немало бед. Две самые чудовищные ядерные катастрофы случились 6 и 8 августа 1945 года, когда ВВС США сбросили атомные бомбы на Хиросиму и Нагасаки, в результате чего погибли и пострадали сотни тысяч мирных жителей. Катастрофы меньшего масштаба связаны с авариями на атомных станциях и предприятиях атомного цикла. Первая крупная авария случилась в1949 году в СССР на комбинате «Маяк» под Челябинском, где нарабатывали плутоний; жидкие радиоактивные отходы попали в речку Течу. В сентябре 1957 года на нем же произошел взрыв с выбросом большого количества радиоактивного вещества. Через одиннадцать дней сгорел британский реактор по наработке плутония в Уиндскейле, облако с продуктами взрыва рассеялось над Западной Европой. В 1979 году сгорел реактор на АЭС Тримейл-Айленд в Пенсильвании. К наиболее масштабным последствиям привели аварии на Чернобыльской АЭС (1986) и АЭС в Фукусиме (2011), когда воздействию радиации подверглись миллионы людей. Первая засорила обширные земли, выбросив в результате взрыва 8 тонн уранового топлива с продуктами распада, которые распространились по Европе. Вторая загрязнила и спустя три года после аварии продолжает загрязнять акваторию Тихого океана в районах рыбных промыслов. Ликвидация последствий этих аварий обошлась весьма дорого, и, если бы разложить эти затраты на стоимость электроэнергии, она бы существенно выросла.
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.
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.
Какое оружие можно делать из обедненного урана? Пули и сердечники для бронебойных снарядов. Расчет здесь такой. Чем тяжелее снаряд, тем выше его кинетическая энергия. Но чем больше размер снаряда, тем менее концентрирован его удар. Значит, нужны тяжелые металлы, обладающие высокой плотностью. Пули делают из свинца (уральские охотники одно время использовали и самородную платину, пока не поняли, что это драгоценный металл), сердечники же снарядов - из вольфрамового сплава. Защитники природы указывают, что свинец загрязняет почву в местах боевых действий или охоты и лучше бы заменить его на что-то менее вредное, например на тот же вольфрам. Но вольфрам недешев, а сходный с ним по плотности уран - вот он, вредный отход. При этом допустимое загрязнение почвы и воды ураном примерно в два раза больше, чем для свинца. Так получается потому, что слабой радиоактивностью обедненного урана (а она еще и на 40% меньше, чем у природного) пренебрегают и учитывают действительно опасный химический фактор: уран, как мы помним, ядовит. В то же время его плотность в 1,7 раза больше, чем у свинца, а значит, размер урановых пуль можно уменьшить в два раза; уран гораздо более тугоплавкий и твердый, чем свинец, - при выстреле он меньше испаряется, а при ударе в цель дает меньше микрочастиц. В общем, урановая пуля меньше загрязняет окружающую среду, чем свинцовая, правда, достоверно о таком использовании урана неизвестно.
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.
Снаряды с урановыми сердечниками - к 30-мм авиационным пушкам или к артиллерийским подкалиберным - применяли американцы в недавних войнах, начав с иракской кампании 1991 года. В тот год они высыпали на иракские бронетанковые части в Кувейте и при их отступлении 300 тонн обедненного урана, из них 250 тонн, или 780 тысяч выстрелов, пришлось на авиационные пушки. В Боснии и Герцеговине при бомбежках армии непризнанной Республики Сербской было истрачено 2,75 тонны урана, а при обстрелах югославской армии в крае Косово и Метохия - 8,5 тонн, или 31 тысяча выстрелов. Поскольку ВОЗ к тому времени озаботилась последствиями применения урана, был проведен мониторинг. Он показал, что один залп состоял примерно из 300 выстрелов, из которых 80% содержало обедненный уран. В цели попадало 10%, а 82% ложилось в пределах 100 метров от них. Остальные рассеивались в пределах 1,85 км. Снаряд, попавший в танк, сгорал и превращался в аэрозоль, легкие цели вроде бронетранспортеров урановый снаряд прошивал насквозь. Таким образом, в урановую пыль в Ираке могло превратиться от силы полторы тонны снарядов. По оценкам же специалистов американского стратегического исследовательского центра «RAND Corporation», в аэрозоль превратилось больше, от 10 до 35% использованного урана. Борец с урановыми боеприпасами хорват Асаф Дуракович, работавший во множестве организаций от эр-риядского Госпиталя короля Фейсала до вашингтонского Уранового медицинского исследовательского центра, считает, что только в Южном Ираке в 1991 году образовалось 3–6 тонн субмикронных частиц урана, которые рассеялись по обширному району, то есть урановое загрязнение там сопоставимо с чернобыльским.