Уран: факти и факти. Ядрено делене Верижна ядрена реакция

Природният уран се състои от смес от три изотопа: 238U - 99,2739% (период на полуразпад T 1/2 = 4,468×109 години), 235U - 0,7024% ( T 1/2 = 7,038×108 години) и 234U - 0,0057% ( T 1/2 = 2,455×105 години). Последният изотоп не е първичен, а радиогенен; той е част от радиоактивната серия 238U.

Радиоактивността на естествения уран се дължи главно на изотопите 238U и 234U; в равновесие техните специфични активности са еднакви. Специфичната активност на изотопа 235U в естествения уран е 21 пъти по-малка от активността на 238U.

Известни са 11 изкуствени радиоактивни изотопа на урана с масови числа от 227 до 240. Най-дълголетният от тях е 233U ( T 1/2 = 1,62 × 105 години) се получава чрез облъчване с ториеви неутрони и е способен на спонтанно делене от топлинни неутрони.

Урановите изотопи 238U и 235U са предците на две радиоактивни серии. Крайните елементи на тези серии са оловните изотопи 206Pb и 207Pb.

В естествени условия най-често срещаните изотопи са 234U: 235U: 238U = 0,0054: 0,711: 99,283. Половината от радиоактивността на естествения уран се дължи на изотопа 234U. Изотопът 234U се образува поради разпадането на 238U. Последните две, за разлика от други двойки изотопи и независимо от високата миграционна способност на урана, се характеризират с географско постоянство на отношението U238/U235 = 137,88. Големината на това съотношение зависи от възрастта на урана. Многобройни полеви измервания показаха леките му колебания. Така че в ролки стойността на това съотношение спрямо стандарта варира в рамките на 0,9959 - 1,0042, в соли - 0,996 - 1,005. В уран-съдържащите минерали (насмолена смола, уранова черна, циртолит, редкоземни руди) стойността на това съотношение варира от 137,30 до 138,51; Освен това разликата между формулярите UIV и UVI не е установена; в сфен - 138.4. В някои метеорити е открит дефицит на изотопа 235U. Най-ниската му концентрация в земни условия е открита през 1972 г. от френския изследовател Бужиг в град Окло в Африка (находище в Габон). Така нормалният уран съдържа 0,7025% уран 235U, докато в Окло той е намален до 0,557%. Това потвърди хипотезата за естествен ядрен реактор, водещ до изгаряне на изотопи, прогнозирана от Джордж У. Уетърил от Калифорнийския университет в Лос Анджелис и Марк Г. Инграм от Чикагския университет и Пол К. Курода, химик от университета от Арканзас, който описва процеса през 1956 г. Освен това в същите тези райони са открити естествени ядрени реактори: Окелобондо, Бангомбе и др. В момента са известни около 17 естествени ядрени реактора.

Касова бележка

Първият етап от производството на уран е концентрацията. Скалата се натрошава и се смесва с вода. Тежките компоненти на окачването се установяват по-бързо. Ако скалата съдържа първични уранови минерали, те се утаяват бързо: това са тежки минерали. Вторичните уранови минерали са по-леки, в който случай тежките отпадъчни скали се утаяват по-рано. (Той обаче не винаги е наистина празен; може да съдържа много полезни елементи, включително уран).

Следващият етап е извличане на концентрати, прехвърляне на уран в разтвор. Използват се киселинно и алкално излугване. Първият е по-евтин, тъй като сярната киселина се използва за извличане на уран. Но ако в суровината, като уран катран, уранът е в четиривалентно състояние, тогава този метод не е приложим: четиривалентният уран е практически неразтворим в сярна киселина. В този случай трябва или да прибегнете до алкално излугване, или да окислите предварително урана до шествалентно състояние.

Киселинното излугване също не се използва в случаите, когато урановият концентрат съдържа доломит или магнезит, които реагират със сярна киселина. В тези случаи използвайте сода каустик (натриев хидроксид).

Проблемът с извличането на уран от рудите се решава чрез продухване с кислород. Поток от кислород се подава към смес от уранова руда и сулфидни минерали, нагрята до 150 °C. В този случай от серни минерали се образува сярна киселина, която отмива урана.

На следващия етап уранът трябва да бъде селективно изолиран от получения разтвор. Съвременните методи - екстракция и йонообмен - могат да решат този проблем.

Разтворът съдържа не само уран, но и други катиони. Някои от тях при определени условия се държат по същия начин като урана: екстрахират се със същите органични разтворители, отлагат се върху същите йонообменни смоли и се утаяват при същите условия. Следователно, за да се изолира селективно уран, е необходимо да се използват много редокс реакции, за да се отървете от един или друг нежелан спътник на всеки етап. При съвременните йонообменни смоли уранът се отделя много селективно.

Методи йонен обмен и екстракцияТе също са добри, защото позволяват уранът да бъде напълно извлечен от бедни разтвори (съдържанието на уран е десети от грам на литър).

След тези операции уранът се превръща в твърдо състояние - в един от оксидите или в UF4 тетрафлуорид. Но този уран все още трябва да бъде пречистен от примеси с голямо сечение на улавяне на топлинни неутрони - бор, кадмий, хафний. Съдържанието им в крайния продукт не трябва да надвишава стохилядни и милионни от процента. За да се отстранят тези примеси, търговско чисто ураново съединение се разтваря в азотна киселина. В този случай се образува уранил нитрат UO2(NO3)2, който при екстракция с трибутилфосфат и някои други вещества се пречиства допълнително до необходимите стандарти. След това това вещество кристализира (или се утаява пероксид UO4 · 2H2O) и внимателно се калцинира. В резултат на тази операция се образува уранов триоксид UO3, който се редуцира с водород до UO2.

Урановият диоксид UO2 се излага на сух флуороводород при температури от 430 до 600 °C, за да се получи UF4 тетрафлуорид. Металният уран се редуцира от това съединение с помощта на калций или магнезий.

обеднен уран

След като 235U и 234U са извлечени от естествен уран, останалият материал (уран-238) се нарича "обеднен уран", тъй като е обеднен на изотопа 235. Според някои оценки Съединените щати съхраняват около 560 000 тона хексафлуорид на обеднен уран (UF6).

Обедненият уран е наполовина по-малко радиоактивен от естествения уран, главно поради отстраняването на 234U от него. Тъй като основната употреба на урана е производството на енергия, обедненият уран е продукт с ниска употреба и ниска икономическа стойност.

Използването му се свързва главно с високата плътност на урана и сравнително ниската му цена. Обедненият уран се използва за защита от радиация (по ирония на съдбата) и като баласт в аерокосмически приложения, като повърхности за управление на самолети. Всеки самолет Боинг 747 съдържа 1500 кг обеднен уран за тези цели. Този материал се използва и във високоскоростни ротори на жироскопи, големи маховици, като баласт в космически спускаеми апарати и състезателни яхти, както и при пробиване на петролни кладенци.

Физиологично действие

Намира се в микроколичества (10−5-10−8%) в тъканите на растенията, животните и човека. В най-голяма степен се натрупва от някои гъби и водорасли. Съединенията на урана се абсорбират в стомашно-чревния тракт (около 1%), в белите дробове - 50%. Основните депа в тялото: далак, бъбреци, скелет, черен дроб, бели дробове и бронхопулмонални лимфни възли. Съдържанието в органите и тъканите на хора и животни не надвишава 10-7 g.

Уранът и неговите съединения са токсични. Особено опасни са аерозолите от уран и неговите съединения. За аерозоли на водоразтворими уранови съединения ПДК във въздуха е 0,015 mg/m³, за неразтворими форми на уран ПДК е 0,075 mg/m³. Когато уранът попадне в тялото, той засяга всички органи, като е обща клетъчна отрова. Уранът, подобно на много други тежки метали, почти необратимо се свързва с протеините, предимно със сулфидните групи на аминокиселините, нарушавайки тяхната функция. Молекулярният механизъм на действие на урана е свързан със способността му да потиска ензимната активност. Бъбреците са предимно засегнати (протеин и захар се появяват в урината, олигурия). При хронична интоксикация са възможни нарушения на хемопоезата и нервната система.

Добив на уран в света

10 държави, отговорни за 94% от световното производство на уран

Според Червената книга на урана на ОИСР през 2005 г. са добити 41 250 тона уран (35 492 тона през 2003 г.). По данни на ОИСР в света работят 440 търговски реактора, които консумират 67 хиляди тона уран годишно. Това означава, че производството му осигурява само 60% от потреблението му (останалото се възстановява от стари ядрени бойни глави). Производство по страни в тонове по съдържание на U за 2005-2006 г. (виж таблица № 13, Приложение А).

Производство в Русия

В СССР основните райони на уранови руди са Украйна (Желтореченское, Первомайское находища и др.), Казахстан (Северно - Балкашинско рудно поле и др.; Южно - Кизилсайско рудно поле и др.; Восточный; всички те принадлежат предимно към вулканогенно-хидротермален тип); Забайкалия (Антей, Стрелцовско и др.); Централна Азия, главно Узбекистан с минерализация в черни шисти с център град Учкудук. Има много малки рудни находища и находища. В Русия Забайкалия остава основният район за добив на уран. Около 93% от руския уран се добива в находището в района на Чита (близо до град Краснокаменск). Добивът се извършва по метода на шахтата от Приаргунското производствено минно-химическо обединение (PPMCU), което е част от OJSC Atomredmetzoloto (Uranium Holding).

Останалите 7% се получават чрез подземно излугване от JSC Dalur (Курганска област) и JSC Khiagda (Бурятия).

Получените руди и уранов концентрат се преработват в Чепецкия механичен завод.

Производство в Казахстан

Около една пета от световните запаси на уран са съсредоточени в Казахстан (21% и 2-ро място в света). Общите ресурси на уран са около 1,5 милиона тона, от които около 1,1 милиона тона могат да бъдат добити чрез излугване на място.

През 2009 г. Казахстан заема първо място в света по производство на уран (добени са 13 500 тона).

Производство в Украйна

Основното предприятие е Източният минно-обогатителен комбинат в град Жовти Води.

Приложение

Въпреки че уран-238 не може да се използва като първичен делящ се материал, поради високоенергийните неутрони, необходими за неговото делене, той има важно място в ядрената индустрия.

Имайки висока плътност и атомно тегло, U-238 е подходящ за производство на рефлекторни зарядни черупки в устройства за синтез и делене. Фактът, че се разпада от бързи неутрони, увеличава енергийния изход на заряда: индиректно, чрез умножаване на отразени неутрони; директно по време на деленето на черупкови ядра от бързи неутрони (по време на синтез). Приблизително 40% от неутроните, произведени при делене, и всички термоядрени неутрони имат достатъчна енергия за делене на U-238.

U-238 има скорост на спонтанно делене 35 пъти по-висока от U-235, 5,51 деления/s*kg. Това прави невъзможно използването му като снаряд за рефлекторен заряд в оръдия бомби, тъй като подходящата му маса (200-300 kg) ще създаде твърде висок неутронен фон.

Чистият U-238 има специфична радиоактивност от 0,333 микрокюри/g.

Важно приложение на този изотоп на уран е производството на плутоний-239. Плутоният се образува чрез няколко реакции, които започват, след като атомът U-238 улови неутрон. Всяко реакторно гориво, съдържащо естествен или частично обогатен уран в 235-ия изотоп, съдържа определена част от плутоний след края на горивния цикъл.

Верига на разпадане на уран-238

Изотопът на урана е 238; той се намира в повече от 99% от естествения уран. Този изотоп е и най-стабилният, ядрото му не може да бъде разделено от топлинни неутрони. За да се раздели 238U, неутронът се нуждае от допълнителна кинетична енергия от 1,4 MeV. Ядрен реактор, изработен от чист уран-238, няма да работи при никакви обстоятелства.

Атом на уран-238, в чието ядро ​​протони и неутрони едва се държат заедно от кохезионни сили. От време на време от него избухва компактна група от четири частици: два протона и два неутрона (α-частица). Така уран-238 се превръща в торий-234, чието ядро ​​съдържа 90 протона и 144 неутрона. Но торий-234 също е нестабилен. Трансформацията му обаче се извършва по различен начин от предишния случай: един от неговите неутрони се превръща в протон, а торий-234 се превръща в протактиний-234, чието ядро ​​съдържа 91 протона и 143 неутрона. Тази метаморфоза, настъпила в ядрото, засяга и електроните, движещи се по техните орбити: един от тях става несдвоен и излита от атома. Протактиният е много нестабилен и отнема много малко време за трансформация. Това е последвано от други трансформации, придружени от радиация, и цялата тази верига в крайна сметка завършва със стабилен оловен нуклид (виж Фигура № 7, Приложение Б).

Най-важното обстоятелство за ядрената енергетика е, че най-разпространеният изотоп на урана 238U е и потенциален източник на ядрено гориво. Както Szilard, така и Fermi бяха прави в предположението, че поглъщането на неутрони от урана ще доведе до образуването на нови елементи. Наистина, когато се сблъска с топлинен неутрон, уран-238 не се дели; вместо това ядрото абсорбира неутрона. Средно за 23,5 минути един от неутроните в ядрото се превръща в протон (с излъчване на електрон, β - реакция на разпадане), а ядрото на уран-239 се превръща в ядрото на нептуний-239 (239Np). След 2,4 дни настъпва вторият β - разпад и се образува плутоний-239 (239Pu).

В резултат на последователното поглъщане на неутрони в ядрен реактор могат да се получат елементи дори по-тежки от плутония.

Само следи от 239Pu, 244Pu и 237Np са открити в естествените минерали и уранова руда, така че трансуранови елементи (по-тежки от урана) практически никога не се срещат в естествената среда.

Изотопите на урана, които съществуват в природата, не са напълно стабилни по отношение на α разпадане и спонтанно делене, но се разпадат много бавно: половин животуран-238 е на 4,5 милиарда години, а уран-235 е на 710 милиона години. Поради ниската честота на ядрените реакции такива дългоживеещи изотопи не са опасни източници на радиация. Слитък от естествен уран може да се държи в ръцете ви без вреда за здравето. Неговата специфична дейностравно на 0,67 mCi/kg (Ci – кюри, извънсистемна единица за активност, равна на 3,7 * 1010 разпадания в секунда).

Съдържанието на статията

УРАН, U (уран), метален химичен елемент от семейството на актинидите, което включва Ac, Th, Pa, U и трансуранови елементи (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Уранът придоби известност поради използването му в ядрени оръжия и ядрена енергия. Урановите оксиди се използват и за оцветяване на стъкло и керамика.

Да бъдеш сред природата.

Съдържанието на уран в земната кора е 0,003%, като се намира в повърхностния слой на земята под формата на четири вида находища. Първо, това са вени от уранинит или уранова смола (уранов диоксид UO 2), много богата на уран, но рядка. Те са придружени от радиеви отлагания, тъй като радият е пряк продукт от изотопния разпад на урана. Такива вени има в Заир, Канада (Голямото мечо езеро), Чехия и Франция. Вторият източник на уран са конгломерати от ториеви и уранови руди заедно с руди от други важни минерали. Конгломератите обикновено съдържат достатъчни количества злато и сребро за възстановяване, като уранът и торият са свързани елементи. Големи находища на тези руди се намират в Канада, Южна Африка, Русия и Австралия. Третият източник на уран са седиментни скали и пясъчници, богати на минерала карнотит (калиев уранил ванадат), който съдържа, освен уран, значително количество ванадий и други елементи. Такива руди има в западните щати на САЩ. Желязно-урановите шисти и фосфатните руди представляват четвърти източник на седименти. Богати находища има в шистите на Швеция. Някои фосфатни руди в Мароко и Съединените щати съдържат значителни количества уран, а фосфатните находища в Ангола и Централноафриканската република са още по-богати на уран. Повечето лигнити и някои въглища обикновено съдържат примеси на уран. Богати на уран лигнитни залежи са открити в Северна и Южна Дакота (САЩ) и битуминозни въглища в Испания и Чехия.

Отваряне.

Уран е открит през 1789 г. от немския химик М. Клапрот, който наименува елемента в чест на откриването на планетата Уран 8 години по-рано. (Клапрот беше водещият химик на своето време; той откри и други елементи, включително Ce, Ti и Zr.) Всъщност веществото, получено от Клапрот, не беше елементарен уран, а негова окислена форма, а елементарният уран беше получен за първи път от френският химик Е. .Пелиго през 1841 г. От момента на откриването до 20 век. уранът не е имал значението, което има днес, въпреки че много от неговите физически свойства, както и неговата атомна маса и плътност, са били определени. През 1896 г. А. Бекерел установява, че урановите соли имат радиация, която осветява фотографска плака на тъмно. Това откритие активира химиците към изследвания в областта на радиоактивността и през 1898 г. френските физици съпрузи П. Кюри и М. Склодовска-Кюри изолират соли на радиоактивните елементи полоний и радий, а Е. Ръдърфорд, Ф. Соди, К. Фаянс и други учени разработиха теорията за радиоактивния разпад, която постави основите на съвременната ядрена химия и ядрена енергия.

Първите употреби на уран.

Въпреки че радиоактивността на урановите соли беше известна, неговите руди през първата третина на този век бяха използвани само за получаване на придружаващ радий, а уранът се смяташе за нежелан страничен продукт. Използването му е съсредоточено главно в керамичната технология и металургията; Урановите оксиди бяха широко използвани за оцветяване на стъкло в цветове, вариращи от бледожълто до тъмнозелено, което допринесе за развитието на евтино производство на стъкло. Днес продуктите от тези индустрии се идентифицират като флуоресцентни под ултравиолетовите лъчи. По време на Първата световна война и малко след това уранът под формата на карбид е използван в производството на инструментални стомани, подобни на Mo и W; 4–8% уран замени волфрама, чието производство беше ограничено по това време. За получаване на инструментални стомани през 1914–1926 г. годишно се произвеждат няколко тона фероуран, съдържащ до 30% (маса) U. Тази употреба на уран обаче не продължи дълго.

Съвременни употреби на уран.

Урановата промишленост започва да се оформя през 1939 г., когато е извършено деленето на урановия изотоп 235 U, което води до техническото прилагане на контролирани верижни реакции на делене на уран през декември 1942 г. Това е раждането на ерата на атома , когато уранът се превърна от незначителен елемент в един от най-важните елементи в жизненото общество. Военното значение на урана за производството на атомната бомба и използването му като гориво в ядрени реактори доведе до астрономическо увеличение на търсенето на уран. Интересна е хронологията на нарастването на търсенето на уран въз основа на историята на седиментите в Голямото мечо езеро (Канада). През 1930 г. в това езеро е открита смес от смола, смес от уранови оксиди, а през 1932 г. в тази област е създадена технология за пречистване на радий. От всеки тон руда (смолна смес) се получава 1 g радий и около половин тон страничен продукт, уранов концентрат. Радият обаче беше малко и добивът му беше спрян. От 1940 до 1942 г. разработката е възобновена и уранова руда започва да се транспортира до Съединените щати. През 1949 г. подобно пречистване на уран, с някои подобрения, е използвано за производството на чист UO 2 . Това производство се разрасна и сега е едно от най-големите съоръжения за производство на уран.

Имоти.

Уранът е един от най-тежките елементи в природата. Чистият метал е много плътен, пластичен, електроположителен с ниска електрическа проводимост и силно реактивен.

Уранът има три алотропни модификации: а-уран (орторомбична кристална решетка), съществува в диапазона от стайна температура до 668 ° C; b-уран (сложна кристална решетка от тетрагонален тип), стабилен в диапазона 668–774° C; ж-уран (кубична кристална решетка с тяло-центр), стабилен от 774°C до точката на топене (1132°C). Тъй като всички изотопи на урана са нестабилни, всички негови съединения проявяват радиоактивност.

Изотопи на урана

238 U, 235 U, 234 U се срещат в природата в съотношение 99,3:0,7:0,0058, а 236 U се среща в следи от количества. Всички останали изотопи на урана от 226 U до 242 U се получават по изкуствен път. Изотопът 235 U е особено важен. Под въздействието на бавни (топлинни) неутрони той се разделя, освобождавайки огромна енергия. Пълното делене на 235 U води до освобождаване на „еквивалент на топлинна енергия“ от 2H 10 7 kWh h/kg. Деленето на 235 U може да се използва не само за производство на големи количества енергия, но и за синтезиране на други важни актинидни елементи. Естественият изотоп на урана може да се използва в ядрени реактори за производство на неутрони, произведени от деленето на 235 U, докато излишните неутрони, които не са необходими за верижната реакция, могат да бъдат уловени от друг естествен изотоп, което води до производството на плутоний:

Когато 238 U се бомбардира с бързи неутрони, възникват следните реакции:

Според тази схема най-често срещаният изотоп 238 U може да се превърне в плутоний-239, който, подобно на 235 U, също е способен да се дели под въздействието на бавни неутрони.

Понастоящем са получени голям брой изкуствени изотопи на урана. Сред тях 233 U е особено забележителен, тъй като той също се дели при взаимодействие с бавни неутрони.

Някои други изкуствени изотопи на урана често се използват като радиоактивни маркери в химически и физически изследвания; това е на първо място b- излъчвател 237 U и а- излъчвател 232 U.

Връзки.

Уранът, силно реактивен метал, има степен на окисление от +3 до +6, близък е до берилия в серията на активност, взаимодейства с всички неметали и образува интерметални съединения с Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn и Zn. Фино натрошеният уран е особено реактивен и при температури над 500 ° C често влиза в реакции, характерни за уранов хидрид. Еднократният уран или стружки горят ярко при 700–1000 ° C, а урановите пари изгарят вече при 150–250 ° C; уранът реагира с HF при 200–400 ° C, образувайки UF 4 и H 2 . Уранът се разтваря бавно в концентриран HF или H 2 SO 4 и 85% H 3 PO 4 дори при 90 ° C, но лесно реагира с конц. HCl и по-малко активен с HBr или HI. Най-активните и бързи реакции на уран с разреден и концентриран HNO 3 протичат с образуването на уранил нитрат ( виж отдолу). В присъствието на HCl уранът бързо се разтваря в органични киселини, образувайки органични U4+ соли. В зависимост от степента на окисление уранът образува няколко вида соли (най-важните от тях са с U 4+, една от тях UCl 4 е лесно окисляема зелена сол); ураниловите соли (радикал UO 2 2+) от типа UO 2 (NO 3) 2 са жълти на цвят и флуоресцират в зелено. Ураниловите соли се образуват чрез разтваряне на амфотерния оксид UO 3 (жълт цвят) в кисела среда. В алкална среда UO 3 образува уранати като Na 2 UO 4 или Na 2 U 2 O 7. Последното съединение („жълт уранил“) се използва за производството на порцеланови глазури и в производството на флуоресцентни стъкла.

Урановите халогениди са били широко изследвани през 1940-1950 г., тъй като са били използвани за разработване на методи за разделяне на уранови изотопи за атомната бомба или ядрения реактор. Урановият трифлуорид UF 3 се получава чрез редукция на UF 4 с водород, а урановият тетрафлуорид UF 4 се получава по различни начини чрез реакции на HF с оксиди като UO 3 или U 3 O 8 или чрез електролитна редукция на уранилни съединения. Урановият хексафлуорид UF 6 се получава чрез флуориране на U или UF 4 с елементарен флуор или чрез действието на кислород върху UF 4 . Хексафлуоридът образува прозрачни кристали с висок индекс на пречупване при 64 ° C (1137 mm Hg); съединението е летливо (при нормално налягане се сублимира при 56,54 ° C). Уранови оксохалиди, например оксофлуориди, имат състав UO 2 F 2 (уранил флуорид), UOF 2 (ураниев оксид дифлуорид).

Откъде идва уранът?Най-вероятно се появява по време на експлозии на свръхнова. Факт е, че за нуклеосинтезата на елементи, по-тежки от желязото, трябва да има мощен поток от неутрони, който възниква точно по време на експлозия на свръхнова. Изглежда, че тогава, по време на кондензация от облака на нови звездни системи, образувани от него, уранът, събран в протопланетен облак и като много тежък, трябва да потъне в дълбините на планетите. Но това не е вярно. Уранът е радиоактивен елемент и при разпадането си отделя топлина. Изчисленията показват, че ако уранът беше равномерно разпределен по цялата дебелина на планетата, поне със същата концентрация като на повърхността, той би отделял твърде много топлина. Освен това неговият поток трябва да отслабва с изразходването на уран. Тъй като нищо подобно не е наблюдавано, геолозите смятат, че най-малко една трета от урана, а може би и целият, е концентриран в земната кора, където съдържанието му е 2,5∙10 –4%. Защо това се случи не се обсъжда.

Къде се добива уран?На Земята няма толкова малко уран - той е на 38-мо място по изобилие. И по-голямата част от този елемент се намира в седиментни скали - въглеродни шисти и фосфорити: съответно до 8∙10 –3 и 2,5∙10 –2%. Общо земната кора съдържа 10 14 тона уран, но основният проблем е, че той е много разпръснат и не образува мощни находища. Приблизително 15 уранови минерала са от промишлено значение. Това е уранов катран - основата му е четиривалентен уранов оксид, уранова слюда - различни силикати, фосфати и по-сложни съединения с ванадий или титан на базата на шествалентен уран.

Какво представляват лъчите на Бекерел?След откриването на рентгеновите лъчи от Волфганг Рьонтген, френският физик Антоан-Анри Бекерел се интересува от светенето на уранови соли, което се получава под въздействието на слънчевата светлина. Искаше да разбере дали и тук има рентгенови лъчи. Наистина ги имаше – солта осветяваше фотографската плака през черната хартия. При един от експериментите обаче солта не е осветена, но фотографската плака все пак е потъмняла. Когато метален предмет беше поставен между солта и фотографската плака, потъмняването отдолу беше по-малко. Следователно нови лъчи не са възникнали поради възбуждането на уран от светлина и не са преминали частично през метала. Първоначално са били наричани „лъчи на Бекерел“. Впоследствие беше открито, че това са предимно алфа лъчи с малко добавяне на бета лъчи: факт е, че основните изотопи на урана излъчват алфа частица по време на разпадане, а дъщерните продукти също изпитват бета разпад.

Колко радиоактивен е уранът?Уранът няма стабилни изотопи; всички те са радиоактивни. Най-дълголетният е уран-238 с период на полуразпад 4,4 милиарда години. Следва уран-235 - 0,7 милиарда години. И двамата претърпяват алфа разпад и се превръщат в съответните изотопи на тория. Уран-238 представлява повече от 99% от целия естествен уран. Поради огромния си полуживот, радиоактивността на този елемент е ниска и освен това алфа частиците не могат да проникнат през роговия слой на повърхността на човешкото тяло. Казват, че след работа с уран И. В. Курчатов просто избърсва ръцете си с носна кърпа и не страда от никакви заболявания, свързани с радиоактивността.

Изследователите многократно са се обръщали към статистиката на заболяванията на работниците в уранови мини и преработвателни предприятия. Ето например неотдавнашна статия на канадски и американски специалисти, които анализираха здравните данни на повече от 17 хиляди работници в мината Eldorado в канадската провинция Саскачеван за годините 1950–1999 ( Проучване на околната среда, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Те изхождат от факта, че радиацията има най-силен ефект върху бързо размножаващите се кръвни клетки, водещи до съответните видове рак. Статистиката показва, че работниците в мините имат по-ниска честота на различни видове рак на кръвта в сравнение със средното население на Канада. В този случай основният източник на радиация не се счита за самия уран, а за генерирания от него газообразен радон и неговите разпадни продукти, които могат да попаднат в тялото през белите дробове.

Защо уранът е вреден?? Той, подобно на други тежки метали, е силно токсичен и може да причини бъбречна и чернодробна недостатъчност. От друга страна, уранът, като дисперсен елемент, неизбежно присъства във водата, почвата и, концентрирайки се в хранителната верига, навлиза в човешкото тяло. Логично е да се предположи, че в процеса на еволюция живите същества са се научили да неутрализират урана в естествени концентрации. Уранът е най-опасният във водата, затова СЗО постави граница: първоначално беше 15 µg/l, но през 2011 г. нормата беше увеличена до 30 µg/g. По правило във водата има много по-малко уран: в САЩ средно 6,7 µg/l, в Китай и Франция - 2,2 µg/l. Но има и силни отклонения. Така в някои райони на Калифорния то е сто пъти повече от нормата - 2,5 mg/l, а в Южна Финландия достига 7,8 mg/l. Изследователите се опитват да разберат дали стандартът на СЗО е твърде строг, като изучават ефекта на урана върху животните. Ето една типична работа ( BioMed Research International, 2014 г., ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Френски учени хранели плъхове с вода в продължение на девет месеца с добавки от обеднен уран и то в относително високи концентрации - от 0,2 до 120 mg/l. Долната стойност е водата в близост до мината, а горната стойност не се среща никъде - максималната концентрация на уран, измерена във Финландия, е 20 mg/l. За изненада на авторите - статията се нарича: „Неочакваното отсъствие на забележим ефект на урана върху физиологичните системи ...“ - уранът практически нямаше ефект върху здравето на плъховете. Животните се хранят добре, наддават правилно, не се оплакват от болести и не умират от рак. Уранът, както би трябвало да бъде, се отлага предимно в бъбреците и костите и в сто пъти по-малко в черния дроб, а натрупването му очаквано зависи от съдържанието във водата. Това обаче не е довело до бъбречна недостатъчност или дори до забележима поява на някакви молекулярни маркери на възпаление. Авторите предложиха да започне преглед на строгите насоки на СЗО. Има обаче едно предупреждение: ефектът върху мозъка. В мозъците на плъховете имало по-малко уран, отколкото в черния дроб, но съдържанието му не зависело от количеството във водата. Но уранът повлия на функционирането на антиоксидантната система на мозъка: активността на каталазата се увеличи с 20%, глутатион пероксидазата с 68–90%, а активността на супероксиддисмутазата намаля с 50%, независимо от дозата. Това означава, че уранът очевидно е причинил оксидативен стрес в мозъка и тялото е реагирало на него. Този ефект - силното въздействие на урана върху мозъка при липса на натрупване в него, впрочем, както и в половите органи - беше забелязан и преди. Освен това вода с уран в концентрация 75–150 mg/l, с която изследователи от университета в Небраска хранят плъхове в продължение на шест месеца ( Невротоксикология и тератология, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), повлияха на поведението на животните, предимно мъжки, пуснати на полето: те пресичаха линии, изправяха се на задните си крака и чистеха козината си по различен начин от контролните. Има доказателства, че уранът води и до увреждане на паметта при животните. Промените в поведението са свързани с нивата на липидното окисление в мозъка. Оказва се, че урановата вода е направила плъховете здрави, но доста глупави. Тези данни ще ни бъдат полезни при анализа на така наречения Синдром на войната в Персийския залив.

Уранът замърсява ли местата за разработване на шистов газ?Зависи от това колко уран има в газосъдържащите скали и как е свързан с тях. Например, доцентът Трейси Банк от университета в Бъфало изучава шистите Марцелус, които се простират от западен Ню Йорк през Пенсилвания и Охайо до Западна Вирджиния. Оказа се, че уранът е химически свързан именно с източника на въглеводороди (не забравяйте, че родствените въглеродни шисти имат най-високо съдържание на уран). Експериментите показват, че разтворът, използван по време на фрактурирането, перфектно разтваря урана. „Когато уранът в тези води достигне повърхността, той може да причини замърсяване на околната среда. Това не представлява радиационен риск, но уранът е отровен елемент“, отбелязва Трейси Банк в университетско прессъобщение от 25 октомври 2010 г. Все още не са изготвени подробни статии за риска от замърсяване на околната среда с уран или торий по време на производството на шистов газ.

Защо е необходим уран?Преди това се използва като пигмент за производство на керамика и цветно стъкло. Сега уранът е в основата на ядрената енергия и атомните оръжия. В този случай се използва неговото уникално свойство - способността на ядрото да се дели.

Какво е ядрено делене? Разпадането на ядрото на две неравни големи части. Именно поради това свойство по време на нуклеосинтезата поради неутронно облъчване ядрата, по-тежки от урана, се образуват много трудно. Същността на явлението е следната. Ако съотношението на броя на неутроните и протоните в ядрото не е оптимално, то става нестабилно. Обикновено такова ядро ​​излъчва или алфа частица - два протона и два неутрона, или бета частица - позитрон, което е придружено от трансформация на един от неутроните в протон. В първия случай се получава елемент от периодичната таблица, отдалечен две клетки назад, във втория - една клетка напред. Въпреки това, в допълнение към излъчването на алфа и бета частици, ядрото на урана е способно на делене - разпада се на ядрата на два елемента в средата на периодичната таблица, например барий и криптон, което прави, след като е получило нов неутрон. Това явление е открито малко след откриването на радиоактивността, когато физиците излагат новооткритата радиация на всичко, което могат. Ето как пише за това Ото Фриш, участник в събитията („Advances in Physical Sciences”, 1968, 96, 4). След откриването на берилиевите лъчи - неутроните - Енрико Ферми облъчва с тях уран, по-специално, за да предизвика бета-разпад - той се надява да го използва, за да получи следващия, 93-ти елемент, сега наречен нептуний. Именно той открива нов вид радиоактивност в облъчения уран, който свързва с появата на трансуранови елементи. В същото време забавянето на неутроните, за което източникът на берилий беше покрит със слой парафин, увеличи тази индуцирана радиоактивност. Американският радиохимик Аристид фон Гросе предполага, че един от тези елементи е протактиний, но се заблуждава. Но Ото Хан, който тогава работел във Виенския университет и смятал открития през 1917 г. протактиний за свое въображение, решил, че е длъжен да разбере какви елементи са получени. Заедно с Lise Meitner, в началото на 1938 г., Хан предполага, въз основа на експериментални резултати, че цели вериги от радиоактивни елементи се образуват поради множество бета-разпади на неутронно-абсорбиращи ядра на уран-238 и неговите дъщерни елементи. Скоро Лизе Майтнер беше принудена да избяга в Швеция, страхувайки се от възможни репресии от нацистите след аншлуса на Австрия. Хан, продължавайки експериментите си с Фриц Щрасман, открива, че сред продуктите има и барий, елемент номер 56, който по никакъв начин не може да бъде получен от уран: всички вериги от алфа-разпадане на уран завършват с много по-тежко олово. Изследователите бяха толкова изненадани от резултата, че не го публикуваха; те само написаха писма до приятели, по-специално Лиз Майтнер в Гьотеборг. Там, на Коледа 1938 г., нейният племенник Ото Фриш я посети и, разхождайки се в околностите на зимния град - той на ски, лелята пеша - те обсъдиха възможността за появата на барий по време на облъчването на уран като резултат от ядрено делене (за повече информация относно Lise Meitner вижте „Химия и живот“, 2013 г., № 4). Връщайки се в Копенхаген, Фриш буквално хвана Нилс Бор на прохода на кораб, заминаващ за Съединените щати, и му разказа за идеята за делене. Бор, като се плесна по челото, каза: „О, какви глупаци бяхме! Трябваше да забележим това по-рано." През януари 1939 г. Фриш и Майтнер публикуват статия за деленето на уранови ядра под въздействието на неутрони. По това време Ото Фриш вече е провел контролен експеримент, както и много американски групи, които са получили съобщението от Бор. Казват, че физиците започнали да се разпръсват по лабораториите си точно по време на доклада му на 26 януари 1939 г. във Вашингтон на годишната конференция по теоретична физика, когато разбрали същността на идеята. След откриването на деленето Хан и Щрасман преразгледаха експериментите си и откриха, също като колегите си, че радиоактивността на облъчения уран е свързана не с трансураниите, а с разпадането на радиоактивни елементи, образувани по време на делене от средата на периодичната таблица.

Как възниква верижна реакция в урана?Скоро след като експериментално е доказана възможността за делене на ядрата на уран и торий (а на Земята няма други делящи се елементи в някакво значително количество), Нилс Бор и Джон Уилър, които са работили в Принстън, както и независимо от тях, Съветският физик-теоретик Я. И. Френкел и германците Зигфрид Флюге и Готфрид фон Дросте създават теорията за ядреното делене. От него последваха два механизма. Единият е свързан с праговата абсорбция на бързите неутрони. Според него, за да инициира делене, неутронът трябва да има доста висока енергия, повече от 1 MeV за ядрата на основните изотопи - уран-238 и торий-232. При по-ниски енергии поглъщането на неутрони от уран-238 има резонансен характер. По този начин неутрон с енергия от 25 eV има площ на напречното сечение на улавяне, която е хиляди пъти по-голяма, отколкото при други енергии. В този случай няма да има делене: уран-238 ще стане уран-239, който с период на полуразпад от 23,54 минути ще се превърне в нептуний-239, който с период на полуразпад от 2,33 дни ще се превърне в дълготраен плутоний-239. Торий-232 ще стане уран-233.

Вторият механизъм е безпраговото поглъщане на неутрон, следван от третия повече или по-малко разпространен делящ се изотоп - уран-235 (както и плутоний-239 и уран-233, които не се срещат в природата): поглъщайки всеки неутрон, дори и бавен, т. нар. термичен, с енергия като за молекули, участващи в топлинно движение - 0,025 eV, такова ядро ​​ще се раздели. И това е много добре: топлинните неутрони имат площ на напречното сечение на улавяне четири пъти по-висока от бързите, мегаелектронволтови неутрони. Това е значението на уран-235 за цялата последваща история на ядрената енергетика: именно той осигурява размножаването на неутроните в естествения уран. След като бъде ударено от неутрон, ядрото на уран-235 става нестабилно и бързо се разделя на две неравни части. По пътя се излъчват няколко (средно 2,75) нови неутрона. Ако ударят ядрата на същия уран, те ще накарат неутроните да се умножат експоненциално - ще настъпи верижна реакция, която ще доведе до експлозия поради бързото освобождаване на огромно количество топлина. Нито уран-238, нито торий-232 могат да работят така: в края на краищата по време на делене неутроните се излъчват със средна енергия от 1–3 MeV, тоест, ако има енергиен праг от 1 MeV, значителна част от неутроните със сигурност няма да могат да предизвикат реакция и няма да има възпроизводство. Това означава, че тези изотопи трябва да бъдат забравени и неутроните ще трябва да бъдат забавени до топлинна енергия, така че да взаимодействат възможно най-ефективно с ядрата на уран-235. В същото време не може да се допусне тяхното резонансно поглъщане от уран-238: в крайна сметка в естествения уран този изотоп е малко по-малко от 99,3% и неутроните по-често се сблъскват с него, а не с целевия уран-235. И като действа като модератор, е възможно да се поддържа размножаването на неутрони на постоянно ниво и да се предотврати експлозия - контролирайте верижната реакция.

Изчисление, извършено от Я. Б. Зелдович и Ю. Б. Харитон през същата съдбовна 1939 г., показва, че за това е необходимо да се използва неутронен модератор под формата на тежка вода или графит и да се обогати естественият уран с уран- 235 най-малко 1,83 пъти. Тогава тази идея им изглеждаше чиста фантазия: „Трябва да се отбележи, че приблизително двойното обогатяване на тези доста значителни количества уран, които са необходими за извършване на верижна експлозия,<...>е изключително тромава задача, почти невъзможна на практика.“ Сега този проблем е решен и ядрената индустрия масово произвежда уран, обогатен с уран-235 до 3,5% за електроцентрали.

Какво е спонтанно ядрено делене?През 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак откриват, че деленето на уран може да се случи спонтанно, без никакво външно влияние, въпреки че полуживотът е много по-дълъг, отколкото при обикновения алфа-разпад. Тъй като такова делене също произвежда неутрони, ако не им бъде позволено да излязат от реакционната зона, те ще служат като инициатори на верижната реакция. Именно това явление се използва при създаването на ядрени реактори.

Защо е необходима ядрената енергия?Зелдович и Харитон са сред първите, които изчисляват икономическия ефект от ядрената енергия (УФН, 1940, 23, 4). „...В момента все още е невъзможно да се направят окончателни изводи за възможността или невъзможността да се осъществи реакция на ядрено делене с безкрайно разклонени вериги в урана. Ако такава реакция е осъществима, тогава скоростта на реакцията се регулира автоматично, за да се осигури нейното гладко протичане, въпреки огромното количество енергия на разположение на експериментатора. Това обстоятелство е изключително благоприятно за енергийното използване на реакцията. Затова нека да представим - въпреки че това е разделяне на кожата на неубита мечка - някои числа, характеризиращи възможностите за енергийно използване на урана. Ако процесът на делене протича с бързи неутрони, следователно реакцията улавя основния изотоп на уран (U238), тогава<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>цената на една калория от основния изотоп на урана се оказва приблизително 4000 пъти по-евтина, отколкото от въглищата (освен ако, разбира се, процесите на „изгаряне“ и отвеждане на топлината се окажат много по-скъпи в случая на уран от в случай на въглища). В случай на бавни неутрони, цената на „уранова“ калория (въз основа на горните цифри) ще бъде, като се вземе предвид, че изобилието на изотопа U235 е 0,007, вече само 30 пъти по-евтино от една „въглищна“ калория, при равни други условия.”

Първата контролирана верижна реакция е извършена през 1942 г. от Енрико Ферми в Чикагския университет и реакторът е управляван ръчно - натискане на графитни пръчки навътре и навън при промяна на неутронния поток. Първата електроцентрала е построена в Обнинск през 1954 г. В допълнение към генерирането на енергия, първите реактори са работили и за производството на оръжеен плутоний.

Как работи атомната електроцентрала?В наши дни повечето реактори работят с бавни неутрони. Обогатеният уран под формата на метал, сплав като алуминий или оксид се поставя в дълги цилиндри, наречени горивни елементи. Те са монтирани по определен начин в реактора, като между тях са поставени модериращи пръти, които управляват верижната реакция. С течение на времето в горивния елемент се натрупват реакторни отрови - продукти на делене на уран, които също са способни да абсорбират неутрони. Когато концентрацията на уран-235 падне под критично ниво, елементът се извежда от експлоатация. Той обаче съдържа много фрагменти от делене със силна радиоактивност, която намалява с годините, което кара елементите да излъчват значително количество топлина за дълго време. Те се съхраняват в охладителни басейни и след това или се погребват, или се опитват да бъдат преработени - за извличане на неизгорял уран-235, произведен плутоний (използван е за направата на атомни бомби) и други изотопи, които могат да бъдат използвани. Неизползваната част се изпраща на гробища.

В така наречените бързи реактори или реактори-размножители около елементите са монтирани рефлектори от уран-238 или торий-232. Те забавят и изпращат обратно в реакционната зона неутрони, които са твърде бързи. Неутроните, забавени до резонансни скорости, абсорбират тези изотопи, превръщайки се съответно в плутоний-239 или уран-233, които могат да служат като гориво за атомна електроцентрала. Тъй като бързите неутрони реагират лошо с уран-235, концентрацията му трябва да бъде значително увеличена, но това се отплаща с по-силен неутронен поток. Въпреки факта, че размножителните реактори се смятат за бъдещето на ядрената енергия, тъй като те произвеждат повече ядрено гориво, отколкото консумират, експериментите показват, че те са трудни за управление. Сега в света е останал само един такъв реактор - в четвърти енергоблок на Белоярската АЕЦ.

Как се критикува ядрената енергия?Ако не говорим за аварии, тогава основният момент в аргументите на противниците на ядрената енергия днес е предложението да се добавят към изчислението на нейната ефективност разходите за опазване на околната среда след извеждане от експлоатация на станцията и при работа с гориво. И в двата случая възникват предизвикателствата на надеждното погребване на радиоактивните отпадъци, като това са разходи, поети от държавата. Има мнение, че ако ги прехвърлите към цената на енергията, тогава нейната икономическа привлекателност ще изчезне.

Опозиция има и сред привържениците на ядрената енергетика. Неговите представители посочват уникалността на уран-235, който няма заместител, тъй като в природата не се срещат алтернативни изотопи, делящи се от топлинни неутрони - плутоний-239 и уран-233 - поради техния период на полуразпад от хиляди години. А те се получават именно в резултат на деленето на уран-235. Ако той се изчерпи, ще изчезне чудесен естествен източник на неутрони за верижна ядрена реакция. В резултат на такова разточителство човечеството ще загуби в бъдеще възможността да включи в енергийния цикъл торий-232, чиито запаси са няколко пъти по-големи от урана.

Теоретично, ускорителите на частици могат да се използват за производство на поток от бързи неутрони с мегаелектронволтови енергии. Ако обаче говорим, например, за междупланетни полети на ядрен двигател, тогава прилагането на схема с обемист ускорител ще бъде много трудно. Изчерпването на уран-235 слага край на подобни проекти.

Какво е оръжеен уран?Това е високообогатен уран-235. Неговата критична маса - тя съответства на размера на парче вещество, в което спонтанно възниква верижна реакция - е достатъчно малка, за да произвежда боеприпаси. Такъв уран може да се използва за направата на атомна бомба, а също и като предпазител за термоядрена бомба.

Какви бедствия са свързани с използването на уран?Енергията, съхранявана в ядрата на делящите се елементи, е огромна. Ако излезе извън контрол поради недоглеждане или умишлено, тази енергия може да причини много проблеми. Двете най-тежки ядрени катастрофи се случват на 6 и 8 август 1945 г., когато ВВС на САЩ хвърлят атомни бомби над Хирошима и Нагасаки, убивайки и ранявайки стотици хиляди цивилни. Бедствията с по-малък мащаб са свързани с аварии в атомни електроцентрали и предприятия с ядрен цикъл. Първата голяма авария става през 1949 г. в СССР в завода Маяк край Челябинск, където се произвежда плутоний; Течни радиоактивни отпадъци се озоваха в река Теча. През септември 1957 г. на него избухва експлозия, освобождавайки голямо количество радиоактивен материал. Единадесет дни по-късно британският реактор за производство на плутоний в Windscale изгоря и облакът с продуктите на експлозията се разпръсна над Западна Европа. През 1979 г. изгоря реактор в атомната електроцентрала Three Mail Island в Пенсилвания. Най-мащабните последици бяха причинени от авариите в атомната електроцентрала Чернобил (1986 г.) и атомната електроцентрала Фукушима (2011 г.), когато милиони хора бяха изложени на радиация. Първите осеяха обширни площи, отделяйки 8 тона ураново гориво и разпадни продукти в резултат на експлозията, която се разпространи в цяла Европа. Вторият замърси и три години след инцидента продължава да замърсява Тихия океан в риболовните зони. Отстраняването на последствията от тези аварии беше много скъпо и ако тези разходи се разбият на цената на електроенергията, тя щеше да се увеличи значително.

Отделен въпрос са последствията за човешкото здраве. Според официалната статистика много хора, преживели бомбардировките или живеещи в замърсени райони, са се облагодетелствали от радиацията – първите имат по-висока продължителност на живота, вторите имат по-малко ракови заболявания, а експертите отдават известно увеличение на смъртността на социалния стрес. Броят на загиналите именно от последствията от катастрофи или в резултат на ликвидирането им възлиза на стотици хора. Противниците на атомните електроцентрали посочват, че авариите са довели до няколко милиона преждевременни смъртни случаи на европейския континент, но те са просто невидими в статистическия контекст.

Премахването на земи от човешка употреба в зони на аварии води до интересен резултат: те се превръщат в един вид природни резервати, където расте биоразнообразието. Вярно е, че някои животни страдат от заболявания, свързани с радиацията. Остава отворен въпросът колко бързо ще се адаптират към повишения фон. Има също мнение, че последствието от хроничното облъчване е „селекция за глупаци“ (вж. „Химия и живот“, 2010, № 5): дори в ембрионален стадий оцеляват по-примитивни организми. По-специално, по отношение на хората, това трябва да доведе до намаляване на умствените способности на поколението, родено в замърсени райони малко след аварията.

Какво е обеднен уран?Това е уран-238, останал след отделянето на уран-235 от него. Обемите на отпадъците от производството на оръжеен уран и горивни елементи са големи - само в Съединените щати са натрупани 600 хиляди тона такъв уранов хексафлуорид (за проблемите с него вижте Химия и живот, 2008 г., № 5) . Съдържанието на уран-235 в него е 0,2%. Тези отпадъци трябва или да се съхраняват до по-добри времена, когато ще бъдат създадени реактори на бързи неутрони и ще бъде възможно да се преработи уран-238 в плутоний, или да се използват по някакъв начин.

Намериха му приложение. Уранът, подобно на други преходни елементи, се използва като катализатор. Така например авторите на статията в ACS Наноот 30 юни 2014 г. те пишат, че катализатор, направен от уран или торий с графен за редуциране на кислород и водороден пероксид, „има огромен потенциал за използване в енергийния сектор“. Тъй като уранът има висока плътност, той служи като баласт за кораби и противотежести за самолети. Този метал е подходящ и за радиационна защита в медицински изделия с източници на радиация.

Какви оръжия могат да бъдат направени от обеднен уран?Куршуми и ядра за бронебойни снаряди. Изчислението тук е следното. Колкото по-тежък е снарядът, толкова по-голяма е неговата кинетична енергия. Но колкото по-голям е снарядът, толкова по-малко е концентриран неговият удар. Това означава, че са необходими тежки метали с висока плътност. Куршумите са направени от олово (уралските ловци по едно време също са използвали самородна платина, докато не разберат, че това е благороден метал), докато ядрата на черупката са направени от волфрамова сплав. Еколозите посочват, че оловото замърсява почвата в местата на военни действия или лов и би било по-добре да го замените с нещо по-малко вредно, например волфрам. Но волфрамът не е евтин, а уранът, подобен по плътност, е вреден отпадък. В същото време допустимото замърсяване на почвата и водата с уран е приблизително два пъти по-високо, отколкото с олово. Това се случва, защото слабата радиоактивност на обеднения уран (и тя също е с 40% по-малка от тази на естествения уран) се пренебрегва и се взема предвид един наистина опасен химически фактор: уранът, както си спомняме, е отровен. В същото време плътността му е 1,7 пъти по-голяма от тази на оловото, което означава, че размерът на урановите куршуми може да бъде намален наполовина; уранът е много по-огнеупорен и твърд от оловото - изпарява се по-малко при изстрел, а когато попадне в целта, произвежда по-малко микрочастици. Като цяло урановият куршум е по-малко замърсяващ от оловен куршум, въпреки че такова използване на уран не е известно със сигурност.

Но е известно, че плочите от обеднен уран се използват за укрепване на бронята на американски танкове (това се улеснява от високата му плътност и точка на топене), а също и вместо волфрамова сплав в сърцевините за бронебойни снаряди. Урановото ядро ​​също е добро, защото уранът е пирофорен: неговите горещи малки частици, образувани при удар с бронята, пламват и подпалват всичко наоколо. И двете приложения се считат за радиационно безопасни. Така изчислението показа, че дори след една година престой в резервоар с уранова броня, зареден с уранови боеприпаси, екипажът ще получи само една четвърт от допустимата доза. И за да получите годишната допустима доза, трябва да завиете такива боеприпаси към повърхността на кожата за 250 часа.

Снаряди с уранови ядра - за 30-милиметрови авиационни оръдия или артилерийски подкалибър - са използвани от американците в последните войни, като се започне от кампанията в Ирак през 1991 г. През тази година те се изсипаха върху иракските бронирани части в Кувейт и по време на тяхното отстъпление 300 тона обеднен уран, от които 250 тона, или 780 хиляди патрона, бяха изстреляни по самолетни оръдия. В Босна и Херцеговина при бомбардировките на армията на непризнатата Република Сръбска са изразходвани 2,75 тона уран, а при обстрела на югославската армия в района на Косово и Метохия - 8,5 тона, или 31 хиляди патрона. Тъй като по това време СЗО беше загрижена за последствията от използването на уран, беше извършен мониторинг. Той показа, че един залп се състои от приблизително 300 изстрела, от които 80% съдържат обеднен уран. 10% са уцелили цели, а 82% са паднали на 100 метра от тях. Останалите се разпръснаха в рамките на 1,85 км. Снаряд, попаднал в танк, изгоря и се превърна в аерозол, урановият снаряд прониза леки цели като бронетранспортьори. Така най-много един и половина тона снаряди могат да се превърнат в уранов прах в Ирак. Според експерти от американския център за стратегически изследвания RAND Corporation повече от 10 до 35% от използвания уран се е превърнал в аерозол. Хърватският активист срещу боеприпасите с уран Асаф Дуракович, който е работил в различни организации от болницата „Крал Фейсал“ в Рияд до медицинския изследователски център за уран във Вашингтон, изчислява, че само в Южен Ирак през 1991 г. са се образували 3-6 тона субмикронни частици уран, които бяха разпръснати на широка територия, тоест замърсяването с уран там е сравнимо с Чернобил.

Фрагменти от делене

Характерна особеност на деленето е, че фрагментите, образувани в резултат на делене, като правило имат значително различни маси. В случай на най-вероятно делене на 235 U съотношението на масата на фрагмента е 1,46. Тежък фрагмент има масово число 139, лек фрагмент има масово число 95. Разделянето на два фрагмента с такива маси не е единственото възможно. Масовото разпределение на фрагменти от деленето на 235 U от топлинни неутрони е показано на фиг. 8. Сред продуктите на делене са открити фрагменти с A = 72-161 и Z = 30-65. Вероятността за делене на два фрагмента с еднаква маса не е нула. При делене от топлинни неутрони вероятността за симетрично делене е приблизително три порядъка по-малка, отколкото в случая на най-вероятно делене на фрагменти с A = 139 и 95. Капковият модел не изключва възможността за асиметрично делене, но дори не обяснява качествено основните закони на такова делене. Асиметричното деление може да се обясни с влиянието на структурата на черупката на ядрото. Ядрото се стреми да се раздели по такъв начин, че основната част от нуклоните на фрагмента образува стабилно магическо ядро.
По време на процеса на делене по-голямата част от енергията се освобождава под формата на кинетична енергия на фрагменти от делене. Това заключение може да се направи от факта, че енергията на Кулон на два контактуващи фрагмента е приблизително равна на енергията на делене. Под въздействието на електрически сили на отблъскване кулоновата енергия на фрагментите се трансформира в кинетична енергия.

Съществува следната връзка между кинетичните енергии E на фрагментите и техните маси M, която следва от закона за запазване на импулса:

където E l и M l и се отнасят за лек фрагмент, а E t и M t - за тежък. Използвайки тази връзка, е възможно да се получи масовото разпределение на фрагментите от енергийното разпределение на фрагментите (фиг. 9). Параметрите на енергийното разпределение, както и някои други характеристики на фрагменти от делене на 235 U от топлинни неутрони са дадени в таблица. 1.

Таблица 1. Характеристики на леки и тежки фрагменти за най-вероятно делене на 235 U от топлинни неутрони

Кинетичната енергия на фрагментите на делене зависи относително малко от енергията на възбуждане на делящото се ядро, тъй като излишната енергия обикновено отива за възбуждане на вътрешното състояние на фрагментите.
Фигура 10 показва разпределението на масата на фрагменти от делене на 234 U и по-тежки ядра. Може да се види, че масовите разпределения на тежките фрагменти са близки, докато средната маса на леките фрагменти варира от ~ 90 за 234 U до ~ 114 за 256 Fm. Това се вижда особено ясно на фиг. 11.

Средната маса на леката група нараства почти линейно с увеличаване на масата на делящото се ядро, докато средната маса на тежката група остава почти непроменена (A140). Така почти всички допълнителни нуклони отиват в леки фрагменти. На фиг. 10 областите на ядрата с магически числа на протони и неутрони са защриховани. За Z = 50 стабилните ядра съответстват на Z/A 0,4 (A = 125). Богатите на неутрони фрагменти на делене имат Z/A до ~0,38 (A = 132), т.е. около 7 „допълнителни“ неутрона. Точно на ръба на тежката група от фрагменти е двойно магическото ядро ​​132 Sn (Z = 50, N = 82). Тази изключително стабилна конфигурация определя долния край на масовото разпределение на тежките фрагменти. Този ефект не съществува за леки фрагменти. Масовото разпределение на леките фрагменти практически не попада в областта дори на едно магическо число N = 50 и значително по-малко се определя от ефектите на черупката. Образува се от "останалите" нуклони след образуването на тежък фрагмент.

Уранът е радиоактивен метал. В природата уранът се състои от три изотопа: уран-238, уран-235 и уран-234. Най-високото ниво на стабилност е регистрирано в уран-238.

Радиоактивно разпадане на уран

Радиоактивният разпад е процес на внезапна промяна в състава или вътрешната структура на атомните ядра, които се характеризират с нестабилност. В този случай се излъчват елементарни частици, гама лъчи и/или ядрени фрагменти. Радиоактивните вещества съдържат радиоактивно ядро. Дъщерното ядро, получено в резултат на радиоактивен разпад, също може да стане радиоактивно и след определено време претърпява разпад. Този процес продължава, докато се образува стабилно ядро, лишено от радиоактивност. Е. Ръдърфорд експериментално доказва през 1899 г., че урановите соли излъчват три вида лъчи:

• α-лъчи - поток от положително заредени частици
• β-лъчи - поток от отрицателно заредени частици
• γ-лъчите не създават отклонения в магнитното поле.

Радиоактивност на урана

Естествената радиоактивност е това, което отличава радиоактивния уран от другите елементи. Атомите на урана, независимо от всякакви фактори и условия, постепенно се променят. В този случай се излъчват невидими лъчи. След трансформациите, които се случват с атомите на урана, се получава различен радиоактивен елемент и процесът се повтаря. Той ще повтори толкова пъти, колкото е необходимо, за да получи нерадиоактивен елемент. Например, някои вериги от трансформации имат до 14 етапа. В този случай междинният елемент е радий, а последният етап е образуването на олово. Този метал не е радиоактивен елемент, така че поредицата от трансформации се прекъсва. Въпреки това са необходими няколко милиарда години, за да може уранът да се трансформира напълно в олово.
Радиоактивната уранова руда често причинява отравяне в предприятия, занимаващи се с добив и преработка на уранови суровини. В човешкото тяло уранът е обща клетъчна отрова. Засяга предимно бъбреците, но също така засяга черния дроб и стомашно-чревния тракт.
Уранът няма напълно стабилни изотопи. Най-дълъг живот се наблюдава при уран-238. Полуразпадът на уран-238 се случва за 4,4 милиарда години. Малко по-малко от един милиард години се извършва полуразпадането на уран-235 - 0,7 милиарда години. Уран-238 заема над 99% от общия обем на естествения уран. Поради колосалния си полуживот, радиоактивността на този метал не е висока; например алфа частиците не могат да проникнат през роговия слой на човешката кожа. След поредица от изследвания учените установиха, че основният източник на радиация не е самият уран, а произвежданият от него газ радон, както и неговите разпадни продукти, които влизат в човешкото тяло по време на дишане.