اورانوس: حقایق و حقایق. شکافت هسته ای واکنش زنجیره ای هسته ای

اورانیوم طبیعی از مخلوطی از سه ایزوتوپ تشکیل شده است: 238U - 99.2739٪ (نیمه عمر تی 1/2 = 4.468×109 سال)، 235U - 0.7024٪ ( تی 1/2 = 7.038×108 سال) و 234U - 0.0057٪ ( تی 1/2 = 2.455×105 سال). ایزوتوپ دوم اولیه نیست، بلکه رادیوژنیک است؛ این ایزوتوپ بخشی از سری رادیواکتیو 238U است.

رادیواکتیویته اورانیوم طبیعی عمدتاً ناشی از ایزوتوپ‌های 238U و 234U است که در حالت تعادل، فعالیت‌های ویژه آنها برابر است. فعالیت ویژه ایزوتوپ 235U در اورانیوم طبیعی 21 برابر کمتر از فعالیت 238U است.

11 ایزوتوپ رادیواکتیو مصنوعی اورانیوم با اعداد جرمی از 227 تا 240 شناخته شده است. طولانی ترین آنها 233U است. تی 1/2 = 1.62×105 سال) با تابش با نوترون های توریم به دست می آید و قابلیت شکافت خود به خودی توسط نوترون های حرارتی را دارد.

ایزوتوپ های اورانیوم 238U و 235U اجداد دو سری رادیواکتیو هستند. عناصر نهایی این سری ایزوتوپ های سرب 206Pb و 207Pb هستند.

در شرایط طبیعی، رایج ترین ایزوتوپ ها 234U: 235U: 238U = 0.0054: 0.711: 99.283 هستند. نیمی از رادیواکتیویته اورانیوم طبیعی ناشی از ایزوتوپ 234U است. ایزوتوپ 234U به دلیل واپاشی 238U تشکیل شده است. دو مورد آخر، بر خلاف سایر جفت ایزوتوپ ها و صرف نظر از توانایی مهاجرت بالای اورانیوم، با ثبات جغرافیایی نسبت U238/U235 = 137.88 مشخص می شوند. بزرگی این نسبت به سن اورانیوم بستگی دارد. اندازه گیری های میدانی متعدد نوسانات جزئی آن را نشان داد. بنابراین در رول ها مقدار این نسبت نسبت به استاندارد در محدوده 0.9959 - 1.0042، در نمک - 0.996 - 1.005 متغیر است. در کانی‌های حاوی اورانیوم (فیلم، اورانیوم سیاه، سیرتولیت، سنگ‌های خاکی کمیاب)، مقدار این نسبت از 137.30 تا 138.51 متغیر است. علاوه بر این، تفاوت بین اشکال UIV و UVI ثابت نشده است. در کره - 138.4. کمبود ایزوتوپ 235U در برخی از شهاب سنگ ها شناسایی شد. کمترین غلظت آن در شرایط زمینی در سال 1972 توسط محقق فرانسوی Bujigues در شهر Oklo در آفریقا (کانسار در گابن) یافت شد. بنابراین، اورانیوم معمولی حاوی 0.7025٪ اورانیوم 235U است، در حالی که در Oklo به 0.557٪ کاهش می یابد. این فرضیه یک راکتور هسته ای طبیعی منجر به سوختن ایزوتوپ را تایید کرد که توسط جورج دبلیو وتریل از دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس و مارک جی اینگرام از دانشگاه شیکاگو و پل کی کورودا، شیمیدان از دانشگاه پیش بینی شده بود. از آرکانزاس، که این روند را در سال 1956 توصیف کرد. علاوه بر این، راکتورهای هسته ای طبیعی در همین مناطق یافت شد: اوکلوبوندو، بانگومبه، و غیره. در حال حاضر، حدود 17 راکتور هسته ای طبیعی شناخته شده است.

اعلام وصول

اولین مرحله تولید اورانیوم غلظت است. سنگ خرد شده و با آب مخلوط می شود. قطعات سنگین تعلیق سریعتر ته نشین می شوند. اگر سنگ حاوی مواد معدنی اورانیوم اولیه باشد، به سرعت رسوب می‌کند: اینها کانی‌های سنگین هستند. کانی‌های اورانیوم ثانویه سبک‌تر هستند، در این صورت سنگ‌های زباله سنگین زودتر ته نشین می‌شوند. (با این حال، همیشه واقعاً خالی نیست؛ ممکن است حاوی بسیاری از عناصر مفید از جمله اورانیوم باشد).

مرحله بعدی شستشوی کنسانتره، انتقال اورانیوم به محلول است. از لیچینگ اسیدی و قلیایی استفاده می شود. اولی ارزان تر است زیرا از اسید سولفوریک برای استخراج اورانیوم استفاده می شود. اما اگر در مواد اولیه مانند اورانیوم تار، اورانیوم در حالت چهار ظرفیتی است، پس این روش قابل اجرا نیست: اورانیوم چهار ظرفیتی عملاً در اسید سولفوریک نامحلول است. در این حالت، یا باید به شستشوی قلیایی متوسل شوید یا اورانیوم را به حالت شش ظرفیتی از قبل اکسید کنید.

همچنین در مواردی که کنسانتره اورانیوم حاوی دولومیت یا منیزیت است که با اسید سولفوریک واکنش می دهند از اسیدشویی استفاده نمی شود. در این موارد از سود سوزآور (هیدروکسید سدیم) استفاده کنید.

مشکل شسته شدن اورانیوم از سنگ معدن با دمیدن اکسیژن حل می شود. جریانی از اکسیژن به مخلوطی از سنگ معدن اورانیوم و مواد معدنی سولفیدی که تا دمای 150 درجه سانتیگراد گرم شده است، عرضه می شود. در این حالت، اسید سولفوریک از مواد معدنی گوگرد تشکیل می‌شود که اورانیوم را می‌شوید.

در مرحله بعد، اورانیوم باید به طور انتخابی از محلول حاصل جدا شود. روش های مدرن - استخراج و تبادل یونی - می تواند این مشکل را حل کند.

محلول نه تنها حاوی اورانیوم، بلکه کاتیون های دیگر نیز می باشد. برخی از آنها، تحت شرایط خاص، مانند اورانیوم رفتار می کنند: آنها با حلال های آلی یکسان استخراج می شوند، روی همان رزین های تبادل یونی رسوب می کنند و در شرایط یکسان رسوب می کنند. بنابراین، برای جداسازی انتخابی اورانیوم، باید از بسیاری از واکنش‌های ردوکس استفاده کرد تا از شر یک یا آن همراه ناخواسته در هر مرحله خلاص شود. در رزین های مبادله یونی مدرن، اورانیوم بسیار انتخابی آزاد می شود.

مواد و روش ها تبادل یون و استخراجآنها همچنین خوب هستند زیرا اجازه می دهند اورانیوم کاملاً از محلول های ضعیف استخراج شود (محتوای اورانیوم یک دهم گرم در لیتر است).

پس از این عملیات، اورانیوم به حالت جامد - به یکی از اکسیدها یا به تترا فلوراید UF4 تبدیل می شود. اما این اورانیوم هنوز باید از ناخالصی ها با سطح مقطع جذب نوترون حرارتی - بور، کادمیوم، هافنیوم - خالص شود. محتوای آنها در محصول نهایی نباید از صد هزارم و میلیونیم درصد بیشتر شود. برای حذف این ناخالصی ها، یک ترکیب اورانیوم خالص تجاری در اسید نیتریک حل می شود. در این حالت نیترات اورانیل UO2(NO3)2 تشکیل می شود که در حین استخراج با تروبوتیل فسفات و برخی مواد دیگر تا حد استانداردهای لازم تصفیه می شود. سپس این ماده متبلور می شود (یا پراکسید UO4 2H2O رسوب می کند) و با دقت کلسینه می شود. در نتیجه این عملیات، تری اکسید اورانیوم UO3 تشکیل می شود که با هیدروژن به UO2 کاهش می یابد.

دی اکسید اورانیوم UO2 در دمای 430 تا 600 درجه سانتیگراد در معرض هیدروژن فلوراید خشک قرار می گیرد تا تترا فلوراید UF4 تولید کند. فلز اورانیوم از این ترکیب با استفاده از کلسیم یا منیزیم احیا می شود.

اورانیوم ضعیف شده

پس از استخراج 235U و 234U از اورانیوم طبیعی، مواد باقیمانده (اورانیوم-238) را "اورانیوم ضعیف شده" می نامند زیرا در ایزوتوپ 235 تخلیه می شود. بر اساس برخی برآوردها، ایالات متحده حدود 560000 تن هگزافلوراید اورانیوم ضعیف شده (UF6) ذخیره می کند.

اورانیوم ضعیف شده نصف اورانیوم طبیعی رادیواکتیو است که عمدتاً به دلیل حذف 234U از آن است. از آنجایی که استفاده اولیه از اورانیوم تولید انرژی است، اورانیوم ضعیف شده محصولی کم مصرف با ارزش اقتصادی پایین است.

استفاده از آن عمدتاً با چگالی بالای اورانیوم و هزینه نسبتاً پایین آن مرتبط است. اورانیوم ضعیف شده برای محافظت در برابر تشعشع (از قضا) و به عنوان بالاست در کاربردهای هوافضا مانند سطوح کنترل هواپیما استفاده می شود. هر هواپیمای بوئینگ 747 حاوی 1500 کیلوگرم اورانیوم ضعیف شده برای این اهداف است. این ماده همچنین در روتورهای ژیروسکوپ پرسرعت، فلایویل های بزرگ، به عنوان بالاست در فرودگرهای فضایی و قایق های تفریحی مسابقه ای و هنگام حفاری چاه های نفت استفاده می شود.

عمل فیزیولوژیکی

در مقادیر بسیار کوچک (10-5-10-8٪) در بافت گیاهان، حیوانات و انسان یافت می شود. بیشترین میزان آن توسط برخی قارچ ها و جلبک ها تجمع می یابد. ترکیبات اورانیوم در دستگاه گوارش (حدود 1٪) و در ریه ها - 50٪ جذب می شود. انبارهای اصلی بدن: طحال، کلیه ها، اسکلت، کبد، ریه ها و غدد لنفاوی برونش ریوی. محتوای اندام ها و بافت های انسان و حیوانات از 10-7 گرم تجاوز نمی کند.

اورانیوم و ترکیبات آن سمی هستند. آئروسل های اورانیوم و ترکیبات آن به ویژه خطرناک هستند. برای آئروسل های ترکیبات اورانیوم محلول در آب، MPC در هوا 0.015 میلی گرم بر متر مکعب است، برای اشکال نامحلول اورانیوم MPC 0.075 میلی گرم بر متر مکعب است. هنگامی که اورانیوم وارد بدن می شود، همه اندام ها را تحت تاثیر قرار می دهد، که یک سم سلولی عمومی است. اورانیوم، مانند بسیاری از فلزات سنگین دیگر، تقریباً به طور برگشت ناپذیری به پروتئین ها، عمدتاً به گروه های سولفیدی اسیدهای آمینه متصل می شود و عملکرد آنها را مختل می کند. مکانیسم مولکولی اثر اورانیوم با توانایی آن در سرکوب فعالیت آنزیم مرتبط است. کلیه ها در درجه اول تحت تأثیر قرار می گیرند (پروتئین و قند در ادرار ظاهر می شوند، اولیگوری). با مسمومیت مزمن، اختلالات خون سازی و سیستم عصبی امکان پذیر است.

استخراج اورانیوم در جهان

10 کشور مسئول 94 درصد تولید اورانیوم جهان هستند

طبق کتاب قرمز اورانیوم OECD، 41250 تن اورانیوم در سال 2005 استخراج شد (35492 تن در سال 2003). بر اساس داده های OECD، 440 راکتور تجاری در جهان فعال هستند که 67 هزار تن اورانیوم در سال مصرف می کنند. این بدان معناست که تولید آن تنها 60 درصد مصرف آن را تامین می کند (بقیه آن از کلاهک های هسته ای قدیمی بازیابی می شود). تولید بر اساس کشور به تن بر اساس محتوای U برای 2005-2006. (به جدول شماره 13، پیوست الف مراجعه کنید).

تولید در روسیه

در اتحاد جماهیر شوروی، مناطق اصلی سنگ معدن اورانیوم عبارت بودند از اوکراین (کانسارهای Zheltorechenskoye، Pervomaiskoye و غیره)، قزاقستان (میدان سنگ معدن شمالی - Balkashin و غیره؛ میدان سنگ معدنی جنوبی - Kyzylsay و غیره؛ Vostochny؛ همه آنها عمدتاً متعلق به نوع آتشفشانی-هیدروترمال)؛ Transbaikalia (Antey، Streltsovskoe، و غیره)؛ آسیای مرکزی، عمدتاً ازبکستان با کانی سازی در شیل های سیاه در شهر اوچکودوک متمرکز شده است. موارد و تظاهرات سنگ معدن ریز زیادی وجود دارد. در روسیه، Transbaikalia همچنان منطقه اصلی سنگ معدن اورانیوم است. حدود 93 درصد اورانیوم روسیه در کانسار منطقه چیتا (نزدیک شهر کراسنوکامنسک) استخراج می شود. استخراج معادن با استفاده از روش شفت توسط انجمن معدن و شیمی تولید Priargunskoye (PPMCU) که ​​بخشی از OJSC Atomredmetzoloto (هولدینگ اورانیوم) است، انجام می شود.

7 درصد باقیمانده از طریق شستشوی زیرزمینی توسط JSC Dalur (منطقه کورگان) و JSC Khiagda (Buryatia) به دست می آید.

سنگ معدن و کنسانتره اورانیوم حاصل در کارخانه مکانیکی Chepetsk فرآوری می شود.

تولید در قزاقستان

حدود یک پنجم ذخایر اورانیوم جهان در قزاقستان متمرکز شده است (21 درصد و رتبه دوم در جهان). مجموع منابع اورانیوم حدود 1.5 میلیون تن است که حدود 1.1 میلیون تن آن را می توان با لیچینگ درجا استخراج کرد.

در سال 2009، قزاقستان در تولید اورانیوم مقام اول را در جهان کسب کرد (13500 تن استخراج شد).

تولید در اوکراین

شرکت اصلی کارخانه استخراج و فرآوری شرق در شهر ژوتی وودی است.

کاربرد

اگرچه اورانیوم 238 نمی تواند به عنوان ماده شکافت پذیر اولیه استفاده شود، اما به دلیل انرژی بالای نوترون مورد نیاز برای شکافت آن، جایگاه مهمی در صنعت هسته ای دارد.

U-238 با داشتن چگالی بالا و وزن اتمی برای ساخت پوسته های شارژ بازتابنده در دستگاه های همجوشی و شکافت مناسب است. این واقعیت که توسط نوترون های سریع شکافته می شود، انرژی خروجی بار را افزایش می دهد: به طور غیرمستقیم، با ضرب نوترون های منعکس شده. به طور مستقیم در طول شکافت هسته های پوسته توسط نوترون های سریع (در طول همجوشی). تقریباً 40٪ از نوترون های تولید شده توسط شکافت و همه نوترون های همجوشی انرژی کافی برای شکافت U-238 دارند.

U-238 دارای سرعت شکافت خود به خودی 35 برابر بیشتر از U-235، 5.51 شکافت بر ثانیه * کیلوگرم است. این امر استفاده از آن را به عنوان یک پوسته برای شارژ بازتابنده در بمب های توپ غیرممکن می کند، زیرا جرم مناسب آن (200-300 کیلوگرم) زمینه نوترونی بسیار بالایی ایجاد می کند.

U-238 خالص دارای رادیواکتیویته ویژه 0.333 میکروکوری بر گرم است.

یکی از کاربردهای مهم این ایزوتوپ اورانیوم تولید پلوتونیوم 239 است. پلوتونیوم از طریق چندین واکنش که پس از گرفتن یک نوترون توسط اتم U-238 آغاز می شود، تشکیل می شود. هر سوخت رآکتور حاوی اورانیوم طبیعی یا نیمه غنی شده در ایزوتوپ 235 حاوی نسبت مشخصی پلوتونیوم پس از پایان چرخه سوخت است.

زنجیره تجزیه اورانیوم 238

ایزوتوپ اورانیوم 238 است که در بیش از 99 درصد اورانیوم طبیعی یافت می شود. این ایزوتوپ همچنین پایدارترین ایزوتوپ است؛ هسته آن توسط نوترون های حرارتی قابل تقسیم نیست. برای تقسیم 238U، یک نوترون به انرژی جنبشی اضافی 1.4 مگا ولت نیاز دارد. راکتور هسته ای ساخته شده از اورانیوم خالص 238 تحت هیچ شرایطی کار نمی کند.

اتمی از اورانیوم 238 که در هسته آن پروتون ها و نوترون ها به سختی توسط نیروهای منسجم کنار هم نگه داشته می شوند. هر از گاهی، یک گروه فشرده از چهار ذره از آن خارج می شود: دو پروتون و دو نوترون (ذره α). بنابراین اورانیوم 238 به توریم 234 تبدیل می شود که هسته آن 90 پروتون و 144 نوترون دارد. اما توریم 234 نیز ناپایدار است. با این حال، تغییر شکل آن متفاوت از حالت قبلی است: یکی از نوترون های آن به پروتون تبدیل می شود و توریم-234 به پروتاکتینیم-234 تبدیل می شود که هسته آن شامل 91 پروتون و 143 نوترون است. این دگردیسی که در هسته اتفاق افتاد بر الکترون‌هایی که در مدارشان حرکت می‌کنند نیز تأثیر می‌گذارد: یکی از آنها جفت نمی‌شود و از اتم خارج می‌شود. پروتاکتینیم بسیار ناپایدار است و زمان بسیار کمی برای تبدیل شدن نیاز دارد. به دنبال آن دگرگونی های دیگری همراه با تشعشع همراه می شود و کل این زنجیره در نهایت با یک هسته سرب پایدار به پایان می رسد (شکل شماره 7، ضمیمه B را ببینید).

مهم ترین شرایط برای انرژی هسته ای این است که رایج ترین ایزوتوپ اورانیوم، 238U، نیز منبع بالقوه سوخت هسته ای است. هم زیلارد و هم فرمی در این فرض که جذب نوترون توسط اورانیوم منجر به تشکیل عناصر جدید می‌شود، حق داشتند. در واقع، هنگام برخورد با یک نوترون حرارتی، اورانیوم 238 شکافت نمی‌شود، در عوض، هسته نوترون را جذب می‌کند. به طور متوسط، در 23.5 دقیقه، یکی از نوترون های هسته به پروتون تبدیل می شود (با گسیل یک الکترون، β - واکنش فروپاشی)، و هسته اورانیوم-239 به هسته نپتونیوم-239 (239Np) تبدیل می شود. پس از 2.4 روز، دومین فروپاشی β رخ می دهد و پلوتونیوم-239 (239Pu) تشکیل می شود.

در نتیجه جذب متوالی نوترون ها در یک راکتور هسته ای، می توان عناصری حتی سنگین تر از پلوتونیوم تولید کرد.

تنها مقادیر کمی از 239Pu، 244Pu و 237Np در مواد معدنی طبیعی و سنگ معدن اورانیوم یافت شد، بنابراین عناصر ترانس اورانیوم (سنگین تر از اورانیوم) عملاً هرگز در محیط طبیعی یافت نمی شوند.

ایزوتوپ های اورانیوم که در طبیعت وجود دارند از نظر واپاشی α و شکافت خودبخودی کاملاً پایدار نیستند، اما بسیار آهسته تجزیه می شوند: نیمه عمراورانیوم 238 4.5 میلیارد سال و اورانیوم 235 710 میلیون سال است. با توجه به فرکانس کم واکنش های هسته ای، چنین ایزوتوپ هایی با عمر طولانی منابع خطرناک تشعشع نیستند. یک شمش اورانیوم طبیعی را می توان بدون آسیب رساندن به سلامت در دستان خود نگه داشت. خاص او فعالیتبرابر با 0.67 mCi/kg (Ci – کوری، یک واحد فعالیت فراسیستمی برابر با 3.7 * 1010 فروپاشی در ثانیه).

محتوای مقاله

اورانوس، U (اورانیوم)، یک عنصر شیمیایی فلزی از خانواده اکتینیدها، که شامل Ac، Th، Pa، U و عناصر ترانس اورانیوم (Np، Pu، Am، Cm، Bk، Cf، Es، Fm، Md، No، Lr) است. اورانیوم به دلیل استفاده از آن در سلاح های هسته ای و انرژی هسته ای شهرت یافته است. از اکسیدهای اورانیوم برای رنگ آمیزی شیشه و سرامیک نیز استفاده می شود.

بودن در طبیعت.

محتوای اورانیوم در پوسته زمین 0.003 درصد است و در لایه سطحی زمین به صورت چهار نوع رسوب یافت می شود. اول، اینها رگه های اورانینیت یا زمین اورانیوم (دی اکسید اورانیوم UO 2) هستند که بسیار غنی از اورانیوم هستند، اما کمیاب هستند. آنها با رسوبات رادیوم همراه هستند، زیرا رادیوم محصول مستقیم تجزیه ایزوتوپی اورانیوم است. چنین رگه هایی در زئیر، کانادا (دریاچه خرس بزرگ)، جمهوری چک و فرانسه یافت می شود. دومین منبع اورانیوم کنگلومراهای سنگ معدن توریم و اورانیوم همراه با سنگ معدن سایر مواد معدنی مهم است. کنگلومراها معمولاً حاوی مقادیر کافی طلا و نقره برای بازیافت هستند و اورانیوم و توریم عناصر مرتبط هستند. ذخایر بزرگ این سنگ معدن در کانادا، آفریقای جنوبی، روسیه و استرالیا قرار دارد. سومین منبع اورانیوم، سنگ‌های رسوبی و ماسه‌سنگ‌های غنی از ماده معدنی کارنوتیت (پتاسیم اورانیل وانادات) است که علاوه بر اورانیوم، مقدار قابل توجهی وانادیم و سایر عناصر را نیز در خود دارد. چنین سنگ معدنی در ایالت های غربی ایالات متحده یافت می شود. شیل های آهن-اورانیوم و سنگ های فسفات چهارمین منبع رسوب را تشکیل می دهند. ذخایر غنی در شیل های سوئد یافت می شود. برخی از سنگ معدن های فسفات در مراکش و ایالات متحده حاوی مقادیر قابل توجهی اورانیوم هستند و ذخایر فسفات در آنگولا و جمهوری آفریقای مرکزی حتی از نظر اورانیوم غنی تر هستند. اغلب زغال سنگ ها و برخی زغال سنگ ها معمولا حاوی ناخالصی های اورانیوم هستند. ذخایر لیگنیت غنی از اورانیوم در داکوتای شمالی و جنوبی (ایالات متحده آمریکا) و ذغال سنگ قیر در اسپانیا و جمهوری چک یافت شده است.

افتتاح.

اورانوس در سال 1789 توسط شیمیدان آلمانی M. Klaproth کشف شد که این عنصر را به افتخار کشف سیاره اورانوس 8 سال قبل نامگذاری کرد. (کلاپروث شیمیدان پیشرو زمان خود بود؛ او عناصر دیگری از جمله Ce، Ti و Zr را نیز کشف کرد.) در واقع، ماده ای که کلاپروت به دست آورد، اورانیوم عنصری نبود، بلکه یک شکل اکسید شده از آن بود و اورانیوم عنصری برای اولین بار توسط آن به دست آمد. شیمیدان فرانسوی E. Peligo در سال 1841. از لحظه کشف تا قرن 20th. اورانیوم اهمیت امروزی را نداشت، اگرچه بسیاری از خواص فیزیکی آن و همچنین جرم و چگالی اتمی آن مشخص شده بود. در سال 1896، A. Becquerel ثابت کرد که نمک های اورانیوم دارای تشعشعاتی هستند که صفحه عکاسی را در تاریکی روشن می کند. این کشف شیمیدانان را برای تحقیق در زمینه رادیواکتیویته فعال کرد و در سال 1898، همسران فیزیکدان فرانسوی P. Curie و M. Sklodowska-Curie نمک های عناصر رادیواکتیو پولونیوم و رادیوم را جدا کردند و E. Rutherford، F. Soddy، K. Fayans. و دانشمندان دیگر نظریه واپاشی رادیواکتیو را توسعه دادند که پایه های شیمی هسته ای مدرن و انرژی هسته ای را بنا نهاد.

اولین استفاده از اورانیوم

اگرچه رادیواکتیویته نمک های اورانیوم شناخته شده بود، سنگ معدن های آن در ثلث اول این قرن فقط برای به دست آوردن رادیوم همراه استفاده می شد و اورانیوم یک محصول جانبی نامطلوب در نظر گرفته می شد. استفاده از آن عمدتاً در فناوری سرامیک و متالورژی متمرکز بود. اکسیدهای اورانیوم به طور گسترده ای برای رنگ آمیزی شیشه در رنگ های مختلف از زرد کم رنگ تا سبز تیره استفاده می شد که به توسعه تولید ارزان شیشه کمک کرد. امروزه محصولات این صنایع تحت اشعه ماوراء بنفش به عنوان فلورسنت شناخته می شوند. در طول جنگ جهانی اول و اندکی پس از آن، اورانیوم به شکل کاربید در تولید فولادهای ابزار، مشابه Mo و W استفاده شد. اورانیوم 4 تا 8 درصد جایگزین تنگستن شد که تولید آن در آن زمان محدود بود. برای به دست آوردن فولادهای ابزار در سالهای 1914-1926، سالانه چندین تن فرواورانیوم حاوی 30 درصد (جرم) U تولید می شد.

کاربردهای مدرن اورانیوم

صنعت اورانیوم در سال 1939 شکل گرفت، زمانی که شکافت ایزوتوپ اورانیوم 235 U انجام شد، که منجر به اجرای فنی واکنش های زنجیره ای کنترل شده شکافت اورانیوم در دسامبر 1942 شد. این تولد عصر اتم بود. ، زمانی که اورانیوم از یک عنصر ناچیز به یکی از مهمترین عناصر در زندگی جامعه تبدیل شد. اهمیت نظامی اورانیوم برای تولید بمب اتمی و استفاده از آن به عنوان سوخت در راکتورهای هسته ای باعث شد که تقاضا برای اورانیوم به طور نجومی افزایش یابد. گاهشماری رشد تقاضای اورانیوم بر اساس تاریخچه رسوبات در دریاچه خرس بزرگ (کانادا) جالب است. در سال 1930، مخلوط رزین، مخلوطی از اکسیدهای اورانیوم، در این دریاچه کشف شد و در سال 1932، فناوری تصفیه رادیوم در این منطقه ایجاد شد. از هر تن سنگ معدن (رزین مخلوط) 1 گرم رادیوم و حدود نیم تن محصول جانبی کنسانتره اورانیوم به دست آمد. با این حال، رادیوم کمی وجود داشت و استخراج آن متوقف شد. از سال 1940 تا 1942، توسعه مجدد از سر گرفته شد و سنگ معدن اورانیوم به ایالات متحده ارسال شد. در سال 1949، تصفیه اورانیوم مشابه، با برخی بهبودها، برای تولید UO 2 خالص مورد استفاده قرار گرفت. این تولید رشد کرده و اکنون یکی از بزرگترین تاسیسات تولید اورانیوم است.

خواص.

اورانیوم یکی از سنگین ترین عناصر موجود در طبیعت است. فلز خالص بسیار متراکم، انعطاف پذیر، الکترومثبت با رسانایی الکتریکی کم و بسیار واکنش پذیر است.

اورانیوم دارای سه تغییر آلوتروپیک است: آ-اورانیوم (شبکه کریستالی متعامد)، در محدوده دمای اتاق تا 668 درجه سانتیگراد وجود دارد. ب-اورانیوم (شبکه بلوری پیچیده از نوع چهارضلعی)، پایدار در محدوده 668-774 درجه سانتیگراد. g-اورانیوم (شبکه کریستالی مکعبی در مرکز بدن)، پایدار از 774 درجه سانتیگراد تا نقطه ذوب (1132 درجه سانتیگراد). از آنجایی که همه ایزوتوپ های اورانیوم ناپایدار هستند، همه ترکیبات آن رادیواکتیویته را نشان می دهند.

ایزوتوپ های اورانیوم

238 U، 235 U، 234 U در طبیعت به نسبت 99.3: 0.7: 0.0058 و 236 U در مقادیر کمی رخ می دهد. تمام ایزوتوپ های دیگر اورانیوم از 226 U تا 242 U به طور مصنوعی به دست می آیند. ایزوتوپ 235 U از اهمیت ویژه ای برخوردار است. تحت تأثیر نوترون های آهسته (حرارتی)، تقسیم می شود و انرژی عظیمی آزاد می شود. شکافت کامل 235 U منجر به آزاد شدن "معادل انرژی حرارتی" 2H 10 7 kWh h/kg می شود. از شکافت 235 U می توان نه تنها برای تولید مقادیر زیادی انرژی، بلکه برای سنتز سایر عناصر مهم اکتینید نیز استفاده کرد. اورانیوم ایزوتوپ طبیعی را می توان در راکتورهای هسته ای برای تولید نوترون های تولید شده از شکافت 235 U استفاده کرد، در حالی که نوترون های اضافی که در واکنش زنجیره ای مورد نیاز نیستند، می توانند توسط ایزوتوپ طبیعی دیگری جذب شوند که منجر به تولید پلوتونیوم می شود:

هنگامی که 238 U با نوترون های سریع بمباران می شود، واکنش های زیر رخ می دهد:

طبق این طرح، رایج‌ترین ایزوتوپ 238 U را می‌توان به پلوتونیوم-239 تبدیل کرد که مانند 235 U، تحت تأثیر نوترون‌های کند نیز قابلیت شکافت را دارد.

در حال حاضر، تعداد زیادی ایزوتوپ مصنوعی اورانیوم به دست آمده است. در میان آنها، 233 U به ویژه قابل توجه است زیرا در هنگام تعامل با نوترون های کند نیز شکافت می شود.

برخی دیگر از ایزوتوپ های مصنوعی اورانیوم اغلب به عنوان ردیاب رادیواکتیو در تحقیقات شیمیایی و فیزیکی استفاده می شوند. این اول از همه است ب- امیتر 237 U و آ- امیتر 232 U.

اتصالات.

اورانیوم، یک فلز بسیار واکنش پذیر، دارای حالت های اکسیداسیون از +3 تا +6، نزدیک به بریلیم در سری فعالیت، با تمام غیر فلزات تعامل دارد و ترکیبات بین فلزی را با Al، Be، Bi، Co، Cu، Fe، Hg تشکیل می دهد. ، Mg، Ni، Pb، Sn و Zn. اورانیوم ریز خرد شده به ویژه واکنش پذیر است و در دمای بالای 500 درجه سانتی گراد اغلب وارد واکنش های مشخصه هیدرید اورانیوم می شود. اورانیوم توده ای یا براده ها در دمای 700-1000 درجه سانتیگراد به خوبی می سوزند و بخار اورانیوم در دمای 150-250 درجه سانتیگراد می سوزد؛ اورانیوم با HF در دمای 200-400 درجه سانتیگراد واکنش می دهد و UF 4 و H 2 را تشکیل می دهد. اورانیوم به آرامی در HF غلیظ یا H 2 SO 4 و 85 درصد H 3 PO 4 حتی در دمای 90 درجه سانتی گراد حل می شود، اما به راحتی با غلظت واکنش نشان می دهد. HCl و با HBr یا HI کمتر فعال است. فعال ترین و سریع ترین واکنش های اورانیوم با HNO 3 رقیق و غلیظ با تشکیل نیترات اورانیوم رخ می دهد. زیر را ببینید). در حضور HCl، اورانیوم به سرعت در اسیدهای آلی حل می شود و نمک های آلی U4+ را تشکیل می دهد. بسته به درجه اکسیداسیون، اورانیوم چندین نوع نمک را تشکیل می دهد (مهمترین آنها با U 4+ است، یکی از آنها UCl 4 یک نمک سبز رنگ است که به راحتی اکسید می شود). نمک های اورانیل (رادیکال UO 2 2 + ) از نوع UO 2 (NO 3) 2 زرد رنگ و سبز فلورسانس هستند. نمک های اورانیل با حل کردن اکسید آمفوتریک UO 3 (رنگ زرد) در یک محیط اسیدی تشکیل می شوند. در یک محیط قلیایی، UO 3 اورانات هایی مانند Na 2 UO 4 یا Na 2 U 2 O 7 را تشکیل می دهد. ترکیب اخیر ("اورانیل زرد") برای ساخت لعاب های چینی و در تولید شیشه های فلورسنت استفاده می شود.

هالیدهای اورانیوم به طور گسترده ای در سال های 1940-1950 مورد مطالعه قرار گرفتند، زیرا از آنها برای توسعه روش هایی برای جداسازی ایزوتوپ های اورانیوم برای بمب اتمی یا راکتور هسته ای استفاده می شد. تری فلوراید اورانیوم UF 3 از احیای UF 4 با هیدروژن و تترا فلوراید اورانیوم UF 4 به روش های مختلف با واکنش HF با اکسیدهایی مانند UO 3 یا U 3 O 8 یا با احیای الکترولیتی ترکیبات اورانیل به دست می آید. هگزا فلوراید اورانیوم UF 6 از فلوئوراسیون U یا UF 4 با فلوئور عنصری یا با اثر اکسیژن روی UF 4 به دست می آید. هگزا فلوراید بلورهای شفاف با ضریب شکست بالا در دمای 64 درجه سانتیگراد (1137 میلی متر جیوه) تشکیل می دهد. این ترکیب فرار است (در فشار معمولی در دمای 56.54 درجه سانتیگراد تصعید می شود). اگزوهالیدهای اورانیوم، به عنوان مثال، اکسوفلووریدها، دارای ترکیب UO 2 F 2 (اورانیل فلوراید)، UOF 2 (دی فلورید اکسید اورانیوم) هستند.

اورانیوم از کجا آمد؟به احتمال زیاد، در هنگام انفجار ابرنواختر ظاهر می شود. واقعیت این است که برای سنتز هسته‌ای عناصر سنگین‌تر از آهن، باید جریان قدرتمندی از نوترون‌ها وجود داشته باشد که دقیقاً در طی یک انفجار ابرنواختری رخ می‌دهد. به نظر می رسد که پس از آن، در هنگام تراکم از ابر منظومه های ستاره ای جدید تشکیل شده توسط آن، اورانیوم که در یک ابر پیش سیاره ای جمع شده و بسیار سنگین است، باید در اعماق سیارات غرق شود. اما این درست نیست. اورانیوم یک عنصر رادیواکتیو است و هنگامی که تجزیه می شود گرما آزاد می کند. محاسبات نشان می دهد که اگر اورانیوم به طور مساوی در کل ضخامت سیاره توزیع شود، حداقل با همان غلظتی که در سطح آن وجود دارد، گرمای زیادی منتشر می کند. علاوه بر این، جریان آن باید با مصرف اورانیوم ضعیف شود. از آنجایی که چنین چیزی مشاهده نشده است، زمین شناسان بر این باورند که حداقل یک سوم اورانیوم، و شاید تمام آن، در پوسته زمین متمرکز شده است، جایی که محتوای آن 2.5∙10-4٪ است. اینکه چرا این اتفاق افتاده بحثی نیست.

اورانیوم از کجا استخراج می شود؟اورانیوم روی زمین خیلی کم نیست - از نظر فراوانی در جایگاه 38 قرار دارد. و بیشتر این عنصر در سنگ های رسوبی - شیل های کربنی و فسفریت ها یافت می شود: به ترتیب تا 8∙10-3 و 2.5∙10-2٪. در مجموع، پوسته زمین حاوی 1014 تن اورانیوم است، اما مشکل اصلی این است که بسیار پراکنده است و رسوبات قدرتمندی تشکیل نمی دهد. تقریباً 15 ماده معدنی اورانیوم دارای اهمیت صنعتی هستند. این قطران اورانیوم است - اساس آن اکسید اورانیوم چهار ظرفیتی، میکای اورانیوم - سیلیکات های مختلف، فسفات ها و ترکیبات پیچیده تر با وانادیوم یا تیتانیوم بر اساس اورانیوم شش ظرفیتی است.

پرتوهای بکرل چیست؟پس از کشف اشعه ایکس توسط ولفگانگ رونتگن، فیزیکدان فرانسوی آنتوان هانری بکرل به درخشش نمک های اورانیوم که تحت تأثیر نور خورشید رخ می دهد علاقه مند شد. او می خواست بفهمد آیا اینجا هم اشعه ایکس وجود دارد یا خیر. در واقع، آنها حضور داشتند - نمک صفحه عکاسی را از طریق کاغذ سیاه روشن کرد. با این حال، در یکی از آزمایش‌ها، نمک روشن نشد، اما صفحه عکاسی همچنان تاریک بود. هنگامی که یک جسم فلزی بین نمک و صفحه عکاسی قرار می گرفت، تیرگی زیر آن کمتر بود. بنابراین، پرتوهای جدید به دلیل تحریک اورانیوم توسط نور پدید نیامدند و تا حدی از فلز عبور نکردند. آنها در ابتدا "پرتوهای بکرل" نامیده می شدند. متعاقباً کشف شد که اینها عمدتاً پرتوهای آلفا با مقدار کمی پرتوهای بتا هستند: واقعیت این است که ایزوتوپ‌های اصلی اورانیوم یک ذره آلفا را در طول واپاشی منتشر می‌کنند و محصولات دختر نیز تجزیه بتا را تجربه می‌کنند.

اورانیوم چقدر رادیواکتیو است؟اورانیوم هیچ ایزوتوپ پایداری ندارد، همه آنها رادیواکتیو هستند. طولانی ترین اورانیوم 238 با نیمه عمر 4.4 میلیارد سال است. بعدی اورانیوم 235 - 0.7 میلیارد سال است. آنها هر دو تحت واپاشی آلفا قرار می گیرند و به ایزوتوپ های مربوط به توریم تبدیل می شوند. اورانیوم 238 بیش از 99 درصد کل اورانیوم طبیعی را تشکیل می دهد. به دلیل نیمه عمر بسیار زیاد، رادیواکتیویته این عنصر کم است و علاوه بر این، ذرات آلفا قادر به نفوذ به لایه شاخی در سطح بدن انسان نیستند. آنها می گویند که پس از کار با اورانیوم، I.V. Kurchatov به سادگی دستان خود را با یک دستمال پاک کرد و از هیچ بیماری مرتبط با رادیواکتیویته رنج نبرد.

محققان بارها به آمار بیماری های کارگران در معادن و کارخانه های فرآوری اورانیوم روی آورده اند. به عنوان مثال، در اینجا مقاله اخیر متخصصان کانادایی و آمریکایی است که داده های بهداشتی بیش از 17 هزار کارگر معدن الدورادو در استان ساسکاچوان کانادا را برای سال های 1950-1999 تجزیه و تحلیل کردند. تحقیقات محیطی، 2014، 130، 43-50، DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). آنها از این واقعیت نتیجه گرفتند که تابش قوی ترین اثر را بر تکثیر سریع سلول های خونی دارد که منجر به انواع سرطان های مربوطه می شود. آمارها نشان داده است که کارگران معدن در مقایسه با میانگین جمعیت کانادایی کمتر به انواع سرطان خون مبتلا می شوند. در این حالت، منبع اصلی تشعشعات، خود اورانیوم در نظر گرفته نمی شود، بلکه رادون گازی تولید شده و فرآورده های پوسیده آن است که می تواند از طریق ریه ها وارد بدن شود.

چرا اورانیوم مضر است؟? این فلز مانند سایر فلزات سنگین بسیار سمی است و می تواند باعث نارسایی کلیه و کبد شود. از سوی دیگر، اورانیوم به عنوان عنصری پراکنده، ناگزیر در آب، خاک وجود دارد و با تمرکز در زنجیره غذایی وارد بدن انسان می شود. منطقی است که فرض کنیم در فرآیند تکامل، موجودات زنده یاد گرفته اند اورانیوم را در غلظت های طبیعی خنثی کنند. اورانیوم خطرناک ترین در آب است، بنابراین سازمان جهانی بهداشت حدی را تعیین کرد: در ابتدا 15 میکروگرم در لیتر بود، اما در سال 2011 این استاندارد به 30 میکروگرم در گرم افزایش یافت. به عنوان یک قاعده، اورانیوم بسیار کمتری در آب وجود دارد: در ایالات متحده به طور متوسط ​​6.7 میکروگرم در لیتر، در چین و فرانسه - 2.2 میکروگرم در لیتر. اما انحرافات قوی نیز وجود دارد. بنابراین در برخی مناطق کالیفرنیا صد برابر بیشتر از استاندارد است - 2.5 میلی گرم در لیتر، و در جنوب فنلاند به 7.8 میلی گرم در لیتر می رسد. محققان با مطالعه تأثیر اورانیوم بر حیوانات در تلاشند تا بفهمند که آیا استاندارد WHO بسیار سخت‌گیرانه است یا خیر. اینجا یک کار معمولی است ( BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI: 10.1155/2014/181989). دانشمندان فرانسوی به مدت 9 ماه موش ها را با مواد افزودنی اورانیوم ضعیف شده و در غلظت های نسبتاً بالا - از 0.2 تا 120 میلی گرم در لیتر، تغذیه کردند. مقدار پایین تر، آب نزدیک معدن است، در حالی که مقدار بالاتر در هیچ کجا یافت نمی شود - حداکثر غلظت اورانیوم، اندازه گیری شده در فنلاند، 20 میلی گرم در لیتر است. در کمال تعجب نویسندگان - نام مقاله: "فقدان غیرمنتظره اثر قابل توجه اورانیوم بر سیستم های فیزیولوژیکی ..." - اورانیوم عملاً هیچ تأثیری بر سلامت موش ها نداشت. حیوانات خوب غذا می‌خوردند، به درستی وزن اضافه می‌کردند، از بیماری شکایت نمی‌کردند و از سرطان نمی‌مردند. اورانیوم، همانطور که باید باشد، عمدتاً در کلیه ها و استخوان ها و در مقادیر صد برابر کمتر در کبد رسوب می کرد و انتظار می رفت انباشت آن به محتوای موجود در آب بستگی داشت. با این حال، این منجر به نارسایی کلیه یا حتی ظاهر قابل توجه نشانگرهای مولکولی التهاب نشد. نویسندگان پیشنهاد کردند که بازبینی دستورالعمل های سختگیرانه WHO باید آغاز شود. با این حال، یک هشدار وجود دارد: تأثیر آن بر مغز. اورانیوم کمتری در مغز موش‌ها نسبت به کبد وجود داشت، اما محتوای آن به مقدار موجود در آب بستگی نداشت. اما اورانیوم بر عملکرد سیستم آنتی اکسیدانی مغز تأثیر گذاشت: فعالیت کاتالاز 20٪، گلوتاتیون پراکسیداز 68-90٪ افزایش یافت و فعالیت سوپراکسید دیسموتاز 50٪ بدون توجه به دوز کاهش یافت. این بدان معنی است که اورانیوم به وضوح باعث ایجاد استرس اکسیداتیو در مغز می شود و بدن به آن پاسخ می دهد. این اثر - تأثیر قوی اورانیوم بر مغز در غیاب انباشته شدن آن در آن، اتفاقاً و همچنین در اندام تناسلی - قبلاً مشاهده شده بود. علاوه بر این، آب با اورانیوم در غلظت 75 تا 150 میلی‌گرم در لیتر، که محققان دانشگاه نبراسکا به مدت شش ماه به موش‌ها تغذیه کردند. نوروتوکسیکولوژی و تراتولوژی، 2005، 27، 1، 135-144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001)، بر رفتار حیوانات، عمدتاً نر، که در مزرعه رها می‌شوند، تأثیر می‌گذارد: آنها از خطوط عبور می‌کنند، روی پاهای عقب خود می‌ایستند و خز خود را متفاوت از حیوانات کنترل می‌کنند. شواهدی وجود دارد که نشان می دهد اورانیوم همچنین منجر به اختلال حافظه در حیوانات می شود. تغییرات رفتاری با سطوح اکسیداسیون لیپید در مغز مرتبط بود. معلوم شد که آب اورانیوم موش ها را سالم، اما احمق کرده است. این داده ها در تحلیل به اصطلاح سندرم جنگ خلیج فارس برای ما مفید خواهد بود.

آیا اورانیوم سایت های توسعه گاز شیل را آلوده می کند؟بستگی به این دارد که چه مقدار اورانیوم در سنگ های حاوی گاز وجود دارد و چگونه با آنها مرتبط است. به عنوان مثال، دانشیار تریسی بانک از دانشگاه بوفالو، شیل مارسلوس را مطالعه کرد که از غرب نیویورک تا پنسیلوانیا و اوهایو تا ویرجینیای غربی امتداد دارد. مشخص شد که اورانیوم از نظر شیمیایی دقیقاً به منبع هیدروکربن‌ها مرتبط است (به یاد داشته باشید که شیل‌های کربنی مرتبط بالاترین محتوای اورانیوم را دارند). آزمایشات نشان داده است که محلول مورد استفاده در هنگام شکست اورانیوم را کاملاً حل می کند. زمانی که اورانیوم موجود در این آب ها به سطح زمین می رسد، می تواند باعث آلودگی مناطق اطراف شود. تریسی بانک در بیانیه مطبوعاتی دانشگاه مورخ 25 اکتبر 2010 خاطرنشان می کند که این یک خطر تشعشع نیست، اما اورانیوم یک عنصر سمی است. هنوز هیچ مقاله مفصلی در مورد خطر آلودگی محیط زیست با اورانیوم یا توریم در طول تولید گاز شیل تهیه نشده است.

چرا اورانیوم مورد نیاز است؟قبلاً به عنوان رنگدانه برای ساخت سرامیک و شیشه های رنگی استفاده می شد. اکنون اورانیوم اساس انرژی هسته ای و سلاح های اتمی است. در این مورد، از ویژگی منحصر به فرد آن استفاده می شود - توانایی هسته برای تقسیم.

شکافت هسته ای چیست؟ تجزیه یک هسته به دو قطعه بزرگ نابرابر. به دلیل این خاصیت است که در طول سنتز هسته در اثر تابش نوترون، هسته‌های سنگین‌تر از اورانیوم به سختی تشکیل می‌شوند. ماهیت پدیده به شرح زیر است. اگر نسبت تعداد نوترون ها و پروتون ها در هسته بهینه نباشد، ناپایدار می شود. به طور معمول، چنین هسته ای یا یک ذره آلفا - دو پروتون و دو نوترون، یا یک ذره بتا - یک پوزیترون منتشر می کند که با تبدیل یکی از نوترون ها به پروتون همراه است. در مورد اول، یک عنصر از جدول تناوبی به دست می آید، با فاصله دو سلول به عقب، در دوم - یک سلول به جلو. با این حال، علاوه بر گسیل ذرات آلفا و بتا، هسته اورانیوم قادر به شکافت - تجزیه به هسته دو عنصر در وسط جدول تناوبی، به عنوان مثال باریم و کریپتون است، که با دریافت یک نوترون جدید انجام می دهد. این پدیده اندکی پس از کشف رادیواکتیویته کشف شد، زمانی که فیزیکدانان تشعشعات تازه کشف شده را در معرض هر چیزی که می توانستند قرار دادند. در اینجا این است که چگونه اتو فریش، یکی از شرکت کنندگان در رویدادها، در این مورد می نویسد ("پیشرفت در علوم فیزیکی"، 1968، 96، 4). پس از کشف پرتوهای بریلیوم - نوترون ها - انریکو فرمی با آنها اورانیوم را به ویژه برای ایجاد واپاشی بتا تحت تابش قرار داد - او امیدوار بود که از آن برای بدست آوردن عنصر بعدی، نود و سوم، که اکنون نپتونیم نامیده می شود، استفاده کند. او بود که نوع جدیدی از رادیواکتیویته را در اورانیوم تابیده شده کشف کرد که با ظاهر عناصر ترانس اورانیوم مرتبط بود. در همان زمان، کاهش سرعت نوترون ها، که منبع بریلیم با لایه ای از پارافین پوشانده شده بود، این رادیواکتیویته القایی را افزایش داد. رادیو شیمیدان آمریکایی آریستید فون گروس پیشنهاد کرد که یکی از این عناصر پروتاکتینیوم است، اما او در اشتباه بود. اما اتو هان که در آن زمان در دانشگاه وین کار می کرد و پروتاکتینیم کشف شده در سال 1917 را زاییده فکر خود می دانست، به این نتیجه رسید که موظف است بفهمد چه عناصری به دست آمده است. هان به همراه لیز مایتنر، در آغاز سال 1938، بر اساس نتایج تجربی، پیشنهاد کرد که کل زنجیره‌های عناصر رادیواکتیو به دلیل واپاشی‌های متعدد بتا هسته‌های جاذب نوترون اورانیوم 238 و عناصر دختر آن تشکیل شده‌اند. به زودی لیز مایتنر از ترس انتقام‌جویی احتمالی نازی‌ها پس از Anschluss اتریش، مجبور شد به سوئد فرار کند. هان، پس از ادامه آزمایشات خود با فریتز استراسمن، متوجه شد که در میان محصولات، عنصر شماره 56، باریم نیز وجود دارد که به هیچ وجه نمی توان آن را از اورانیوم به دست آورد: تمام زنجیره های آلفا واپاشی اورانیوم با سرب بسیار سنگین تر به پایان می رسد. محققان از نتیجه آنقدر شگفت زده شدند که آن را منتشر نکردند، آنها فقط نامه هایی به دوستانشان، به ویژه به لیز مایتنر در گوتنبرگ نوشتند. در آنجا، در کریسمس 1938، برادرزاده او، اتو فریش، او را ملاقات کرد، و با قدم زدن در مجاورت شهر زمستانی - او با اسکی، عمه پیاده - آنها در مورد احتمال ظهور باریم در هنگام تابش اورانیوم بحث کردند. نتیجه شکافت هسته ای (برای اطلاعات بیشتر در مورد لیز مایتنر، به "شیمی و زندگی"، 2013، شماره 4 مراجعه کنید). در بازگشت به کپنهاگ، فریش به معنای واقعی کلمه نیلز بور را در باند کشتی در حال عزیمت به ایالات متحده گرفتار کرد و به او درباره ایده شکافت گفت. بور در حالی که سیلی به پیشانی خود می زد، گفت: «اوه، ما چه احمقی بودیم! ما باید زودتر به این موضوع توجه می کردیم." در ژانویه 1939، فریش و مایتنر مقاله ای در مورد شکافت هسته های اورانیوم تحت تأثیر نوترون ها منتشر کردند. در آن زمان، اتو فریش قبلاً یک آزمایش کنترلی و همچنین بسیاری از گروه های آمریکایی که پیام بور را دریافت کرده بودند، انجام داده بود. آنها می گویند که فیزیکدانان درست در طول گزارش او در 26 ژانویه 1939 در واشنگتن در کنفرانس سالانه فیزیک نظری، زمانی که جوهر این ایده را درک کردند، شروع به پراکندگی در آزمایشگاه های خود کردند. پس از کشف شکافت، هان و استراسمن آزمایشات خود را تجدید نظر کردند و درست مانند همکارانشان دریافتند که رادیواکتیویته اورانیوم تابیده شده نه با ترانس اورانیوم، بلکه با تجزیه عناصر رادیواکتیو تشکیل شده در طول شکافت از وسط جدول تناوبی مرتبط است.

واکنش زنجیره ای در اورانیوم چگونه رخ می دهد؟اندکی پس از اینکه امکان شکافت هسته‌های اورانیوم و توریم به‌طور تجربی اثبات شد (و هیچ عنصر شکافت‌پذیر دیگری در زمین به مقدار قابل توجهی وجود ندارد)، نیلز بور و جان ویلر، که در پرینستون کار می‌کردند، و همچنین، مستقل از آنها، فیزیکدان نظری شوروی Ya.I. Frenkel و آلمانی ها Siegfried Flügge و Gottfried von Droste نظریه شکافت هسته ای را ایجاد کردند. دو مکانیسم از آن پیروی کرد. یکی با آستانه جذب نوترون های سریع مرتبط است. بر اساس آن، برای شروع شکافت، یک نوترون باید انرژی نسبتاً بالایی داشته باشد، بیش از 1 مگا ولت برای هسته ایزوتوپ های اصلی - اورانیوم-238 و توریم-232. در انرژی های پایین تر، جذب نوترون توسط اورانیوم 238 دارای ویژگی تشدید کننده است. بنابراین، یک نوترون با انرژی 25 eV دارای سطح مقطعی است که هزاران بار بزرگتر از انرژی های دیگر است. در این حالت، شکافتی وجود نخواهد داشت: اورانیوم-238 تبدیل به اورانیوم-239 می شود که با نیمه عمر 23.54 دقیقه به نپتونیوم-239 تبدیل می شود که با نیمه عمر 2.33 روز به عمر طولانی تبدیل می شود. پلوتونیوم-239. توریم-232 به اورانیوم-233 تبدیل می شود.

مکانیسم دوم جذب غیر آستانه ای یک نوترون است، پس از آن سومین ایزوتوپ شکافت پذیر کم و بیش رایج - اورانیوم-235 (و همچنین پلوتونیوم-239 و اورانیوم-233 که در طبیعت یافت نمی شوند) دنبال می شود: با جذب هر نوترون، حتی آهسته، به اصطلاح حرارتی، با انرژی مانند مولکول های شرکت کننده در حرکت حرارتی - 0.025 eV، چنین هسته ای تقسیم می شود. و این بسیار خوب است: نوترون های حرارتی دارای سطح مقطع جذب چهار برابر بیشتر از نوترون های سریع و مگاالکترون ولت هستند. این اهمیت اورانیوم 235 برای کل تاریخ بعدی انرژی هسته ای است: این است که ضرب نوترون ها را در اورانیوم طبیعی تضمین می کند. هسته اورانیوم 235 پس از برخورد با نوترون ناپایدار می شود و به سرعت به دو قسمت نابرابر تقسیم می شود. در طول مسیر، چندین نوترون جدید (به طور متوسط ​​2.75) منتشر می شود. اگر آنها به هسته های همان اورانیوم برخورد کنند، باعث تکثیر نمایی نوترون ها می شوند - یک واکنش زنجیره ای رخ می دهد که به دلیل انتشار سریع مقدار زیادی گرما منجر به انفجار می شود. نه اورانیوم 238 و نه توریم 232 نمی توانند اینطور کار کنند: بالاخره در طول شکافت، نوترون ها با انرژی متوسط ​​1-3 مگا ولت ساطع می شوند، یعنی اگر آستانه انرژی 1 مگا ولت وجود داشته باشد، بخش قابل توجهی از نوترون ها قطعا قادر به ایجاد واکنش نخواهند بود و تولید مثلی نیز وجود نخواهد داشت. این بدان معناست که این ایزوتوپ‌ها باید فراموش شوند و نوترون‌ها باید به انرژی حرارتی کاهش یابند تا با هسته‌های اورانیوم 235 تا حد امکان تعامل داشته باشند. در عین حال، جذب رزونانس آنها توسط اورانیوم-238 مجاز نیست: از این گذشته، در اورانیوم طبیعی این ایزوتوپ کمی کمتر از 99.3٪ است و نوترون ها اغلب با آن برخورد می کنند و نه با اورانیوم-235 هدف. و با عمل به عنوان تعدیل کننده، می توان ضرب نوترون ها را در یک سطح ثابت نگه داشت و از انفجار جلوگیری کرد - واکنش زنجیره ای را کنترل کرد.

محاسباتی که توسط Ya. B. Zeldovich و Yu. B. Khariton در همان سال سرنوشت ساز 1939 انجام شد، نشان داد که برای این کار لازم است از یک تعدیل کننده نوترونی به شکل آب سنگین یا گرافیت استفاده شود و اورانیوم طبیعی با اورانیوم غنی شود. 235 حداقل 1.83 بار. سپس این ایده برای آنها خیالی محض به نظر می رسید: "باید توجه داشت که غنی سازی تقریباً دو برابر آن مقادیر نسبتاً قابل توجهی از اورانیوم که برای انجام یک انفجار زنجیره ای لازم است.<...>یک کار بسیار دشوار و تقریباً غیرممکن است.» اکنون این مشکل حل شده است و صنعت هسته ای در حال تولید انبوه اورانیوم غنی شده با اورانیوم 235 تا 3.5 درصد برای نیروگاه ها است.

شکافت هسته ای خود به خود چیست؟در سال 1940، G. N. Flerov و K. A. Petrzhak کشف کردند که شکافت اورانیوم می تواند خود به خود و بدون هیچ گونه تأثیر خارجی رخ دهد، اگرچه نیمه عمر بسیار طولانی تر از تجزیه آلفای معمولی است. از آنجایی که چنین شکافتی نوترون ها را نیز تولید می کند، اگر به آنها اجازه داده نشود از منطقه واکنش فرار کنند، به عنوان آغازگر واکنش زنجیره ای عمل خواهند کرد. این پدیده است که در ایجاد راکتورهای هسته ای استفاده می شود.

چرا انرژی هسته ای مورد نیاز است؟زلدویچ و خاریتون جزو اولین کسانی بودند که اثر اقتصادی انرژی هسته ای را محاسبه کردند (Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1940, 23, 4). «...در حال حاضر، هنوز نمی توان نتیجه گیری نهایی در مورد امکان یا عدم امکان انجام یک واکنش شکافت هسته ای با زنجیره های انشعاب بی نهایت در اورانیوم انجام داد. اگر چنین واکنشی امکان پذیر باشد، آنگاه سرعت واکنش به طور خودکار تنظیم می شود تا از پیشرفت هموار آن، علیرغم مقدار عظیم انرژی در اختیار آزمایشگر، اطمینان حاصل شود. این شرایط برای استفاده از انرژی واکنش بسیار مطلوب است. بنابراین اجازه دهید - اگرچه این تقسیم پوست یک خرس کشته نشده است - برخی از اعدادی که احتمال استفاده از انرژی از اورانیوم را مشخص می کند، ارائه کنیم. بنابراین، اگر فرآیند شکافت با نوترون‌های سریع پیش برود، واکنش ایزوتوپ اصلی اورانیوم (U238) را جذب می‌کند.<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>هزینه یک کالری از ایزوتوپ اصلی اورانیوم تقریباً 4000 برابر ارزان تر از زغال سنگ است (مگر اینکه، البته، فرآیندهای "احتراق" و حذف گرما در مورد اورانیوم بسیار گران تر از در مورد زغال سنگ). در مورد نوترون های آهسته، هزینه یک کالری "اورانیوم" (براساس ارقام بالا) با در نظر گرفتن اینکه فراوانی ایزوتوپ U235 0.007 است، در حال حاضر فقط 30 برابر ارزان تر از کالری "زغال سنگ" است. همه چیزهای دیگر برابر باشند.»

اولین واکنش زنجیره ای کنترل شده در سال 1942 توسط انریکو فرمی در دانشگاه شیکاگو انجام شد و راکتور به صورت دستی کنترل شد - با فشار دادن میله های گرافیت به داخل و خارج با تغییر شار نوترون. اولین نیروگاه در اوبنینسک در سال 1954 ساخته شد. اولین راکتورها علاوه بر تولید انرژی، برای تولید پلوتونیوم با درجه سلاح نیز کار کردند.

نیروگاه هسته ای چگونه کار می کند؟امروزه بیشتر رآکتورها با نوترون های کند کار می کنند. اورانیوم غنی شده به شکل فلز، آلیاژی مانند آلومینیوم یا اکسید در سیلندرهای بلندی به نام عناصر سوختی قرار می گیرد. آنها به روش خاصی در راکتور نصب می شوند و میله های تعدیل کننده بین آنها قرار می گیرند که واکنش زنجیره ای را کنترل می کنند. با گذشت زمان، سموم راکتور در عنصر سوخت - محصولات شکافت اورانیوم، که همچنین قادر به جذب نوترون هستند، جمع می شوند. هنگامی که غلظت اورانیوم 235 به زیر سطح بحرانی می‌رسد، این عنصر از خدمت خارج می‌شود. با این حال، حاوی قطعات شکافت زیادی با رادیواکتیویته قوی است که در طول سال ها کاهش می یابد و باعث می شود که عناصر برای مدت طولانی مقدار قابل توجهی گرما از خود ساطع کنند. آنها در استخرهای خنک کننده نگهداری می شوند و سپس یا دفن می شوند یا سعی می شود فرآوری شوند - برای استخراج اورانیوم 235 نسوخته، پلوتونیوم تولید شده (از آن برای ساخت بمب اتمی استفاده می شد) و سایر ایزوتوپ هایی که می توان از آنها استفاده کرد. قسمت استفاده نشده به محل دفن فرستاده می شود.

در راکتورهای به اصطلاح سریع یا راکتورهای پرورش دهنده، بازتابنده هایی از اورانیوم 238 یا توریم 232 در اطراف عناصر نصب می شوند. آنها سرعت خود را کاهش می دهند و نوترون های خیلی سریع را به منطقه واکنش می فرستند. نوترون‌هایی که به سرعت رزونانس کاهش یافته‌اند، این ایزوتوپ‌ها را جذب می‌کنند و به ترتیب به پلوتونیوم 239 یا اورانیوم 233 تبدیل می‌شوند که می‌توانند به عنوان سوخت نیروگاه هسته‌ای عمل کنند. از آنجایی که نوترون های سریع با اورانیوم 235 واکنش ضعیفی نشان می دهند، غلظت آن باید به میزان قابل توجهی افزایش یابد، اما این با شار نوترونی قوی تر جواب می دهد. علیرغم این واقعیت که راکتورهای پرورش دهنده آینده انرژی هسته ای در نظر گرفته می شوند، زیرا آنها بیش از مصرف سوخت هسته ای تولید می کنند، آزمایش ها نشان داده اند که مدیریت آنها دشوار است. اکنون تنها یک رآکتور در جهان باقی مانده است - در چهارمین واحد نیروگاه بلویارسک NPP.

انرژی هسته ای چگونه نقد می شود؟اگر ما در مورد حوادث صحبت نکنیم، پس نکته اصلی در استدلال مخالفان انرژی هسته ای امروز پیشنهاد اضافه کردن هزینه های حفاظت از محیط زیست پس از از کار انداختن ایستگاه و هنگام کار با سوخت به محاسبه کارایی آن است. در هر دو مورد، چالش‌های دفع مطمئن زباله‌های رادیواکتیو به وجود می‌آیند و این هزینه‌هایی است که دولت متحمل می‌شود. این نظر وجود دارد که اگر آنها را به هزینه انرژی منتقل کنید، جذابیت اقتصادی آن از بین می رود.

در میان حامیان انرژی هسته ای نیز مخالفت هایی وجود دارد. نمایندگان آن به منحصر به فرد بودن اورانیوم-235 اشاره می کنند که جایگزینی ندارد، زیرا ایزوتوپ های جایگزین شکافته شده توسط نوترون های حرارتی - پلوتونیوم-239 و اورانیوم-233 - به دلیل نیمه عمر هزاران ساله خود، در طبیعت یافت نمی شوند. و دقیقاً در نتیجه شکافت اورانیوم 235 به دست می آیند. اگر تمام شود، یک منبع طبیعی شگفت انگیز از نوترون ها برای یک واکنش زنجیره ای هسته ای ناپدید می شود. در نتیجه چنین اتلاف‌هایی، بشریت در آینده این فرصت را از دست خواهد داد که توریم 232 را که ذخایر آن چندین برابر اورانیوم است در چرخه انرژی وارد کند.

از نظر تئوری، شتاب دهنده های ذرات را می توان برای تولید شار نوترون های سریع با انرژی های مگاالکترون ولت استفاده کرد. با این حال، اگر به عنوان مثال، در مورد پروازهای بین سیاره ای با موتور هسته ای صحبت می کنیم، اجرای یک طرح با یک شتاب دهنده حجیم بسیار دشوار خواهد بود. کاهش اورانیوم 235 به چنین پروژه هایی پایان می دهد.

اورانیوم با درجه سلاح چیست؟این اورانیوم 235 بسیار غنی شده است. جرم بحرانی آن - به اندازه یک قطعه ماده که در آن یک واکنش زنجیره ای خود به خود رخ می دهد مطابقت دارد - به اندازه ای کوچک است که بتواند مهمات تولید کند. از چنین اورانیوم می توان برای ساخت بمب اتمی و همچنین به عنوان فیوز بمب گرما هسته ای استفاده کرد.

چه بلاهایی با استفاده از اورانیوم مرتبط است؟انرژی ذخیره شده در هسته عناصر شکافت پذیر بسیار زیاد است. اگر به دلیل نظارت یا عمد از کنترل خارج شود، این انرژی می تواند دردسرهای زیادی ایجاد کند. بدترین فاجعه هسته ای در 6 و 8 آگوست 1945 رخ داد، زمانی که نیروی هوایی ایالات متحده بمب های اتمی را بر روی هیروشیما و ناکازاکی انداخت و صدها هزار غیرنظامی را کشت و زخمی کرد. بلایا در مقیاس کوچکتر با حوادث در نیروگاه های هسته ای و شرکت های چرخه هسته ای همراه است. اولین حادثه بزرگ در سال 1949 در اتحاد جماهیر شوروی در کارخانه مایاک در نزدیکی چلیابینسک، جایی که پلوتونیوم تولید می شد، رخ داد. زباله های رادیواکتیو مایع به رودخانه تکا ختم شد. در سپتامبر 1957، انفجاری در آن رخ داد و مقدار زیادی مواد رادیواکتیو آزاد شد. یازده روز بعد، راکتور تولید پلوتونیوم بریتانیا در Windscale سوخت و ابر با محصولات انفجار در اروپای غربی پراکنده شد. در سال 1979، یک راکتور در نیروگاه هسته ای جزیره تری میل در پنسیلوانیا سوخت. گسترده ترین عواقب ناشی از حوادث در نیروگاه هسته ای چرنوبیل (1986) و نیروگاه هسته ای فوکوشیما (2011) بود که میلیون ها نفر در معرض تشعشعات قرار گرفتند. اولین مناطق وسیعی را پر از زباله کرد و 8 تن سوخت اورانیوم و محصولات پوسیده را در نتیجه انفجار که در سراسر اروپا پخش شد، آزاد کرد. دومین مورد آلوده و سه سال پس از حادثه، همچنان اقیانوس آرام را در مناطق ماهیگیری آلوده می کند. رفع عواقب این حوادث بسیار پرهزینه بود و اگر این هزینه ها به هزینه برق تقسیم می شد، افزایش چشمگیری داشت.

موضوع جداگانه عواقب آن برای سلامتی انسان است. بر اساس آمارهای رسمی، بسیاری از افرادی که از بمباران جان سالم به در بردند یا در مناطق آلوده زندگی می کردند از تشعشعات بهره بردند - اولی امید به زندگی بالاتری دارند، دومی سرطان کمتری دارند و کارشناسان مقداری افزایش مرگ و میر را به استرس اجتماعی نسبت می دهند. تعداد افرادی که دقیقاً بر اثر حوادث و یا در نتیجه انحلال آنها جان خود را از دست داده اند به صدها نفر می رسد. مخالفان نیروگاه های هسته ای اشاره می کنند که این حوادث منجر به مرگ زودرس چندین میلیون نفر در قاره اروپا شده است، اما در زمینه آماری به سادگی قابل مشاهده نیستند.

حذف اراضی از استفاده انسان در مناطق حادثه خیز به یک نتیجه جالب می انجامد: آنها به نوعی ذخیره گاه طبیعی تبدیل می شوند که در آن تنوع زیستی رشد می کند. درست است، برخی از حیوانات از بیماری های مربوط به تشعشع رنج می برند. این سؤال که آنها چقدر سریع با پس‌زمینه افزایش‌یافته سازگار خواهند شد، همچنان باز است. همچنین عقیده ای وجود دارد که پیامد تابش مزمن "انتخاب برای احمق ها" است (نگاه کنید به "شیمی و زندگی"، 2010، شماره 5): حتی در مرحله جنینی، موجودات اولیه بیشتری زنده می مانند. به ویژه در رابطه با مردم، این امر باید منجر به کاهش توانایی های ذهنی در نسل متولد شده در مناطق آلوده در مدت کوتاهی پس از حادثه شود.

اورانیوم ضعیف شده چیست؟این اورانیوم 238 است که پس از جدا شدن اورانیوم 235 از آن باقی مانده است. حجم ضایعات حاصل از تولید اورانیوم و عناصر سوخت با درجه تسلیحات زیاد است - تنها در ایالات متحده، 600 هزار تن هگزا فلوراید اورانیوم انباشته شده است (برای مشکلات مربوط به آن، به Chemistry and Life، 2008، شماره 5 مراجعه کنید). . محتوای اورانیوم 235 در آن 0.2٪ است. این ضایعات یا باید تا زمان های بهتر ذخیره شوند، یعنی زمانی که راکتورهای نوترونی سریع ایجاد می شوند و امکان پردازش اورانیوم 238 به پلوتونیوم وجود خواهد داشت، یا به نحوی استفاده می شود.

برای آن کاربرد پیدا کردند. اورانیوم مانند سایر عناصر انتقالی به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. به عنوان مثال، نویسندگان مقاله در نانو ACSدر تاریخ 30 ژوئن 2014، آنها نوشتند که کاتالیزوری ساخته شده از اورانیوم یا توریم با گرافن برای کاهش اکسیژن و پراکسید هیدروژن "پتانسیل بسیار زیادی برای استفاده در بخش انرژی دارد." از آنجایی که اورانیوم چگالی بالایی دارد، به عنوان بالاست برای کشتی ها و وزنه تعادل برای هواپیماها عمل می کند. این فلز همچنین برای حفاظت در برابر تشعشع در دستگاه های پزشکی دارای منابع تشعشع مناسب است.

از اورانیوم ضعیف شده چه سلاح هایی می توان ساخت؟گلوله ها و هسته های پرتابه های زره ​​پوش. محاسبه در اینجا به شرح زیر است. هرچه پرتابه سنگین‌تر باشد، انرژی جنبشی آن بیشتر است. اما هرچه پرتابه بزرگتر باشد، تأثیر آن کمتر متمرکز می شود. این بدان معناست که فلزات سنگین با چگالی بالا مورد نیاز است. گلوله ها از سرب ساخته شده اند (شکارچیان اورال در یک زمان از پلاتین بومی نیز استفاده می کردند تا اینکه متوجه شدند این فلز گرانبها است)، در حالی که هسته های پوسته از آلیاژ تنگستن ساخته شده است. محیط بانان خاطرنشان می کنند که سرب خاک را در مکان های عملیات نظامی یا شکار آلوده می کند و بهتر است آن را با چیزی کم ضررتر به عنوان مثال تنگستن جایگزین کرد. اما تنگستن ارزان نیست و اورانیوم با چگالی مشابه، زباله مضری است. در عین حال، آلودگی خاک و آب مجاز به اورانیوم تقریباً دو برابر سرب است. این به این دلیل اتفاق می افتد که رادیواکتیویته ضعیف اورانیوم ضعیف شده (و همچنین 40٪ کمتر از اورانیوم طبیعی است) نادیده گرفته می شود و یک عامل شیمیایی واقعا خطرناک در نظر گرفته می شود: اورانیوم، همانطور که به یاد داریم، سمی است. در عین حال، چگالی آن 1.7 برابر بیشتر از چگالی سرب است، به این معنی که اندازه گلوله های اورانیوم را می توان به نصف کاهش داد. اورانیوم بسیار نسوز و سخت‌تر از سرب است - هنگام شلیک کمتر تبخیر می‌شود و وقتی به هدف برخورد می‌کند ریزذرات کمتری تولید می‌کند. به طور کلی، گلوله اورانیوم آلودگی کمتری نسبت به گلوله سربی دارد، اگرچه چنین استفاده ای از اورانیوم به طور قطع شناخته شده نیست.

اما مشخص است که صفحات ساخته شده از اورانیوم ضعیف شده برای تقویت زره تانک های آمریکایی (این امر با چگالی و نقطه ذوب بالای آن تسهیل می شود) و همچنین به جای آلیاژ تنگستن در هسته ها برای پرتابه های زره ​​پوش استفاده می شود. هسته اورانیوم نیز خوب است زیرا اورانیوم پیروفوریک است: ذرات ریز داغ آن در اثر برخورد با زره شعله ور می شوند و همه چیز را در اطراف آتش می زنند. هر دو کاربرد در برابر تشعشع ایمن در نظر گرفته می شوند. بنابراین، محاسبه نشان داد که حتی پس از یک سال نشستن در یک تانک با زره اورانیوم پر از مهمات اورانیوم، خدمه تنها یک چهارم دوز مجاز را دریافت می کنند. و برای دریافت دوز مجاز سالانه، باید چنین مهمات را به مدت 250 ساعت به سطح پوست بچسبانید.

گلوله‌های هسته‌های اورانیوم - برای توپ‌های هواپیمای 30 میلی‌متری یا زیر کالیبرهای توپخانه - توسط آمریکایی‌ها در جنگ‌های اخیر مورد استفاده قرار گرفته‌اند که با شروع عملیات عراق در سال 1991 شروع شد. در آن سال بر یگان‌های زرهی عراق در کویت باریدند و در هنگام عقب‌نشینی، 300 تن اورانیوم ضعیف‌شده که 250 تن یا 780 هزار گلوله آن به سمت هواپیما شلیک شد. در بوسنی و هرزگوین، در هنگام بمباران ارتش جمهوری صربستان به رسمیت شناخته نشده، 2.75 تن اورانیوم و در هنگام گلوله باران ارتش یوگسلاوی در منطقه کوزوو و متوهیا - 8.5 تن یا 31 هزار گلوله مصرف شد. از آنجایی که WHO در آن زمان نگران عواقب استفاده از اورانیوم بود، نظارت انجام شد. او نشان داد که یک گلوله شامل تقریباً 300 گلوله است که 80 درصد آن حاوی اورانیوم ضعیف شده است. 10 درصد اهداف را مورد اصابت قرار دادند و 82 درصد در فاصله 100 متری آنها سقوط کردند. بقیه در 1.85 کیلومتر پراکنده شدند. گلوله‌ای که به یک تانک اصابت کرد، سوخت و به آئروسل تبدیل شد؛ گلوله اورانیوم از میان اهداف سبک مانند نفربرهای زرهی نفوذ کرد. بنابراین، حداکثر یک و نیم تن گلوله می تواند به غبار اورانیوم در عراق تبدیل شود. به گفته کارشناسان مرکز تحقیقات استراتژیک آمریکا RAND Corporation، بیش از 10 تا 35 درصد اورانیوم مورد استفاده به آئروسل تبدیل شده است. آصاف دوراکوویچ، فعال کروات ضد مهمات اورانیوم، که در سازمان های مختلفی از بیمارستان ملک فیصل ریاض تا مرکز تحقیقات پزشکی اورانیوم واشنگتن کار کرده است، تخمین می زند که تنها در جنوب عراق در سال 1991، 3 تا 6 تن ذرات اورانیوم زیر میکرون تشکیل شده است. که در منطقه وسیعی پراکنده شده اند، یعنی آلودگی اورانیوم در آنجا با چرنوبیل قابل مقایسه است.

قطعات شکافت

یکی از ویژگی های شکافت این است که قطعات تشکیل شده در نتیجه شکافت، به عنوان یک قاعده، دارای جرم های قابل توجهی متفاوت هستند. در مورد محتمل ترین شکافت 235 U، نسبت جرم قطعه 1.46 است. یک قطعه سنگین دارای عدد جرمی 139 است، یک قطعه سبک دارای عدد جرمی 95 است. تقسیم به دو قطعه با چنین جرمی تنها امکان ممکن نیست. توزیع جرم قطعات حاصل از شکافت 235 U توسط نوترون های حرارتی در شکل 1 نشان داده شده است. 8. در بین محصولات شکافت قطعاتی با A=72-161 و Z=30-65 کشف شد. احتمال شکافت به دو قطعه با جرم مساوی صفر نیست. هنگام شکافت توسط نوترون های حرارتی، احتمال شکافت متقارن تقریباً سه مرتبه کمتر از احتمال شکافت به قطعات با A = 139 و 95 است. حتی به لحاظ کیفی قوانین اساسی چنین شکافتی را توضیح نمی دهد. تقسیم نامتقارن را می توان با تأثیر ساختار پوسته هسته توضیح داد. هسته تمایل به شکافتن دارد به گونه ای که بخش اصلی نوکلئون های قطعه یک هسته جادویی پایدار را تشکیل می دهد.
در طی فرآیند شکافت، بخش عمده ای از انرژی به شکل انرژی جنبشی قطعات شکافت آزاد می شود. این نتیجه را می توان از این واقعیت گرفت که انرژی کولن دو قطعه در تماس تقریباً برابر با انرژی شکافت است. تحت تأثیر نیروهای دافعه الکتریکی، انرژی کولن قطعات به انرژی جنبشی تبدیل می شود.

رابطه زیر بین انرژی جنبشی E قطعات و جرم آنها M وجود دارد که از قانون بقای تکانه نتیجه می شود:

جایی که E l و M l و رجوع به قطعه سبک، و اط و م ت - به سنگین شود. با استفاده از این رابطه، می توان توزیع جرم قطعات را از توزیع انرژی قطعات بدست آورد (شکل 9). پارامترهای توزیع انرژی، و همچنین برخی دیگر از ویژگی های قطعات شکافت 235 U توسط نوترون های حرارتی در جدول آورده شده است. 1.

جدول 1. ویژگی های قطعات سبک و سنگین برای محتمل ترین شکافت 235 U توسط نوترون های حرارتی

انرژی جنبشی قطعات شکافت نسبتاً کمی به انرژی برانگیختگی هسته شکافت بستگی دارد، زیرا انرژی اضافی معمولاً برای برانگیختن حالت داخلی قطعات می رود.
شکل 10 توزیع جرمی قطعات شکافت 234 U و هسته های سنگین تر را نشان می دهد. می توان مشاهده کرد که توزیع جرم قطعات سنگین نزدیک است، در حالی که میانگین جرم قطعات سبک از 90 ~ برای 234 U تا ~ 114 برای 256 Fm متغیر است. این امر به ویژه در شکل 11 به وضوح دیده می شود.

میانگین جرم گروه سبک با افزایش جرم هسته شکافت پذیر تقریباً خطی افزایش می یابد، در حالی که میانگین جرم گروه سنگین تقریباً بدون تغییر باقی می ماند (A140). بنابراین، تقریباً تمام نوکلئون های اضافی به قطعات سبک می روند. در شکل 10، نواحی هسته با اعداد جادویی پروتون ها و نوترون ها سایه دار شده اند. برای Z = 50، هسته های پایدار با Z/A 0.4 (A = 125) مطابقت دارد. قطعات شکافت غنی از نوترون Z/A تا 0.38 ~ (A = 132) دارند، یعنی. حدود 7 نوترون "اضافی". درست در لبه گروه سنگین قطعات، هسته جادویی مضاعف 132 Sn (Z = 50، N = 82) قرار دارد. این پیکربندی فوق‌العاده پایدار، انتهای پایینی توزیع جرم قطعات سنگین را مشخص می‌کند. این افکت برای قطعات سبک وجود ندارد. توزیع جرم قطعات نور عملاً در منطقه حتی یک عدد جادویی N = 50 قرار نمی گیرد و به طور قابل توجهی کمتر توسط اثرات پوسته تعیین می شود. این از نوکلئون های "باقی مانده" پس از تشکیل یک قطعه سنگین تشکیل می شود.

اورانیوم یک فلز رادیواکتیو است. در طبیعت، اورانیوم از سه ایزوتوپ اورانیوم 238، اورانیوم 235 و اورانیوم 234 تشکیل شده است. بالاترین سطح پایداری در اورانیوم 238 ثبت شده است.

تجزیه رادیواکتیو اورانیوم

واپاشی رادیواکتیو فرآیند تغییر ناگهانی در ترکیب یا ساختار داخلی هسته های اتمی است که با ناپایداری مشخص می شود. در این حالت، ذرات بنیادی، پرتوهای گاما و/یا قطعات هسته ای ساطع می شوند. مواد رادیواکتیو حاوی یک هسته رادیواکتیو هستند. هسته دختر حاصل از واپاشی رادیواکتیو نیز می تواند رادیواکتیو شود و پس از مدتی معین دچار پوسیدگی شود. این روند تا زمانی ادامه می یابد که یک هسته پایدار و عاری از رادیواکتیویته تشکیل شود. رادرفورد به طور تجربی در سال 1899 ثابت کرد که نمک های اورانیوم سه نوع پرتو ساطع می کنند:

• اشعه α - جریانی از ذرات با بار مثبت
• پرتوهای β - جریانی از ذرات با بار منفی
• پرتوهای γ در میدان مغناطیسی انحراف ایجاد نمی کنند.

رادیواکتیویته اورانیوم

رادیواکتیویته طبیعی چیزی است که اورانیوم رادیواکتیو را از سایر عناصر متمایز می کند. اتم های اورانیوم بدون توجه به هر عامل و شرایطی به تدریج تغییر می کنند. در این حالت پرتوهای نامرئی ساطع می شود. پس از دگرگونی هایی که با اتم های اورانیوم رخ می دهد، عنصر رادیواکتیو متفاوتی به دست می آید و این فرآیند تکرار می شود. او هر چند بار که لازم باشد برای به دست آوردن یک عنصر غیر رادیواکتیو تکرار خواهد کرد. به عنوان مثال، برخی از زنجیره های تبدیل تا 14 مرحله دارند. در این حالت عنصر میانی رادیوم و آخرین مرحله تشکیل سرب است. این فلز یک عنصر رادیواکتیو نیست، بنابراین یک سری تحولات قطع می شود. با این حال، چندین میلیارد سال طول می کشد تا اورانیوم به طور کامل به سرب تبدیل شود.
سنگ معدن اورانیوم رادیواکتیو اغلب باعث مسمومیت در شرکت های درگیر در استخراج و فرآوری مواد خام اورانیوم می شود. در بدن انسان، اورانیوم یک سم سلولی عمومی است. در درجه اول بر کلیه ها تأثیر می گذارد، اما بر کبد و دستگاه گوارش نیز تأثیر می گذارد.
اورانیوم ایزوتوپ های کاملاً پایداری ندارد. طولانی ترین دوره عمر برای اورانیوم 238 مشاهده شده است. نیمه فروپاشی اورانیوم 238 در طول 4.4 میلیارد سال رخ می دهد. کمی کمتر از یک میلیارد سال، نیمه فروپاشی اورانیوم 235 رخ می دهد - 0.7 میلیارد سال. اورانیوم 238 بیش از 99 درصد از حجم کل اورانیوم طبیعی را به خود اختصاص داده است. به دلیل نیمه عمر عظیم آن، رادیواکتیویته این فلز زیاد نیست؛ به عنوان مثال، ذرات آلفا نمی توانند به لایه شاخی پوست انسان نفوذ کنند. پس از یک سری مطالعات، دانشمندان دریافتند که منبع اصلی تشعشعات خود اورانیوم نیست، بلکه گاز رادونی است که تولید می‌کند و همچنین محصولات پوسیده آن که در طول تنفس وارد بدن انسان می‌شوند.