Уран: факти та фактики. Ділення ядер Ланцюгова ядерна реакція

Природний уран складається із суміші трьох ізотопів: 238U - 99,2739 % (період напіврозпаду) T 1/2 = 4,468 × 109 років), 235U - 0,7024% ( T 1/2 = 7,038×108 років) та 234U - 0,0057 % ( T 1/2 = 2,455 105 років). Останній ізотоп не є первинним, а радіогенним, він входить до складу радіоактивного ряду 238U.

Радіоактивність природного урану обумовлена ​​переважно ізотопами 238U і 234U, у рівновазі їх питомі активності рівні. Питома активність ізотопу 235U у природному урані у 21 разів менша за активність 238U.

Відомо 11 штучних радіоактивних ізотопів урану з масовими числами від 227 до 240. Найбільш довгоживучий з них - 233U ( T 1/2 = 1,62×105років) виходить при опроміненні торіянейтронами і здатний до спонтанного поділу тепловими нейтронами.

Ізотопи урану 238U та 235U є родоначальниками двох радіоактивних рядів. Кінцевими елементами цих рядів є ізотопи свинцю206Pb та 207Pb.

У природних умовах поширені переважно ізотопи 234U: 235U: 238U = 0,0054: 0,711: 99,283. Половина радіоактивності природного урану обумовлена ​​ізотопом 234U. Ізотоп 234U утворюється рахунок розпаду 238U. Для двох останніх на відміну від інших пар ізотопів і незалежно від високої міграційної здатності урану характерна географічна сталість відношення U238/U235=137,88. Розмір цього відношення залежить від віку урану. Численні натурні виміри показали його незначні коливання. Так, у ролах величина цього відношення щодо еталона змінюється не більше 0,9959 −1,0042, у солях - 0,996 - 1,005. У мінералах, що містять уран (настуран, уранова чернь, циртоліт, рідкоземельні руди) величина цього відношення коливається в межах 137,30 - 138,51; причому різницю між формами UIV і UVI не встановлено; у сфені – 138,4. В окремих метеоритах виявлено нестачу ізотопу 235U. Найменша його концентрація у земних умовах знайдено у 1972 р. французьким дослідником Бужигесом у містечку Окло в Африці (родовище в Габоні). Так у нормальному урані міститься 0,7025 % урану 235U, тоді як у Окло воно зменшується до 0,557 %. Це послужило підтвердженням гіпотези про наявність природного ядерного реактора, що веде до вигоряння ізотопу, передбаченої Джордж Ветрилл (George W. Wetherill) з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Марк Інгремом (Mark G. Inghram) з університету Чикаго і Полом Курода. , хіміком з Університету Арканзасу, який ще в 1956 р. описав процес. Крім цього, у цих округах знайдено природні ядерні реактори: Окелобондо, Бангомбе (Bangombe) та ін. В даний час відомо близько 17 природних ядерних реакторів.

Отримання

Найперша стадія уранового виробництва – концентрування. Породу дроблять і змішують із водою. Тяжкі компоненти суспензії осаджуються швидше. Якщо порода містить первинні мінерали урану, всі вони осаджуються швидко: це важкі мінерали. Вторинні мінерали урану легші, у разі раніше осідає важка порожня порода. (Втім, далеко не завжди вона справді порожня; в ній можуть бути багато корисних елементів, у тому числі й уран).

Наступна стадія - вилуговування концентратів, переведення урану в розчин. Застосовують кислотне та лужне вилуговування. Перше – дешевше, оскільки для вилучення урану використовують сірчану кислоту. Але якщо у вихідній сировині, як, наприклад, в урановій смолке, Уран знаходиться в чотиривалентному стані, то цей спосіб не застосовується: чотиривалентний уран у сірчаній кислоті практично не розчиняється. У цьому випадку потрібно або вдатися до лужного вилуговування, або заздалегідь окислювати уран до шестивалентного стану.

Не застосовують кислотне вилуговування і в тих випадках, якщо урановий концентрат містить доломіт або магнезит, що реагують із сірчаною кислотою. У таких випадках користуються їдким натром (гидроксидомнатрия).

Проблему вилуговування урану з руд вирішує кисневе продування. У нагріту до 150 °C суміш уранової руди з сульфідними мінералами подають потік кисню. При цьому із сірчистих мінералів утворюється сірчана кислота, яка і вимиває уран.

На наступному етапі отриманого розчину потрібно вибірково виділити уран. Сучасні методи – екстракція та іонний обмін – дозволяють вирішити цю проблему.

Розчин містить не тільки уран, а й інші катіони. Деякі з них у певних умовах поводяться так само, як уран: екстрагуються тими ж органічними розчинниками, осідають на тих самих іонообмінних смолах, випадають в осад за тих же умов. Тому для селективного виділення урану доводиться використовувати багато окислювально-відновних реакцій, щоб на кожній стадії позбавлятися того чи іншого небажаного попутника. На сучасних іонообмінних смолах уран виділяється дуже селективно.

Методи іонного обміну та екстракціїхороші ще й тим, що дозволяють досить повно витягувати уран із бідних розчинів (зміст урану - десяті частки грама на літр).

Після цих операцій уран переводять у твердий стан - в один із оксидів або в тетрафторид UF4. Але цей уран ще треба очистити від домішок із великим перетином захоплення теплових нейтронів – бору, кадмію, гафнію. Їх вміст у кінцевому продукті не повинен перевищувати стотисячних та мільйонних часток відсотка. Для видалення цих домішок технічно чисту сполуку урану розчиняють у азотній кислоті. При цьому утворюється уранілнітрат UO2(NO3)2, який при екстракції трибутилфосфатом і деякими іншими речовинами додатково очищається до потрібних кондицій. Потім цю речовину кристалізують (або беруть в облогу пероксид UO4·2H2O) і починають обережно прожарювати. В результаті цієї операції утворюється трикіс урану UO3, яку відновлюють воднем до UO2.

На діоксид урану UO2 при температурі від 430 до 600 C впливають сухим фтористим воднем для отримання тетрафториду UF4. З цієї сполуки відновлюють металевий уран за допомогою кальцію чи магнію.

Збіднений уран

Після вилучення 235U і 234U з природного урану, матеріал (уран-238), що залишився, носить назву «збіднений уран», оскільки він збіднений 235-м ізотопом. За деякими даними, у США зберігається близько 560 000 тонн збідненого гексафториду урану (UF6).

Збіднений уран вдвічі менш радіоактивний, ніж природний уран, переважно рахунок видалення з нього 234U. Через те, що основне використання урану – виробництво енергії, збіднений уран – малокорисний продукт із низькою економічною цінністю.

В основному його використання пов'язане з великою густиною урану і відносно низькою його вартістю. Збіднений уран використовується для радіаційного захисту (хоч як це дивно) і як баластна маса в аерокосмічних застосуваннях, таких як рульові поверхні літальних апаратів. У кожному літаку «Боїнг-747» міститься 1500 кг збідненого урану для цього. Ще цей матеріал застосовується у високошвидкісних роторах гіроскопів, великих маховиках, як баласт у космічних апаратах, що спускаються, і гоночних яхтах, при бурінні нафтових свердловин.

Фізіологічна дія

У мікрокількостях (10-5-10-8%) виявляється у тканинах рослин, тварин та людини. Найбільшою мірою накопичується деякими грибами та водоростями. З'єднання урану всмоктуються у шлунково-кишковому тракті (близько 1%), у легенях – 50%. Основні депо в організмі: селезінка, нирки, скелет, печінка, легкі та бронхолегеневі лімфатичні вузли. Зміст в органах і тканинах людини та тварин не перевищує 10-7г.

Уран та його сполуки токсичні. Особливо небезпечні аерозолі урану та його сполук. Для аерозолів розчинних у воді сполук урану ГДК у повітрі 0,015 мг/м³, для нерозчинних форм урану ГДК 0,075 мг/м³. При попаданні в організм уран діє на всі органи, будучи загальноклітинною отрутою. Уран практично незворотно, як і багато інших важких металів, зв'язується з білками, перш за все, з сульфідними групами амінокислот, порушуючи їх функцію. Молекулярний механізм дії урану пов'язаний із його здатністю пригнічувати активність ферментів. Насамперед уражаються нирки (з'являються білок і цукор у сечі, олігурія). При хронічній інтоксикації можливі порушення кровотворення та нервової системи.

Видобуток урану у світі

10 країн, відповідальних за 94% світового видобутку урану

Згідно з «Червоною книгою з урану», випущеною ОЕСР, у 2005 видобуто 41 250 тонн урану (у 2003 – 35 492 тонни). За даними ОЕСР, у світі функціонує 440 реакторів комерційного призначення, які споживають за рік 67 тис. тонн урану. Це означає, що його виробництво забезпечує лише 60% обсягу його споживання (решта витягується зі старих ядерних боєголовок). Видобуток країнами в тоннах за змістом U на 2005-2006 гг. (Дивитись таблицю № 13, додаток А).

Видобуток у Росії

У СРСР основними уранорудними регіонами були Україна (родовище Желтореченське, Первомайське та ін.), Казахстан (Північний – Балкашинське рудне поле та ін.; Південний – Кизилсайське рудне поле та ін.; Східний; всі вони належать переважно вулканогенно-гідротермальному типу); Забайкалля (Антей, Стрільцівське та ін); Середня Азія, переважно Узбекистан з орудненнями у чорних сланцях із центром у м. Учкудук. Є маса дрібних рудопроявів та проявів. У Росії її основним урановорудным регіоном залишилося Забайкалля. На родовищі Читинської області (біля міста Краснокаменськ) видобувається близько 93 % російського урану. Видобуток здійснює шахтним способом «Пріаргунське виробниче гірничо-хімічне об'єднання» (ППДГЗ), що входить до складу ВАТ «Атомредметзолото» (Урановий холдинг).

Інші 7% отримують методом підземного вилуговування ЗАТ «Далур» (Курганська область) та ВАТ «Хіагда» (Бурятія).

Отримані руди та урановий концентрат переробляються на Чепецькому механічному заводі.

Видобуток у Казахстані

У Казахстані зосереджена приблизно п'ята частина світових запасів урану (21% та 2 місце у світі). Загальні ресурси урану близько 1,5 млн. тонн, їх близько 1,1 млн. тонн можна видобувати методом підземного вилуговування.

У 2009 році Казахстан вийшов на перше місце у світі з видобутку урану (видобуто 13 500 тонн).

Видобуток в Україні

Основне підприємство – Східний гірничо-збагачувальний комбінат у місті Жовті Води.

Застосування

Хоча уран-238 не може бути використаний як первинний матеріал, що діляється, через високу енергію нейтронів, необхідних для його поділу, він займає важливе місце в ядерній галузі.

Маючи високу щільність і атомну вагу, U-238 придатний виготовлення з нього оболонок заряду рефлектора у пристроях синтезу і поділу. Той факт, що він ділиться швидкими нейтронами, збільшує енерговихід заряду: побічно розмноженням відбитих нейтронів; безпосередньо при розподілі ядер оболонки швидкими нейтронами (при синтезі). Приблизно 40% нейтронів, утворених при розподілі і всі нейтрони синтезу мають достатні для розподілу U-238 енергіями.

U-238 має інтенсивність спонтанного поділу в 35 разів вищу, ніж U-235, 5.51 поділів/с*кг. Це унеможливлює застосування його як оболонки заряду рефлектора в гарматних бомбах, бо відповідна його маса (200-300 кг) створить занадто високий нейтронний фон.

Чистий U-238 має питому радіоактивність 0.333 мікрокюрі/р.

Важлива сфера застосування цього ізотопу урану - виробництво плутонію-239. Плутоній утворюється в ході кількох реакцій, що починаються після захоплення атомом U-238 нейтрону. Будь-яке реакторне паливо, що містить природний або частково збагачений по 235-му ізотопу уран, після закінчення паливного циклу містить певну частку плутонію.

Ланцюжок розпаду урану-238

Ізотоп уран-238, його в природному урані більше, ніж 99%. Цей ізотоп є найстійкішим, тепловими нейтронами його ядро ​​розщепити не можна. Щоб розділити 238U, нейтрону потрібна додаткова кінетична енергія 1.4 МеВ. Ядерний реактор із чистого урану–238 за жодних умов не працюватиме.

Атом урану-238, у ядрі якого протони та нейтрони ледве утримуються разом силами зчеплення. Іноді з нього виривається компактна група з чотирьох частинок: двох протонів та двох нейтронів (α-частка). Уран-238 перетворюється, таким чином, на торій-234, в ядрі якого містяться 90 протонів і 144 нейтрони. Але торій-234 також нестабільний. Його перетворення відбувається, однак, не так, як у попередньому випадку: один з його нейтронів перетворюється на протон, і торій-234 перетворюється на протактіній-234, в ядрі якого містяться 91 протон і 143 нейтрони. Ця метаморфоза, що сталася в ядрі, позначається і на електронах, що рухаються по своїх орбітах: один з них стає неспареним і вилітає з атома. Протактіній дуже нестабільний, і йому потрібно зовсім небагато часу на перетворення. Далі йдуть інші перетворення, що супроводжуються випромінюваннями, і весь цей ланцюжок закінчується стабільним нуклідом свинцю (див. малюнок № 7, додаток Б).

Найважливішою обставиною для ядерної енергетики виявляється те, що найпоширеніший ізотоп урану238U також є потенційним джерелом ядерного палива. І Сциллард, і Фермі мали рацію, припускаючи, що поглинання нейтронів ураном призведе до утворення нових елементів. Справді, під час зіткнення з тепловим нейтроном уран-238 не ділиться, натомість ядро ​​поглинає нейтрон. У середньому за 23.5 хвилин один з нейтронів в ядрі перетворюється на протон (з вильотом електрона, реакція β - розпаду), і ядроурану-239 стає ядром нептунія-239 (239Np). Через 2.4 діб відбувається другий - розпад і утворюється плутоній-239 (239Pu).

В результаті послідовного поглинання нейтронів в ядерному реакторі можуть бути напрацьовані елементи ще важчі, ніж плутоній.

У природних мінералах і урановій руді виявлялися тільки мікрокількості 239Pu, 244Pu і 237Np, так що в природному середовищі трансуранові елементи (важчі, ніж уран), практично не зустрічаються.

Ізотопи урану, що існують у природі, не зовсім стабільні по відношенню до α-розпаду та спонтанного поділу, проте розпадаються дуже повільно: період напіврозпадуурану-238 дорівнює 4.5 мільярдам років, а урану-235 - 710 мільйонам років. Через малу частоту ядерних реакцій такі довгоживучі ізотопи не є небезпечними джерелами радіації. Зливок природного урану можна тримати в руках без шкоди здоров'ю. Його питома активністьдорівнює 0.67 мКі/кг (Кі - кюрі, позасистемна одиниця активності, що дорівнює 3.7 * 1010 розпадів за секунду).

Зміст статті

УРАН, U (uranium), металевий хімічний елемент сімейства актиноїдів, які включають Ac, Th, Pa, U та трансуранові елементи (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Уран набув популярності завдяки використанню його в ядерній зброї та атомній енергетиці. Оксиди урану застосовуються також для фарбування скла та кераміки.

Знаходження у природі.

Вміст урану в земній корі становить 0,003%, він зустрічається в поверхневому шарі землі у вигляді чотирьох видів відкладень. По-перше, це жили уранініту, або уранової смолки (діоксид урану UO 2), дуже багаті на уран, але рідко зустрічаються. Їм супроводжують відкладення радію, оскільки радій є прямим продуктом ізотопного розпаду урану. Такі жили зустрічаються в Заїрі, Канаді (Велике Ведмеже озеро), Чехії та Франції. Другим джерелом урану є конгломерати торієвої та уранової руди разом із рудами інших важливих мінералів. Конгломерати зазвичай містять достатні для отримання кількості золота і срібла, а супутніми елементами стають уран і торій. Великі родовища цих руд перебувають у Канаді, ПАР, же Росії та Австралії. Третім джерелом урану є осадові породи та пісковики, багаті мінералом карнотитом (ураніл-ванадат калію), який містить, крім урану, значну кількість ванадію та інших елементів. Такі руди трапляються у західних штатах США. Залізоранові сланці та фосфатні руди становлять четверте джерело відкладень. Багаті відкладення виявлено у глинистих сланцях Швеції. Деякі фосфатні руди Марокко та США містять значні кількості урану, а фосфатні поклади в Анголі та Центральноафриканській Республіці ще багатші на уран. Більшість лігнітів і деякі вугілля зазвичай містять домішки урану. Багаті ураном відкладення лігнітів виявлені в Північній та Південній Дакоті (США) та бітумному вугіллі Іспанії та Чехії.

Відкриття.

Уран був відкритий у 1789 році німецьким хіміком М.Клапротом, який привласнив ім'я елементу на честь відкриття за 8 років перед цим планети Уран. (Клапрот був провідним хіміком свого часу; він відкрив також інші елементи, у тому числі Ce, Ti та Zr.) Насправді речовина, отримана Клапротом, була не елементним ураном, але окисленою формою його, а елементний уран був вперше отриманий французьким хіміком Е .Пеліго в 1841. З моменту відкриття та до 20 ст. Уран не мав того значення, яке він має зараз, хоча багато його фізичних властивостей, а також атомна маса і щільність були визначені. У 1896 А.Беккерель встановив, що солі урану мають випромінювання, яке засвічує фотопластинку в темряві. Це відкриття активізувало хіміків до досліджень в галузі радіоактивності і в 1898 французькі фізики дружини П.Кюрі та М.Склодовська-Кюрі виділили солі радіоактивних елементів полонію та радію, а Е.Резерфорд, Ф.Содді, К.Фаянс та інші вчені розробили теорію радіо розпаду, що заклало основи сучасної ядерної хімії та атомної енергетики.

Перші застосування урану.

Хоча радіоактивність солей урану була відома, його руди у першій третині нинішнього століття використовувалися лише для отримання супутнього радію, а уран вважався небажаним побічним продуктом. Його використання було зосереджено в основному в технології кераміки та в металургії; оксиди урану широко застосовували для фарбування скла кольору від блідо-жовтого до темнозеленого, що сприяло розвитку недорогих скляних виробництв. Сьогодні вироби цих виробництв ідентифікують як флуоресцентні під ультрафіолетовими променями. Під час Першої світової війни та невдовзі після неї уран у вигляді карбіду застосовували у виробництві інструментальних сталей, аналогічно Mo та W; 4–8% урану замінювали на вольфрам, виробництво якого на той час було обмежене. Для отримання інструментальних сталей у 1914–1926 щорічно виробляли по кілька тонн ферорурану, що містить до 30% (мас.) U. Однак таке застосування урану тривало недовго.

Сучасне застосування урану.

Промисловість урану почала складатися в 1939, коли було здійснено поділ ізотопу урану 235 U, що призвело до технічної реалізації контрольованих ланцюгових реакцій поділу урану в грудні 1942. Це було народження ери атома, коли уран з незначного елемента перетворився на один з найважливіших елементів товариства. Військове значення урану для виробництва атомної бомби та використання як паливо в ядерних реакторах викликали попит на уран, який зріс в астрономічних розмірах. Цікава хронологія зростання потреби в урані з історії відкладень у Великому Ведмежому озері (Канада). У 1930 році в цьому озері була виявлена ​​смоляна обманка - суміш оксидів урану, а в 1932 році на цій ділянці була налагоджена технологія очищення радію. З кожної тонни руди (смоляної обманки) отримували 1 г радію та близько половини тонни побічного продукту – уранового концентрату. Однак радію було мало і його видобуток було припинено. З 1940 по 1942 р. розробку відновили і почали відправку уранової руди до США. У 1949 аналогічне очищення урану з деякими удосконаленнями було застосовано для виробництва чистого UO 2 . Це виробництво зростало, і в даний час воно є одним із найбільших виробництв урану.

Властивості.

Уран – один із найважчих елементів, що зустрічаються в природі. Чистий метал дуже щільний, пластичний, електропозитивний з малою електропровідністю та високореакційний.

Уран має три алотропні модифікації: a-Уран (орторомбічні кристалічні грати), існує в інтервалі від кімнатної температури до 668 ° С; b-уран (складні кристалічні грати тетрагонального типу), стійкий в інтервалі 668-774 ° С; g-Уран (об'ємноцентровані кубічні кристалічні грати), стійкий від 774 ° С аж до температури плавлення (1132 ° С). Оскільки всі ізотопи урану нестабільні, всі його сполуки виявляють радіоактивність.

Ізотопи урану

238 U, 235 U, 234 U зустрічаються у природі у співвідношенні 99,3:0,7:0,0058, а 236 U – у слідових кількостях. Всі інші ізотопи урану від 226 до 242 U отримують штучно. Ізотоп 235 U має особливо важливе значення. Під впливом повільних (теплових) нейтронів він ділиться зі звільненням величезної енергії. Повне розподіл 235 U призводить до виділення «теплового енергетичного еквівалента» 2Ч 107 кВтЧ год/кг. Поділ 235 U можна використовувати не тільки для отримання більших кількостей енергії, але також для синтезу інших важливих актиноїдних елементів. Уран природного ізотопного складу можна використовувати в ядерних реакторах для виробництва нейтронів, що утворюються при розподілі 235 U, в той же час надлишкові нейтрони, які не потрібні ланцюговою реакцією, можуть захоплюватися іншим природним ізотопом, що призводить до отримання плутонію:

При бомбардуванні 238 U швидкими нейтронами протікають наступні реакції:

Згідно з цією схемою, найбільш поширений ізотоп 238 U може перетворюватися на плутоній-239, який, подібно до 235 U, також здатний ділитися під дією повільних нейтронів.

В даний час отримано велику кількість штучних ізотопів урану. Серед них 233 U особливо примітний тим, що він ділиться при взаємодії з повільними нейтронами.

Деякі інші штучні ізотопи урану часто застосовують як радіоактивні мітки (індикатори) в хімічних і фізичних дослідженнях; це перш за все b-випромінювач 237 U та a-випромінювач 232 U.

З'єднання.

Уран - високореакційний метал - має ступеня окислення від +3 до +6, близький берилію в ряду активності, взаємодіє з усіма неметалами і утворює інтерметалічні з'єднання з Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg, Mg, Ni, Pb, Sn та Zn. Тонкороздроблений уран особливо реакційноздатний і при температурах вище 500° часто входить у реакції, характерні для гідриду урану. Шматковий уран або стружка яскраво згоряє при 700-1000 ° С, а пари урану горять вже при 150-250 ° С, HF уран реагує при 200-400 ° С, утворюючи UF 4 і H 2 . Уран повільно розчиняється в концентрованій HF або H 2 SO 4 і 85%-ної H 3 PO 4 навіть при 90 ° С, але легко реагує з конц. HCl і менш активно з HBr або HI. Найбільш активно і швидко протікають реакції урану з розбавленою та концентрованою HNO 3 з утворенням нітрату уранілу ( див. нижче). У присутності HCl уран швидко розчиняється в органічних кислотах, утворюючи органічні солі U4+. Залежно від ступеня окислення уран утворює кілька типів солей (найважливіші серед них з U 4+ , ​​одна з них UCl 4 – сіль зеленого кольору, що легко окислюється); солі уранілу (радикалу UO 2 2+) типу UO 2 (NO 3) 2 мають жовте забарвлення і флуоресціюють зеленим кольором. Солі уранілу утворюються при розчиненні амфотерного оксиду UO 3 (жовте забарвлення) у кислому середовищі. У лужному середовищі UO 3 утворює уранати типу Na 2 UO 4 або Na 2 U 2 O 7 . Останнє з'єднання («жовтий ураніл») застосовують для виготовлення порцелянових глазурів та у виробництві флуоресцентного скла.

Галогеніди урану широко вивчалися в 1940-1950, оскільки на їх основі були розроблені методи поділу ізотопів урану для атомної бомби або ядерного реактора. Трифторид урану UF 3 був отриманий відновленням UF 4 воднем, а тетрафторид урану UF 4 отримують різними способами реакцій HF з оксидами типу UO 3 або U 3 O 8 або електролітичним відновленням сполук уранила. Гексафторид урану UF 6 одержують фторуванням U або UF 4 елементним фтором або дією кисню на UF 4 . Гексафторид утворює прозорі кристали з високим коефіцієнтом заломлення при 64 ° С (1137 мм рт. Ст.); з'єднання летюче (в умовах нормального тиску виганяється при 56,54 ° С). Оксогалогеніди урану, наприклад, оксофториди, мають склад UO 2 F 2 (фторид уранілу), UOF 2 (оксид-дифторид урану).

Звідки взявся уран?Швидше за все, він з'являється під час вибухів наднових. Справа в тому, що для нуклеосинтезу елементів важче заліза повинен існувати потужний потік нейтронів, який виникає якраз під час вибуху наднової. Здавалося б, потім, при конденсації з утвореної нею хмари нових зіркових систем, уран, зібравшись у протопланетній хмарі і дуже важким, повинен тонути в глибинах планет. Але це не так. Уран – радіоактивний елемент, і при розпаді він виділяє тепло. Розрахунок показує, що якби уран був рівномірно розподілений по всій товщі планети хоча б з тією ж концентрацією, що й на поверхні, то він виділяв занадто багато тепла. Більше того, його потік у міру витрачання урану має слабшати. Оскільки нічого подібного не спостерігається, геологи вважають, що не менше третини урану, а можливо, і весь він зосереджений у земній корі, де його вміст становить 2,5 10 -4 %. Чому так вийшло, не обговорюється.

Де добувають уран?Урана на Землі не так уже й мало - за поширеністю він на 38-му місці. А найбільше цього елемента в осадових породах - кутистих сланцях і фосфоритах: до 8 10 -3 і 2,5 10 -2 % відповідно. Усього в земній корі міститься 10-14 тонн урану, але головна проблема в тому, що він дуже розсіяний і не утворює потужних родовищ. Промислове значення мають приблизно 15 мінералів урану. Це уранова смолка - її основою служить оксид чотиривалентного урану, уранова слюдка - різні силікати, фосфати та складніші сполуки з ванадієм або титаном на основі шестивалентного урану.

Що таке промені Беккереля?Після відкриття Вольфгангом Рентгеном Х-променів французький фізик Антуан-Анрі Беккерель зацікавився світінням солей урану, що виникає під впливом сонячного світла. Він хотів зрозуміти, чи немає і тут Х-променів. Справді, вони були присутніми – сіль засвічувала фотопластинку крізь чорний папір. В одному з дослідів, однак, сіль не стали висвітлювати, а фотопластинка однаково потемніла. Коли між сіллю і фотопластинкою поклали металевий предмет, то під ним потемніння було менше. Отже, нові промені виникали аж ніяк не через збудження урану світлом і через метал частково не проходили. Їх і назвали спочатку променями Беккереля. Згодом було виявлено, що це головним чином альфа-промені з невеликою добавкою бета-променів: річ у тому, що основні ізотопи урану при розпаді викидають альфа-частинку, а дочірні продукти відчувають і бета-розпад.

Наскільки велика радіоактивність урану?Уран не має стабільних ізотопів, всі вони радіоактивні. Найдовший - уран-238 з періодом піврозпаду 4,4 млрд років. Наступним йде уран-235 – 0,7 млрд років. Обидва вони зазнають альфа-розпаду і стають відповідними ізотопами торію. Уран-238 становить понад 99% всього природного урану. Через його величезний період напіврозпаду радіоактивність цього елемента мала, а крім того, альфа-частинки не здатні подолати ороговілий шар шкіри на поверхні людського тіла. Розповідають, що І. В. Курчатов після роботи з ураном просто витирав руки носовою хусткою і жодними хворобами, пов'язаними з радіоактивністю, не страждав.

Дослідники неодноразово зверталися до статистики захворювань робочих уранових копалень та обробних комбінатів. Ось, наприклад, нещодавня стаття канадських та американських фахівців, які проаналізували дані про здоров'я понад 17 тисяч робітників копальня Ельдорадо в канадській провінції Саскачеван за 1950–1999 роки ( Environmental Research, 2014, 130, 43-50, DOI: 10.1016/j.envres.2014.01.002). Вони виходили з того, що найсильніше радіація діє на клітини крові, що швидко розмножуються, приводячи до відповідних видів раку. Статистика ж показала, що у робітників копальні захворюваність на різні види раку крові менше, ніж у середньому у канадців. При цьому основним джерелом радіації вважається не сам по собі уран, а газоподібний радон, що ним породжується, і продукти його розпаду, які можуть потрапити в організм через легені.

Чим же шкідливий уран? Він, подібно до інших важких металів, дуже отруйний, може викликати ниркову та печінкову недостатність. З іншого боку, уран, будучи розсіяним елементом, неминуче присутній у воді, ґрунті та, концентруючись у харчовому ланцюжку, потрапляє в організм людини. Розумно припустити, що у процесі еволюції живі істоти навчилися знешкоджувати уран у природних концентраціях. Найбільш небезпечний уран у воді, тому ВООЗ встановила обмеження: спочатку воно становило 15 мкг/л, але у 2011 році норматив збільшили до 30 мкг/р. Як правило, урану у воді набагато менше: у США в середньому 6,7 мкг/л, у Китаї та Франції – 2,2 мкг/л. Але бувають сильні відхилення. Так, в окремих районах Каліфорнії його в сто разів більше, ніж за нормативом, - 2,5 мг/л, а в Південній Фінляндії доходить і до 7,8 мг/л. Дослідники ж намагаються зрозуміти, чи не надто суворий норматив ВООЗ, вивчаючи дію урану на тваринах. Ось типова робота ( BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI: 10.1155/2014/181989). Французькі вчені дев'ять місяців напували щурів водою з добавками збідненого урану, причому відносно великої концентрації - від 0,2 до 120 мг/л. Нижнє значення - це вода поблизу шахти, верхнє ніде не зустрічається - максимальна концентрація урану, виміряна в тій же Фінляндії, становить 20 мг/л. На подив авторів - стаття так і називається: "Несподівана відсутність помітного впливу урану на фізіологічні системи...", - уран на здоров'я щурів практично не позначився. Тварини чудово харчувалися, додавали у вазі добре, на хвороби не скаржилися і від раку не вмирали. Уран, як і належить, відкладався насамперед у нирках і кістках й у вкрай менше - у печінці, причому його накопичення очікувано залежало від вмісту у питній воді. Однак ні до ниркової недостатності, ні навіть до помітної появи молекулярних маркерів запалення це не приводило. Автори запропонували розпочати перегляд суворих нормативів ВООЗ. Однак є один нюанс: вплив на мозок. У мозку щурів урану було менше, ніж у печінці, але його вміст не залежав від кількості у воді. А ось на роботі антиоксидантної системи мозку уран позначився: на 20% зросла активність каталази, на 68-90% - глютатіонпероксидази, активність суперкоксиддисмутази впала незалежно від дози на 50%. Це означає, що уран явно викликав окислювальний стрес у мозку та організм на нього реагував. Такий ефект - сильна дія урану на мозок за відсутності його накопичення в ньому, до речі, так само як і в статевих органах, - зауважували і раніше. Більше того, вода з ураном у концентрації 75–150 мг/л, якою дослідники з університету Небраски напували щурів півроку ( Neurotoxicology and Teratology, 2005, 27, 1, 135-144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), сказалась на поведінці тварин, головним чином самців, випущених у полі: вони не так, як контрольні, перетинали лінії, підводилися на задні лапи і чистили шерстку. Є дані, що уран призводить до порушень пам'яті у тварин. Зміна поведінки корелювала з рівнем окислення ліпідів у мозку. Виходить, що щури від уранової води робилися здоровими, але дурними. Ці дані нам знадобляться при аналізі так званого синдрому Перської затоки (Gulf War Syndrome).

Чи забруднює уран місця розробки сланцевого газу?Це залежить від того, скільки урану в газах, що містять, і як він з ними пов'язаний. Наприклад, доцент Трейсі Бенк з Університету Буффало досліджувала сланцеві породи родовища Марцелус, що простягнувся із заходу штату Нью-Йорк через Пенсільванію та Огайо до Західної Віргінії. Виявилося, що уран хімічно пов'язаний саме з джерелом вуглеводнів (згадаймо, що у споріднених кулястих сланцях найвищий вміст урану). Досліди ж показали, що розчин, що використовується при розриві пласта, чудово розчиняє в собі уран. «Коли уран у складі цих вод опиниться на поверхні, він може спричинити забруднення околиць. Радіаційного ризику це не несе, але уран – отруйний елемент», - зазначає Трейсі Бенк у прес-релізі університету від 25 жовтня 2010 року. Детальних статей щодо ризику забруднення навколишнього середовища ураном або торієм при видобутку сланцевого газу поки не підготовлено.

Навіщо потрібний уран?Раніше його застосовували як пігмент для виготовлення кераміки та кольорового скла. Тепер же уран – основа атомної енергетики та атомної зброї. При цьому використовується його унікальна властивість – здатність ядра ділитися.

Що таке поділ ядра? Розпад ядра на два нерівні великі шматки. Саме через цю властивість при нуклеосинтезі за рахунок нейтронного опромінення ядра важче урану утворюються з великими труднощами. Суть явища ось у чому. Якщо співвідношення числа нейтронів та протонів у ядрі не оптимальне, воно стає нестабільним. Зазвичай таке ядро ​​викидає з себе або альфа-частинку - два протони і два нейтрони, або бета-частинку - позитрон, що супроводжується перетворенням одного з нейтронів на протон. У першому випадку виходить елемент таблиці Менделєєва, віддалений на дві клітини тому, у другому - однією клітину вперед. Однак ядро ​​урану крім випромінювання альфа-і бета-частинок здатне ділитися - розпадатися на ядра двох елементів середини таблиці Менделєєва, наприклад, барію і криптону, що і робить, отримавши новий нейтрон. Це явище виявили невдовзі після відкриття радіоактивності, коли фізики піддавали нововідкритому випромінюванню все, що доведеться. Ось як пише про це учасник подій Отто Фріш («Успіхи фізичних наук», 1968, 96, 4). Після відкриття берилієвих променів – нейтронів – Енріко Фермі опромінював ними, зокрема, уран, щоб викликати бета-розпад, – він сподівався за його рахунок отримати наступний, 93-й елемент, нині названий нептунієм. Він і виявив у опроміненого урану новий тип радіоактивності, який пов'язав з появою трансуранових елементів. При цьому уповільнення нейтронів, для чого бериллієве джерело покривали шаром парафіну, збільшувало таку радіоактивність. Американський радіохімік Арістид фон Гроссе припустив, що одним із цих елементів був протактіній, але помилився. Натомість Отто Ган, який працював тоді у Віденському університеті і вважав відкритий в 1917 протактіній своїм дітищем, вирішив, що зобов'язаний дізнатися, які елементи при цьому виходять. Разом з Лізою Мейтнер на початку 1938 Ган припустив на підставі результатів дослідів, що утворюються цілі ланцюжки з радіоактивних елементів, що виникають через багаторазових бета-розпадів поглинули нейтрон ядер урану-238 і його дочірніх елементів. Незабаром Ліза Мейтнер була змушена втекти до Швеції, побоюючись можливих репресій з боку фашистів після аншлюсу Австрії. Ган же, продовживши досліди з Фріцем Штрассманом, виявив, що серед продуктів був ще й барій, елемент з номером 56, який ніяким чином з урану вийти не міг: усі ланцюжки альфа-розпадів урану закінчуються набагато важчим свинцем. Дослідники були настільки здивовані отриманим результатом, що публікувати його не стали, тільки писали листи друзям, зокрема Лізі Мейтнер у Ґетеборг. Там на Різдво 1938 її відвідав племінник, Отто Фріш, і, гуляючи в околицях зимового міста - він на лижах, тітка пішки, - вони обговорили можливості появи барію при опроміненні урану внаслідок поділу ядра (докладніше про Лізу Мейтнер див. «Хімію і життя », 2013, №4). Повернувшись до Копенгагена, Фріш буквально на трапі пароплава, що відбуває в США, впіймав Нільса Бора і повідомив йому про ідею поділу. Бор, ляснувши себе по лобі, сказав: «О, які ми були дурні! Ми мали помітити це раніше». У січні 1939 року вийшла стаття Фріша та Мейтнер про поділ ядер урану під впливом нейтронів. На той час Отто Фріш вже поставив контрольний досвід, так само як і багато американських груп, які отримали повідомлення від Бора. Розповідають, що фізики почали розходитися своїми лабораторіями прямо під час його доповіді 26 січня 1939 року у Вашингтоні на щорічній конференції з теоретичної фізики, коли вхопили суть ідеї. Після відкриття поділу Ган і Штрассман переглянули свої досліди і знайшли, так само, як і їхні колеги, що радіоактивність опроміненого урану пов'язана не з трансуранами, а з розпадом радіоактивних елементів, що утворилися при розподілі з середини таблиці Менделєєва.

Як відбувається ланцюгова реакція в урані?Незабаром після того, як була експериментально доведена можливість поділу ядер урану і торію (а інших елементів, що діляться на Землі в скільки-небудь значній кількості немає), що працювали в Прінстоні Нільс Бор і Джон Віллер, а також незалежно від них радянський фізик-теоретик Я. І. Френкель та німці Зігфрід Флюгге та Готфрід фон Дросте створили теорію поділу ядра. З неї випливали два механізми. Один - пов'язаний із пороговим поглинанням швидких нейтронів. Згідно з ним, для ініціації поділу нейтрон повинен мати досить велику енергію, більше 1 МеВ для ядер основних ізотопів - урану-238 і торію-232. За меншої енергії поглинання нейтрону ураном-238 має резонансний характер. Так, нейтрон з енергією 25 еВ має у тисячі разів більшу площу перерізу захоплення, ніж з іншими енергіями. При цьому ніякого поділу не буде: уран-238 стане ураном-239, який з періодом напіврозпаду 23,54 хвилини перетвориться на нептуній-239, той, з періодом піврозпаду 2,33 дні, - на довгоживучий плутоній-239. Торій-232 стане ураном-233.

Другий механізм - безпорогове поглинання нейтрону, йому слідує третій більш-менш поширений ізотоп - уран-235 (а також і відсутні в природі плутоній-239 і уран-233): поглинувши будь-який нейтрон, навіть повільний, так званий тепловий, з енергією як у молекул, що у тепловому русі, - 0,025 эВ, таке ядро ​​розділиться. І це дуже добре: у теплових нейтронів площа перерізу захоплення вчетверо вища, ніж у швидких, мегаелектронвольтних. У цьому значимість урану-235 для наступної історії атомної енергетики: саме він забезпечує розмноження нейтронів у природному урані. Після влучення нейтрону ядро ​​урану-235 стає нестабільним і швидко ділиться на дві нерівні частини. Принагідно вилітає кілька (в середньому 2,75) нових нейтронів. Якщо вони потраплять у ядра того ж урану, то викличуть розмноження нейтронів у геометричній прогресії – піде ланцюгова реакція, що призведе до вибуху через швидке виділення величезної кількості тепла. Ні уран-238, ні торій-232 так працювати не можуть: адже при розподілі вилітають нейтрони із середньою енергією 1–3 МеВ, тобто за наявності енергетичного порогу в 1 МеВ значна частина нейтронів наперед не зможе викликати реакцію, і розмноження не буде. Отже, про ці ізотопи слід забути і доведеться уповільнювати нейтрони до теплової енергії, щоб вони максимально ефективно взаємодіяли з ядрами урану-235. При цьому не можна допустити їхнього резонансного поглинання ураном-238: все-таки в природному урані цей ізотоп становить трохи менше 99,3% і нейтрони частіше стикаються саме з ним, а не з цільовим ураном-235. А діючи сповільнювачем, можна підтримувати розмноження нейтронів на постійному рівні та вибуху не допустити – керувати ланцюговою реакцією.

Розрахунок, проведений Я. Б. Зельдовичем і Ю. Б. Харитоном в тому ж доленосному 1939, показав, що для цього потрібно застосувати уповільнювач нейтронів у вигляді важкої води або графіту і збагатити ураном-235 природний уран щонайменше в 1,83 рази. Тоді ця ідея здалася їм чистою фантазією: «Слід зазначити, що приблизно подвійне збагачення тих значних кількостей урану, які необхідні для здійснення ланцюгового вибуху,<...>є надзвичайно громіздким, близьким до практичної нездійсненності завданням». Наразі це завдання вирішено, і атомна промисловість серійно випускає для електростанцій уран, збагачений ураном-235 до 3,5%.

Що таке спонтанний поділ ядер?У 1940 році Г. Н. Флеров і К. А. Петржак виявили, що розподіл урану може відбуватися спонтанно, без будь-якого зовнішнього впливу, правда період напіврозпаду набагато більше, ніж при звичайному альфа-розпаді. Оскільки при такому розподілі теж виходять нейтрони, якщо не дати їм відлетіти із зони реакції, вони й послужать ініціаторами ланцюгової реакції. Саме це явище використовують під час створення атомних реакторів.

Навіщо потрібна атомна енергетика?Зельдович і Харитон були серед перших, хто вважав економічний ефект атомної енергетики («Успіхи фізичних наук», 1940, 23, 4). «... Зараз ще не можна зробити остаточних висновків про можливість або неможливість здійснення в урані ядерної реакції поділу з ланцюгами, що нескінченно розгалужуються. Якщо така реакція здійсненна, то автоматично здійснюється регулювання швидкості реакції, що забезпечує спокійне її перебіг, незважаючи на величезну кількість енергії, що знаходиться в розпорядженні експериментатора. Ця обставина є виключно сприятливою для енергетичного використання реакції. Наведемо тому – хоч це і є розподілом шкіри неубитого ведмедя – деякі числа, що характеризують можливості енергетичного використання урану. Якщо процес розподілу йде на швидких нейтронах, отже, реакція захоплює основний ізотоп урану (U238), то<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>вартість калорії з основного ізотопу урану виявляється приблизно в 4000 разів дешевше, ніж з вугілля (якщо, звичайно, процеси "спалювання" та теплознімання не виявляться у разі урану значно дорожчими, ніж у випадку вугілля). У разі повільних нейтронів вартість "уранової" калорії (якщо виходити з вищенаведених цифр) буде, беручи до уваги, що поширеність ізотопу U235 дорівнює 0,007, вже лише в 30 разів дешевше "вугільної" калорії за інших рівних умов».

Першу керовану ланцюгову реакцію провів у 1942 році Енріко Фермі в університеті Чикаго, причому керували реактором вручну - засуваючи і висуваючи графітові стрижні при зміні потоку нейтронів. Перша електростанція була побудована в Обнінську у 1954 році. Крім вироблення енергії, перші реактори працювали ще й на виробництво збройового плутонію.

Як функціонує атомна станція?Наразі більшість реакторів працюють на повільних нейтронах. Збагачений уран у вигляді металу, сплаву, наприклад, з алюмінієм, або у вигляді оксиду складають у довгі циліндри - тепловиділяючі елементи. Їх певним чином встановлюють в реакторі, а між ними вводять стрижні з уповільнювача, які управляють ланцюговою реакцією. Згодом у тепловиділяючому елементі накопичуються реакторні отрути - продукти поділу урану, також здатні до поглинання нейтронів. Коли концентрація урану-235 падає нижче за критичну, елемент виводять з експлуатації. Однак у ньому багато уламків поділу із сильною радіоактивністю, яка зменшується з роками, через що елементи ще довго виділяють значну кількість тепла. Їх витримують у охолодних басейнах, а потім або захоронюють, або намагаються переробити - витягти незгорілий уран-235, напрацьований плутоній (він йшов на виготовлення атомних бомб) та інші ізотопи, яким можна знайти застосування. Невикористовувану частину відправляють у могильники.

У так званих реакторах на швидких нейтронах, або реакторах-розмножувачах навколо елементів встановлюють відбивачі з урану-238 або торію-232. Вони уповільнюють і відправляють у зону реакції занадто швидкі нейтрони. Уповільнені до резонансних швидкостей нейтрони поглинають названі ізотопи, перетворюючись відповідно на плутоній-239 або уран-233, які можуть бути паливом для атомної станції. Так як швидкі нейтрони погано реагують з ураном-235, потрібно значно збільшувати його концентрацію, але це окупається сильнішим потоком нейтронів. Незважаючи на те, що реактори-розмножувачі вважаються майбутнім атомної енергетики, оскільки дають більше ядерного палива, ніж витрачають, - досліди показали: керувати ними важко. Нині у світі залишився лише один такий реактор – на четвертому енергоблоці Білоярської АЕС.

Як критикують атомну енергетику?Якщо не говорити про аварії, то основним пунктом у міркуваннях противників атомної енергетики сьогодні стала пропозиція додати до розрахунку її ефективності витрати на захист навколишнього середовища після виведення станції з експлуатації та роботи з паливом. В обох випадках виникають завдання надійного захоронення радіоактивних відходів, а це витрати, які несе держава. Є думка, що й перекласти їх у собівартість енергії, її економічна привабливість пропаде.

Існує опозиція серед прихильників атомної енергетики. Її представники вказують на унікальність урану-235, заміни якому немає, тому що альтернативні ізотопи, що діляться тепловими нейтронами - плутоній-239 і уран-233 - через період напіврозпаду в тисячі років у природі відсутні. А отримують їх якраз унаслідок розподілу урану-235. Якщо він закінчиться, зникне чудове природне джерело нейтронів для ланцюгової ядерної реакції. Внаслідок такої марнотратності людство втратить можливість у майбутньому залучити до енергетичного циклу торій-232, запаси якого в кілька разів більші, ніж урану.

Теоретично для отримання потоку швидких нейтронів з мегаелектронвольтні енергіями можна використовувати прискорювачі частинок. Однак якщо йдеться, наприклад, про міжпланетні польоти на атомному двигуні, то реалізувати схему з громіздким прискорювачем буде дуже непросто. Вичерпання урану-235 ставить хрест на таких проектах.

Що таке збройовий уран?Це високозбагачений уран-235. Його критична маса - вона відповідає розміру шматка речовини, в якій мимоволі йде ланцюгова реакція, - досить мала для того, щоб виготовити боєприпас. Такий уран може бути для виготовлення атомної бомби, а також як підривник для термоядерної бомби.

Які катастрофи пов'язані із застосуванням урану?Енергія, запасена в ядрах елементів, що діляться, величезна. Вирвавшись з-під контролю з недогляду чи внаслідок наміру, ця енергія здатна наробити чимало бід. Дві найжахливіші ядерні катастрофи сталися 6 і 8 серпня 1945 року, коли ВПС США скинули атомні бомби на Хіросіму та Нагасакі, внаслідок чого загинули та постраждали сотні тисяч мирних жителів. Катастрофи меншого масштабу пов'язані з аваріями на атомних станціях та підприємствах атомного циклу. Перша велика аварія сталася 1949 року в СРСР на комбінаті «Маяк» під Челябінськом, де напрацьовували плутоній; рідкі радіоактивні відходи потрапили до річки Течу. У вересні 1957 року на ньому стався вибух з викидом великої кількості радіоактивної речовини. Через одинадцять днів згорів британський реактор з напрацювання плутонію у Віндскейлі, хмара з продуктами вибуху розвіялася над Західною Європою. 1979 року згорів реактор на АЕС Тримейл-Айленд у Пенсільванії. До наймасштабніших наслідків призвели аварії на Чорнобильській АЕС (1986) та АЕС у Фукусімі (2011), коли на вплив радіації зазнали мільйони людей. Перша засмітила великі землі, викинувши внаслідок вибуху 8 тонн уранового палива з продуктами розпаду, які поширилися Європою. Друга забруднила і за три роки після аварії продовжує забруднювати акваторію Тихого океану в районах рибних промислів. Ліквідація наслідків цих аварій обійшлася дуже дорого, і, якби розкласти ці витрати на вартість електроенергії, вона істотно зросла б.

Окреме питання – наслідки для здоров'я людей. Згідно з офіційною статистикою, багатьом людям, які пережили бомбардування або живуть на забрудненій території, опромінення пішло на користь - у перших більша тривалість життя, у других менше онкологічних захворювань, а деяке збільшення смертності фахівці пов'язують із соціальним стресом. Кількість людей, які загинули саме від наслідків аварій або внаслідок їх ліквідації, обчислюється сотнями осіб. Противники атомних електростанцій вказують, що аварії призвели до кількох мільйонів передчасних смертей на європейському континенті, вони просто непомітні на статистичному тлі.

Виведення земель із людського використання в зонах аварій призводить до цікавого результату: вони стають свого роду заповідниками, де зростає біорізноманіття. Щоправда, окремі тварини страждають від хвороб, пов'язаних із опроміненням. Питання, як швидко вони пристосуються до підвищеного тла, залишається відкритим. Є також думка, що наслідком хронічного опромінення виявляється «відбір на дурня» (див. «Хімію і життя», 2010, №5): ще на стадії ембріона виживають примітивніші організми. Зокрема, стосовно людей це має призводити до зниження розумових здібностей у покоління, яке народилося на забруднених територіях невдовзі після аварії.

Що таке збіднений уран?Це уран-238, що залишився після виділення з нього урану-235. Обсяги відходу виробництва збройового урану та тепловиділяючих елементів великі - в одних США накопичилося 600 тисяч тонн гексафториду такого урану (про проблеми з ним див. «Хімію та життя», 2008, №5). Зміст урану-235 у ньому – 0,2%. Ці відходи треба або зберігати до кращих часів, коли будуть створені реактори на швидких нейтронах і з'явиться можливість переробки урану-238 плутоній, або якось використовувати.

Використання йому знайшли. Уран, як і інші перехідні елементи, використовують як каталізатор. Наприклад, автори статті в ACS Nanoвід 30 червня 2014 року пишуть, що каталізатор з урану або торію з графеном для відновлення кисню та перекису водню «має величезний потенціал для застосування в енергетиці». Оскільки щільність урану висока, він служить як баласт для суден і противаг для літаків. Підходить цей метал і для радіаційного захисту у медичних приладах із джерелами випромінювання.

Яку зброю можна робити із збідненого урану?Кулі та сердечники для бронебійних снарядів. Розрахунок тут такий. Чим важчий снаряд, тим вища його кінетична енергія. Але що більший розмір снаряда, то менш концентрований його удар. Отже, потрібні важкі метали, які мають високу щільність. Кулі роблять зі свинцю (уральські мисливці у свій час використовували і самородну платину, поки не зрозуміли, що це дорогоцінний метал), сердечники ж снарядів - з вольфрамового сплаву. Захисники природи вказують, що свинець забруднює ґрунт у місцях бойових дій чи полювання і краще замінити його на щось менш шкідливе, наприклад на той же вольфрам. Але вольфрам недешевий, а подібний із ним по щільності уран – ось він, шкідливий відхід. При цьому допустиме забруднення ґрунту та води ураном приблизно вдвічі більше, ніж для свинцю. Так виходить тому, що слабкою радіоактивністю збідненого урану (а вона ще й на 40% менше, ніж у природного) нехтують та враховують справді небезпечний хімічний фактор: уран, як ми пам'ятаємо, отруйний. У той самий час його щільність у 1,7 разу більше, ніж свинцю, отже, розмір уранових куль можна зменшити удвічі; уран набагато тугоплавкіший і твердіший, ніж свинець, - при пострілі він менше випаровується, а при ударі в ціль дає менше мікрочастинок. Загалом, уранова куля менше забруднює навколишнє середовище, ніж свинцева, щоправда, достовірно про таке використання урану невідомо.

Натомість відомо, що пластини з збідненого урану застосовують для зміцнення броні американських танків (цьому сприяють його висока щільність і температура плавлення), а також замість вольфрамового сплаву в осердях для бронебійних снарядів. Урановий сердечник хороший ще й тим, що уран пірофорний: його гарячі дрібні частинки, що утворилися під час удару об броню, спалахують і підпалюють навколо. Обидва застосування вважаються радіаційно безпечними. Так, розрахунок показав, що навіть просидівши безвилазно рік у танку з урановою бронею, завантаженому урановим боєкомплектом, екіпаж отримає лише чверть допустимої дози. А щоб отримати річну припустиму дозу, треба на 250 годин прикрутити до поверхні шкіри такий боєприпас.

Снаряди з урановими сердечниками - до 30-мм авіаційних гармат або до артилерійських підкаліберних - застосовували американці у недавніх війнах, розпочавши з іракської кампанії 1991 року. У той рік вони висипали на іракські бронетанкові частини в Кувейті і при їхньому відступі 300 тонн збідненого урану, з них 250 тонн, або 780 тисяч пострілів, припало на авіаційні гармати. У Боснії та Герцеговині при бомбардуваннях армії невизнаної Республіки Сербської було витрачено 2,75 тонни урану, а під час обстрілів югославської армії в краї Косова та Метохія - 8,5 тонн, або 31 тисяча пострілів. Оскільки ВООЗ на той час переймалася наслідками застосування урану, було проведено моніторинг. Він показав, що один залп складався приблизно з 300 пострілів, з яких 80% містило збіднений уран. У цілі попадало 10%, а 82% лягало в межах 100 метрів від них. Інші розсіювалися в межах 1,85 км. Снаряд, що потрапив у танк, згоряв і перетворювався на аерозоль, легкі цілі на кшталт бронетранспортерів урановий снаряд прошивав наскрізь. Таким чином, на урановий пил в Іраку могло перетворитися від сили півтори тонни снарядів. За оцінками фахівців американського стратегічного дослідницького центру «RAND Corporation», в аерозоль перетворилося більше, від 10 до 35% використаного урану. Борець з урановими боєприпасами хорват Асаф Дуракович, який працював у багатьох організацій від ер-ріядського Госпіталю короля Фейсала до вашингтонського Уранового медичного дослідницького центру, вважає, що тільки в Південному Іраку в 1991 році утворилося 3–6 тонн субмікронних частинок урану. , тобто уранове забруднення там можна порівняти з чорнобильським.

Уламки розподілу

Характерною особливістю поділу є те, що уламки, що утворюються в результаті поділу, як правило, мають суттєво різні маси. У разі найбільш ймовірного поділу 235 U відношення мас уламків дорівнює 1.46. Тяжкий уламок при цьому має масове число 139, легкий - 95. Поділ на два уламки з такими масами не є єдиним можливим. Розподіл по масам уламків розподілу 235 U тепловими нейтронами показано на рис. 8. Серед продуктів поділу були виявлені уламки з А = 72-161 та Z = 30-65. Імовірність поділу на два рівні по масі уламка не дорівнює нулю. При розподілі тепловими нейтронами ймовірність симетричного розподілу приблизно на три порядки менше, ніж у разі найбільш ймовірного розподілу на уламки з A = 139 і 95. Крапельна модель не виключає можливості асиметричного розподілу, проте навіть якісно не пояснює основних закономірностей такого розподілу. Асиметричний поділ можна пояснити впливом оболонкової структури ядра. Ядро прагне розділитися таким чином, щоб основна частина нуклонів осколка утворила стійкий магічний кістяк.
У процесі розподілу основна частина енергії звільняється у вигляді кінетичної енергії уламків розподілу. Такий висновок можна зробити з того, що кулонівська енергія двох стикаються осколків приблизно дорівнює енергії поділу. Під впливом електричних сил відштовхування кулонівська енергія осколків перетворюється на кінетичну енергію.

Між кінетичними енергіями E уламків та їх масами M існує наступне співвідношення, що випливає із закону збереження імпульсу:

де Е л і M л і відносяться до легкого уламка, а Е т і М т - до важкого. Користуючись цим співвідношенням, можна з розподілу уламків за енергією (рис.9) отримати масове розподіл уламків. Параметри енергетичного розподілу, а також деякі інші характеристики уламків розподілу 235 U тепловими нейтронами наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Характеристики легкого та важкого уламків для найбільш ймовірного поділу 235 U тепловими нейтронами

Кінетична енергія осколків поділу порівняно мало залежить від енергії збудження ядра, що ділиться, так як зайва енергія зазвичай йде на збудження внутрішнього стану осколків.
На рис.10 показані масові розподіли уламків розподілу 234 U і більш важких ядер. Видно, що масові розподіли важких уламків близькі, тоді як середня маса легких уламків змінюється від ~90 у 234 U до ~114 у 256 Fm. Це особливо добре помітно на рис.11.

Середня маса легкої групи практично лінійно зростає зі зростанням маси ядра, що ділиться, в той час як середня маса важкої групи залишається практично незмінною (A140). Таким чином, практично всі додаткові нуклони йдуть у легкі уламки. На рис.10 заштриховані області ядер з магічними числами протонів та нейтронів. Для Z = 50 стабільним ядрам відповідає Z/A 0.4 (A = 125). Нейтронадлишкові уламки розподілу мають Z/A до ~0.38 (A = 132), тобто. близько 7 "зайвих" нейтронів. Саме на краю важкої групи уламків знаходиться двічі магічне ядро ​​132 Sn (Z = 50, N = 82). Це виключно стабільна конфігурація визначає нижній край масового розподілу важких уламків. Для легких уламків цього ефекту немає. Масовий розподіл легких уламків практично не потрапляє в область навіть одного магічного числа N = 50 і значно менше визначається оболонковими ефектами. Воно формується з нуклонів, що "залишилися" після формування важкого уламка.

Уран є радіоактивним металом. У природі уран складається з трьох ізотопів: уран-238, уран-235 та уран-234. Найвищий рівень стабільності фіксується у урану-238.

Радіоактивний розпад урану

Радіоактивним розпадом називають процес раптової зміни складу або внутрішньої будови атомних ядер, які відрізняються нестабільністю. При цьому випромінюються елементарні частинки, гамма-кванти та/або ядерні фрагменти. Радіоактивні речовини містять радіоактивне ядро. Дочірнє ядро, що вийшло внаслідок радіоактивного розпаду, може також стати радіоактивним і через певний час піддається розпаду. Цей процес відбувається до того моменту, поки не утворюється стабільне ядро, позбавлене радіоактивності. Е. Резерфорд методом експерименту в 1899 довів, що уранові солі випускають три види променів:

• α-промені - потік позитивно заряджених частинок
• β-промені - потік негативно заряджених частинок
• γ-промені - не створюють відхилень у магнітному полі.

Радіоактивність урану

Природна радіоактивність – ось що відрізняє радіоактивний уран від інших елементів. Атоми урану незалежно від жодних чинників та умов поступово змінюються. При цьому випромінюються невидимі промені. Після трансформацій, що відбуваються з атомами урану, виходить інший радіоактивний елемент і повторюється. Він повторюватиме стільки разів, скільки необхідно, щоб вийшов не радіоактивний елемент. Наприклад, деякі ланцюжки перетворень налічують до 14 стадій. При цьому проміжним елементом є радій, а остання стадія – утворення свинцю. Цей метал не є радіоактивним елементом, тому ряд перетворень переривається. Однак для повного перетворення урану на свинець потрібно кілька мільярдів років.
Радіоактивна руда урану часто стає причиною отруєнь на підприємствах, що займаються видобутком та переробкою уранової сировини. У людському організмі уран - загальноклітинна отрута. Він вражає головним чином нирки, але трапляються і ураження печінки та шлунково-кишкового тракту.
Уран немає повністю стабільних ізотопів. Найбільший період життя спостерігається у урану-238. Піврозпад урану-238 відбувається протягом 4,4 млрд років. Трохи менше одного мільярда років триває напіврозпад урану-235 — 0,7 млрд років. Уран-238 займає понад 99% всього обсягу природного урану. Внаслідок його колосального періоду напіврозпаду радіоактивність цього металу не висока, наприклад, альфа-частинки не можуть проникнути через ороговілий шар шкіри людини. Після низки проведених досліджень вчені з'ясували, що головним джерелом радіації є не сам уран, а газ радон, що утворюється ним, а також продукти його розпаду, що потрапляють в людський організм під час дихання.