Що таке уран 235. Уран: факти та фактики. Чим погані сучасні ядерні технології

()
239 Pu ()

Спин та парність ядра 7/2 − Канал розпаду Енергія розпаду α-розпад 4,6783(7) МеВ 20 Ne, 25 Ne, 28 Mg

На відміну від іншого, найбільш поширеного ізотопу урану 238 U, в 235 U можлива ланцюгова ядерна реакція, що самопідтримується. Тому цей ізотоп використовується як паливо в ядерних реакторах, а також у ядерній зброї.

Освіта та розпад

Уран-235 утворюється внаслідок наступних розпадів:

texvcНЕ знайдений; Math/README - довідку з налаштування.): \mathrm(^(235)_(91)Pa) \rightarrow \mathrm(^(235)_(92)U) + e^- + \bar(\nu )_e; Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcНЕ знайдений; Math/README - довідку з налаштування.): \mathrm(^(235)_(93)Np) + e^- \rightarrow \mathrm(^(235)_(92)U) + \bar(\nu )_e; Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcНЕ знайдений; Math/README - довідку з налаштування.): \mathrm(^(239)_(94)Pu) \rightarrow \mathrm(^(235)_(92)U) + \mathrm(^(4)_( 2) He).

Розпад урану-235 відбувається за такими напрямками:

Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcНЕ знайдений; Math/README - довідку з налаштування.): \mathrm(^(235)_(92)U) \rightarrow \mathrm(^(231)_(90)Th) + \mathrm(^(4)_( 2) He); Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcНЕ знайдений; Math/README - довідку з налаштування.): \mathrm(^(235)_(92)U) \rightarrow \mathrm(^(215)_(82)Pb) + \mathrm(^(20)_( 10) Ne); Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcНЕ знайдений; Math/README - довідку з налаштування.): \mathrm(^(235)_(92)U) \rightarrow \mathrm(^(210)_(82)Pb) + \mathrm(^(25)_( 10) Ne); Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcНЕ знайдений; Math/README - довідку з налаштування.): \mathrm(^(235)_(92)U) \rightarrow \mathrm(^(207)_(80)Hg) + \mathrm(^(28)_( 12) Mg).

Вимушений поділ

Помилка створення мініатюри: Файл не знайдено

Крива виходу продуктів поділу урану-235 для різних енергій нейтронів, що ділять.

У продуктах розподілу урану-235 було виявлено близько 300 ізотопів різних елементів: від = 30 (цинк) до Z = 64 (гадоліній). Крива залежності відносного виходу ізотопів, що утворюються при опроміненні урану-235 повільними нейтронами, від масового числа – симетрична і формою нагадує букву «M». Два виражені максимуми цієї кривої відповідають масовим числам 95 і 134, а мінімум припадає на діапазон масових чисел від 110 до 125. Таким чином, поділ урану на уламки рівної маси (з масовими числами 115-119) відбувається з меншою ймовірністю, ніж асиметричний поділ , така тенденція спостерігається у всіх ізотопів, що діляться, і не пов'язана з якимись індивідуальними властивостямиядер або частинок, а властива самому механізму поділу ядра. Однак асиметрія зменшується при збільшенні енергії збудження ядра, що ділиться, і при енергії нейтрона більше 100 МеВ розподіл осколків розподілу по масах має один максимум, що відповідає симетричному поділу ядра.

Осколки, що утворюються при розподілі ядра урану, у свою чергу є радіоактивними, і піддаються ланцюжку β-розпадів, при яких поступово протягом тривалого часу виділяється додаткова енергія. Середня енергія, що виділяється при розпаді одного ядра урану-235 з урахуванням розпаду уламків, становить приблизно 202,5 ​​МеВ = 3,244·10 -11 Дж, або 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг.

Розподіл ядер - лише один із безлічі процесів, можливих при взаємодії нейтронів з ядрами, саме він лежить в основі роботи будь-якого ядерного реактора.

Ланцюгова ядерна реакція

При розпаді одного ядра 235 U зазвичай випускається від 1 до 8 (у середньому - 2.416) вільних нейтронів. Кожен нейтрон, що утворився при розпаді ядра 235 U, за умови взаємодії з іншим ядром 235 U може викликати новий акт розпаду, це явище називається ланцюговою реакцією поділу ядра.

Гіпотетично, число нейтронів другого покоління (після другого етапу розпаду ядер) може перевищувати 32 = 9. З кожним наступним етапом реакції поділу кількість нейтронів, що утворюються, може наростати лавиноподібно. У реальних умовах вільні нейтрони можуть не породжувати новий акт поділу, залишаючи зразок до захоплення 235 U, або будучи захопленими як самим ізотопом 235 U з перетворенням його на 236 U, так і іншими матеріалами (наприклад, 238 U, або уламками поділу ядер, що утворилися, такими як 149 Sm або 135 Xe).

У реальних умовах досягти критичного стану урану не так просто, оскільки на перебіг реакції впливає низка факторів. Наприклад, природний уран лише на 0,72 % складається з 235 U, 99,2745 % становить 238 U , який поглинає нейтрони, що утворюються при розподілі ядер 235 U. Це призводить до того, що в природному урані в даний час ланцюгова реакція поділу дуже швидко згасає. Здійснити незатухаючу ланцюгову реакцію поділу можна кількома основними шляхами:

• збільшити обсяг зразка (для виділеного з руди урану можливе досягнення критичної маси рахунок збільшення обсягу);
• Здійснити поділ ізотопів, підвищивши концентрацію 235 U у зразку;
• Зменшити втрату вільних нейтронів через поверхню зразка за допомогою застосування різноманітних відбивачів;
• Використовувати речовину-уповільнювач нейтронів для підвищення концентрації теплових нейтронів.

Ізоміри

• Надлишок маси: 40 920,6(1,8) кеВ
• Енергія збудження: 76,5 (4) еВ
• Період напіврозпаду: 26 хв
• Спин та парність ядра: 1/2 +

Розпад ізомерного стану здійснюється шляхом ізомерного переходу до основного стану.

Застосування

• Уран-235 використовується як паливо для ядерних реакторів, в яких здійснюється керованаланцюгова ядерна реакція поділу;
• Уран з високим ступенем збагачення застосовується до створення ядерної зброї. В цьому випадку для вивільнення великої кількості енергії (вибуху) використовується некерованаланцюгова ядерна реакція

Див. також

Напишіть відгук про статтю "Уран-235"

Примітки

1. G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). "". Nuclear Physics A 729 : 337-676. DOI:. Bibcode:.
2. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot та A. H. Wapstra (2003). "". Nuclear Physics A 729 : 3–128. DOI:. Bibcode:.
3. Гофман До.- 2-ге вид. стер. - Л.: Хімія, 1987. - С. 130. - 232 с. - 50 000 екз.
5. Фіалков Ю. Я.Застосування ізотопів у хімії та хімічній промисловості. – Київ: Техніка, 1975. – С. 87. – 240 с. - 2000 прим.
6. . Kaye & Laby Online. .
7. Бартоломей Р. Р., Байбаков Ст Д., Алхутов М. С., Бать Г. А.Основи теорії та методи розрахунку ядерних енергетичних реакторів. - М.: Вища школа, 1982. - С. 512.

Легше: уран-234	Уран-235 є ізотопом урану	Важче: уран-236
Ізотопи елементів · Таблиця нуклідів

Уривок, що характеризує Уран-235

Кристал був матеріальним. І водночас істинно чарівним. Він був вирізаний з дуже гарного каменю, схожого на напрочуд прозорий смарагд. Але Магдалина відчувала – це було набагато складніше, ніж простий дорогоцінний камінь, хай навіть найчистіший. Він був ромбовидним і подовженим, завбільшки з долоню Радомира. Кожен зріз кристала був повністю покритий незнайомими рунами, мабуть, навіть давнішими, ніж ті, які знала Магдалина.
– Про що він «каже», моя радість?.. І чому мені не знайомі ці руни? Вони трохи інші, ніж ті, яким нас навчали Волхви. Та й звідки він у тебе?
– Його принесли на Землю колись наші мудрі Предки, наші Боги, щоб створити тут Храм Вічного Знання, – задумливо дивлячись на кристал, почав Радомир. – Щоб допомагав він знаходити Світло та Істину гідним Дітям Землі. Це він народив землі касту Волхвів, Ведунов, Ведуний, Даринь та інших просвітлених. І це з нього вони черпали свої ЗНАННЯ ТА РОЗУМІННЯ, і по ньому колись створили Метеору. Пізніше, йдучи назавжди, Боги залишили цей Храм людям, заповідаючи зберігати та берегти його, як берегли б вони саму Землю. А Ключ від Храму віддали Волхвам, щоб не потрапив він випадково до «темномислячих» і не загинула б Земля від їхньої злої руки. Так з тих пір і зберігається це диво віками у Волхвів, а вони передають його час від часу гідному, щоб не зрадив випадковий «охоронець» наказ і віру, залишену нашими Богами.

- Невже це і є Грааль, Північ? - Не втримавшись, просила я.
– Ні, Ізідоро. Грааль ніколи не був тим, чим є цей дивовижний Розумний Кристал. Просто люди приписали своє бажане Радомиру... як і все інше, чуже. Радомир же, все своє свідоме життя був Охоронцем Ключа Богів. Але люди, звичайно, цього знати не могли, і тому не заспокоювалися. Спершу вони шукали нібито Радомиру Чашу, яка «належала». А іноді Граалем називали його дітей чи саму Магдалину. І все це відбувалося лише тому, що «істинно віруючим» дуже хотілося мати якийсь доказ правдивості того, у що вони вірять… Щось матеріальне, щось «святе», що можна було б доторкнутися... (що, на превеликий жаль, відбувається навіть зараз, через довгі сотні років). Ось «темні» і придумали для них красиву на той час історію, щоб запалити нею чутливі «віруючі» серця... На жаль, людям завжди були потрібні реліквії, Ізидоро, і якщо їх не було, хтось їх просто вигадував. Радомир ніколи не мав подібної чаші, бо не було в нього і самої «таємної вечері»... на якій він нібито з неї пив. Чаша ж «таємної вечері» мала пророка Джошуа, але не Радомир.
І Йосип Аримафейський справді колись зібрав туди кілька крапель крові пророка. Але ця знаменита «Граальська Чаша» по-справжньому була лише найпростішою глиняною чашкою, з якої зазвичай пили на той час усі євреї, і яку не так просто було після знайти. Золотої ж, або срібної чаші, суцільно посипаної дорогоцінним камінням (як люблять зображати її священики) ніколи в реальності не існувало ні за часів іудейського пророка Джошуа, ні тим більше за Радомира.
Але це вже інша, хоч цікава історія.

У тебе не так багато часу, Ізидоро. І я думаю, ти захочеш дізнатися зовсім інше, що близько тобі до серця, і що, можливо, допоможе тобі знайти в собі більше сил, щоб вистояти. Ну, а цей, занадто тісно «темними» силами заплутаний клубок двох чужих один одному життів (Радоміра та Джошуа), у будь-якому разі, так скоро не розплести. Як я вже сказав, у тебе просто не вистачить цього часу, мій друже. Ти вже вибач...
Я лише кивнула йому у відповідь, намагаючись не показати, як сильно мене займала вся ця справжня правдива Історія! І як же хотілося мені дізнатися, хай навіть помираючи, вся неймовірна кількість брехні, обрушеної церквою на наші довірливі земні голови... Але я залишала Півночі вирішувати, що саме йому хотілося мені розповісти. Це була його вільна воля – говорити чи не говорити мені те чи інше. Я і так була йому невимовно вдячна за його дорогоцінний час, і за його щире бажання скрасити наші сумні дні, що залишилися.
Ми знову опинились у темному нічному саду, «підслуховуючи» останній годинникРадомира та Магдалини...
– Де ж цей Великий Храм, Радомире? – здивовано спитала Магдалина.
- У дивовижній далекій країні... На самій «вершині» світу... (мається на увазі Північний Полюс, колишня країна Гіперборея - Даарія), - тихо, ніби пішовши в нескінченно далеке минуле, прошепотів Радомир. – Там стоїть свята гора рукотворна, яку не в силах зруйнувати ні природа, ні час, ні люди. Бо гора ця вічна... Це і є Храм Вічного Знання. Храм наших старих Богів, Маріє...
Колись, давним-давно, виблискував на вершині святої гори їхній Ключ – цей зелений кристал, що давав Землі захист, відкривав душі, і навчав гідних. Тільки ось пішли наші Боги. І з того часу Земля поринула у темряву, яку поки що не в змозі зруйнувати сама людина. Занадто багато в ньому поки що заздрості та злості. Та й ліні теж...

– Люди мають прозріти, Маріє. – трохи помовчавши, сказав Радомир. - І саме ТИ допоможеш їм! - І ніби не помітивши її протестуючого жесту, спокійно продовжив. – ТИ навчиш їх ЗНАННЯ та РОЗУМІННЯ. І даси їм справжню ВІРУ. Ти станеш їх Путівною Зіркою, що б зі мною не сталося. Обіцяй мені!.. Мені нема кому більше довірити те, що мав виконати я сам. Обіцяй мені, світла моя.
Радомир дбайливо взяв її обличчя в долоні, уважно вдивляючись у променисті блакитні очі і... несподівано посміхнувся... Скільки нескінченного кохання світилося в цих дивних, знайомих очах!.. І скільки ж було в них глибокого болю... Він знав, як їй було страшно та самотньо. Знав, як сильно вона хотіла його врятувати! І незважаючи на все це, Радомир не міг утриматися від усмішки – навіть у такий страшний для неї час, Магдалина якимось чином залишалася такою ж напрочуд світлою і ще красивішою!.. Наче чисте джерело з життєдайною прозорою водою...
Струснувшись, він якомога спокійніше продовжив.
- Дивись, я покажу тобі, як відкривається цей давній Ключ...
На розкритій долоні Радомира спалахнуло смарагдове полум'я... Кожна найменша руна почала розкриватися в цілий пласт незнайомих просторів, розширюючись і відкриваючись мільйонами образів, що плавно протікали один через одного. Дивовижна прозора «будова» зростала і кружляла, відкриваючи нові і нові поверхи Знань, ніколи не бачених сьогоднішньою людиною. Воно було приголомшливим і безмежним!.. І Магдалина, будучи не в силах відвести від цього чарівництва очей, занурювалася з головою в глибину незвіданого, кожною фіброю своєї душі відчуваючи пекучу, спекаючу спрагу!.. Вона вбирала в себе мудрість віків, відчуваючи, як потужною хвилею, заповнюючи кожну її клітинку, тече нею незнайома Стародавня Магія! Знання Предків затоплювало, воно було по-справжньому неосяжним – з життя найменшої комашки воно переносилося в життя всесвітів, перетікало мільйонами років у житті чужих планет, і знову потужною лавиною поверталося на Землю...
Широко розплющивши очі, Магдалина слухала дивне Знання Стародавнього світу... Її легке тіло, вільне від земних «оків», піщинкою купалася в океані далеких зірок, насолоджуючись величчю та тишею вселенського спокою.
Раптом перед нею розгорнувся казковий Зоряний Міст. Простягнувшись, здавалося, в саму нескінченність, він виблискував і іскрився нескінченними скупченнями великих і маленьких зірок, розстилаючись біля її ніг у срібну дорогу. Вдалині, на самій середині тієї ж дороги, весь оповитий золотим сяйвом, Магдалину чекала Людина... Він був дуже високим і виглядав дуже сильним. Підійшовши ближче, Магдалина побачила, що не все в цій небаченій істоті було таке вже «людське»... Найбільше вражали його очі – величезні та іскристі, ніби вирізані з дорогоцінного каменю, вони сяяли холодними гранями, як справжній діамант. Але так само, як діамант, були байдужими й відчуженими... Мужні риси обличчя незнайомця дивували різкістю і нерухомістю, ніби перед Магдалиною стояла статуя... Дуже довге, пишне волосся іскрилося і переливалося сріблом, наче на них хтось ненароком розсипав зірок. ... «Людина» і, правда, була дуже незвичайною... Але навіть при всій її «крижаній» холодності, Магдалина явно відчувала, як ішов від дивного незнайомця чудовий спокій і тепле, щире добро. Тільки вона чомусь знала напевно – не завжди і не всім це добро було однаковим.
«Людина» вітально підняла розгорнуту до неї долоню і лагідно промовила:
- Зупинися, Зоряна... Твій Шлях ще не закінчений. Ти не можеш іти додому. Повертайся до Мідгарда, Маріє... І бережи Ключ Богів. Хай збереже тебе Вічність.
І тут потужна постать незнайомця почала раптом повільно вагатися, стаючи зовсім прозорою, ніби збираючись зникнути.

До березня 1939 року групи вчених, які працювали у Франції та в Америці, довели, що для ланцюгової реакції, що самопідтримується, достатньо виділення в середньому двохчотирьох вільних нейтронів при кожному розподілі уранового ядра. Зростання було побоювання можливості створення атомної бомби, проте, швидко розвіялися.

Бор вирішив не гаяти часу. Фізика поділу, як і будь-який інший новий напрямок у науці, безсумнівно, надавала неохопне поле для діяльності. І оскільки в Прінстоні працювати можна було з не меншим успіхом, ніж у Копенгагені, Бор звернувся до Уїлера з пропозицією співробітництва. Вони взялися за подальшу розробку теорії поділу ядер, спираючись на нові експериментальні дані. Експерименти вони проводили з апаратом, зібраним нашвидкуруч тут же, у Прінстоні, на горищі Палмерівської лабораторії. Отримані результати були спочатку дуже спантеличуючими.

Згаданий вище апарат потрібен був, щоб вивчити зміни в інтенсивності поділу ядра урану під впливом нейтронів, що несуть щоразу різні обсяги енергії. Було встановлено, що більше ця енергія, тим інтенсивніше відбувається розподіл, і з її зменшенням інтенсивність розподілу, відповідно, також знижується. Такі дані були цілком очікуваними. Проте невдовзі з'ясувалося, що з достатньому зменшенні енергії нейтронів інтенсивність розподілу ядра знову зростає.

Плачек, який раніше змусив Фріша, який працював у Копенгагені, шукати достовірне підтвердження ядерного розщеплення, дуже несподівано опинився в Прінстоні. «Що це ще за чортівня: чому відгук однаковий і на швидкий і повільний вплив?!» - обурювався він, сидячи за сніданком разом з Розенфельдом та Бором.

Незабаром повертаючись до свого кабінету, Нільс Бор уже знав відповідь на це запитання. Судячи з усього, причина високої інтенсивності поділу ядра при малій енергії нейтронів, що впливають, - рідкісний ізотоп уран-235 (U 235), який становить мізерно малий відсоток від загальної кількості цього елемента, що зустрічається в природі. Бор і Вілер почали тепер докладну розробку цієї гіпотези. І в новій теорії були встановлені два основні фактори.

В ізотопі U 235 баланс між відштовхує силою протонів в ядрі атома і силою поверхневого натягу, що утримує ядро ​​від розпаду, набагато крихкий, ніж в ізотопі U 238 . Три додаткові нейтрони урану-238 стабілізують ядро ​​і збільшують енергетичний бар'єр, який необхідно подолати, щоб запустити реакцію розпаду. Отже, для розщеплення такого ядра необхідні швидші нейтрони з більшою енергією.

Другим із згаданих чинників став безпосередньо складний склад ядра. Для нього більш сприятливо рівне числопротонів та нейтронів, що пояснюється квантовою природою їх субатомних складових. Прийнявши додатковий нейтрон, U 235 перетворюється на U 236 , в ядрі якого 92 протона і 144 нейтрона, тобто парне число обох нуклонів. Коли U 238 приймає додатковий нейтрон, утворюється ізотоп U 239 з непарним числом нейтронів в ядрі. Уран-235 «асимілює» додатковий нейтрон і вступає з ним у реакцію набагато простіше, ніж уран-238.

Сукупність двох вищеописаних чинників достатньо пояснює суттєву відмінність у поведінці двох ізотопів урану. Для розщеплення стійкого ядра U 238 потрібні швидкі нейтрони, а менш стабільне ядро ​​U 235 розділити можна повільними. Таким чином, якщо виготовити бомбу, що складається з суміші U 235 U 238 , дія якої буде заснована на розщепленні урану-235 під впливом повільних нейтронів, то і ланцюгова реакція в ній відбуватиметься повільно. Потім вона згасне, а бомба так і не вибухне.

Тепер шанси на створення бомби найближчим часом хоч і не зникли зовсім, але значно знизилися. Звичайно, не можна забувати і про слова Бора, які неодноразово повторювалися їм у ході дискусій з колегами у квітні 1939 року: тоді він заявив, що виготовити бомбу можна, можливоза умови, що вона буде зроблена на основі чистого урану-235. Однак U 235 - рідкісний ізотоп і його частка стосовно природного урану становить 1:140, тобто нікчемні 0,7%. До того ж U 235 і U 238 хімічним властивостямідентичні, і тому за допомогою хімічної реакції їх не можна розділити. Це можливо тільки із застосуванням спеціальних фізичних методів, дозволяють відокремити ізотопи один від одного, використовуючи практично непомітну різницю в їх масі. При цьому подібні роботи в масштабах, необхідних для створення атомної бомби, вимагали невиправдано великих зусиль - на рівні розробок для неї вимагалося кілька тонн урану-235.

Ядерне паливо - матеріал, використовуваний у ядерних реакторах щодо керованої ланцюгової реакції. Воно надзвичайно енергоємне та небезпечне для людини, що накладає ряд обмежень на його використання. Сьогодні ми з вами дізнаємося, що є паливо ядерного реактора, як воно класифікується і виробляється, де застосовується.

Хід ланцюгової реакції

Під час ланцюгової ядерної реакції ядро ​​ділиться на дві частини, які називають осколками поділу. Одночасно з цим виділяється кілька (2-3) нейтронів, які згодом викликають розподіл наступних ядер. Процес відбувається при попаданні нейтрону в ядро ​​вихідної речовини. Уламки розподілу мають велику кінетичну енергію. Їхнє гальмування в речовині супроводжується виділенням величезної кількості тепла.

Уламки розподілу, разом із продуктами їхнього розпаду, називають продуктами розподілу. Ядра, які діляться нейтронами будь-якої енергії, називають ядерним пальним. Як правило, вони є речовинами з непарною кількістю атомів. Деякі ядра діляться суто нейтронами, енергія яких вища за певне порогове значення. Це переважно елементи з парним числом атомів. Такі ядра називають сировинним матеріалом, оскільки у момент захоплення нейтрона пороговим ядром утворюються ядра пального. Комбінація пального та сировинного матеріалу називається тим самим ядерним паливом.

Класифікація

Ядерне паливо ділиться на два класи:

1. Природне уранове. Воно містить ядра урану-235 і сировину урану-238, що здатні утворювати плутоній-239 при захопленні нейтрона.
2. Вторинне паливо, яке не зустрічається в природі. До нього, крім іншого, відноситься плутоній-239, який виходить з палива першого виду, а також уран-233, що утворюється при захопленні нейтронів ядрами торію-232.

З погляду хімічного складу бувають такі види ядерного палива:

1. металеве (у тому числі сплави);
2. Оксидне (наприклад, UO 2);
3. Карбідне (наприклад, PuC 1-x);
4. Змішане;
5. Нітридний.

ТВЕЛ та ТВС

Паливо для ядерних реакторів використовується як таблеток невеликого розміру. Вони містяться в герметично-закриті тепловиділяючі елементи (ТВЕЛи), які, у свою чергу, по кілька сотень об'єднуються в тепловиділяючі зборки (ТВЗ). До ядерного палива висуваються високі вимоги щодо сумісності з оболонками ТВЕЛів. Воно повинно мати достатню температуру плавлення та випаровування, хорошу теплопровідність і не сильно збільшуватись в об'ємі при нейтронному опроміненні. Також до уваги береться технологічність виробництва.

Застосування

На атомні електростанції та інші ядерні установки паливо надходить у вигляді ТВС. Вони можуть завантажуватися в реактор як під час його роботи (на місце ТВС, що вигоріли), так і під час ремонтної кампанії. В останньому випадку тепловиділяючі зборки змінюють великими групами. При цьому лише третина палива замінюється повністю. Найбільш вигорілі зборки вивантажуються з центральної частини реактора, а на їх місце ставляться зборки, що частково вигоріли, які раніше знаходилися в менш активних областях. Отже, місце останніх встановлюються нові ТВС. Ця нехитра схема перестановки вважається традиційною і має низку переваг, головною з яких є забезпечення рівномірного енерговиділення. Звичайно, це умовна схема, яка дає лише загальні уявлення про процес.

Витримка

Після вилучення відпрацьованого ядерного палива з активної зони реактора його відправляють у басейн витримки, який, як правило, знаходиться неподалік. Справа в тому, що у відпрацьованих ТВС міститься безліч осколків поділу урану. Після вивантаження з реактора кожен ТВЕЛ містить близько 300 тисяч Кюрі радіоактивних речовин, що виділяють 100 кВт/год енергії. За рахунок неї паливо саморозігрівається та стає високорадіоактивним.

Температура нещодавно вивантаженого палива може сягати 300°С. Тому його витримують протягом 3-4 років під шаром води, температура якої підтримується у встановленому діапазоні. У міру зберігання під водою радіоактивність палива і потужність його залишкових виділень падає. Приблизно через три роки саморозігрів ТВС доходить до 50-60°С. Тоді паливо витягують із басейнів та відправляють на переробку чи поховання.

Металевий уран

Металевий уран використовується як паливо для ядерних реакторів відносно рідко. Коли речовина досягає температури 660°С, відбувається фазовий перехід, що супроводжується зміною його структури. Простіше кажучи, уран збільшується в обсязі, що може призвести до руйнування ТВЕЛу. У разі тривалого опромінення за температури 200-500°С речовина піддається радіаційному зростанню. Суть цього явища полягає у подовженні опроміненого уранового стрижня у 2-3 рази.

Застосування металевого урану при температурі понад 500°С важко через його розпухання. Після поділу ядра утворюється два уламки, сумарний обсяг яких перевищує обсяг того самого ядра. Частина осколків поділу представлена ​​атомами газів (ксенон, криптон та ін.). Газ накопичується в порах урану і формує внутрішній тиск, що зростає зі збільшенням температури. За рахунок збільшення обсягу атомів та підвищення тиску газів ядерне паливо починає розпухати. Таким чином, під цим мається на увазі відносна зміна обсягу, пов'язана з розподілом ядер.

Сила розпухання залежить від температури ТВЕЛів та вигоряння. Зі збільшенням вигоряння зростає кількість уламків поділу, а зі збільшенням температури та вигоряння - внутрішній тиск газів. Якщо паливо має більш високі механічні якості, то воно менш схильне до розпухання. Металевий уран до таких матеріалів не належить. Тому його застосування як паливо для ядерних реакторів обмежує глибину вигоряння, яка є однією з головних характеристик такого палива.

Механічні властивості урану та його радіаційна стійкість покращуються шляхом легування матеріалу. Цей процес передбачає додавання до нього алюмінію, молібдену та інших металів. Завдяки легуючим добавкам число нейтронів поділу, необхідне на одне захоплення, знижується. Тому для цієї мети використовуються матеріали, які слабо поглинають нейтрони.

Тугоплавкі сполуки

Хорошим ядерним паливом вважаються деякі тугоплавкі сполуки урану: карбіди, оксиди та інтерметалеві сполуки. Найбільш поширеним є діоксид урану (кераміка). Його температура плавлення становить 2800°С, а густина - 10,2 г/см 3 .

Оскільки цей матеріал не має фазових переходів, він менш схильний до розпухання, ніж сплави урану. Завдяки цій особливості температуру вигоряння можна збільшити на кілька відсотків. На високих температурах кераміка не взаємодіє з ніобієм, цирконієм, нержавіючою сталлю та іншими матеріалами. Її головний недолік полягає в низькій теплопровідності - 4,5 кДж (м*К), що обмежує питому потужність реактора. Крім того, гаряча кераміка схильна до розтріскування.

Плутоній

Плутоній вважається низькоплавким металом. Він плавиться за температури 640°С. Через погані пластичні властивості він практично не піддається механічній обробці. Токсичність речовини ускладнює технологію виготовлення ТВЕЛ. В атомній промисловості неодноразово робилися спроби використання плутонію та його сполук, проте вони не мали успіху. Використовувати паливо для атомних електростанцій, що містить плутоній, недоцільно через приблизно 2-кратне зменшення періоду розгону, на що не розраховані стандартні системикерування реакторами.

Для виготовлення ядерного палива зазвичай використовують діоксид плутонію, сплави плутонію з мінералами, а також суміш карбідів плутонію з карбідами урану. Високі механічними властивостямиі теплопровідністю володіють дисперсійні палива, які частинки сполук урану і плутонію розміщуються в металевій матриці з молібдену, алюмінію, нержавіючої сталі та інших металів. Від матеріалу матриці залежить радіаційна стійкість та теплопровідність дисперсійного палива. Наприклад, на першій АЕС дисперсійне паливо складалося з частинок уранового сплаву з 9% молібдену, залитого молібденом.

Що стосується торієвого палива, то воно на сьогодні не використовується через труднощі виробництва та переробки ТВЕЛів.

Здобич

Значні обсяги основної сировини для ядерного палива – урану сконцентровані у кількох країнах: Росія, США, Франція, Канада та ПАР. Його поклади, як правило, знаходяться біля золота та міді, тому всі ці матеріали добувають одночасно.

Здоров'я людей, які працюють на розробках, схильне до великої небезпеки. Справа в тому, що уран є токсичним матеріалом і гази, що виділяються в процесі його видобутку, можуть викликати рак. І це при тому, що у руді міститься не більше 1% цієї речовини.

Отримання

Виробництво ядерного палива з уранової руди включає такі стадії, як:

1. Гідрометалургійна переробка. Включає вилуговування, дроблення і екстракційне або сорбційне вилучення. Результатом гідрометалургійної переробки є очищена завись оксиурану, діуранату натрію або діуранату амонію.
2. Переведення речовини з оксиду в тетрафторид або гексафторид, що використовується для збагачення урану-235.
3. Збагачення речовини шляхом центрифугування чи газової термодифузії.
4. Переведення збагаченого матеріалу в діоксид, з якого виробляють «таблетки» ТВЕЛ.

Регенерація

Під час роботи ядерного реактора паливо не може повністю вигоряти, тому відтворюються вільні ізотопи. У зв'язку з цим відпрацьовані ТВЕЛ підлягають регенерації з метою повторного використання.

На сьогодні це завдання вирішують шляхом п'юрекс-процесу, що складається з таких етапів, як:

1. Розрізання ТВЕЛів на дві частини та розчинення їх у азотній кислоті;
2. Очищення розчину від продуктів поділу та частин оболонки;
3. Виділення чистих сполук урану та плутонію.

Після цього отриманий діоксид плутонію йде на виробництво нових сердечників, а уран - на збагачення або виготовлення серцевиків. Переробка ядерного палива є складним та дорогим процесом. Її вартість істотно впливає на економічну доцільність використання атомних електростанцій. Те саме можна сказати і про поховання відходів ядерного палива, не придатних до регенерації.

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 вже 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 і більше складні з'єднанняз 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 все одно потемніла. Коли ж між сіллю та 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. Найбільш довгоживучий – 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 їм 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 2011 року 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 як слід, 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 поле: 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 вуглястих 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 і протонів в ядрі не є оптимальним, 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 - одну клітинку 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 тікати 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 жодним 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, який 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 і 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 стали розходитися своїми лабораторіями прямо під час його доповіді 26 січня 1939 року у Вашингтоні на щорічній конференції з теоретичної фізикиколи схопили 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 Уіллер, 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 напіврозпаду 2,33 дні, - на довгоживучий плутоній-239. Торій-232 стане ураном-233.

Другий механізм - безпорогове поглинання нейтрона, 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 свідомо 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). «...В теперішній моментще 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 - елементи, що виділяють тепло. 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 поділу 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 бомбина Хіросіму та Нагасакі, внаслідок чого загинули та постраждали сотні тисяч мирних жителів. Катастрофи меншого масштабу пов'язані з аваріями на атомних станціяхта 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 Чорнобильської АЕС(1986) та АЕС у Фукусімі (2011), коли 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 європейському континентіпросто вони непомітні на статистичному фоні.

Виведення земель із людського використання в зонах аварій призводить до цікавого результату: вони стають свого роду заповідниками, де зростає біорізноманіття. Щоправда, окремі тварини страждають на хвороби, пов'язані з 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 здібностейу 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 урану зброї та тепловиділяючих елементів великі - в одних США накопичилося 600 тисяч тонн гексафториду такого урану (про проблеми з ним див. «Хімію і 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. Придатний 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 більше 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 довкілля, 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 високі щільність і температура плавлення), а також замість вольфрамового сплаву в осердях для бронебійних снарядів. Урановий сердечник гарний ще й тим, що уран пірофорний: його гарячі дрібні частинки, що утворилися при ударі 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. Того року вони висипали на іракські бронетанкові частини в Кувейті і за їх відступу 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.

Уран, елемент з порядковим номером 92, найважчий із природи, що зустрічаються. Використовувався він ще на початку нашої ери, уламки кераміки з жовтою глазур'ю (що містять понад 1% оксиду урану) знаходилися серед руїн Помпеї та Геркуланума.

Уран був відкритий у 1789 році в урановій смолці німецьким хіміком Мартоном Генріхом Клапротом, який назвав його на честь планети уран, відкритою в 1781 році. У 1896 році Антуан-Анрі Беккерель відкриває явище радіоактивності урану випадковим засвічуванням фотопластинок іонізуючим випромінюванням від шматочка солі урану, що опинився поблизу.

Фізичні та хімічні властивості

Уран дуже важкий, сріблясто-білий глянсуватий метал. У чистому вигляді він трохи м'якший за стали, ковкий, гнучкий, має невеликі парамагнітні властивості. Уран має три алотропні форми: альфа (призматична, стабільна до 667.7 °C), бета (чотирикутна, стабільна від 667.7 до 774.8 °C), гама (з об'ємно центрованою кубічною структурою, що існує від 774.8 °C до точки плавлення) Уран найбільш податливий і зручний для обробки. Альфа-фаза - дуже примітний тип призматичної структури, що складається з хвилястих шарів атомів у надзвичайно асиметричних призматичних гратах. Така анізотропна структура ускладнює сплав урану коїться з іншими металами. Тільки молібден та ніобій можуть створювати з ураном твердофазні сплави. Щоправда, металевий уран може вступати у взаємодію з багатьма сплавами, утворюючи інтерметалічні з'єднання.

Основні фізичні властивості урану:
температура плавлення 1132.2 ° C (+/- 0.8);
температура кипіння 3818 ° С;
густина 18.95 (в альфа-фазі);
питома теплоємність 6.65 кал/моль/°C (25 °C);
міцність на розрив 450 МПа.

Хімічно уран дуже активний метал. Швидко окислюючись на повітрі, він покривається райдужною плівкою оксиду. Дрібний порошок урану спалахує на повітрі, він запалюється при температурі 150-175 °C, утворюючи U 3 O 8 . При 1000 C уран з'єднується з азотом, утворюючи жовтий нітрид урану. Вода здатна роз'їдати метал, повільно за низької температури, і швидко за високої. Уран розчиняється в соляній, азотній та інших кислотах, утворюючи чотиривалентні солі, проте не взаємодіє з лугами. Уран витісняє водень з неорганічних кислоті сольових розчинів таких металів як ртуть, срібло, мідь, олово, платина та золото. При сильному струшуванні металеві частинки урану починають світитися.
Уран має чотири ступені окислення – III-VI. Шестивалентні сполуки включають в себе триокис уранілу UO 3 та уранілхлорид урану UO 2 Cl 2 . Тетрахлорид урану UCl 4 та діоксид урану UO 2 - Приклади чотиривалентного урану. Речовини, що містять чотиривалентний уран, зазвичай нестабільні і звертаються в шестивалентні при тривалому перебуванні на повітрі. Уранілові солі, такі як уранілхлорид, розпадаються в присутності яскравого світла або органіки.

Уран стабільних ізотопів не має, але відомо 33 його радіоактивні ізотопи. Природний уран складається із трьох радіоактивних ізотопів: 238 U (99,2739%, T=4.47⋅10 9 років, α-випромінювач, родоначальник радіоактивного ряду (4n+2)), 235 U (0.7205%, T=7,04⋅10 9 років, родоначальник радіоактивного ряду (4n+3)) та 234 U (0.0056%, T=2.48⋅10 5 років, α-випромінювач). Останній ізотоп є не первинним, а радіогенним, він входить до складу радіоактивного ряду 238 U. Атомна маса природного урану 238,0289+0,0001.

Радіоактивність природного урану обумовлена ​​в основному ізотопами 238 U та 234 U, у рівновазі їх питомі активності рівні. Питома радіоактивність природного урану 0.67 мікрокюрі/г, розділяється практично навпіл 234 U та 238 U; 235 U робить малий внесок (питома активність ізотопу 235 U у природному урані в 21 разів менше активності 238 U). Природний уран досить радіоактивний для засвічування фотопластинки протягом години. Поперечний переріз захоплення теплових нейтронів 233 U 4,6 · 10 -27 м2, 235 U 9,8 10 -27 м2, 238 U 2,7 10 -28 м2; переріз поділу 233 U 5,27 · 10 -26 м2, 235 U 5,84 · 10 -26 м2, природної суміші ізотопів 4,2·10-28 м2.

Ізотопи урану, як правило, α-випромінювачі. Середня енергія α-випромінювання 230 U, 231 U, 232 U, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U дорівнює відповідно 5,97; 3,05⋅10 -4 ; 5,414; 4,909; 4,859; 4,679; 4,572; 4,270 МеВ. У той же час такі ізотопи, як 233 U, 238 U та 239 U крім альфа-зазнають і інший тип розпаду – спонтанний поділ, хоча ймовірність поділу набагато менша від ймовірності α-розпаду.

З погляду практичних додатків важливо, що природні ізотопи 233 U та 235 U діляться під дією як теплових, і швидких нейтронів ( 235 U здатний до спонтанного поділу), а ядра 238 U здатні до поділу тільки при захопленні нейтронів з енергією понад 1 МеВ. При захопленні нейтронів із меншою енергією ядра 238 U перетворюються спочатку на ядра 239 U, які далі відчувають β-розпад і переходять спочатку в 239 Np, а потім - у 239 Pu, ядерні властивості якого близькі до 235 U. Ефективні перерізи захоплення теплових нейтронів ядер 234 U, 235 U і 238 U дорівнюють 98⋅10 -28 , 683⋅10 -28 та 2,7⋅10 -28 м2 відповідно. Повний поділ 235 U призводить до виділення «теплового енергетичного еквівалента» 2⋅10 7 кВт.год/кг.

Техногенні ізотопи урану

У сучасних атомних реакторах напрацьовуються 11 штучних радіоактивних ізотопів з масовими числами від 227 до 240, з яких найдовгоживучий 233 U (T = 1,62 · 10 5 років); він виходить при нейтронному опроміненні торію. Ізотопи урану з масовим числом більше 240 у реакторах не встигають утворитися. Занадто мало часу життя урану-240, і він розпадається, не встигнувши захопити нейтрон. Однак у надпотужних нейтронних потоках термоядерного вибуху ядро ​​урану за мільйонну частку секунди встигає захопити до 19 нейтронів. При цьому народжуються ізотопи урану з масовими числами від 239 до 257. Про їхнє існування дізналися про появу в продуктах термоядерного вибуху далеких трансуранових елементів – нащадків важких ізотопів урану. Самі «засновники роду» надто нестійкі до β-розпаду та переходять у вищі елементи задовго до вилучення продуктів ядерних реакцій із перемішаної вибухом породи.

В енергетичних реакторах на теплових нейтронах як ядерне паливо використовують ізотопи. 235 U та 233 U, а реакторах на швидких нейтронах 238 U, тобто. ізотопи, здатні підтримувати ланцюгову реакцію поділу.

U-232

232 U – техногенний нуклід, у природі не зустрічається, α-випромінювач, Т=68,9 років, материнські ізотопи 236 Pu(α), 232 Np(β+) та 232 Pa(β-), дочірній нуклід 228 Тh. Здатний до спонтанного поділу. 232 U має інтенсивність спонтанного поділу 0.47 поділів/с⋅кг. У ядерній промисловості 232 U напрацьовується як побічний продукт при синтезі нукліду 233U в торієвому паливному циклі. При опроміненні 232 Th відбувається основна реакція:

232 Th + n → 233 Th → (22.2 хв, β-розпад) → 233 Pa → (27.0 днів, β-розпад) → 233 U

та побічна двостадійна реакція:

232 Th + n → 231 Th + 2n, 231 Th → (25.5 год, β) → 231 Pa + n → 232 Pa → (1.31 днів, β) → 232 U.

Напрацювання 232 U під час двостадійної реакції залежить від присутності швидких нейтронів (потрібні нейтрони з енергією щонайменше 6 МеВ), бо перетин першої реакції мало для теплових швидкостей. Енергіями більше 6 МеВ має невелике число нейтронів поділу і якщо зона відтворення торію знаходиться в такій частині реактора, де вона опромінюється помірно швидкими нейтронами (~ 500 кеВ), то ця реакція може бути практично виключена. Якщо у вихідній речовині знаходиться 230 Th, то освіта 232 U доповнюється реакцією: 230 Th + n → 231 Th і далі, як зазначено вище. Ця реакція чудово і з тепловими нейтронами. Тому придушення освіти 232 U (а це потрібно з наведених нижче причин) вимагає завантаження торію з мінімальною концентрацією 230 Th.

Ізотоп, що утворюється в енергетичному реакторі 232 U представляє проблему для охорони праці, оскільки він розпадається на 212 Bi та 208 Te, які випромінюють γ-кванти високих енергій. Тому препарати, що містять велику кількість цього ізотопу, слід переробляти в гарячій камері. Наявність 232 U в опроміненому урані небезпечно і з погляду поводження з атомною зброєю.

Накопичення 232 U неминуче при виробництві 233 U в торієвому енергетичному циклі, що стримує впровадження його в енергетику. Незвичайним є те, що парний ізотоп 232 U має високий переріз поділу під дією нейтронів (для теплових нейтронів 75 барн, резонансний інтеграл 380), а також високий переріз захоплення нейтронів – 73 бар (резонансний інтеграл 280).

Є і користь від 232 U: він часто застосовується у методі радіоактивних індикаторів у хімічних та фізичних дослідженнях.

U-233

233 U відкритий Сиборгом, Гофманом та Стоутоном. Уран-233 - α-випромінювач, Т=1,585⋅105 років, материнські нукліди 237 Pu(α) 233 Np(β+) 233 Pa(β-), дочірній нуклід 229 Th. Уран-233 виходить в атомних реакторах з торію: 232Th захоплює нейтрон і перетворюється на 233 Th, який розпадається на 233 Ра, а потім у 233 U. Ядра 233 U (непарний ізотоп) здатні як до спонтанного поділу, так і поділу під дією нейтронів будь-яких енергій, що робить його придатним до виробництва як атомної зброї, так і реакторного палива (можливе розширене відтворення ядерного пального). Уран-233 також є найперспективнішим паливом для газофазних ядерних ракетних двигунів. Ефективний переріз розподілу швидкими нейтронами 533 барн, період напіврозпаду 1585000 років, у природі не зустрічається. Критична маса 233 U втричі менше критичної маси 235 U (близько 16 кг). 233 U має інтенсивність спонтанного поділу рівну 720 поділів/с⋅кг. 235U можна отримати з 232Th, опроміненням нейтронами:

232 Th + n → 233 Th → (22.2 хв, β-розпад) → 233 Pa → (27.0 днів, β-розпад) → 233U

При поглинанні нейтрону, ядро 233 U зазвичай ділиться, але зрідка захоплює нейтрон, переходячи в 234 U, хоча частка процесів розподілу менше, ніж в інших палив ( 235 U, 239 Pu, 241 Pu) вона залишається малою за всіх енергій нейтронів. Зазначимо, що існує проект реактора на основі розплаву солей, в якому протактіній фізично ізолюють, перш ніж він встигне поглинути нейтрон. Хоча 233 U, поглинувши нейтрон, зазвичай ділиться, все ж таки він іноді зберігає нейтрон, переходячи в 234 U (цей процес значно менш ймовірний, ніж розподіл).

Напрацювання 233 U із сировини для торієвої промисловості - довгострокова стратегія розвитку ядерної промисловості Індії, що має суттєві запаси торію. Бридинг можна здійснити або в швидких або теплових реакторах. Поза Індією, інтерес до паливного циклу на основі торію не надто великий, хоча світові запаси торію втричі перевищують запаси урану. Крім палива в атомних реакторах, можна використовувати 233 U у збройовому заряді. Хоча зараз це роблять рідко. У 1955 США перевірили збройові якості 233 U, підірвавши бомбу на його основі в операції Teapot (заварний чайник). Зі збройової точки зору 233 U, порівняємо з 239 Pu: його радіоактивність – 1/7 (Т=159200 років проти 24100 років у плутонію), його критична маса на 60% вище (16 кг проти 10 кг), а швидкість спонтанного поділу вища у 20 разів (6⋅10-9 проти 3⋅10 -10 ). Однак, оскільки його питома радіоактивність нижче, то нейтронна щільність 233 U втричі вище, ніж у 239 Pu. Створення ядерного заряду на основі 233 U вимагає більших зусиль, ніж плутонії, але технологічні зусилля приблизно самі.

Основна відмінність – наявність у 233 U домішки 232 U, яка ускладнює роботи з 233 U і дозволяє легко виявити готову зброю.

Зміст 232 U у збройовому 233 U не повинне перевищувати 5 частин на мільйон (0.0005%). У комерційному ядерному паливному циклі наявність 232 U не є великою вадою, навіть бажано, оскільки це знижує можливість поширення урану для збройових цілей. Для економії палива, після його переробки та повторного використання рівень 232 U сягає 0.1-0.2%. У спеціально спроектованих системах цей ізотоп накопичується у концентраціях 0.5-1%.

Протягом перших двох років після виробництва 233 U, що містить 232 U, 228 Th зберігається постійному рівні, перебуваючи у рівновазі з власним розпадом. У цьому періоді фонове значення γ-випромінювання встановлюється та стабілізується. Тому перші кілька років вироблена маса 233 U випускає значне γ-випромінювання. Десятикілограмова сфера 233 U збройової чистоти (5 мільйонних часток 232U) створює фон 11 мілібер/годину на відстані 1 м через 1 місяць після виробництва, 110

мілібер/год через рік, 200 мілібер/год через 2 роки. Щорічна гранична доза 5 бер перевищується вже через 25 годин роботи з таким матеріалом. Навіть свіжий 233 U (1 місяць з дня виготовлення) обмежує час складання десятьма годинами на тиждень. У повністю зібраному зброї рівень радіації знижують поглинанням корпусом заряду. У полегшених сучасних пристроях зниження не перевищує 10 разів, створюючи проблеми з безпекою. У більш зарядах поглинання сильніше - в 100 - 1000 разів. Рефлектор із берилію збільшує рівень нейтронного фону: 9Be + γ-квант → 8Be + n. γ-промені 232 U утворюють характерну сигнатуру, їх можна виявити та відстежити пересування та наявність атомного заряду. Спеціально денатурований за торієвим циклом 233 U (0.5 - 1.0% 232 U) створює ще більшу небезпеку. 10-кілограмова сфера, виготовлена ​​з такого матеріалу, на відстані 1 м через 1 місяць створює фон 11 бер/год, 110 бер/год через рік та 200 бер/год через 2 роки. Контакт із такою атомною бомбою, навіть при скороченні випромінювання у 1000 разів, обмежується 25 годинами на рік. Наявність помітної частки 232 U в речовині, що ділиться робить його вкрай незручним для військового застосування.

Природні ізотопи урану

U-234

Уран-234 (уран II) входить до складу природного урану (0,0055%), Т=2,445⋅10 5 років, α-випромінювач, материнські радіонукліди: 238 Pu(α), 234 Pa(β-), 234 Np(β+), дочірній ізотоп 230 Th. Зміст 234 U в руді дуже небагато через його порівняно короткий період напіврозпаду. 234 U утворюється за реакціями:

238 U → (4.51 мільярда років, альфа-розпад) → 234 Th

234 Th → (24.1 днів, бета-розпад) → 234 Pa

234 Pa → (6.75 годин, бета-розпад) → 234 U

Зазвичай 234 U знаходиться в рівновазі з 238 U, розпадаючись та утворюючись з однаковою швидкістю. Однак атоми, що розпадаються 238 U існують деякий час у вигляді торію і протактинію, тому можуть хімічно або фізично відокремитися від руди (вилуговуватися підземними водами). Оскільки 234 U має відносно короткий час напіврозпаду, весь цей ізотоп, що знаходиться в руді, утворився останні кілька мільйонів років. Приблизно половину радіоактивності природного урану становить внесок 234 U.

Концентрація 234 U у високозбагаченому урані досить висока через переважне збагачення легкими ізотопами. Оскільки 234 U є сильним γ-випромінювачем, є обмеження на його концентрацію в урані, призначеному для переробки паливо. В принципі, підвищений рівень 234 U прийнятний для сучасних реакторів, але піддане переробці відпрацьоване паливо містить вже неприйнятні рівні цього ізотопу.

Перетин поглинання 234 U теплових нейтронів 100 барн, а для резонансного інтеграла, усередненого за різними проміжними нейтронами 700 барн. Тому в реакторах на

теплових нейтронах він конвертується в ділиться 235 U з більшою швидкістю, ніж набагато більша кількість 238 U (з поперечним перерізом 2,7 барн) конвертується в 239 Pu. В результаті відпрацьоване ядерне паливо містить менше 234 U, ніж свіже.

U-235

Уран-235 (актиноуран) - ізотоп, здатний давати ланцюгову реакцію поділу, що швидко розвивається. Відкритий Демпстером (Arthur Jeffrey Dempster) у 1935 році.

Це перший ізотоп, на якому була відкрита реакція вимушеного поділу ядер під дією нейтронів. Поглинаючи нейтрон, 235 U переходить у 236 U, який ділиться на дві частини, виділяючи енергію та випускаючи кілька нейтронів. Що ділиться нейтронами будь-яких енергій, здатний до мимовільного поділу, ізотоп 235 U входить до складу природного урану (0,72%), α-випромінювач (енергія 4.679 МеВ), Т=7,038⋅10 8 років, материнські нукліди 235 Pa, 235 Np та 239 Pu, дочірній - 231 Th. Інтенсивність спонтанного поділу 235 U 0.16 поділів/с⋅кг. При розподілі одного ядра 235 U виділяється 200 МеВ енергії = 3,2⋅10 -11 Дж, тобто. 18 ТДж/моль = 77 ТДж/кг. Однак 5% цієї енергії уноситься віртуально недектується нейтронами. Ядерний переріз тепловими нейтронами становить приблизно 1000 барн, а швидкими нейтронами – близько 1 барна.

Чиста 60-кілограмова маса 235 U виробляє всього 9.6 поділів/с, роблячи досить простий виготовлення атомної бомби за гарматною схемою. 238 U створює в 35 разів більше нейтронів на кілограм, тому навіть маленький відсоток цього ізотопу піднімає цей показник у кілька разів. 234 U створює в 22 рази більше нейтронів і має схоже з 238 U небажана дія. Питома активність 235 U всього 2.1 мікрокюрі/г; забруднення його 0.8% 234 U піднімають її до 51 мікрокюрі/г. Критична маса збройового урану. (93,5%) 235 U) в водних розчинахстановить менше 1 кг, для відкритої кулі – близько 50 кг, для кулі з відбивачем – 15 – 23 кг.

У природному урані лише один, щодо рідкісний, ізотоп підходить виготовлення ядра атомної бомби чи підтримки реакції у енергетичному реакторі. Ступінь збагачення по 235 U в ядерному паливі для АЕС коливається в межах 2-4.5%, для збройового використання - мінімум 80%, а переважно 90%. В США 235 U збройової якості збагачений до 93.5% (промисловість здатна видати 97.65%). Такий уран використовують у реакторах для військово-морського флоту.

Зауваження. Уран зі змістом 235 U більше 85% називається збройовим ураном, із вмістом понад 20% і менше 85% - ураном, придатним до збройового застосуванняоскільки з нього можна приготувати «погану» (неефективну бомбу). Але з нього можна виготовити і «хорошу» бомбу, якщо застосувати імплозію, нейтронні відбивачі та деякі доповнені хитрощі. На щастя, реалізувати такі хитрощі на практиці поки що можуть лише 2-3 країни у світі. Зараз, бомби з урану, мабуть, ніде не виробляються (плутоній витіснив уран із ядерної зброї), але перспективи урану-235 зберігаються завдяки простоті гарматної схеми уранової бомби і можливості розширеного виробництва таких бомб за несподівано виниклої необхідності.

Будучи легшим, 234 U пропорційно збагачується навіть ще більшою мірою, ніж 235 U у всіх процесах поділу природних ізотопів урану, заснованих на різниці в масах, що становить певну проблему при виробництві зарядів атомних бомб. Високозбагачений 235 U зазвичай містить 1.5-2.0% 234 U.

Поділ 235 U використовується в атомній зброї, для виробництва енергії та для синтезу важливих актинідів. Уран природного складу використовують у ядерних реакторах для нейтронів. Ланцюгова реакція підтримується завдяки надлишку нейтронів, що утворюються при розподілі 235 U, в той же час надлишкові нейтрони, незатребувані ланцюговою реакцією, захоплюються іншим природним ізотопом, 238 U, що призводить до одержання плутонію, також здатного ділитися під дією нейтронів.

U-236

Зустрічається у природі у домішкових кількостях, α-випромінювач, Т=2,3415⋅10 7 років, розпадається на 232 Th. Утворюється під час бомбардування нейтронами 235 U, потім ділиться на ізотоп барію та ізотоп криптону з виділенням двох нейтронів, гамма-променів та вивільненням енергії.

У незначній кількості входить до складу свіжого палива; накопичується при опроміненні урану нейтронами в реакторі, і тому використовується як сигналізатор відпрацьованого уранового ядерного палива. 236 U утворюється як побічний продукт при сепарації ізотопів методом газової дифузії у разі регенерації використаного ядерного пального. Цей ізотоп має певне значення як матеріал для мішені у ядерних реакторах. При використанні рециклованого (переробленого) урану в атомному реакторі виникає важлива відмінність порівняно з використанням природного урану. Виділений з ВЯП уран містить ізотоп 236 U (0,5%), який при його використанні у свіжому паливі стимулює напрацювання ізотопу 238 Pu. Це призводить до погіршення якості енергетичного плутонію, але може бути позитивним фактором у контексті проблеми ядерного нерозповсюдження.

Який утворюється в енергетичному реакторі 236 U - нейтронна отрута, її присутність у ядерному паливі доводиться компенсувати більше високим рівнемзбагачення 235 U.

U-238

Уран-238 (уран I) - розподілений нейтронами високих енергій (більше 1 МеВ), здатний до мимовільного поділу, становить основу природного урану (99,27%), α-випромінювач, Т=4,468⋅10 9 років, безпосередньо розпадається на 234 Th, утворює ряд генетично зв'язкових радіонуклідів, і через 18 продуктів перетворюється на 206 Pb. Постійна швидкістьрозпаду ряду дає можливість використання відношення концентрацій материнського нукліду до дочірнього радіометричному датуванні. Період напіврозпаду урану-238 за спонтанним поділом точно не встановлений, але він дуже великий – близько 10 16 років, так що ймовірність поділу по відношенню до основного процесу - випромінювання альфа-частинки - складає всього 10 -7 . Один кілограм урану дає всього 10 спонтанних поділів на секунду, а за цей же час α-частинки випромінюють 20 мільйонів ядер. Материнські нукліди: 242 Pu(α), 238 Pa(β-) 234 Th, дочірній - 234 Th.

Хоча уран-238 не може бути використаний як первинний матеріал, що ділиться, через високої енергіїНейтрони, необхідні для його поділу, займають важливе місце в ядерній галузі. Маючи високу щільність та атомну вагу, 238 U придатний виготовлення з нього оболонок заряду/рефлектора в атомної і водневої бомбах. Той факт, що він ділиться швидкими нейтронами, збільшує енерговихід заряду: побічно, розмноженням відбитих нейтронів або безпосередньо при розподілі ядер оболонки заряду швидкими нейтронами (при синтезі). Приблизно 40% нейтронів, утворених при розподілі і всі нейтрони синтезу мають достатні для поділу 238 U енергіями. 238 U має інтенсивність спонтанного поділу у 35 разів більш високу, ніж 235 U, 5.51 поділів/с⋅кг. Це унеможливлює застосування його як оболонки заряду/рефлектора в бомбах гарматної схеми, бо відповідна його маса (200-300 кг) створить занадто високий нейтронний фон. Чистий 238 U має питому радіоактивність 0.333 мікрокюрі/р. Важлива сфера застосування цього ізотопу урану - виробництво 239 Pu. Плутоній утворюється в ході кількох реакцій, що починаються після захоплення атомом 238 U нейтрону. Будь-яке реакторне паливо, що містить природний або частково збагачений по 235-му ізотопу уран, після закінчення паливного циклу містить певну частку плутонію.

Збіднений уран

Після вилучення 235 U з природного урану, матеріал, що залишився, носить назву «збіднений уран», т.к. він збіднений ізотопам 235 U та 234 U. Зменшений зміст 234 U (близько 0,001%) знижує радіоактивність майже вдвічі в порівнянні з природним ураном, при цьому зменшення вмісту 235 U практично не позначається на радіоактивності збідненого урану.

У світі майже весь збіднений уран зберігається як гексафторида. США мають 560000 тонн збідненого гексафториду урану (UF6) на трьох газодифузійних збагачувальних виробництвах, у Росії – сотні тисяч тонн. Збіднений уран вдвічі менш радіоактивний, ніж природний уран, переважно з допомогою видалення з нього 234 U. Через те, що основне використання урану - виробництво енергії, на атомних реакторах тепловими нейтронами, збіднений уран - марний продукт з низькою економічною цінністю.

З точки зору безпеки, загальноприйнято переводити газоподібний гексафторид збідненого урану в оксид урану, який є твердою речовиною. Оксид урану або підлягає похованню, як вид радіоактивних відходів, або може бути використаний в реакторах на швидких нейтронах для напрацювання плутонію.

Рішення про спосіб утилізації оксиду урану залежить від того, як та чи інша країна розглядає збіднений уран: як радіоактивні відходи, що підлягають похованню, або як придатний для подальшого використання матеріал. Наприклад, у США збіднений уран донедавна розглядався як сировина для подальшого використання. Але з 2005 року така думка почала змінюватися і зараз у США можливе поховання збідненого оксиду урану. У Франції збіднений уран не сприймається як радіоактивні відходи, але передбачається зберігання у вигляді оксиду урану. У Росії керівництво Федерального агентстваз атомної енергії вважає відвальний гексафторид урану цінним матеріалом, що не підлягає похованню. Розпочато роботи зі створення промислової установки з переведення відвального гексафториду урану в оксид урану. Отримані оксиди урану передбачається зберігати тривалий час для подальшого їх використання в реакторах на швидких нейтронах або дозбагачення його 235 U з подальшим спалюванням теплових реакторах.

Знаходження шляхів використання збідненого урану є великою проблемою для збагачувальних підприємств. В основному його використання пов'язане з великою густиною урану і відносно низькою його вартістю. Дві найважливіші сфери використання збідненого урану: як радіаційний захист і як баластна маса в аерокосмічних застосуваннях, таких як рульові поверхні літальних апаратів. У кожному літаку Боїнг-747 міститься 1500 кг збідненого урану з цією метою. Збіднений уран значною мірою застосовується при бурінні нафтових свердловин як ударних штанг (при канатному бурінні), його вага занурює інструмент у свердловини, наповнені буровим розчином. Цей матеріал застосовується у високошвидкісних роторах гіроскопів, великих маховиках, як баласт у космічних апаратах, що спускаються, і гоночних яхтах.

Але найвідоміше застосування урану - як осердя для бронебійних снарядів. При певному сплаві з іншими металами та термічній обробці (сплавлення з 2% Mo або 0.75% Ti, швидке загартування розігрітого до 850° металу у воді або маслі, подальше витримування при 450° 5 годин) металевий уран стає твердішим і міцнішим за сталі (міцність на розрив > 1600 МПа). У поєднанні з великою щільністю, це робить загартований уран надзвичайно ефективним для пробивання броні, аналогічним за ефективністю значно дорожчого монокристалічного вольфраму. Процес руйнування броні супроводжується подрібненням у пил основної частини урану, проникненням пилу всередину захищеного об'єкта та займанням його там. 300 тонн збідненого урану залишилися на полі бою під час Бурі в Пустелі (переважно це залишки снарядів 30-мм гармати GAU-8 штурмових літаків A-10, кожен снаряд містить 272 г уранового сплаву). Збіднений уран використовують у танкової броні, наприклад, танка M-1 " Абрамс " (США). -4 % за масою (2-4 ppm залежно від регіону), у кислих вивержених породах 3,5 · 10 -4 %, у глинах та сланцях 3,2·10 -4 %, в основних породах 5 · 10 -5 %, в ультраосновних породах мантії 3·10 -7 %. Кількість урану у шарі літосфери товщиною 20 км оцінюють у 1.3⋅10 14 т. Він входить до складу всіх порід, що складають земну кору, а також присутній у природних водах та живих організмах. Потужних родовищ не утворює. Основна маса урану міститься у кислих, з високим вмістом кремнію, породах. Найменша концентрація урану має місце в ультраосновних породах, максимальна – в осадових породах (фосфоритах та кулистих сланцях). В океанах міститься 10 10 т урану. Концентрація урану в ґрунтах варіюється в інтервалі 0,7 – 11 ppm (15 ppm у сільськогосподарських ґрунтах, що удобрюються фосфорними добривами), морській воді 0,003 ррm.

У вільному вигляді уран землі не зустрічається. Відомо 100 мінералів урану із вмістом U понад 1%. Приблизно в одній третині цих мінералів уран чотиривалентний, в інших – шестивалентний. 15 із цих уранових мінералів є простими оксидами або гідроксилами, 20 – комплексними титанатами та ніобатами, 14 – силікатами, 17 – фосфатами, 10 – карбонатами, 6 – сульфатами, 8 – ванадатами, 8 – арсенатами. Невизначені формиуранових сполук зустрічаються в деяких вуглистих сланцях морського походження, лігніті та вугіллі, а також у міжзернових плівках у вивержених породах. Промислове значення мають 15 мінералів урану.

Головні уранові мінерали у великих рудних родовищах представлені оксидами (уранова смолка, уранініт, кофініт), ванадатами (карнотит та тюямуніт) та комплексними титанатами (браннерит і давидит). Промислове значення мають також титанати, наприклад браннерит UTi 2 O 6 , силікати - кофініт U 1-x (OH) 4x , танталоніобати та гідритовані фосфати та арсенати уранілу - уранові слюдки. Уран не зустрічається у природі як самородний елемент. Внаслідок того, що уран може перебувати в кількох стадіях окислення, він зустрічається у дуже різноманітній геологічній обстановці.

Застосування урану

У розвинених країнах виробництво урану в основному спрямоване на генерацію нуклідів, що діляться ( 235 U та 233 U, 239 Pu) - палива промислових реакторів, призначених для напрацювання як збройових нуклідів, так і компонентів ядерної зброї (атомні бомби та снаряди стратегічного та тактичного призначення, нейтронні бомби, тригери водневих бомб тощо). В атомній бомбі концентрація 235 U перевищує 75%. В інших країнах світу металевий уран або його сполуки використовуються як ядерне паливо в енергетичних та дослідних ядерних реакторах. Природна або малозбагачена суміш ізотопів урану застосовується в стаціонарних реакторах атомних електростанцій, продукт високого ступеня збагачення – в ядерних силових установках (джерелах теплової, електричної та механічної енергії, випромінювання або світла) або реакторах, що працюють на швидких нейтронах. У реакторах часто використовують металевий уран, легований та нелегований. Однак у деяких типах реакторів застосовують пальне у формі твердих сполук (наприклад, UO 2 ), а також водних сполук урану або рідкого сплаву урану з іншим металом.

Основне застосування урану – виробництво ядерного палива для АЕС. Для ядерного реактора з водою під тиском встановленою потужністю 1400 МВт потрібно на рік 225 тонн природного урану для виготовлення 50 нових паливних елементів, які обмінюються на відповідну кількість використаних ТВЕЛів. Для завантаження даного реактора необхідно близько 130 тонн ЕРР (одиниця роботи поділу) та рівень витрат у 40 млн дол. на рік. Концентрація урану-235 у паливі для атомного реактора 2–5%.

Як і раніше, певний інтерес уранові руди представляють з точки зору вилучення з них радію (зміст якого приблизно 1 г у 3 т руди) та деяких інших природних радіонуклідів. Уранові сполуки застосовуються у скляній промисловості, для фарбування стекол у червоний або зелений колір, або надання їм красивого зеленувато-жовтого відтінку. Використовують їх і у виробництві флуоресцентного скла: невелика добавка урану надає красиву жовто-зелену флуоресценцію склу.

До 1980-х, природний уран широко застосовували дантисти, включаючи його до складу кераміки, що дозволяло досягти природного кольору та викликати оригінальну флуоресценцію зубних протезів та коронок. (Уранова щелепа робить вашу посмішку яскравішою!) Оригінальний патент від 1942 р. рекомендує вміст урану 0.1%. Згодом природний уран замінили збідненим. Це дало дві переваги – дешевше та менш радіоактивно. Уран також використовувався в нитках ламп, і в шкіряній та деревообробній промисловості у складі барвників. Солі урану застосовують у розчинах протрави та моріння вовни та шкіри. Уранілацетат і уранілформіат використовуються як поглинаючі електрони декоруючі речовини в електронній мікроскопії, що просвічує, для збільшення контрасту тонких зрізів біологічних об'єктів, а також для фарбування вірусів, клітин і макромолекул.

Уранати типу Na 2 U 2 O 7 («жовтий ураніл») знайшли застосування як пігменти для керамічних глазурів та емалей (фарбують у кольори жовтий, зелений та чорний, залежно від ступеня окислення). Na 2 U 2 O 7 використовується також як жовта фарба у живописі. Деякі сполуки урану світлочутливі. На початку ХХ століття уранілнітрат широко застосовувався як віруючий агент для посилення негативів та отримання тонованих фотографічних відбитків (фарбування позитивів у коричневий або бурий колір). Уранілацетат UO 2 (H 3 COOH) 2 використовується в аналітичній хімії – він утворює нерозчинну сіль із натрієм. Фосфорні добрива містять досить велику кількість урану. Металевий уран використовується як мішеня в рентгенівській трубці, призначена для генерації високоенергетичного рентгенівського випромінювання.

Деякі солі урану використовуються як каталізатори при хімічних реакціях, таких, як окислення ароматичних вуглеводнів, зневоднення рослинних олій, та ін. 235 U в сплаві з карбідом ніобію та карбідом цирконію застосовується як паливо для ядерних реактивних двигунів (робоче тіло - водень + гексан). Сплави заліза та збідненого урану ( 238 U) застосовуються як потужні магнітострикційні матеріали.

У народному господарстві збіднений уран використовується при виготовленні літакових противаг та протирадіаційних екранів медичної радіотерапевтичної апаратури. З збідненого урану виготовляють транспортні контейнери для перевезення радіоактивних вантажів та ядерних відходів, а також вироби надійного біологічного захисту (наприклад, захисні екрани). З точки зору поглинання γ-випромінювання, уран у п'ять разів ефективніший за свинець, що дозволяє істотно знизити товщину захисних екранів і зменшити обсяг контейнерів, призначених для транспортування радіонуклідів. Бетон на основі оксиду збідненого урану використовують замість гравію для створення сухих сховищ радіоактивних відходів.

Збіднений уран вдвічі менш радіоактивний, ніж природний уран, переважно рахунок видалення з нього 234 U. Його використовують для легування броньової сталі, зокрема для покращення бронебійних характеристик снарядів. При сплавленні з 2% Mo або 0,75% Ti і термічній обробці (швидке загартування розігрітого до 850°C металу у воді або маслі, подальше витримування при 450° 5 годин) металевий уран стає твердішим і міцнішим за сталі (міцність на розрив більше 1600 МПа, при тому що у чистого урану вона дорівнює 450 МПа). У поєднанні з великою щільністю, це робить загартовану уранову болванку надзвичайно ефективним засобомдля пробивання броні, аналогічним за ефективністю дорожчому вольфраму. Тяжкий урановий наконечник також змінює розподіл мас у снаряді, покращуючи його аеродинамічну стійкість. При попаданні в броню такий снаряд (наприклад, сплав урану з титаном) не ламається, а як самозаточується, чим і досягається велика пробиваність. Процес руйнування броні супроводжується подрібненням у пил уранової болванки і займанням її повітря всередині танка. Збіднений уран використовується в сучасній танковій броні.

Додавання невеликих кількостей урану до сталі збільшує її твердість, не повідомляючи їй крихкості та підвищуючи її кислотостійкість. Особливо кислотостійким, навіть по відношенню до царської горілки, є сплав урану з нікелем (66% урану та 33% нікелю) з точкою плавлення 1200о . Збіднений уран використовується як баластна маса в аерокосмічних застосуваннях, таких як рульові поверхні літальних апаратів. Цей матеріал застосовується у високошвидкісних роторах гіроскопів, великих маховиках, як баласт у космічних апаратах, що спускаються, і гоночних яхтах, при бурінні нафтових свердловин.

Як ми вже згадували, у наш час уранові атомні бомби не виготовляються. Однак у сучасних плутонієвих бомбах 238 U (у тому числі – збіднений уран) все ж таки застосовується. Він становить оболонку заряду, відбиваючи нейтрони і додаючи інерцію в стиск плутонієвого заряду імплозивної схемою підриву. Це суттєво підвищує ефективність зброї та зменшує критичну масу (тобто зменшує кількість плутонію, необхідного для створення ланцюгової реакції поділу). Застосовують збіднений уран і водневих бомбах, запаковуючи їм термоядерний заряд, спрямовуючи сильний потік надшвидких нейтронів на розподіл ядер і збільшуючи цим енергетичний вихід зброї. Така бомба називається зброєю поділ-синтез-поділ на честь трьох стадій вибуху. Більшість енергетичного виходу під час вибуху подібної зброї припадає саме на поділ 238 U, що виробляє значну кількість радіоактивних продуктів. Наприклад, 77% енергії при вибуху водневої бомби у випробуванні Ivy Mike (1952) потужністю 10,4 мегатонн припало саме на процеси поділу в урановій оболонці. Оскільки збіднений уран немає критичної маси, його можна додавати в бомбу в необмежених кількостях. У радянській водневій бомбі(Цар Бомба – Кузькіна мати), підірваної на Новій Землі в 1961 потужністю «тільки» 50 мегатонн 90% виходу довелося на реакцію термоядерного синтезу, оскільки оболонку з 238 U на кінцевій стадії вибуху замінили свинцем. Якби оболонку виготовили (як і збиралися на початку) з 238 U, то потужність вибуху перевищила 100 мегатонн і випадання радіоактивних опадів склало 1/3 від суми всіх світових випробувань ядерної зброї.

Природні ізотопи урану знайшли застосування в геохронології для вимірювання абсолютного віку гірських порід та мінералів. Ще в 1904 р. Ернест Резерфорд звернув увагу на те, що вік Землі та найдавніших мінералів - величина того ж порядку, що і період напіврозпаду урану. Тоді ж він запропонував за кількістю гелію та урану, що містяться у щільній породі, визначати її вік. Але невдовзі з'ясувалися недолік методу: вкрай рухливі атоми гелію легко дифундують навіть у цупких породах. Вони проникають у навколишні мінерали, а поблизу материнських уранових ядер залишається значно менше гелію, ніж слід за законами радіоактивного розпаду. Тому вік порід обчислюють за співвідношенням урану та радіогенного свинцю – кінцевого продукту розпаду уранових ядер. Вік деяких об'єктів, наприклад, слюд, визначити ще простіше: вік матеріалу пропорційний числу атомів урану, що розпалися в ньому, яке визначається числом слідів - треків, що залишаються осколками в речовині. Щодо концентрації урану до концентрації треків можна обчислити вік будь-якого стародавнього скарбу (вази, прикраси тощо). У геології навіть винайшли спеціальний термін «урановий годинник». Урановий годинник - дуже універсальний інструмент. Ізотопи урану містяться у багатьох породах. Концентрація урану в земній корі в середньому дорівнює трьом частинам на мільйон. Цього достатньо, щоб виміряти співвідношення урану та свинцю, а потім за формулами радіоактивного розпаду розрахувати час, що минув з кристалізації мінералу. Урано-свинцевим способом вдалося виміряти вік найдавніших мінералів, а за віком метеоритів визначили дату народження планети Земля. Відомий і вік місячного ґрунту. Наймолодші шматки місячного ґрунту старіші за найдавніші земні мінерали.