Kust tuli uraan? Tõenäoliselt ilmub see supernoova plahvatuste ajal. Fakt on see, et rauast raskemate elementide nukleosünteesiks peab olema võimas neutronite voog, mis toimub just supernoova plahvatuse ajal. Näib, et siis peaks selle moodustatud uute tähesüsteemide pilvest kondenseerumisel protoplanetaarsesse pilve kogunenud ja väga raske uraan planeetide sügavusse vajuma. Aga see pole tõsi. Uraan on radioaktiivne element ja lagunedes eraldab see soojust. Arvutused näitavad, et kui uraan oleks jaotunud ühtlaselt kogu planeedi paksusele, vähemalt sama kontsentratsiooniga kui pinnal, eraldaks see liiga palju soojust. Pealegi peaks selle vool uraani tarbimisel nõrgenema. Kuna midagi sellist pole täheldatud, arvavad geoloogid, et vähemalt kolmandik uraanist ja võib-olla kogu see on koondunud maakooresse, kus selle sisaldus on 2,5∙10–4%. Miks see juhtus, sellest ei räägita.
Kust uraani kaevandatakse? Uraani pole Maal nii vähe – see on külluse poolest 38. kohal. Ja suurem osa sellest elemendist leidub settekivimites - süsinikkildades ja fosforiitides: vastavalt kuni 8∙10 –3 ja 2,5∙10 –2%. Kokku sisaldab maakoor 10 14 tonni uraani, kuid peamine probleem on see, et see on väga hajutatud ega moodusta võimsaid ladestusi. Ligikaudu 15 uraani mineraali on tööstusliku tähtsusega. See on uraanitõrv - selle aluseks on neljavalentne uraanioksiid, uraani vilgukivi - mitmesugused silikaadid, fosfaadid ja keerukamad ühendid vanaadiumi või kuuevalentse uraani baasil titaaniga.
Mis on Becquereli kiired? Pärast röntgenikiirte avastamist Wolfgang Roentgeni poolt hakkas prantsuse füüsik Antoine-Henri Becquerel huvi tundma uraanisoolade kuma vastu, mis tekib päikesevalguse mõjul. Ta tahtis aru saada, kas siin on ka röntgenikiirgus. Tõepoolest, nad olid kohal – sool valgustas fotoplaati läbi musta paberi. Ühes katses aga soola ei valgustatud, kuid fotoplaat tumenes siiski. Kui soola ja fotoplaadi vahele asetati metallese, oli tumenemine selle all väiksem. Seetõttu ei tekkinud uued kiired uraani valguse ergastamise tõttu ega läbinud metalli osaliselt. Algselt nimetati neid "Becquereli kiirteks". Hiljem avastati, et need on peamiselt alfakiired, millele on lisatud väike beetakiirte sisaldus: tõsiasi on see, et uraani peamised isotoobid eraldavad lagunemise käigus alfaosakesi ja ka tütarproduktid kogevad beeta-lagunemist.
Kui radioaktiivne on uraan? Uraanil pole stabiilseid isotoope, need on kõik radioaktiivsed. Kõige pikema elueaga on uraan-238, mille poolestusaeg on 4,4 miljardit aastat. Edasi tuleb uraan-235 – 0,7 miljardit aastat. Mõlemad läbivad alfalagunemise ja neist saavad vastavad tooriumi isotoobid. Uraan-238 moodustab üle 99% kogu looduslikust uraanist. Tänu oma tohutule poolestusajale on selle elemendi radioaktiivsus madal ja lisaks ei suuda alfaosakesed tungida läbi inimkeha pinnal oleva sarvkihi. Nad ütlevad, et pärast uraaniga töötamist pühkis I. V. Kurchatov lihtsalt käed taskurätikuga ega põdenud ühtegi radioaktiivsusega seotud haigust.
Teadlased on korduvalt pöördunud uraanikaevanduste ja -töötlemistehaste töötajate haiguste statistika poole. Siin on näiteks Kanada ja Ameerika spetsialistide hiljutine artikkel, mis analüüsis enam kui 17 tuhande töötaja terviseandmeid Kanadas Saskatchewani provintsis asuvas Eldorado kaevanduses aastatel 1950–1999 ( Keskkonnauuringud, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Nad lähtusid sellest, et kiiritus mõjutab kõige tugevamalt kiiresti paljunevaid vererakke, mis viib vastavate vähiliikideni. Statistika on näidanud, et kaevandustöötajatel esineb erinevat tüüpi verevähki vähem kui Kanada keskmisel elanikkonnal. Sel juhul ei peeta peamiseks kiirgusallikaks uraani ennast, vaid selle tekitatavat gaasilist radooni ja selle lagunemissaadusi, mis võivad kopsude kaudu organismi sattuda.
Miks on uraan kahjulik?? See, nagu ka teised raskmetallid, on väga mürgine ja võib põhjustada neeru- ja maksapuudulikkust. Seevastu uraan on hajutatud elemendina paratamatult vees, pinnases ja toiduahelasse koondudes satub inimkehasse. On mõistlik eeldada, et evolutsiooni käigus on elusolendid õppinud neutraliseerima uraani looduslikes kontsentratsioonides. Uraan on vees kõige ohtlikum, mistõttu WHO seadis piiri: algul oli see 15 µg/l, kuid 2011. aastal tõsteti norm 30 µg/g-ni. Uraani on vees reeglina palju vähem: USA-s keskmiselt 6,7 µg/l, Hiinas ja Prantsusmaal - 2,2 µg/l. Kuid on ka tugevaid kõrvalekaldeid. Nii et mõnes California piirkonnas ületab see normi - 2,5 mg/l - sada korda ja Lõuna-Soomes ulatub 7,8 mg/l. Teadlased püüavad mõista, kas WHO standard on liiga range, uurides uraani mõju loomadele. Siin on tüüpiline töö ( BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Prantsuse teadlased toitsid rotte üheksa kuud vett vaesestatud uraani lisanditega ja suhteliselt suurtes kontsentratsioonides - 0,2–120 mg/l. Alumine väärtus on vesi kaevanduse lähedal, ülemist aga kusagilt ei leia - uraani maksimaalne kontsentratsioon Soomes mõõdetuna on 20 mg/l. Autorite üllatuseks - artikkel kannab nime: "Uraani märgatava mõju ootamatu puudumine füsioloogilistele süsteemidele ..." - uraanil ei olnud rottide tervist praktiliselt mingit mõju. Loomad sõid hästi, võtsid korralikult kaalus juurde, ei kurtnud haiguste üle ega surnud vähki. Uraan ladestus nii nagu peabki eelkõige neerudesse ja luudesse ning sada korda väiksemates kogustes maksa ning selle kogunemine sõltus eeldatavasti vee sisaldusest. Kuid see ei põhjustanud neerupuudulikkust ega isegi põletiku molekulaarsete markerite märgatavat ilmnemist. Autorid soovitasid alustada WHO rangete juhiste läbivaatamist. Siiski on üks hoiatus: mõju ajule. Uraani oli rottide ajus vähem kui maksas, kuid selle sisaldus ei sõltunud vees olevast kogusest. Kuid uraan mõjutas aju antioksüdantide süsteemi toimimist: katalaasi aktiivsus suurenes 20%, glutatioonperoksidaasi aktiivsus 68–90% ja superoksiiddismutaasi aktiivsus vähenes 50% sõltumata annusest. See tähendab, et uraan põhjustas ajus selgelt oksüdatiivse stressi ja keha reageeris sellele. Seda efekti - uraani tugevat mõju ajule selle akumuleerumise puudumisel, muide, nagu ka suguelundites - märgati varem. Veelgi enam, vesi koos uraaniga kontsentratsioonis 75–150 mg/l, mida Nebraska ülikooli teadlased rottidele kuus kuud toitsid ( Neurotoksikoloogia ja teratoloogia, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), mõjutas põllule lastud loomade, peamiselt isaste käitumist: nad ületasid jooni, tõusid tagajalgadele püsti ja karustavad karva teistmoodi kui kontrollrühmad. On tõendeid, et uraan põhjustab ka loomade mäluhäireid. Käitumismuutused olid korrelatsioonis lipiidide oksüdatsiooni tasemega ajus. Selgub, et uraanivesi muutis rotid terveks, kuid üsna rumalaks. Need andmed on meile kasulikud nn Lahesõja sündroomi analüüsimisel.
Kas uraan saastab kildagaasi arenduskohti? See sõltub sellest, kui palju uraani on gaasi sisaldavates kivimites ja kuidas see on nendega seotud. Näiteks uuris Buffalo ülikooli dotsent Tracy Bank Marcellus Shale'i, mis ulatub New Yorgi lääneosast Pennsylvania ja Ohio kaudu Lääne-Virginiasse. Selgus, et uraan on keemiliselt seotud täpselt süsivesinike allikaga (pidage meeles, et kõige suurema uraanisisaldusega on seotud süsinikkildad). Katsed on näidanud, et purustamisel kasutatav lahus lahustab uraani suurepäraselt. "Kui uraan nendes vetes jõuab maapinnale, võib see põhjustada ümbritseva piirkonna saastumist. See ei kujuta endast kiirgusohtu, kuid uraan on mürgine element,” märgib Tracy Bank ülikooli pressiteates 25. oktoobril 2010. Seni ei ole koostatud üksikasjalikke artikleid uraani või tooriumiga keskkonna saastumise ohu kohta kildagaasi tootmisel.
Miks on uraani vaja? Varem kasutati seda pigmendina keraamika ja värvilise klaasi valmistamisel. Nüüd on uraan tuumaenergia ja aatomirelvade aluseks. Sel juhul kasutatakse selle ainulaadset omadust - tuuma jagunemisvõimet.
Mis on tuuma lõhustumine? Tuuma lagunemine kaheks ebavõrdseks suureks tükiks. Just selle omaduse tõttu tekivad neutronkiirgusest tingitud nukleosünteesi käigus suurte raskustega uraanist raskemad tuumad. Nähtuse olemus on järgmine. Kui neutronite ja prootonite arvu suhe tuumas ei ole optimaalne, muutub see ebastabiilseks. Tavaliselt kiirgab selline tuum kas alfaosakest – kaks prootonit ja kaks neutronit või beetaosakest – positroni, millega kaasneb ühe neutroni muundumine prootoniks. Esimesel juhul saadakse perioodilisuse tabeli element, mis on paigutatud kaks lahtrit tagasi, teisel - üks lahter edasi. Kuid lisaks alfa- ja beetaosakeste kiirgamisele on uraani tuum võimeline ka lõhustuma – lagunema kahe perioodilisustabeli keskel oleva elemendi, näiteks baariumi ja krüptoni tuumadeks, mida ta teebki, olles saanud uue neutroni. See nähtus avastati vahetult pärast radioaktiivsuse avastamist, kui füüsikud eksponeerisid äsja avastatud kiirgust kõigele, mida nad suutsid. Sündmustest osavõtja Otto Frisch kirjutab sellest järgmiselt (“Füüsikaliste teaduste edusammud”, 1968, 96, 4). Pärast berülliumkiirte – neutronite – avastamist kiiritas Enrico Fermi nendega uraani eelkõige beetalagunemise tekitamiseks – lootis ta seda kasutada järgmise, 93. elemendi, mida nüüd nimetatakse neptuuniumiks, saamiseks. Just tema avastas kiiritatud uraanis uut tüüpi radioaktiivsuse, mida ta seostas transuraanielementide ilmumisega. Samal ajal suurendas neutronite aeglustamine, mille jaoks berülliumi allikas oli kaetud parafiinikihiga, seda indutseeritud radioaktiivsust. Ameerika raadiokeemik Aristide von Grosse arvas, et üks neist elementidest oli protaktiinium, kuid ta eksis. Kuid Otto Hahn, kes töötas toona Viini ülikoolis ja pidas 1917. aastal avastatud protaktiiniumi oma vaimusünnituseks, otsustas, et ta on kohustatud välja selgitama, millised elemendid on saadud. Koos Lise Meitneriga pakkus Hahn 1938. aasta alguses katsetulemustele tuginedes välja, et uraan-238 ja selle tütarelementide neutroneid neelavate tuumade mitmekordse beetalagunemise tõttu tekivad terved radioaktiivsete elementide ahelad. Peagi oli Lise Meitner sunnitud põgenema Rootsi, kartes natside võimalikku kättemaksu pärast Austria anšlussi. Hahn, jätkanud Fritz Strassmanniga katseid, avastas, et toodete hulgas on ka baariumit, elementi number 56, mida uraanist kuidagi ei saa: kõik uraani alfalagunemise ahelad lõpevad palju raskema pliiga. Teadlased olid tulemusest nii üllatunud, et nad seda ei avaldanud; nad kirjutasid kirju ainult sõpradele, eriti Lise Meitnerile Göteborgis. Seal, 1938. aasta jõulude ajal, külastas teda vennapoeg Otto Frisch, kes talvise linna läheduses jalutades – tema suuskadel, tädi jalgsi – arutasid baariumi ilmumise võimalust uraani kiiritamise ajal. tuuma lõhustumise tulemus (lisateavet Lise Meitneri kohta vt “Keemia ja elu”, 2013, nr 4). Kopenhaagenisse naastes püüdis Frisch sõna otseses mõttes kinni Niels Bohri USA-sse suunduva laeva käiguteelt ja rääkis talle lõhustumise ideest. Bohr ütles endale vastu lauba lüües: „Oi, millised lollid me olime! Oleksime pidanud seda varem märkama." 1939. aasta jaanuaris avaldasid Frisch ja Meitner artikli uraani tuumade lõhustumisest neutronite mõjul. Selleks ajaks oli Otto Frisch juba läbi viinud kontrollkatse, samuti paljud Ameerika rühmad, kes said Bohrilt sõnumi. Nad ütlevad, et füüsikud hakkasid oma laboritesse laiali minema just tema ettekande ajal 26. jaanuaril 1939 Washingtonis teoreetilise füüsika aastakonverentsil, kui nad mõistsid idee olemust. Pärast lõhustumise avastamist vaatasid Hahn ja Strassmann oma katsed üle ja leidsid, nagu ka nende kolleegid, et kiiritatud uraani radioaktiivsust ei seostata mitte transuraanidega, vaid perioodilisustabeli keskelt pärinevate lõhustumisel tekkinud radioaktiivsete elementide lagunemisega.
Kuidas toimub uraanis ahelreaktsioon? Varsti pärast seda, kui uraani ja tooriumi tuumade lõhustumise võimalikkus oli eksperimentaalselt tõestatud (ja muid lõhustuvaid elemente Maal märkimisväärses koguses ei leidu), uurisid Princetonis töötanud Niels Bohr ja John Wheeler, aga ka neist sõltumatult. Nõukogude teoreetiline füüsik Ya. I. Frenkel ning sakslased Siegfried Flügge ja Gottfried von Droste lõid tuuma lõhustumise teooria. Sellest järgnes kaks mehhanismi. Üks on seotud kiirete neutronite neeldumislävega. Selle kohaselt peab neutronil lõhustumise algatamiseks olema üsna kõrge energia, peamiste isotoopide - uraan-238 ja toorium-232 - tuumade jaoks üle 1 MeV. Madalama energia korral on uraan-238 neutronite neeldumisel resonantsne iseloom. Seega on 25 eV energiaga neutroni püüdmisristlõike pindala tuhandeid kordi suurem kui teiste energiate puhul. Sel juhul lõhustumist ei toimu: uraan-238 muutub uraan-239-ks, mis poolväärtusajaga 23,54 minutit muutub neptuunium-239-ks, mis poolväärtusajaga 2,33 päeva muutub pikaealiseks. plutoonium-239. Toorium-232-st saab uraan-233.
Teiseks mehhanismiks on neutroni läveta neeldumine, sellele järgneb kolmas enam-vähem levinud lõhustuv isotoop - uraan-235 (nagu ka plutoonium-239 ja uraan-233, mida looduses ei leidu): neelates mis tahes neutronit, isegi aeglast, nn termilist energiat nagu soojusliikumises osalevate molekulide puhul - 0,025 eV, siis selline tuum jaguneb. Ja see on väga hea: termiliste neutronite ristlõikepindala on neli korda suurem kui kiiretel megaelektronvoltistel neutronitel. See on uraan-235 tähtsus kogu järgneva tuumaenergia ajaloo jaoks: just see tagab neutronite paljunemise looduslikus uraanis. Pärast neutroni tabamust muutub uraan-235 tuum ebastabiilseks ja jaguneb kiiresti kaheks ebavõrdseks osaks. Teel eraldub mitu (keskmiselt 2,75) uut neutronit. Kui need tabavad sama uraani tuumasid, panevad nad neutronite eksponentsiaalset paljunema – toimub ahelreaktsioon, mis tohutu soojushulga kiire vabanemise tõttu toob kaasa plahvatuse. Ei uraan-238 ega toorium-232 ei saa niimoodi töötada: lõhustumise ajal eralduvad ju neutronid keskmise energiaga 1–3 MeV, st kui energialävi on 1 MeV, on oluline osa neutronid ei saa kindlasti reaktsiooni tekitada ja paljunemist ei toimu. See tähendab, et need isotoobid tuleks unustada ja neutronid tuleb aeglustada soojusenergiaks, et nad saaksid võimalikult tõhusalt suhelda uraan-235 tuumadega. Samal ajal ei saa lubada nende resonantsne neeldumist uraan-238 poolt: lõppude lõpuks on looduslikus uraanis seda isotoopi veidi alla 99,3% ja neutronid põrkuvad sagedamini sellega, mitte aga sihtmärgiga uraan-235. Ja moderaatorina tegutsedes on võimalik hoida neutronite paljunemist konstantsel tasemel ja vältida plahvatust – juhtida ahelreaktsiooni.
Samal saatuslikul 1939. aastal Ya. B. Zeldovitši ja Yu. B. Kharitoni tehtud arvutus näitas, et selleks on vaja kasutada neutronite moderaatorit raske vee või grafiidi kujul ja rikastada looduslikku uraani uraaniga. 235 vähemalt 1,83 korda. Siis tundus see idee neile puhta fantaasiana: "Tuleb märkida, et umbes kahekordne rikastamine nende üsna oluliste uraanikoguste jaoks, mis on vajalikud ahelplahvatuse läbiviimiseks,<...>on äärmiselt tülikas ülesanne, mis on peaaegu praktiliselt võimatu. Nüüd on see probleem lahendatud ja tuumatööstus toodab elektrijaamade jaoks uraan-235-ga rikastatud uraani massiliselt 3,5%-ni.
Mis on tuuma spontaanne lõhustumine? 1940. aastal avastasid G. N. Flerov ja K. A. Petrzhak, et uraani lõhustumine võib toimuda spontaanselt, ilma igasuguse välismõjuta, kuigi poolestusaeg on palju pikem kui tavalise alfalagunemise korral. Kuna selline lõhustumine tekitab ka neutroneid, siis kui neil ei lasta reaktsioonitsoonist välja pääseda, toimivad nad ahelreaktsiooni initsiaatoritena. Just seda nähtust kasutatakse tuumareaktorite loomisel.
Miks on tuumaenergiat vaja? Zeldovitš ja Khariton olid esimeste seas, kes arvutasid välja tuumaenergia majandusliku mõju (Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1940, 23, 4). “...Hetkel on veel võimatu teha lõplikke järeldusi lõpmatult hargnevate ahelatega tuuma lõhustumise reaktsiooni läbiviimise võimalikkuse või võimatuse kohta uraanis. Kui selline reaktsioon on teostatav, reguleeritakse reaktsiooni kiirust automaatselt, et tagada selle sujuv kulgemine, hoolimata eksperimenteerija käsutuses olevast tohutust energiahulgast. See asjaolu on reaktsiooni energiakasutuse seisukohalt äärmiselt soodne. Seetõttu esitagem - kuigi see on tapmata karu naha jaotus - mõned numbrid, mis iseloomustavad uraani energiakasutuse võimalusi. Kui lõhustumisprotsess kulgeb kiirete neutronitega, haarab reaktsioon uraani peamise isotoobi (U238), siis<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>uraani põhiisotoobi kalori maksumus osutub ligikaudu 4000 korda odavamaks kui kivisöel (muidugi juhul, kui "põlemis" ja soojuse eemaldamise protsessid uraani puhul palju kallimaks ei osutu kui kivisöe puhul). Aeglaste neutronite puhul on "uraani" kalori maksumus (ülaltoodud arvude põhjal), arvestades, et U235 isotoobi arvukus on 0,007, juba vaid 30 korda odavam kui "söe" kalor, kõik muud asjad on võrdsed."
Esimese kontrollitud ahelreaktsiooni viis 1942. aastal läbi Enrico Fermi Chicago ülikoolis ja reaktorit juhiti käsitsi – neutronivoo muutudes lükates sisse ja välja grafiitvardaid. Esimene elektrijaam ehitati Obninskisse 1954. aastal. Lisaks energia tootmisele töötasid esimesed reaktorid ka relvade kvaliteediga plutooniumi tootmiseks.
Kuidas tuumaelektrijaam töötab? Tänapäeval töötab enamik reaktoreid aeglastel neutronitel. Rikastatud uraan metalli, sulami, näiteks alumiiniumi või oksiidi kujul asetatakse pikkadesse silindritesse, mida nimetatakse kütuseelementideks. Need paigaldatakse reaktorisse teatud viisil ja nende vahele on sisestatud moderaatorivardad, mis juhivad ahelreaktsiooni. Aja jooksul kogunevad kütuseelemendisse reaktorimürgid – uraani lõhustumisproduktid, mis on samuti võimelised neutroneid neelama. Kui uraan-235 kontsentratsioon langeb alla kriitilise taseme, võetakse element kasutusest välja. See sisaldab aga palju tugeva radioaktiivsusega lõhustumisfragmente, mis aastatega väheneb, mistõttu elemendid eraldavad pikka aega märkimisväärsel hulgal soojust. Neid hoitakse jahutusbasseinides ning seejärel kas maetakse maha või üritatakse neid töödelda – ekstraheerida põletamata uraan-235, toota plutooniumi (sellest valmistati aatomipomme) ja muid kasutatavaid isotoope. Kasutamata osa saadetakse matmispaika.
Niinimetatud kiirreaktorites ehk aretusreaktorites paigaldatakse elementide ümber uraan-238-st või toorium-232-st helkurid. Need aeglustavad ja saadavad reaktsioonitsooni tagasi liiga kiired neutronid. Resonantskiiruseni aeglustunud neutronid neelavad neid isotoope, muutudes vastavalt plutoonium-239-ks või uraan-233-ks, mida saab kasutada tuumaelektrijaama kütusena. Kuna kiired neutronid reageerivad uraan-235-ga halvasti, tuleb selle kontsentratsiooni oluliselt tõsta, kuid see tasub end ära tugevama neutronivooga. Hoolimata asjaolust, et aretusreaktoreid peetakse tuumaenergia tulevikuks, kuna need toodavad rohkem tuumakütust kui tarbivad, on katsed näidanud, et neid on raske hallata. Nüüd on maailmas alles vaid üks selline reaktor - Belojarski tuumaelektrijaama neljandas energiaplokis.
Kuidas tuumaenergiat kritiseeritakse? Kui õnnetustest ei räägita, siis tuumaenergeetika vastaste argumentide põhipunktiks on täna ettepanek lisada selle efektiivsuse arvutusse keskkonnakaitse kulud pärast jaama dekomisjoneerimist ja kütusega töötamisel. Mõlemal juhul tekivad väljakutsed radioaktiivsete jäätmete usaldusväärseks kõrvaldamiseks ja need on riigi kanda. Arvatakse, et kui need üle kanda energiakuludesse, kaob selle majanduslik atraktiivsus.
Vastuseis on ka tuumaenergia pooldajate seas. Selle esindajad viitavad uraan-235 ainulaadsusele, millel pole asendust, sest alternatiivseid isotoope, mis lõhustuvad termiliste neutronitega - plutoonium-239 ja uraan-233 - nende poolestusaja tõttu tuhandeid aastaid, looduses ei leidu. Ja need saadakse täpselt uraan-235 lõhustumise tulemusena. Kui see otsa saab, kaob imeline looduslik neutronite allikas tuuma ahelreaktsiooni jaoks. Sellise raiskamise tagajärjel kaotab inimkond tulevikus võimaluse kaasata energiaringesse toorium-232, mille varud on uraanist kordades suuremad.
Teoreetiliselt saab osakeste kiirendeid kasutada megaelektronvolti energiaga kiirete neutronite voo tekitamiseks. Kui aga räägime näiteks planeetidevahelistest lendudest tuumamootoril, siis on mahuka kiirendiga skeemi rakendamine väga keeruline. Uraan-235 ammendumine teeb sellistele projektidele lõpu.
Mis on relvakvaliteediga uraan? See on kõrgelt rikastatud uraan-235. Selle kriitiline mass – see vastab ainetüki suurusele, milles toimub spontaanselt ahelreaktsioon – on laskemoona tootmiseks piisavalt väike. Sellist uraani saab kasutada aatomipommi valmistamiseks ja ka termotuumapommi kaitsmena.
Millised katastroofid on seotud uraani kasutamisega? Lõhustuvate elementide tuumadesse salvestatud energia on tohutu. Kui see tähelepanuta jätmise tõttu või tahtlikult kontrolli alt väljub, võib see energia tekitada palju probleeme. Kaks kõige hullemat tuumakatastroofi toimusid 6. ja 8. augustil 1945, kui USA õhujõud viskasid Hiroshimale ja Nagasakile aatomipommid, tappes ja vigastades sadu tuhandeid tsiviilisikuid. Väiksemad katastroofid on seotud õnnetustega tuumaelektrijaamades ja tuumatsükli ettevõtetes. Esimene suurem õnnetus juhtus 1949. aastal NSV Liidus Tšeljabinski lähedal asuvas Majaki tehases, kus toodeti plutooniumi; Vedelad radioaktiivsed jäätmed sattusid Techa jõkke. Septembris 1957 toimus sellel plahvatus, mille käigus paiskus välja suur hulk radioaktiivset materjali. Üksteist päeva hiljem põles Briti plutooniumitootmisreaktor Windscale'is maha ja pilv koos plahvatusproduktidega hajus üle Lääne-Euroopa. 1979. aastal põles Pennsylvanias Three Mail Islandi tuumaelektrijaama reaktor. Kõige levinumad tagajärjed olid Tšernobõli tuumaelektrijaama (1986) ja Fukushima tuumaelektrijaama (2011) õnnetuste tõttu, mil miljonid inimesed puutusid kiirgusega kokku. Esimesed risustasid tohutuid alasid, millest eraldus plahvatuse tagajärjel 8 tonni uraanikütust ja lagunemissaadusi, mis levisid üle Euroopa. Teine reostunud ja kolm aastat pärast õnnetust saastab jätkuvalt Vaikse ookeani püügipiirkondades. Nende õnnetuste tagajärgede likvideerimine oli väga kulukas ja kui need kulud elektrikuluks jaotada, kasvaks see oluliselt.
Omaette teema on tagajärjed inimeste tervisele. Ametliku statistika järgi said paljud pommitamise ellujäänud või saastunud aladel elanud inimesed kiirgusest kasu – esimestel on pikem eluiga, teistel vähem vähki ning eksperdid peavad mõningase suremuse tõusu põhjuseks sotsiaalset stressi. Just õnnetuste või nende likvideerimise tagajärjel hukkunute arv ulatub sadadesse inimestesse. Tuumajaamade vastased juhivad tähelepanu, et õnnetused on toonud Euroopa mandril kaasa mitu miljonit enneaegset surma, kuid need on statistika kontekstis lihtsalt nähtamatud.
Maade eemaldamine inimkasutusest õnnetustsoonides annab huvitava tulemuse: neist saavad omamoodi looduskaitsealad, kus kasvab elurikkus. Tõsi, mõned loomad põevad kiirgusega seotud haigusi. Küsimus, kui kiiresti nad suurenenud taustaga kohanevad, jääb lahtiseks. Samuti on levinud arvamus, et kroonilise kiiritamise tagajärjeks on “valik lollidele” (vt “Keemia ja elu”, 2010, nr 5): ka embrüonaalses staadiumis jäävad ellu primitiivsemad organismid. Eelkõige inimeste puhul peaks see kaasa tooma vaimsete võimete languse põlvkonnal, kes on sündinud saastunud aladel vahetult pärast õnnetust.
Mis on vaesestatud uraan? See on uraan-238, mis jääb alles pärast uraan-235 eraldamist sellest. Relvakvaliteediga uraani ja kütuseelementide tootmisel tekkivate jäätmete mahud on suured – ainuüksi USA-sse on sellist uraanheksafluoriidi kogunenud 600 tuhat tonni (sellega seotud probleemide kohta vt Chemistry and Life, 2008, nr 5) . Uraan-235 sisaldus selles on 0,2%. Neid jäätmeid tuleb kas hoida kuni paremate aegadeni, mil luuakse kiired neutronreaktorid ja uraan-238 on võimalik töödelda plutooniumiks, või kuidagi ära kasutada.
Nad leidsid sellele kasutuse. Uraani, nagu ka teisi üleminekuelemente, kasutatakse katalüsaatorina. Näiteks artikli autorid aastal ACS Nano 30. juunil 2014 kirjutatakse, et uraanist või tooriumist koos grafeeniga valmistatud katalüsaatoril hapniku ja vesinikperoksiidi redutseerimiseks "on tohutu potentsiaal kasutada energiasektoris". Kuna uraanil on suur tihedus, toimib see laevade ballastina ja lennukite vastukaaluna. See metall sobib ka kiirguskaitseks kiirgusallikatega meditsiiniseadmetes.
Milliseid relvi saab valmistada vaesestatud uraanist? Kuulid ja südamikud soomust läbistavate mürskude jaoks. Siin on arvutus järgmine. Mida raskem on mürsk, seda suurem on selle kineetiline energia. Kuid mida suurem on mürsk, seda vähem kontsentreeritud on selle löök. See tähendab, et vaja on suure tihedusega raskmetalle. Kuulid on valmistatud pliist (Uurali jahimehed kasutasid omal ajal ka looduslikku plaatinat, kuni said aru, et see on väärismetall), kesta südamikud aga volframisulamist. Keskkonnakaitsjad juhivad tähelepanu, et plii saastab pinnast sõjategevuse või jahipidamise kohtades ning parem oleks asendada see millegi vähemkahjulikuga, näiteks volframiga. Kuid volfram ei ole odav ja uraan, mille tihedus on sarnane, on kahjulik jäätmed. Samal ajal on pinnase ja vee lubatud saastatus uraaniga ligikaudu kaks korda kõrgem kui plii puhul. See juhtub seetõttu, et vaesestatud uraani nõrk radioaktiivsus (ja see on ka 40% väiksem kui looduslikul uraanil) jäetakse tähelepanuta ja võetakse arvesse tõeliselt ohtlikku keemilist tegurit: uraan, nagu mäletame, on mürgine. Samal ajal on selle tihedus 1,7 korda suurem kui plii oma, mis tähendab, et uraani kuulide suurust saab poole võrra vähendada; uraan on palju tulekindlam ja kõvem kui plii – see aurustub tulistamisel vähem ja sihtmärki tabades tekitab see vähem mikroosakesi. Üldiselt on uraanikuul vähem saastav kui pliikuul, kuigi uraani selline kasutamine pole kindlalt teada.
Kuid on teada, et vaesestatud uraanist valmistatud plaate kasutatakse Ameerika tankide soomuse tugevdamiseks (sellele aitavad kaasa selle kõrge tihedus ja sulamistemperatuur) ning soomust läbistavate mürskude südamike jaoks ka volframisulami asemel. Uraani tuum on hea ka seetõttu, et uraan on pürofooriline: selle kuumad väikesed osakesed, mis tekivad kokkupõrkel soomustega, süttivad ja süttivad kõik ümberringi. Mõlemat rakendust peetakse kiirgusohutuks. Nii näitas arvutus, et isegi pärast aastat istumist uraani laskemoonaga laetud uraansoomusega tankis saaks meeskond vaid veerandi lubatud doosist. Ja aastase lubatud annuse saamiseks peate sellist laskemoona 250 tunniks naha pinnale kruvima.
Ameeriklased on viimastes sõdades, alustades 1991. aasta Iraagi kampaaniast, kasutanud uraanisüdamikuga kestasid – 30-mm lennukisuurtükkide või suurtükiväe alamkaliibrite jaoks. Sel aastal sadas neid Kuveidis Iraagi soomusüksustele ja nende taganemise ajal tulistati lennukirelvadest 300 tonni vaesestatud uraani, millest 250 tonni ehk 780 tuhat padrunit. Bosnias ja Hertsegoviinas kulutati tunnustamata Serblaste Vabariigi armee pommitamisel 2,75 tonni uraani ning Jugoslaavia armee pommitamisel Kosovo ja Metohija piirkonnas - 8,5 tonni ehk 31 tuhat padrunit. Kuna WHO oli selleks ajaks mures uraani kasutamise tagajärgede pärast, viidi läbi järelevalve. Ta näitas, et üks salv koosnes ligikaudu 300 padrunist, millest 80% sisaldas vaesestatud uraani. 10% tabas sihtmärke ja 82% kukkus neist 100 meetri kaugusele. Ülejäänud hajusid 1,85 km kaugusele. Tanki tabanud kest põles ära ja muutus aerosooliks; uraani kest tungis läbi kergete sihtmärkide nagu soomustransportöörid. Seega võib Iraagis uraanitolmuks muutuda maksimaalselt poolteist tonni kestasid. Ameerika strateegiliste uuringute keskuse RAND Corporation ekspertide sõnul muutus 10–35% kasutatud uraanist aerosooliks. Horvaatia uraanivastase lahingumoona aktivist Asaf Durakovic, kes on töötanud erinevates organisatsioonides alates Riyadhi King Faisali haiglast kuni Washingtoni Uraani meditsiiniuuringute keskuseni, arvab, et ainuüksi Lõuna-Iraagis tekkis 1991. aastal 3–6 tonni submikronilisi uraaniosakesi. mis olid laiali laiali laiali, see tähendab, et uraani saastatus on võrreldav Tšernobõliga.
Kõik materjalid on moodustatud kolmest elementaarosakesest: elektronidest, prootonitest ja neutronitest.
Kuid kuna prootonid ja neutronid muunduvad kergesti üksteiseks ning mõlemaid nimetatakse nukleoniteks, võiksime sama hästi öelda, et aine koosneb ehitusplokkidest: elektronidest ja nukleonitest. Nendest osakestest ehitatakse aine kahes etapis: esiteks organiseeritakse nukleonid aatomiteks tuumad, ja alles siis ühinevad need aatomituumad elektronidega, moodustades aatomid.
Aatomituum koosneb teatud arvust ühendatud nukleonidest. See arv varieerub ühest kahesajani või rohkemgi. Lihtsaim aatomituum on vesinikuaatomi tuum, mis koosneb ühest vabast prootonist; Tavalistest aatomituumadest on kõige keerulisem uraani aatomi tuum, mis sisaldab 238 nukleoni. Kõik numbrid vahemikus 1 kuni 238 vastavad ka erinevatele aatomituumadele.
Püüdes selgitada, kuidas saab aatomituuma loomiseks mitut nukleonit koos hoida, peame eeldama, et kui nukleonid on üksteisele väga lähedal, tekib nende vahel väga tugev külgetõmme. Selle külgetõmbe olemus erineb elektrilisest külgetõmbest, mis tekib näiteks positiivselt laetud prootoni ja negatiivselt laetud elektroni vahel. Nukleonide vahelist külgetõmbejõudu nimetatakse tuumajõuks ja me mõistame, et selle omaduste sügavam uurimine on võib-olla tuumafüüsika kõige olulisem ülesanne.
Aatomituuma struktuuri visualiseerimiseks kujutleme nukleoneid väikeste kuulide kujul, mis tõmbuvad üksteise poole, kui nad üksteise lähedale tulevad; teisisõnu hoiavad tuumajõud neid koos väikese, peaaegu ümmarguse tüki – aatomituuma – kujul.
Aatomituuma mass on ligikaudu võrdne selle moodustavate nukleonide kogumassiga. Näiteks väidetakse, et 56 nukleoni sisaldava raua aatomi tuuma "aatommass" on 56 ja selle mass on ligikaudu 56 korda suurem ühe nukleoni massist. Tegelikult on selle kogumass mõnevõrra väiksem kui 56 nukleoni massi, sest nende osakeste ühinemisel tuumaks eraldub ja kaob teatud kogus energiat, nn sidumisenergiat ning kuna kogu energial on mass, siis osa mass kaob nukleonide tuumaks ühinemise tulemusena. Kõigis tuumades on aga kaotatud massi hulk alla ühe protsendi kogumassist.
Kui aatommass välja arvata, on tuuma kõige olulisem omadus selle elektrilaeng, mis määrab aatomi keemilised ja enamiku füüsikalised omadused. Aatomituumade laeng jääb vahemikku 1 kuni umbes 100. Kõigist looduslikus olekus leiduvatest ainetest on uraani tuumal suurim elektrilaeng. Selle laenguarv (“aatomarv”) on 92. Kunstlikult on toodetud veelgi suurema aatomarvuga tuumad, näiteks plutoonium. Kõige tavalisemate uraani tuumade aatommass on 238, st koosnevad 238 nukleonist. Kuna prootonitel on elektrilaeng ja neutronitel mitte, siis võib öelda, et uraani tuuma moodustavatest nukleonitest 92 on prootonid, ülejäänud neutronid (238-92 = 146).
Nimetatakse kahe sama laengu, kuid erineva massiga aatomi tuumad isotoobid. Ühe tuuma laeng on näiteks 92 ja mass 235; see aatom on seega uraan-238 isotoop. Kuna laeng määrab selle aatomi keemilised omadused, mille lahutamatu osa tuum on, on mõlemal isotooptuumal aatomil põhimõtteliselt samad keemilised omadused ja nad on mõlemad uraani aatomid (aatomi valmistamiseks kasutatakse uraani-235 isotoopi pommid).
Paljude tuumareaktsioonidega kaasneb tohutu hulga energia vabanemine. Aine radioaktiivsel lagunemisel vabaneb suur hulk energiat, kuid kuna kõik radioaktiivsed ained, mis meil suures koguses on, lagunevad aeglaselt, kestab selle vabanemine nii kaua, et see ei tekita erilist ärevust. Alles pärast seda, kui meil õnnestus uraani ja plutooniumi tuumad lõhestada, suutsime saavutada nii kiire ja intensiivse aatomipommi plahvatamiseks vajaliku energia vabanemise. Teine ja võrreldamatult olulisem aatomireaktsioon toimub Päikese ja teiste tähtede sees, varustades neid energiaga, mille nad seejärel kosmosesse saadavad. See reaktsioon on palju keerulisem, kuid selle tulemus on järgmine: neli prootonit ühinevad heeliumi tuumaks ja kiirgavad kaks positronit. Seega "põleb" Päikese vesinik järk-järgult heeliumiks. Ilma sellise "tuleta" langeks Maa temperatuur peagi "absoluutse nullini" (273 °C alla nulli). Inimene ei ole veel võimeline suures mastaabis tekitama sellist aatomireaktsiooni, mis on palju tõhusam kui uraani lõhustumine energia vabastamiseks, kuid tõenäoliselt suudame varsti seda või mõnda sarnast protsessi (sünteessünteesi) edukalt rakendada. energia).
Aatomituumad, mis koos elektronidega moodustavad maailma, milles me elame, tekkisid arvatavasti mitu miljardit aastat tagasi vabade prootonite ja neutronite koosmõjul. Tõenäoliselt toimub see protsess ikka veel tähtede sees.
Praegu toimuvad Päikese ja tähtede sees tohutud tuumareaktsioonid. Temperatuur Päikese keskpunktis on ligikaudu 20 miljonit kraadi, millest piisab vesiniku süttimiseks, põhjustades selle põlemise heeliumiks. Nende reaktsioonide produkt on suur hulk neutroneid, mis prootonitele lisamisel moodustavad raskemaid elemente. Mõnes väga kuumas tähes on tuumaprotsessid väga tõhusad; plahvatavates tähtedes, "noovades" või "supernoovades", võib eeldada, et raskemad elemendid tekivad märkimisväärses koguses. Seega on võimalik, et elemendid moodustuvad tähtede sisemuses ja paiskuvad seejärel neid ümbritsevasse ruumi.
Need on mõned tuumafüüsika põletavamad aspektid; kuid koos nendega on ka teisi probleeme, vähem sensatsioonilisi, kuid mitte vähem olulisi ega vähem huvipakkuvaid.
Nagu juba märgitud, koosneb aatom kolme tüüpi elementaarosakestest: prootonitest, neutronitest ja elektronidest. Aatomituum on aatomi keskosa, mis koosneb prootonitest ja neutronitest. Prootonitel ja neutronitel on üldnimetus nukleon; nad võivad tuumas muutuda üksteiseks. Lihtsaima aatomi - vesinikuaatomi - tuum koosneb ühest elementaarosakesest - prootonist.
Aatomi tuuma läbimõõt on ligikaudu 10-13 - 10-12 cm ja on 0,0001 aatomi läbimõõdust. Peaaegu kogu aatomi mass (99,95-99,98%) on aga koondunud tuuma. Kui oleks võimalik saada 1 cm3 puhast tuumaainet, oleks selle mass 100-200 miljonit tonni. Aatomituuma mass on mitu tuhat korda suurem kui kõigi aatomit moodustavate elektronide mass.
Prooton- elementaarosake, vesinikuaatomi tuum. Prootoni mass on 1,6721 x 10-27 kg, mis on 1836 korda suurem elektroni massist. Elektrilaeng on positiivne ja võrdne 1,66 x 10-19 C. Kulon on elektrilaengu ühik, mis on võrdne vooluhulgaga, mis läbib juhi ristlõike 1 sekundi jooksul konstantse voolutugevusega 1A (ampri).
Iga elemendi iga aatom sisaldab tuumas teatud arvu prootoneid. See arv on antud elemendi puhul konstantne ja määrab selle füüsikalised ja keemilised omadused. See tähendab, et prootonite arv määrab, millise keemilise elemendiga me tegeleme. Näiteks kui tuumas on üks prooton, siis on see vesinik, kui 26 prootonit, siis raud. Prootonite arv aatomituumas määrab tuuma laengu (laengu number Z) ja elemendi aatomnumbri elementide perioodilisustabelis D.I. Mendelejev (elemendi aatomnumber).
Neutron- elektriliselt neutraalne osake massiga 1,6749 x 10-27 kg, 1839 korda suurem kui elektroni mass. Vabas olekus neuron on ebastabiilne osake, mis muutub iseseisvalt prootoniks elektroni ja antineutriino emissiooniga. Neutronite poolestusaeg (aeg, mille jooksul pool algsest neutronite arvust laguneb) on ligikaudu 12 minutit. Stabiilsete aatomituumade sees seotud olekus on see aga stabiilne. Nukleonite (prootonite ja neutronite) koguarvu tuumas nimetatakse massiarvuks (aatommass - A). Tuumas sisalduvate neutronite arv on võrdne massi- ja laengunumbrite vahega: N = A - Z.
elektron- elementaarosake, väikseima massiga kandja - 0,91095x10-27 g ja väikseima elektrilaeng - 1,6021x10-19 C. See on negatiivselt laetud osake. Elektronide arv aatomis on võrdne prootonite arvuga tuumas, s.o. aatom on elektriliselt neutraalne.
Positroon- positiivse elektrilaenguga elementaarosake, elektroni suhtes antiosake. Elektroni ja positroni mass on võrdsed ning elektrilaengud on absoluutväärtuselt võrdsed, kuid märgilt vastupidised.
Erinevat tüüpi tuumasid nimetatakse nukliidideks. Nukliid on teatud prootonite ja neutronite arvuga aatomitüüp. Looduses on sama elemendi aatomeid erineva aatommassiga (massiarvud):
, Cl jne. Nende aatomite tuumad sisaldavad sama palju prootoneid, kuid erineva arvu neutroneid. Nimetatakse sama elemendi aatomite sorte, millel on sama tuumalaeng, kuid erinevad massiarvud isotoobid
. Omades sama arvu prootoneid, kuid erinedes neutronite arvu poolest, on isotoopidel sama elektronkestade struktuur, s.t. väga sarnased keemilised omadused ja hõivavad keemiliste elementide perioodilisuse tabelis sama koha.
Neid tähistatakse vastava keemilise elemendi sümboliga, mille indeks A asub vasakus ülanurgas - massiarv, mõnikord on vasakus allosas toodud ka prootonite arv (Z). Näiteks fosfori radioaktiivsed isotoobid on tähistatud vastavalt 32P, 33P või P ja P. Isotoobi tähistamisel ilma elemendi sümbolit märkimata antakse massinumber pärast elemendi tähistust, näiteks fosfor - 32, fosfor - 33.
Enamikul keemilistel elementidel on mitu isotoopi. Lisaks vesiniku isotoobile 1H-protium on tuntud raske vesinik 2H-deuteerium ja üliraske vesinik 3H-triitium. Uraanil on 11 isotoopi, looduslikes ühendites kolm (uraan 238, uraan 235, uraan 233). Neil on vastavalt 92 prootonit ja 146 143 ja 141 neutronit.
Praegu on teada enam kui 1900 isotoopi 108 keemilisest elemendist. Neist looduslike isotoopide hulka kuuluvad kõik stabiilsed (neist umbes 280) ja looduslikud isotoobid, mis on osa radioaktiivsetest perekondadest (neist 46). Ülejäänud klassifitseeritakse kunstlikeks, need saadakse kunstlikult erinevate tuumareaktsioonide tulemusena.
Mõistet "isotoobid" tuleks kasutada ainult siis, kui räägime sama elemendi, näiteks süsiniku 12C ja 14C aatomitest. Kui mõeldakse erinevate keemiliste elementide aatomeid, siis on soovitatav kasutada terminit "nukliidid", näiteks radionukliidid 90Sr, 131J, 137Cs.