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 hiljem, uue pilve kondenseerumise ajal tähesüsteemid, uraan, olles kogunenud protoplanetaarsesse pilve ja olles väga raske, peab vajuma planeetide sügavustesse. 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 asjaolu, et see on väga hajutatud ja ei 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 uraani valguse ergastamise tõttu uusi kiireid 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 naha sarvkihi. Inimkeha. 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 kaevandustöölistel on esinemissagedus erinevat tüüpi Verevähki esineb vähem kui kanadalastel keskmiselt. 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 pani 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 kiiresti. kõrge kontsentratsioon- 0,2 kuni 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 ei avaldanud seda vaid 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 raporti ajal 26. jaanuaril 1939 Washingtonis aastakonverentsil teoreetiline füüsika, 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 seostatakse 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.
Ya B. Zeldovitši ja Yu B. Kharitoni arvutus näitas, et selleks on vaja kasutada raske vee või grafiidi kujul olevat neutronite moderaatorit ja rikastada looduslikku uraani. 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). "...IN praegu Lõpmatult hargnevate ahelatega tuuma lõhustumisreaktsiooni teostamise võimalikkuse või võimatuse kohta uraanis ei ole veel võimalik teha lõplikke järeldusi. 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 just 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 koletumat tuumakatastroofid toimus 6. ja 8. augustil 1945, kui USA õhujõud viskasid Hiroshimale ja Nagasakile aatomipommid, tappes ja vigastades sadu tuhandeid tsiviilisikuid. Väiksemad katastroofid on seotud õnnetustega tuumaelektrijaamad ja tuumatsükli ettevõtted. Esiteks suur õnnetus juhtus 1949. aastal NSV Liidus Tšeljabinski lähedal Majaki tehases, kus toodeti plutooniumi; vedel radioaktiivsed jäätmed kukkus 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. Lääne-Euroopa. 1979. aastal põles Pennsylvanias Three Mail Islandi tuumaelektrijaama reaktor. Õnnetused kell Tšernobõli tuumaelektrijaam(1986) ja Fukushima tuumaelektrijaam (2011), mil miljonid inimesed puutusid kokku kiirgusega. 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 peaks see inimeste puhul kaasa tooma vähenemise vaimsed võimed põlvkonnal, kes sündisid 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 kirjutavad nad, 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 kiirguskaitse 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. Aga mis suurem suurus mürsk, seda vähem kontsentreeritud on selle löök. Nii et me vajame raskemetallid millel on kõrge tihedus. Kuulid on valmistatud pliist (Uurali jahimehed kasutasid omal ajal ka kohalikku plaatinat, kuni mõistsid, et see väärismetall), kestade südamikud on valmistatud 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: see on kuum peened osakesed, mis tekkis kokkupõrkel soomusrüüga, süttib ja süütab 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, mis 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.
Tuumaenergia sõjaliseks otstarbeks Smith Henry Dewolf
AETREAKTSIOONI PROBLEEM
AETREAKTSIOONI PROBLEEM
2.3. Aatomipommide või uraani lõhustumist kasutava elektrijaama tööpõhimõte on üsna lihtne. Kui üksainus neutron põhjustab lõhustumise, mille käigus eraldub mitu uut neutronit, võib lõhustumiste arv ülikiiresti kasvada, vabastades tohutult energiat (joonis 3). Sellise tõusu võimaluse määrab mitme protsessi suhteline tõenäosus. Lõhustumisel eralduvad neutronid võivad paiskuda välja uraani hõivatud ruumipiirkonnast, lõhustumiseni viiva protsessi käigus võivad uraan kinni jääda või võõrlisandid. Seega, küsimus, kas ahelreaktsioon tekib või mitte, sõltub nelja protsessi vahelise konkurentsi tulemusest:
(1) neutronite emissioon uraanist, (2) neutronite püüdmine uraaniga ilma lõhustumiseta, (3) neutronite püüdmine lisanditega (4) neutronite püüdmine uraani abil.
Kui neutronite kadu kolmes esimeses protsessis on väiksem kui neljandas vabanenud neutronite arv, siis toimub ahelreaktsioon; muidu on see võimatu. Ilmselgelt võib see olla ükskõik millisel esimesest kolmest protsessist suure tõenäosusega selles paigutuses, et lõhustumisel eralduvate neutronite liig ei suuda tagada reaktsiooni jätkumist. Näiteks juhul, kui protsessil (2) - uraani püüdmine ilma lõhustumata - on palju suurem tõenäosus kui lõhustumisega püüdmine, on ahelreaktsioon võimatu.
2.4. Täiendavaks raskuseks on see, et looduslik uraan koosneb kolmest isotoobist: U-234, U-235 ja U-238, mida leidub vastavalt ligikaudu 0,006, 0,7 ja 99,3%. Oleme juba näinud, et protsesside (2) ja (4) tõenäosused on erinevate isotoopide puhul erinevad. Samuti nägime, et need tõenäosused on erineva energiaga neutronite puhul erinevad.
Riis. 3. Lõhustumise ahelreaktsiooni skeem arvestamata neutronite kiiruste mõju. Plahvatusreaktsioonis suureneb neutronite arv piiramatult. Kontrollitud reaktsioonis suureneb neutronite arv teatud tasemeni ja jääb seejärel konstantseks.
Riis. 4. Skeem lõhustumise ahelreaktsioonist, milles kasutatakse moderaatorit neutronite aeglustamiseks kiiruseni, mille juures nad on võimelised tekitama lõhustumist.
2.5. Vaatleme nüüd kolme esimese protsessiga seatud piiranguid ja vahendeid, mille abil saab nende mõju vähendada.
NEUTRONITE EMISSIOON URAANIST; KRIITILISED MÕÕTMED
2.6. Suhteline kogus Uraanist välja pääsevaid neutroneid saab vähendada suurust ja kuju muutes. Sfääris on pinnaefektid võrdelised ruuduga ja mahuefektid võrdelised raadiuse kuubiga. Uraani neutronite emissioon on pinnaefekt, mis sõltub pinna suurusest; lõhustumine toimub kogu materjali poolt hõivatud ruumala ulatuses ja on seetõttu mahuefekt. Mida suurem on uraani kogus, seda vähem on tõenäoline, et uraani mahust eralduvad neutronid domineerivad lõhustumispüüdmise suhtes ja segavad ahelreaktsiooni. Neutronite kadu mittelõhustumise püüdmisel on ruumalaefekt, mis sarnaneb neutronite vabanemisega lõhustumise püüdmisel, nii et suuruse suurendamine ei muuda nende suhtelist tähtsust.
2.7. Uraani sisaldava seadme kriitilisi mõõtmeid saab määratleda kui mõõtmeid, mille juures lõhustumise ajal vabanevate neutronite arv on täpselt võrdne nende kadudega, mis on tingitud nende vabanemisest ja kinnipüüdmisest, millega ei kaasne lõhustumine. Teisisõnu, kui mõõtmed on kriitilisest väiksemad, siis definitsiooni järgi ahelreaktsiooni tekkida ei saa. Põhimõtteliselt oli juba 1940. aastal võimalik määrata kriitilisi mõõtmeid, kuid ebatäpsus arvutamiseks vajalike konstantide määramisel oli peaaegu nii suur, et nende erinevad hinnangud erinesid üksteisest väga laiades piirides. Ei saa välistada, et kriitilised mõõtmed võivad praktilistel eesmärkidel olla liiga suured. Isegi praegu muutuvad prognoositavate käitiste prognoosid aeg-ajalt teatud piirides, kui uued andmed muutuvad kättesaadavaks.
TÖÖMURID KASUTAMINE HAARMETE ARVU VÄHENDAMISEKS ILMA JAGAMISETA
2.8. I peatükis väitsime, et termilistel neutronitel on suurim tõenäosus tekitada U-235 lõhustumist ja et lõhustumise käigus eralduvad neutronid on suure kiirusega.
Muidugi oleks liigne lihtsustus öelda, et ahelreaktsioon võib jätkuda, kui lõhustumisel eraldub rohkem neutroneid, kui neeldub. Tõepoolest, lõhustumisega püüdmise ja lõhustumata püüdmise tõenäosused sõltuvad neutronite kiirustest. Kahjuks jääb lõhustumiseta püüdmise kiirus kõige tõenäolisemalt lõhustumise ajal eralduvate neutronite kiiruse ja kõige tõenäolisema lõhustumisega püüdmise kiiruse vahele.
2.9. Mitu aastat enne lõhustumise avastamist oli neutronite aeglustamise üldtunnustatud viis panna need läbima väikese aatommassiga ainet, näiteks mõnda vesinikku sisaldavat materjali. Aeglustusprotsess on osakese elastse kokkupõrge suure kiirusega ja praktiliselt puhkeolekus oleva osakese protsess. Mida lähemal on neutroni mass kokkupõrke osakese massile, seda suurema osa tema kineetilisest energiast neutron kaotab. Seetõttu on kerged elemendid kõige tõhusamad "moderaatoritena", st ainetena, mis vähendavad neutronite kiirust.
2.10. Paljud füüsikud uskusid, et uraani on võimalik segada moderaatoriga, nii et kiired neutronid saaksid uraani lõhustumisest vabanemise ja uraani tuumadega kokku puutumise vahelisel ajal oma kiirust vähendada väärtuseni, mis on väiksem kui kiirus, mille juures on tõenäosus. lõhustumata püüdmine on väga kõrge. Heal moderaatoril peaks olema väike aatomkaal ja tal ei tohiks olla kalduvust neutroneid absorbeerida. Liitium ja boor ei vasta teisele nõudele. Heeliumi on raske kasutada, kuna see on gaas ja see ei moodusta ühendeid. Seetõttu on moderaatori valikul vesinik, deuteerium, berüllium ja süsinik. Ka praegu ei saa ühtki neist ainetest välistada. Ettepanek kasutada moderaatorina grafiiti tuli E. Fermilt ja L. Szilardilt.
RISTIKU KASUTAMINE HAARMETE ARVU VÄHENDAMISEKS ILMA JAGAMISETA
2.11. Uraaniga segatud moderaatori kasutamise üldine skeem on üsna ilmne. Spetsiaalse moderaatori kasutamise meetodi pakkusid esmakordselt välja meile teadaolevalt USA-s Fermi ja Szilard. Idee oli kasutada märkimisväärse suurusega uraani tükke, mis sisalduvad ruumilise võre kujul moderaatori materjalis. Sellisel süsteemil on homogeense segu ees märkimisväärsed eelised. Kui konstandid olid täpsemalt määratud, sai teoreetiliselt võimalikuks kõige tõhusama võretüübi arvutamine.
ILMA ISOTOOPIDE ERALDAMISE JÄRGI JAGAMISTA PÜÜDISTE ARVU VÄHENDAMINE
2.12. I peatükis leiti, et teatud kiirusvahemikus (mis vastab mõne elektronvoldi energiale) olevate neutronite puhul on U-238-l U-239 tekkeks suur püüdmisristlõige, kuid mitte lõhustumise jaoks. Samuti on märkimisväärne tõenäosus, et kiired neutronid põrkavad U-238 tuumadega mitteelastsete (st mittehaarava) kokkupõrkega. Seega toob U-238 olemasolu kaasa kiirete neutronite kiiruse vähenemise ja neutronite neeldumise mõõdukatel kiirustel. Kuigi võib esineda ka U-235 püüdmise juhtumeid ilma lõhustumata, on siiski selge, et kui suudaksime U-235 U-238-st eraldada ja U-238-st lahti saada, siis saaksime vähendada lõhustumata püüdmiste arvu ja seega. , et saavutada ahelreaktsiooni arendamine. U-235 lõhustumise tõenäosus kiirete neutronite poolt võib olla piisavalt suur, et pärast U-238 eemaldamist pole moderaatori kasutamine vajalik.
Kahjuks sisaldab looduslik uraan U-235 vaid vahekorras ligikaudu 1:140 ja nende kahe isotoobi suhteliselt väike massierinevus muudab eraldamise keeruliseks. 1940. aastal viidi isotoopide eraldamine ulatuslikult läbi ainult vesiniku puhul, mille kahe isotoobi masside suhe on 1:2. U-235 eraldamise võimalust tavalisest uraanist peeti aga algusest peale väga oluliseks ja uraani isotoopide eraldamine sai järgmise viie aasta jooksul üheks kahest peamisest jõupingutusvaldkonnast.
MATERJALIDE TOOTMINE JA PUHASTAMINE
2.13. Eespool tehti kindlaks, et neutronite püüdmise ristlõige varieerub erinevate ainete puhul väga laias vahemikus.
Mõne jaoks on see maksimumiga võrreldes väga kõrge ristlõige uraan. Ahelreaktsiooni läbiviimiseks on vaja neutronite kinnipüüdmist lisanditega vähendada sellise väärtuseni, et sellel ei saaks olla olulist mõju. See nõuab uraani metalli ja moderaatori väga hoolikat puhastamist. Arvutused näitavad, et paljude mikroelementide maksimaalne lubatud kontsentratsioon on nii uraani kui ka moderaatori puhul mitu miljondikosa. Kui meenutada, et enne 1940. aastat ei moodustanud kogu uraani metalli tootmine USA-s rohkem kui paar grammi küsitava puhtusega ainet, siis kogu USA-s kaevandatud berülliummetalli kogus moodustas vaid mõne naela, et kogu kontsentreeritud deuteeriumi toodang ei ulatunud rohkem kui mõne naela ja süsinikku ei jõudnud kunagi. Seda ei toodetud moderaatori jaoks vajalikes kogustes ja puhastusastmega - saab selgeks, et tootmise ja puhastamise probleem materjalid olid väga olulised.
AKEREAKTSIOONI JUHTIMINE
2.14. Kõik ülalpool käsitletud probleemid on seotud ainult ahelreaktsiooni rakendamisega. Kui sellisele reaktsioonile tahetakse leida otstarbekat kasutust, siis peab suutma seda kontrollida. Juhtimisprobleem püstitatakse erinevalt, sõltuvalt sellest, mida me tahame saavutada: energia järkjärgulist vabanemist või plahvatust. Pidev aatomienergia tootmine nõuab aeglast neutronite ahelreaktsiooni uraani ja moderaatori segus, samas kui aatomipomm nõuab kiiret neutronite ahelreaktsiooni, mis toimub U-235-s või Pu?239-s, kuigi jaguneda võib mõlemat tüüpi. Juba 1940. aastal tundus usutav, et neutroneid neelavaid aineid kasutades on võimalik ahelreaktsiooni kontrollida. Samuti tundus üsna selge, kuigi mitte täiesti kindel, et selline ahelreaktsioon peaks olema isepiirav, kuna kõrgete temperatuuride saavutamisel on väiksem püüdmise tõenäosus, millele järgneb lõhustumine. Siiski oli võimalik, et ahelreaktsioon võib väljuda kontrolli alt ja seetõttu tundus vajalik viia läbi ahelreaktsiooni katseid asustamata aladel.
Ahelreaktsiooni PRAKTILISED RAKENDUSED
2.15. Siiani oleme uurinud, kuidas saab tuuma ahelreaktsiooni luua ja juhtida, puudutamata selle kasutamist. Tehnoloogiline lõhe kontrollitud ahelreaktsiooni tekitamise ja selle kasutamise vahel võimas allikas energia või lõhkeaine on sarnane lõhega, mis eksisteeris tulekahju avastamise ja auruvedurite tootmise vahel.
2.16. Vaatamata sellele, et energia tootmine ei olnud kunagi nende tööde põhieesmärk, pöörati selgitamisele piisavalt tähelepanu peamine raskus- töörežiimi määramine, millal kõrge temperatuur. Tõhus soojusmasin ei pea olema ainult soojusallikas, vaid ka seda kõrgel temperatuuril arendama. Kõrgel temperatuuril ahelreaktsiooni läbiviimine ja soojuse kasulikuks tööks muutmine on palju keerulisem kui ahelreaktsiooni läbiviimine madalal temperatuuril.
2.17. Ahelreaktsiooni toimumise tõestamisest ei piisa, et tagada tuumaenergia tõhusus pommides. Efektiivse plahvatuse tekitamiseks peab ahelreaktsioon arenema ülikiiresti; vastasel juhul kasutatakse ainult väikest kogust tuumaenergiat, enne kui pomm laguneb ja reaktsioon peatub. Samuti on vaja vältida enneaegset plahvatust. See täieliku "detonatsiooni" probleem oli ja on endiselt üks raskemaid probleeme ülitõhusa aatomipommi loomisel.
PLUTOONIUMI KASUTAMISE VÕIMALUSED
2.18. Seni on kaalutud vaid uraani enda kasutusvõimalusi. Oleme juba maininud ettepanekut, et element aatomnumbriga 94 ja massiga 239, mida tavaliselt nimetatakse plutooniumiks, võib olla väga tõhus. Tõepoolest, nüüdseks on teada, et selle väärtus on lähedane puhta U-235 omale. Mainisime U-235 eraldamise raskust tavalisemast isotoobist U-238. Need kaks isotoopi on loomulikult keemiliselt identsed. Kuigi plutoonium on toodetud U-238-st, on see keemiliselt erinev element. Seega, kui U-238 plutooniumiks muundamise protsess on võimalik, võib plutooniumi keemiline eraldamine uraanist olla praktilisem kui isotoopide U-235 ja U-238 eraldamine.
2.19. Oletame, et meil õnnestus luua kontrollitud ahelreaktsioon tavalise uraani ja moderaatori, näiteks süsiniku, võres grafiidi kujul. Seejärel eraldub ahelreaktsiooni käigus U-235 lõhustumisel neutroneid ja U-238 absorbeerib paljusid neist. Selle tulemusena moodustub U-239, mille iga aatom kiirgab ? -osake, muutudes neptuuniumiks (93 Np 239). Neptuunium omakorda kiirgab ? - osake, mis muutub plutooniumiks (94 Pu 239); see viimane pärast ? -laguneb taas U-235-ks, kuid nii aeglaselt, et seda võib praktiliselt pidada stabiilseks elemendiks (vt joon. 1). Kui metallide segu eraldatakse pärast pikka reaktsiooni, on võimalik plutooniumi eraldada keemilised meetodid ja pärast puhastamist kasutada seda ahelreaktsioonis koos lõhustumisega, millel on plahvatusohtlik iseloom.
RICH KATLAD
2.20. Rääkisime kolmest võimalusest ahelreaktsiooni võimaluse suurendamiseks: moderaatori kasutamine, kõrge puhtusastmega materjalide saamine, spetsiaalsete materjalide nagu U-235 või Pu?239 kasutamine. Need kolm meetodit ei välista üksteist ja välja on pakutud palju skeeme, milles kasutatakse väikeses koguses isoleeritud U-235 või Pu239 võres, mis koosneb peamiselt tavalisest uraanist või uraanoksiidist ja moderaatorist või kahest erinevast moderaatorist. Neid seadmeid nimetatakse tavaliselt "rikasteks boileriteks".
Raamatust Space Earth Connections and UFOs autor Dmitriev Aleksei Nikolajevitš Raamatust Physical Chemistry: Lecture Notes autor Berezovchuk A V2. Keemilise reaktsiooni isotermi võrrand Kui reaktsioon kulgeb pöörduvalt, siis kui reaktsioon kulgeb pöördumatult, siis G? 0 ja muutust saab arvutada?G. Kuhu? – reaktsioonivahemik – väärtus, mis näitab, mitu mooli reaktsiooni käigus muutus. I sp – iseloomustab
Raamatust Uusim faktide raamat. 3. köide [Füüsika, keemia ja tehnoloogia. Ajalugu ja arheoloogia. Varia] autor Kondrašov Anatoli Pavlovitš3. Keemilise reaktsiooni isohooride, isobaaride võrrandid K sõltuvus temperatuurist Isobar võrrand: Isokoorvõrrand: Neid kasutatakse voolu suuna hindamiseks
Raamatust Neutrino – aatomi kummituslik osake autor Isaac Asimov2. Keemilise reaktsiooni kiirust mõjutavad tegurid ) ruut
Raamatust Viis lahendamata teaduse probleemi autor Wiggins Arthur Raamatust Nuclear Energy for Military Purposes autor Smith Henry DewolfTuumareaktsioonid ja elektrilaeng Kui füüsikud hakkasid 1990. aastatel aatomi ehitust selgemalt mõistma, avastasid nad, et vähemalt mõned selle osad kannavad elektrilaengut. Näiteks elektronid, mis täidavad aatomi välimisi piirkondi
Raamatust Füüsika ajaloo kursus autor Stepanovitš Kudrjavtsev PavelMassi päritolu probleem, tuntud kui Higgsi välja probleem 1964. aastal eeldasid šoti füüsik Peter HIGGS ja teised puhtmatemaatilistele kaalutlustele tuginedes kõikjal esineva välja olemasolu, mida hiljem nimetati Higgsi väljaks. Kõik, kes valdkonnaga suhtlevad
Raamatust 50 aastat nõukogude füüsikat autor Leshkovtsev Vladimir Aleksejevitš3. peatükk. Keemia. Millised keemilised reaktsioonid ajendasid aatomeid moodustama esimesi elusolendeid? On täiesti jabur rääkida praegu elu tekkest; sama eduga võiks rääkida ka aine päritolust C. Darwini kirjast J. D. Hookerile 29. märtsil
Raamatust The King's New Mind [Arvutitest, mõtlemisest ja füüsikaseadustest] autor Penrose Roger Raamatust Kellele kukkus õun autor Kesselman Vladimir SamuilovitšTUUMARAKTSIOONIDE MEETODID TUUMAPOMMIMISE MEETODID1.40. Cockcroft ja Walton said piisavalt suure energiaga prootoneid vesinikgaasi ioniseerimisel ja sellele järgneval ioonide kiirendamisel kõrgepingepaigaldisega koos trafo ja alaldiga. Sarnane meetod võib olla
Autori raamatustREAKTSIOONSOODUSED JA ERALDAMISE PROBLEEM 8.16. Hanfordi rajatises on plutooniumi tootmisprotsess jagatud kaheks põhiosaks: selle tootmine katlas ja eraldamine uraaniplokkidest, milles see moodustub. Liigume edasi protsessi teise osa juurde.
Autori raamatustLisa 4. Esimene iseliikuva ahelreaktsiooniga katel VI peatükis kirjeldati lühidalt esimese iseliikuva ahelreaktsiooniga katla konstruktsiooni ja tööd. Kuigi me peame praegu hoiduma üksikasjade esitamisest saladuse hoidmise huvides, siis järgmine
Autori raamatustTuuma lõhustumise ahelreaktsiooni rakendamine Nüüd on kogu jõuga üles kerkinud küsimus lõhustumise ahelreaktsioonist ja võimalusest saada hävitavat plahvatuslikku lõhustumisenergiat. See küsimus oli saatuslikult põimunud vallandunud maailmasõjaga Natsi-Saksamaa 1. september
Autori raamatustKONTROLLITUD TERMONUUMA REAKTSIOONID Kontrollimatu termotuumareaktsioonid tekivad vesinikupommi plahvatuste ajal. Need toovad kaasa tohutu hulga tuumaenergia vabanemise, millega kaasneb äärmiselt hävitav plahvatus. Nüüd on teadlaste ülesanne leida viise
Autori raamatust Autori raamatustLõhustumisreaktsiooni labürintides 1938. aastal tegid Saksa teadlased Otto Hahn ja Fritz Strassmann (1902–1980) hämmastava avastuse. Nad avastasid, et uraani pommitamine neutronitega tekitas mõnikord tuumasid, mis olid umbes kaks korda kergemad kui algne uraanituum. Edasi
Eesmärk: kujundada õpilastes arusaam uraani tuumade lõhustumisest.
- kontrollida eelnevalt uuritud materjali;
- kaaluda uraani tuuma lõhustumise mehhanismi;
- kaaluma ahelreaktsiooni toimumise tingimust;
- selgitada välja ahelreaktsiooni kulgu mõjutavad tegurid;
- arendada õpilaste kõnet ja mõtlemist;
- arendada võimet analüüsida, kontrollida ja kohandada oma tegevusi etteantud aja jooksul.
Varustus: arvuti, projektsioonisüsteem, didaktiline materjal (test “Kerneli koostis”), kettad “Interaktiivne kursus. Füüsika 7-11 klass“ (Physikon) ja „1C-tuutor. Füüsika” (1C).
Tunni edenemine
I. Organisatsioonimoment (2’).
Tervitamine, tunniplaani kuulutamine.
II. Varem õpitud materjali kordamine (8’).
Õpilaste iseseisev töö - testi täitmine ( Lisa 1 ). Test nõuab ühte õiget vastust.
III. Uue materjali õppimine (25’). Tunni edenedes teeme märkmeid(lisa 2 ).
Hiljuti saime teada, et mõned keemilised elemendid muutuvad radioaktiivse lagunemise käigus teisteks keemilisteks elementideks. Mis teie arvates juhtub, kui saadate mõne osakese mõne keemilise elemendi aatomi tuuma, näiteks neutroni uraani tuuma? (kuulab õpilaste ettepanekuid)
Kontrollime teie eeldusi (töö interaktiivse mudeliga "Tuuma lõhustumine""Interaktiivne kursus. Füüsika 7-11kl” ).
Mis oli tulemus?
– Kui neutron tabab uraani tuuma, näeme, et selle tulemusena tekib 2 fragmenti ja 2-3 neutronit.
Sama efekti saavutasid 1939. aastal Saksa teadlased Otto Hahn ja Fritz Strassmann. Nad avastasid, et neutronite interaktsiooni tulemusena uraani tuumadega tekivad radioaktiivsete fragmentide tuumad, mille massid ja laengud on ligikaudu pooled uraani tuumade vastavatest omadustest. Sel viisil toimuvat tuuma lõhustumist nimetatakse sundlõhustumiseks, erinevalt spontaansest lõhustumisest, mis toimub looduslike radioaktiivsete transformatsioonide käigus.
Tuum erutub ja hakkab deformeeruma. Miks jaguneb tuum kaheks osaks? Milliste jõudude mõjul purunemine toimub?
Millised jõud toimivad tuuma sees?
– elektrostaatiline ja tuumaenergia.
Olgu, aga kuidas elektrostaatilised jõud avalduvad?
– Laetud osakeste vahel mõjuvad elektrostaatilised jõud. Laetud osake tuumas on prooton. Kuna prooton on positiivselt laetud, mõjuvad nende vahel tõukejõud.
Tõsi, aga kuidas tuumajõud avalduvad?
-Tuumajõud on tõmbejõud kõigi nukleonide vahel.
Niisiis, milliste jõudude mõjul tuum rebeneb?
– (Raskuste tekkimisel esitan suunavaid küsimusi ja suunan õpilased õigele järeldusele) Elektrostaatiliste tõukejõudude mõjul laguneb tuum kaheks osaks, mis lendavad laiali eri suundades ja eraldavad 2-3 neutronit.
Killud lendavad minema väga suure kiirusega. Selgub, et osa tuuma siseenergiast muundatakse lendavate fragmentide ja osakeste kineetiliseks energiaks. Killud satuvad keskkonda. Mis sa arvad, mis nendega toimub?
– Killud aeglustuvad keskkonnas.
Et mitte rikkuda energia jäävuse seadust, peame ütlema, mis juhtub kineetilise energiaga?
– Kineetiline energia killud muundatakse keskkonna siseenergiaks.
Kas märkate, et meediumi siseenergia on muutunud?
– Jah, keskkond soojeneb.
Kas lõhustumises osalev tegur mõjutab siseenergia muutust? erinevad kogused uraani tuumad?
– Muidugi suureneb suure hulga uraani tuumade samaaegsel lõhustumisel uraani ümbritseva keskkonna siseenergia.
Oma keemiakursusest tead, et reaktsioonid võivad tekkida nii energia neeldumisel kui ka vabanemisel. Mida öelda uraani tuumade lõhustumisreaktsiooni kulgemise kohta?
– Uraani tuumade lõhustumisreaktsioon vabastab keskkonda energiat.
Aatomite tuumades sisalduv energia on kolossaalne. Näiteks kõigi 1 g uraani tuumade täieliku lõhustumise korral vabaneks sama palju energiat kui 2,5 tonni nafta põletamisel. Saime teada, mis fragmentidest saab, kuidas neutronid käituvad?
– (õpilaste eelduste kuulamine, eelduste kontrollimine interaktiivse "ahelreaktsiooni" mudeliga töötades"1C repiiter. Füüsika" ).
See on õige, teel olevad neutronid võivad kohtuda uraani tuumadega ja põhjustada lõhustumist. Seda reaktsiooni nimetatakse ahelreaktsiooniks.
Niisiis, mis on ahelreaktsiooni tekkimise tingimus?
– Ahelreaktsioon on võimalik tänu sellele, et iga tuuma lõhustumisel tekib 2-3 neutronit, mis võivad osaleda teiste tuumade lõhustumises.
Näeme, et vabade neutronite koguarv uraanitükis suureneb aja jooksul nagu laviin. Milleni see võib viia?
- Plahvatuseni.
– Suureneb tuumalõhustumise arv ja vastavalt ajaühikus vabanev energia.
Kuid võimalik on ka teine variant, kus vabade neutronite arv aja jooksul väheneb ja neutron ei kohtu oma teel tuumaga. Sel juhul mis saab ahelreaktsioonist?
- See peatub.
Kas selliste reaktsioonide energiat on võimalik rahumeelsel eesmärgil kasutada?
Kuidas reaktsioon peaks kulgema?
– Reaktsioon peab kulgema nii, et neutronite arv jääks aja jooksul muutumatuks.
Kuidas tagada, et neutronite arv jääb kogu aeg muutumatuks?
- (meeste soovitused)
Selle probleemi lahendamiseks peate teadma, millised tegurid mõjutavad vabade neutronite koguarvu suurenemist ja vähenemist uraanitükis, milles toimub ahelreaktsioon.
Üks neist teguritest on uraani mass . Fakt on see, et mitte iga tuuma lõhustumise käigus eralduv neutron ei põhjusta teiste tuumade lõhustumist. Kui uraanitüki mass (ja vastavalt ka mõõtmed) on liiga väike, lendab sellest välja palju neutroneid, kellel pole aega teel tuumaga kohtuda, põhjustavad selle lõhustumise ja tekitavad seega uue põlvkonna reaktsiooni jätkamiseks vajalikud neutronid. Sel juhul ahelreaktsioon peatub. Reaktsiooni jätkumiseks on vaja suurendada uraani massi teatud väärtuseni, nn kriitiline.
Miks saab massi kasvades võimalikuks ahelreaktsioon?
– Mida suurem on tüki mass, seda suurem on tõenäosus, et neutronid kohtuvad tuumadega. Sellest lähtuvalt suureneb tuuma lõhustumiste arv ja eralduvate neutronite arv.
Teatud nn uraani kriitilise massi juures võrdub tuuma lõhustumise käigus tekkivate neutronite arv kaotatud neutronite arvuga (see tähendab, et tuumad püüavad kinni lõhustumata ja paisatakse väljapoole tükki).
Seetõttu jääb nende koguarv muutumatuks. Sel juhul võib ahelreaktsioon kesta kaua, peatumata ja plahvatusohtlikuks muutumata.
Väikseimat uraani massi, mille juures võib toimuda ahelreaktsioon, nimetatakse kriitiliseks massiks.
Kuidas reaktsioon kulgeb, kui uraani mass on suurem kui kriitiline mass?
– Vabade neutronite arvu järsu suurenemise tulemusena viib ahelreaktsioon plahvatuseni.
Mis siis, kui see on vähem kui kriitiline?
– Reaktsioon ei toimu vabade neutronite puudumise tõttu.
Neutronite kadu (mis lendavad uraanist välja ilma tuumadega reageerimata) saab vähendada mitte ainult uraani massi suurendamise, vaid ka spetsiaalse peegeldav kest . Selleks asetatakse uraanitükk kesta, mis on valmistatud neutroneid hästi peegeldavast ainest (näiteks berüllium). Sellest kestast peegeldudes pöörduvad neutronid tagasi uraani ja võivad osaleda tuuma lõhustumises.
Lisaks massile ja peegeldava kesta olemasolule on veel mitmeid tegureid, millest sõltub ahelreaktsiooni võimalikkus. Näiteks kui tükk uraani sisaldab liiga palju lisandid muud keemilised elemendid, neelavad enamus neutronid ja reaktsioon peatub.
Teine reaktsiooni kulgu mõjutav tegur on Kättesaadavus uraanis nö neutronite moderaator . Fakt on see, et uraan-235 tuumad lõhustuvad kõige tõenäolisemalt aeglaste neutronite mõjul. Ja tuumade lõhustumisel tekivad kiired neutronid. Kui kiireid neutroneid aeglustada, püütakse enamik neist kinni uraan-235 tuumade poolt, millele järgneb nende tuumade lõhustumine, nagu grafiit, kolle, raske vesi ja mõned teised. Need ained ainult aeglustavad neutroneid, peaaegu ilma neid absorbeerimata.
Niisiis, millised on peamised tegurid, mis võivad ahelreaktsiooni kulgu mõjutada?
– Ahelreaktsiooni toimumise võimaluse määrab uraani mass, selles sisalduvate lisandite hulk, kesta ja moderaatori olemasolu.
Uraan-235 kerakujulise tüki kriitiline mass on ligikaudu 50 kg. Pealegi on selle raadius vaid 9 cm, kuna uraanil on väga suur tihedus.
Kasutades moderaatorit ja peegeldavat kesta ning vähendades lisandite hulka, on võimalik vähendada uraani kriitilist massi 0,8 kg-ni.
Raske öelda, millise nime oleks saksa teadlane Martin Heinrich Klaproth 1789. aastal avastatud keemilisele elemendile pannud, kui mõni aasta varem poleks aset leidnud sündmust, mis erutas kõiki ühiskonna ringe: 1781. aastal kirjutas inglise astronoom William Herschel omatehtud teleskoobiga tähistaevast jälgides avastas ta helendava pilve, mida ta alguses pidas komeediks, kuid hiljem veendus, et näeb uut, seni tundmatut päikesesüsteemi seitsmendat planeeti. Vana-Kreeka taevajumala auks andis Herschel sellele nimeks Uraan. Sellest sündmusest muljet avaldanud Klaproth andis vastsündinud elemendile uue planeedi nime.
Umbes pool sajandit hiljem, 1841. a prantsuse keemik Eugene Melchior Peligol õnnestus esimest korda saada metallist uraani. Tööstusmaailm jäi suhteliselt ükskõikseks raske suhtes pehme metall milliseks uraan osutus. Selle mehaanilised ja keemilised omadused ei meelitanud ei metallurge ega masinaehitajaid. Ainult Böömimaa klaasipuhujad ning Saksi portselani- ja savinõud kasutasid selle metalli oksiidi meelsasti, et anda klaasidele ilus kollakasroheline värv või kaunistada nõud keeruka sametmusta mustriga.
Vanad roomlased teadsid uraaniühendite "kunstilistest võimetest". Napoli lähedal tehtud väljakaevamistel õnnestus leida hämmastava iluga klaasmosaiikfresko. Arheoloogid olid hämmastunud: üle kahe aastatuhande ei olnud klaas peaaegu tuhmunud. Kui klaasiproovid allutati keemiline analüüs, selgus, et need sisaldasid uraanoksiidi, millele võlgnes mosaiik oma pikaealisuse. Kuid kui uraani oksiidid ja soolad tegid "sotsiaalselt kasulikku tööd", ei pakkunud metall ise puhtal kujul peaaegu kellelegi huvi.
Isegi teadlased tundsid seda elementi väga pealiskaudselt. Teave tema kohta oli napp ja mõnikord täiesti vale. Seega arvati, et selle aatommass oli ligikaudu 120. Kui D. I. Mendelejev lõi oma perioodilise tabeli, ajas see väärtus kõik tema kaardid segadusse: uraan ei tahtnud oma omaduste tõttu mahtuda tabeli lahtrisse, mis oli reserveeritud. selle aatommassiga element. Ja siis otsustas teadlane, vastupidiselt paljude oma kolleegide arvamusele, leppida uraani aatommassi uue väärtusega - 240 ja nihutas elemendi tabeli lõppu. Elu on kinnitanud, et suurel keemikul oli õigus: uraani aatommass on 238,03.
Kuid D. I. Mendelejevi geenius ei ilmnenud mitte ainult selles. Veel 1872. aastal, kui enamik teadlasi pidas uraani, võrreldes paljude väärtuslike elementidega, omamoodi ballastiks, suutis perioodilise tabeli looja ette näha selle tõeliselt hiilgavat tulevikku: „Kõigi teadaolevate keemiliste elementide hulgas paistab uraan silma selle poolest, et omab suurimat aatommassi... Uraanis leiduva olulise aine massi kõrgeim teadaolev kontsentratsioon... peaks sisaldama silmapaistvaid omadusi...
Olles veendunud, et uraani uurimine, alustades selle looduslikest allikatest, toob kaasa palju uusi avastusi, soovitan julgelt neil, kes otsivad subjekte uuteks uurimusteks, eriti hoolikalt uurida uraaniühendeid.
Suure teadlase ennustus täitus vähem kui veerand sajandit hiljem: 1896. aastal tegi prantsuse füüsik Antoine Henri Becquerel uraanisooladega katseid tehes avastuse, mis kuulub õigustatult inimkonna suurimate teaduslike avastuste hulka. Siin on, kuidas see juhtus. Becquerel on pikka aega huvi tundnud teatud ainetele omase fosforestsentsi (st sära) nähtuse vastu. Ühel päeval otsustas teadlane kasutada oma katsetes ühte uraanisooladest. Musta paberisse mässitud fotoplaadile asetas ta metallist välja lõigatud mustrilise kujundi, mis oli kaetud uraanisoola kihiga, ja eksponeeris selle ereda valguse kätte. päikesevalgus et fosforestsents oleks võimalikult intensiivne. Neli tundi hiljem töötas Becquerel plaadi välja ja nägi sellel metallist kujundit selgelt eristavat siluetti. Ta kordas oma katseid ikka ja jälle – tulemus oli sama. Ja nii teatas teadlane 24. veebruaril 1896. aastal Prantsuse Teaduste Akadeemia koosolekul, et tema uuritud fosforestseeruv uraaniühend kiirgab nähtamatud kiiri, mis läbivad musta läbipaistmatut paberit ja vähendavad hõbeda soolade sisaldust fotoplaadil.
Kaks päeva hiljem otsustas Becquerel katseid jätkata, kuid õnne korral oli ilm pilves ja milline oleks fosforestsents ilma päikeseta? Halvast ilmast nördinud teadlane peitis juba ettevalmistatud, kuid mitte kunagi valgustatud lüümikud koos uraanisoolade proovidega oma lauasahtlisse, kus need lebasid mitu päeva. Lõpuks puhastas tuul ööl vastu 1. märtsi Pariisi taeva pilvedest ja päikesekiired sätendasid hommikul linna kohal. Becquerel, kes oli seda kannatamatult oodanud, kiirustas oma laborisse ja võttis lüümikud oma lauasahtlist välja, et need päikese kätte saada. Kuid kuna ta on väga pedantne eksperimenteerija, otsustas ta viimasel hetkel siiski lüümikud edasi arendada, kuigi loogika kohaselt ei saanud nendega viimastel päevadel midagi juhtuda: nad lebasid ju pimedas karbis ja ilma valguseta ei midagi fosforestseeruvat ainet. Tol hetkel teadlane ei kahtlustanud, et mõne tunniga on tavalistest mõne frangi väärtuses fotoplaatidest määratud saama hindamatuks teaduslikuks aardeks ja 1. märts 1896 läheb igaveseks maailma teaduse ajalukku.
See, mida Becquerel arendatud plaatidel nägi, hämmastas teda sõna otseses mõttes: proovide mustad siluetid ilmusid valgustundlikule kihile teravalt ja selgelt. See tähendab, et fosforestsentsil pole sellega midagi pistmist. Aga milliseid kiiri siis uraanisool kiirgab? Teadlane tegi ikka ja jälle sarnaseid katseid teiste uraaniühenditega, sealhulgas nendega, millel polnud fosforestseerumisvõimet või mis olid aastaid pimedas kohas lebanud, ja iga kord ilmus plaatidele pilt.
Becquerelil on endiselt ebaselge idee, et uraan on "esimene näide metallist, millel on nähtamatu fosforestsentsiga sarnane omadus".
Samal ajal õnnestus prantsuse keemikul Henri Moissanil välja töötada meetod puhta uraani metalli tootmiseks. Becquerel küsis Moissanilt uraanipulbrit ja leidis, et puhta uraani kiirgus on palju intensiivsem kui selle ühendid ja see uraani omadus jäi maksimaalselt muutumatuks. erinevad tingimused katsed, eriti tugeva kuumutamise ja madala temperatuurini jahutamisega.
Becquerel ei kiirustanud uute andmete avaldamisega: ta ootas, et Moissan teataks oma väga huvitavast uurimistööst. selleks kohustatud teaduseetika. Ja nii tegi Moissan 23. novembril 1896 Teaduste Akadeemia koosolekul ettekande puhta uraani saamise tööst ja Becquerel rääkis sellele elemendile omasest uuest omadusest, mis seisnes selle aatomite spontaanses muundamises, millega kaasneb kiirgusenergia vabanemine. Seda omadust nimetati radioaktiivsuseks.
Becquereli avastus tähistas algust uus ajastu füüsikas - elementide teisenemise ajastud. Nüüdsest ei saanud aatomit enam pidada üksikuks ja jagamatuks - tee selle materiaalse maailma “tellise” sügavustesse oli teadusele avatud.
Loomulikult on uraan nüüd teadlaste tähelepanu äratanud. Samas huvitas neid ka järgmine küsimus: kas radioaktiivsus on ainult uraanile omane? Võib-olla on looduses muid elemente, millel on see omadus?
Sellele küsimusele andsid vastuse väljapaistvad füüsikud Pierre Curie ja Maria Sklodowska-Curie. Abikaasa disainitud seadme abil uuris Marie Curie tohutul hulgal metalle, mineraale ja sooli. Tööd tehti uskumatult rasketes tingimustes. Laboriks oli mahajäetud puukuur, mille paar leidis ühest Pariisi sisehoovist. “See oli laudadest kasarm, asfaltpõranda ja klaaskatusega, mis ei kaitsenud hästi vihma eest, ilma igasuguste seadmeteta,” meenutas M. Curie hiljem “Selles olid ainult vanad puidust lauad, malmpliit mis ei andnud piisavalt soojust, ja tahvel, mida Pierre'ile nii väga meeldis kasutada. Kahjulike gaasidega katsetamiseks ei olnud tõmbekappe, nii et neid toiminguid tuli teha õues, kui ilm lubas, või siseruumides, kui ilm seda lubas. avatud aknad". P. Curie päevikus on sissekanne, et mõnikord tehti töid ainult kuue kraadise külmakraadiga.
Vajalike materjalide hankimisel tekkis palju probleeme. Uraanimaak oli väga kallis ja Curie'd ei suutnud seda oma tagasihoidlike vahenditega piisavalt osta. Nad otsustasid pöörduda Austria valitsuse poole palvega müüa neile madala hinnaga maha selle maagi jäätmed, millest Austrias kaevandati uraan, mida kasutati soolade kujul klaasi ja portselani värvimiseks. Teadlasi toetas Viini Teaduste Akadeemia ja nende Pariisi laborisse toimetati mitu tonni jäätmeid.
Marie Curie töötas erakordse visadusega. Erinevate materjalide uurimine kinnitas Becquereli õigsust, kuna ta uskus, et puhta uraani radioaktiivsus on suurem kui mõnel selle ühendil. Seda kinnitasid sadade katsete tulemused. Kuid Marie Curie uuris üha uusi aineid. Ja äkki... Üllatus! Kaks uraani mineraali – kalkoliit ja Bohemia vaigumaak – mõjusid seadmele palju aktiivsemalt kui uraan. Järeldus näitas ennast: need sisaldavad mõnda tundmatut elementi, mida iseloomustab veelgi suurem radioaktiivse lagunemise võime. Poola – M. Curie sünnikoha – auks andis paar sellele nimeks poloonium.
Tagasi tööle, taas titaanitöö – ja veel üks võit: avastati element, mis on sadu kordi radioaktiivsem kui uraan. Teadlased andsid sellele elemendile nimeks raadium, mis tähendab ladina keeles "kiir".
Raadiumi avastamine tõmbas teadlaskonna tähelepanu uraanilt mingil määral kõrvale. Umbes nelikümmend aastat ei erutanud ta teadlaste meeli ja insenerimõte pälvis teda harva oma tähelepanuga. Ühes 1934. aastal avaldatud tehnilise entsüklopeedia köites oli kirjas: "Elementaarsel uraanil pole praktilist kasu." Mainekas väljaanne ei patustanud tõe vastu, kuid vaid paar aastat hiljem tegi elu uraani võimekust puudutavates ideedes olulisi kohandusi.
1939. aasta alguses ilmus kaks teaduslikku aruannet. Esimene, mille eesmärk on Prantsuse Akadeemia Teaduste Frederic Joliot-Curie pealkiri oli "Eksperimentaalne tõestus uraani ja tooriumi tuumade plahvatusliku lõhustumise kohta neutronite mõjul". Teine sõnum – selle autorid olid Saksa füüsikud Otto Frisch ja Lise Meitner - andsid välja inglise ajakirja "Nature"; see kandis nime: "Uranium Decay by Neutrons: A New Type of Nuclear Reaction". Nii seal kui seal räägiti millestki uuest, siiani tundmatu nähtus, mis esineb kõige raskema elemendi - uraani tuumaga.
Paar aastat varem hakkasid “poisid” tõsiselt huvitama uraani vastu - see oli sõbralik nimi noorte andekate füüsikute rühmale, kes töötas Enrico Fermi juhtimisel Rooma ülikoolis. Nende teadlaste hobiks oli neutronifüüsika, mis sisaldas palju uut ja tundmatut.
Avastati, et neutronitega kiiritamisel muunduvad ühe elemendi tuumad reeglina teise elemendi tuumadeks, hõivates järgmise raku. Perioodilisustabel. Mis siis, kui kiiritame viimast, 92. elementi – uraani – neutronitega? Siis tuleks moodustada element, mis on juba 93. kohal - element, mida isegi loodus ei suudaks luua!
"Poistele" see idee meeldis. Muidugi, kas pole ahvatlev uurida, mis on tehiselement, kuidas see välja näeb, kuidas see käitub? Seega - uraan on kiiritatud. Aga mis juhtus? Ootuspäraselt ei ilmnenud uraanis mitte ainult üks radioaktiivne element, vaid vähemalt kümmekond. Uraani käitumises oli mingi mõistatus. Enrico Fermi saadab selle kohta teate ühele teadusajakirjale. Tema arvates on võimalik, et element 93 tekkis, kuid selle kohta puuduvad täpsed tõendid. Teisest küljest on tõendeid selle kohta, et kiiritatud uraanis on ka teisi elemente. Millised?
Sellele küsimusele püüdis vastata Marie Curie tütar Irene Joliot-Curie. Ta kordas Fermi katseid ja uuris hoolikalt uraani keemilist koostist pärast neutronitega kiiritamist. Tulemus oli enam kui ootamatu: uraanis ilmus element lantaan, mis paiknes ligikaudu perioodilisuse tabeli keskel, s.o. uraanist väga kaugel.
Kui samu katseid viisid läbi Saksa teadlased Otto Hahn ja Friedrich Strassmann, leidsid nad uraanis mitte ainult lantaani, vaid ka baariumi. Mõistatus mõistatuse järel!
Hahn ja Strassmann teatasid oma katsetest oma sõbrale, kuulsale füüsikule Lise Meitnerile. Nüüd üritavad uraaniprobleemi korraga lahendada mitu juhtivat teadlast. Ja nii jõudsid kõigepealt Frederic Joliot-Curie ja mõne aja pärast Lise Meitner samale järeldusele: neutroni tabamisel näib uraani tuum lagunevat. See seletab lantaani ja baariumi ootamatut ilmumist – elemendid, mille aatommass on ligikaudu poole väiksem uraanist.
Ameerika füüsik Luis Alvarez, hilisem Nobeli preemia laureaat, leidis selle uudise ühel 1939. aasta jaanuarihommikul juuksuritoolist. Ta vaatas rahulikult ajalehte, kui järsku jäi talle silma tagasihoidlik pealkiri: "Uraani aatom on jagatud kaheks pooleks." Hetk hiljem jooksis veider klient juuksuri ja järjekorras ootavate klientide hämmastuseks juuksuritöökojast välja pooleldi lõigatud, tugevalt kaela seotud ja tuules lehvinud salvrätik. Ignoreerides üllatunud möödujaid, tormas füüsik California ülikooli laborisse, kus ta töötas, et kolleegidele vapustavast uudisest teatada. Alguses jahmatas neid ajalehega vehkivat Alvarezi väga originaalne välimus, kuid sensatsioonilisest avastusest kuuldes unustasid nad kohe tema ebatavalise soengu.
Jah, see oli tõeline sensatsioon teaduses. Kuid Joliot-Curie asutas ka teise kõige olulisem fakt: uraani tuuma lagunemisel on plahvatuse iseloom, mille käigus tekkivad killud lendavad suure kiirusega laiali. Kui lõhestada oli võimalik ainult üksikuid tuumasid, siis fragmentide energia soojendas vaid tükki uraani. Kui lõhustumiste arv on suur, vabaneb tohutul hulgal energiat.
Aga kust saab piisavalt neutroneid, et neid samaaegselt pommitada? suur number uraani tuumad? Teadlastele teadaolevad neutronite allikad tootsid ju miljardeid kordi vähem kui vaja. Loodus ise tuli appi. Joliot-Curie avastas, et uraani tuuma lõhustumisel eraldub sellest mitu neutronit. Naaberaatomite tuumadesse sattudes peaksid need viima uue lagunemiseni – algab nn ahelreaktsioon. Ja kuna need protsessid kestavad sekundi miljondikuid, vabaneb kohe kolossaalne energia – plahvatus on vältimatu. Näib, et kõik on selge. Aga uraanitükke on neutronitega kiiritatud rohkem kui korra, aga need ei plahvatanud, s.t. ahelreaktsiooni ei toimunud. Ilmselt on vaja mingeid muid tingimusi. Millised? Frederic Joliot-Curie ei osanud sellele küsimusele veel vastata.
Ja ometi leiti vastus. Selle leidsid samal 1939. aastal noored nõukogude teadlased Ya.B. Zeldovitš ja Yu.B. Khariton. Oma töös tegid nad kindlaks, et tuuma ahelreaktsiooni arendamiseks on kaks võimalust. Esimene on uraanitüki suuruse suurendamine, kuna väikese tüki kiiritamisel võivad paljud äsja vabanenud neutronid sellest välja lennata, ilma et nad kohtaksid oma teel ühtegi tuuma. Uraani massi suurenedes suureneb loomulikult tõenäosus, et neutron tabab sihtmärki.
On veel üks võimalus - uraani rikastamine isotoobiga 235. Fakt on see, et looduslikul uraanil on kaks peamist isotoopi, mille aatommassid on 238 ja 235. Neist esimese tuumas, mis moodustab sadu kordi rohkem aatomeid , on veel kolm neutronit rohkem. Neutronites “vaene” uraan-235 neelab neid ahnelt - palju tugevamalt kui tema “jõukas” vend, mis teatud tingimustel neutroni neelamisel ei jagune osadeks, vaid muutub teiseks elemendiks. Hiljem kasutasid teadlased seda isotoobi omadust kunstlike transuraanielementide saamiseks. Ahelreaktsiooni jaoks osutub uraan-238 ükskõiksus neutronite suhtes hukatuslikuks: protsess pöördub ümber enne, kui tal on aega jõudu koguda. Kuid mida rohkem on uraanis neutroninäljas 235 isotoobi aatomit, seda energilisem on reaktsioon.
Kuid protsessi alguseks on vaja ka esimest neutronit - seda "sobitust", mis peaks põhjustama aatomi "tulekahju". Muidugi saab selleks kasutada tavalisi neutroniallikaid, mida teadlased on varem oma uurimistöös kasutanud, kuid see on võimalik. Kas sobivamat "matši" pole?
Sööma. Selle leidsid teised Nõukogude teadlased - K. A. Petrzhak ja G. N. Flerov. Uurides uraani käitumist aastatel 1939–1940, jõudsid nad järeldusele, et selle tuumad on võimelised spontaanselt lagunema. Seda kinnitasid nende ühes Leningradi laboris tehtud katsete tulemused.
Kuid võib-olla ei lagunenud uraan ise, vaid näiteks kosmiliste kiirte mõjul: on ju Maa ju pidevalt nende tule all. See tähendab, et katseid tuleb korrata sügaval maa all, kuhu need kosmosekülalised ei tungi. Pärast konsulteerimist suurima Nõukogude aatomiteadlasega I.V. Kurchatov, otsustasid noored teadlased teha katseid mõnes Moskva metroojaamas. Raudtee rahvakomissariaadis ja peagi 50 meetri sügavusel asuva Dünamo metroojaama juhi kabinetis see takistusi ei kohanud. teadustöötajad tarniti seadmeid, mis kaalusid umbes kolm tonni.
Nagu ikka, möödusid sinised rongid, tuhanded reisijad sõitsid eskalaatorist alla ja üles ning keegi neist ei kujutanud ette, et kuskil väga lähedal tehakse katseid, mille tähtsust on raske üle hinnata. Ja lõpuks saadi Leningradis täheldatuga sarnased tulemused. Polnud kahtlust: uraani tuumadele on omane spontaanne lagunemine. Selle märkamiseks oli vaja üles näidata erakordset eksperimenteerimisoskust: tunnis laguneb igast 60000000000000 uraani aatomist ainult üks. Tõesti tilk meres!
K. A. Petrzhak ja G. N. Flerov kirjutasid viimase lehekülje uraani eluloo selles osas, mis eelnes maailma esimesele ahelreaktsioonile. Selle viis läbi 2. detsembril 1942 Enrico Fermi.
30. aastate lõpus oli Fermi, nagu paljud teisedki väljapaistvad teadlased, sunnitud natside katku eest põgenema Ameerikasse emigreeruma. Siin kavatses ta jätkata oma tähtsamaid katseid. See aga nõudis palju raha. Oli vaja veenda Ameerika valitsus Fermi katsed võimaldavad hankida võimsaid aatomirelvi, mida saab kasutada fašismi vastu võitlemiseks. Selle missiooni võttis ette maailmakuulus teadlane Albert Einstein. Ta kirjutab USA presidendile Franklin Rooseveltile kirja, mis algab sõnadega: “Härra E. Fermi ja L. Szilardi viimane töö, mida lugesin käsikirjas, annab lootust, et element uraan võib lähitulevikus olla! muutunud uueks oluliseks energiaallikaks ...". Kirjas kutsus teadlane valitsust üles alustama uraaniuuringute rahastamist. Arvestades Einsteini tohutut autoriteeti ja rahvusvahelise olukorra tõsidust, andis Roosevelt oma nõusoleku.
1941. aasta lõpus võisid Chicago elanikud ühe staadioni territooriumil märgata ebatavalist elevust, millel polnud spordiga mingit pistmist. Selle värava juurde sõitsid aeg-ajalt autod kaubaga. Arvukad turvamehed ei lubanud kõrvalistel isikutel staadioni piirdeaiale ligigi. Siin, läänetribüüni all asuvatel tenniseväljakutel valmistas Enrico Fermi ette oma kõige ohtlikumat eksperimenti - uraani tuumade lõhustumise kontrollitud ahelreaktsiooni rakendamist. Maailma esimese tuumareaktori ehitustööd tehti ööl ja päeval aasta aega.
Hommik saabus 2. detsembril 1942. aastal. Terve öö ei sulgenud teadlased silmi, kontrollides oma arvutusi ikka ja jälle. Pole nali: staadion asub mitmemiljonilise linna keskel ja kuigi arvutused veensid meid, et reaktsioon tuumakatlas on aeglane, s.t. ei oleks plahvatusohtlik; kellelgi pole õigust riskida sadade tuhandete inimeste eludega. Päev oli juba ammu alanud, oli aeg hommikusööki süüa, kuid kõik unustasid selle - nad ei jõudnud ära oodata, et alustada rünnakut aatomile niipea kui võimalik. Fermi aga ei kiirusta: me peame väsinud inimestele puhkust andma, nad vajavad vabastamist, et nad saaksid siis kõik uuesti hoolikalt kaaluda ja läbi mõelda. Ettevaatust ja veelkord ettevaatust. Ja nii, kui kõik ootasid käsku katse käivitamiseks, ütles Fermi oma kuulus lause, mis läks aatomi vallutamise ajalukku, - vaid kaks sõna: "Lähme hommikust sööma!"
Hommikusöök on läbi, kõik on tagasi omal kohal – elamus algab. Teadlaste pilk on keskendunud instrumentidele. Ootamise minutid on piinavad. Ja lõpuks neutroniloendurid klõpsasid nagu kuulipildujad. Tundus, et nad lämbusid tohutul hulgal neutroneid, neil polnud aega neid kokku lugeda! Ahelreaktsioon on alanud! See juhtus kell 15:25 Chicago aja järgi. Aatomitulel lasti põleda 28 minutit ja siis Fermi käsul ahelreaktsioon peatati.
Üks eksperimendis osaleja vastas telefonile ja ütles eelnevalt kokkulepitud krüpteeritud fraasi kasutades oma ülemustele: "Itaalia navigaator on jõudnud uude maailma!" See tähendas, et väljapaistev Itaalia teadlane Enrico Fermi oli vabastanud energiat aatomituum ja tõestas, et inimene suudab seda oma äranägemise järgi kontrollida ja kasutada.
Kuid tahe erineb tahtest. Neil aastatel, mil kirjeldatud sündmused aset leidsid, peeti ahelreaktsiooni eelkõige etapiks teel aatomipommi loomiseni. Just selles suunas jätkati aatomiteadlaste tööd Ameerikas.
Olukord nende töödega seotud teadusringkondades oli äärmiselt pingeline. Kuid isegi siin oli veidrusi.
1943. aasta sügisel otsustati Saksamaa poolt okupeeritud Taanist Ameerikasse viia juhtiv füüsik Niels Bohr, et tema tohutuid teadmisi ja annet kasutada. Pimedal ööl viidi Inglise allveelaevade poolt salaja valvatud kalalaeval kalameheks maskeerunud teadlane Rootsi, kust ta pidi lennukiga Inglismaale toimetama ning seejärel koosnes kogu Bohri pagas ühest pudelist Taani õlle alt pärit tavalist rohelist pudelit, milles ta hoidis salaja sakslaste eest hindamatut rasket vett, hindas füüsik seda nagu oma silmatera: paljude aatomiteadlaste arvates võis just raske vesi. Tuumareaktsiooni neutronite moderaatorina talus Bohr väsitavat lendu väga raskelt ja niipea kui ta mõistusele tuli, kontrollis ta esimese asjana, kas raske vee pudel on terve Suure pahameelega avastas teadlane, et temast on saanud oma hajameelsuse ohver: tema käes oli pudel ehtsat taani õlut, aga anum raske veega jäi koju külmikusse.
Kui Tennessee hiiglaslikes Oak Ridge'i tehastes toodeti esimene väike uraan-235 tükk aatomipommi jaoks, saadeti see erikulleriga New Mexico kantonite vahele peidetud Los Alamosesse, kus see loodi. surmav relv. Kullerile, kes pidi ise autot juhtima, ei öeldud, mis talle antud kastis on, kuid ta kuulis rohkem kui korra jubedad lood Oak Ridge'is sündinud salapärastest "surmakiirtest". Mida kaugemale ta sõitis, seda rohkem elevust ta muutus. Lõpuks otsustas ta esimese kahtlase märgi peale tema taha peidetud kasti käitumises autost nii kiiresti kui võimalik joosta. Mööda pikka silda sõites kuulis juht äkki selja tagant valju lasku. Nagu katapuldeerituna hüppas ta autost välja ja jooksis nii kiiresti, nagu ta polnud elus jooksnud. Kuid pärast arvestatavat distantsi läbimist jäi ta kurnatusest seisma, veendus, et on terve ja terve ning julges isegi tagasi vaadata. Vahepeal oli tema auto taha kasvanud juba pikk kannatamatult tuikuvate autode saba. Pidin tagasi minema ja oma teed jätkama. Kuid niipea, kui ta rooli istuma jäi, kostis taas vali pauk ja enesealalhoiuinstinkt viskas taas sõna otseses mõttes vaesekese autost välja ja sundis teda õnnetu kasti juurest minema tormama. Alles pärast seda, kui vihane politseinik talle mootorrattaga järele jõudis ja valitsuse dokumente nägi, sai ehmunud autojuht teada, et lasud tulid lähedalasuvalt polügoonilt, kus katsetati sel ajal uusi suurtükimürske.
Los Alamoses tehti tööd kõige rangemas saladuses. Kõik suuremad teadlased olid siin väljamõeldud nimede all. Nii oli näiteks Niels Bohr Los Alamoses tuntud kui Nicholas Baker, Enrico Fermi oli Henry Farmer, Eugene Wigner oli Eugene Wagner. Ühel päeval, kui Fermi ja Wigner olid lahkumas salatehase territooriumilt, peatas nad vahimees. Fermi esitas oma isikut tõendava dokumendi Farmeri nimel ja Wigner ei leidnud tema dokumente. Valvuril oli nimekiri neist, kellel lubati tehasesse siseneda ja sealt lahkuda. "Mis su perekonnanimi on?" - ta küsis. Hajameelne professor pomises esmalt harjumusest "Wigner", kuid võttis end kohe kinni ja parandas: "Wagner." See äratas valvuris kahtlust. Wagner oli nimekirjas, aga Wigner mitte. Ta pöördus Fermi poole, keda ta juba silma järgi tundis, ja küsis: "Kas selle mehe nimi on Wagner?" "Tema nimi on Wagner. See on sama tõsi kui see, et ma olen põllumees," kinnitas Fermi pühalikult, naeratust varjates, ja lasi teadlased läbi.
1945. aasta keskpaiga paiku lõppesid tööd aatomipommi loomisel, millele oli kulutatud kaks miljardit dollarit, ja 6. augustil ilmus Jaapani linna Hiroshima kohale hiiglaslik tuleseen, mis nõudis kümneid tuhandeid inimelusid. Sellest kuupäevast sai tsivilisatsiooni ajaloos must päev. Teaduse suurim saavutus sünnitas suurim tragöödia inimkond. Teadlased ja kogu maailm seisid silmitsi küsimusega: mis edasi? Jätkata tuumarelvade täiustamist, luua veelgi kohutavamaid vahendeid inimeste hävitamiseks? Ei! Nüüdsest peab aatomituumades sisalduv kolossaalne energia inimest teenima.
Esimese sammu sellel teel astusid Nõukogude teadlased akadeemik I. V. juhtimisel. Kurtšatova. 27. juunil 1954 edastas Moskva raadio erakordse tähtsusega sõnumi: „Praegu töötatakse Nõukogude Liidus Nõukogude teadlaste ja inseneride jõupingutustega esimese kasuliku võimsusega tööstusliku tuumaelektrijaama projekteerimise ja ehitamise kallal. 5000 kilovatist on edukalt lõpule viidud. Esimest korda voolas läbi juhtmete vool, mis kandis edasi uraani aatomi sügavustes tekkinud energiat. Esimese tuumajaama käivitamine tähistas uue tehnoloogiaharu – tuumaenergeetika – arengu algust. Uraanist sai 20. sajandi rahumeelne kütus.
Möödus veel viis aastat ja maailma esimene tuumajõul töötav jäämurdja Lenin veeres Nõukogude laevatehaste ellingutelt maha. Selle mootorite täisvõimsusel (44 tuhat hobujõudu!) töötamiseks oli vaja “põletada” vaid mõnikümmend grammi uraani. Väike tükk sellest tuumakütusest võib asendada tuhandeid tonne kütteõli või kivisüsi, mis on sunnitud vedama tavalisi laevu, mis sooritavad näiteks lendu London – New York. Ja tuumajõul töötav laev, mille uraanikütuse varu on mitukümmend kilogrammi, võib purustada Arktika jääd kolm aastat, ilma et see sadamasse tankima siseneks. 1974. aastal asus veelgi võimsam tuumajäämurdja Arktika oma "kohustusi" täitma: selle mootori võimsus on 75 tuhat hobujõudu! 17. augustil 1977 jõudis Arktika, ületades Põhja-Jäämere keskpolaarbasseini näiliselt hävimatu jääkoore, põhjapoolusele. Paljude meremeeste ja polaaruurijate põlvkondade igivana unistus on täitunud ning uraan on andnud oma panuse selle probleemi lahendamisesse. Kõige võimsamal tuumajäälõhkujal on nüüd kaks "õde" - "Sibir" ja "Venemaa".
Iga aastaga muutub tuumakütuse osatähtsus globaalses energiaressursside bilansis üha märgatavamaks. Mitu aastat tagasi alustas NSV Liidus tööd esimene tööstuslik tuumaelektrijaam nn kiirneutronreaktoriga. Selliste reaktorite oluline omadus on see, et nad saavad tuumakütusena kasutada mitte nappi uraan-235, vaid selle elemendi kõige levinumat isotoopi Maal - uraan-238. Samal ajal ei eralda reaktor mitte ainult tohutul hulgal energiat, vaid toodab ka kunstlikku elementi poloonium-239, mis ise on võimeline lõhustama ja võib seetõttu olla tuumaenergia allikas. "Nii tuleb välja," kirjutas I. V. Kurtšatov, "et põletate koldes sütt ja rehitsete koos tuhaga veelgi rohkem välja."
Tuumakütuse eelised on vaieldamatud. Samas on selle kasutamine seotud paljude raskustega, millest ehk kõige olulisem on tekkivate radioaktiivsete jäätmete hävitamine. Kas peaksime need spetsiaalsetes konteinerites merede ja ookeanide põhja laskma? Kas matta need sügavale maa sisse? On ebatõenäoline, et probleemi saab sel viisil täielikult lahendada: lõppude lõpuks jäävad meie planeedile surmavad ained. Kas me ei peaks püüdma neid kuhugi kaugemale saata – teistele taevakehadele? Just sellise idee esitas üks Ameerika teadlastest. Ta tegi ettepaneku laadida tuumaelektrijaamade jäätmed "kaubale" kosmoselaevad, järgides marsruuti Maa – Päike. Muidugi läheksid sellised “pakid” täna saatjatele üsna kalliks, kuid mõne optimistliku asjatundja hinnangul muutuvad need veod mõne kümne aasta pärast igati õigustatuks.
Tänapäeval ei pea te enam omama rikkalikku kujutlusvõimet, et ennustada uraani suurepärast tulevikku. Uraan tähendab homme universumi sügavustesse suunduvaid kosmoserakette ja aastakümneteks energiaga varustatud hiiglaslikke veealuseid linnu, tehissaarte loomist ja kõrbete kastmist, tungimist Maa sisikonda ja meie planeedi kliima muutumist.
Uraan avab inimesele vapustavad väljavaated – üks neist hämmastavad metallid loodus!
Uraan, elemendi number 92, on kõige raskem looduses leiduv element. Seda kasutati meie ajastu alguses Pompei ja Herculaneumi varemete hulgast kollase glasuuriga keraamika killud (mis sisaldas üle 1% uraanoksiidi).
Uraani avastas uraanitõrvast 1789. aastal saksa keemik Marton Heinrich Klaproth, kes andis sellele nime 1781. aastal avastatud planeedi uraani järgi. Metallilise uraani sai esmakordselt 1841. aastal prantsuse keemik Eugene Peligo, redutseerides veevaba uraantetrakloriidi kaaliumiga. 1896. aastal avastas Antoine-Henri Becquerel uraani radioaktiivsuse fenomeni, eksponeerides fotoplaadid kogemata lähedalasuva uraanisoola tüki ioniseeriva kiirgusega.
Füüsilised ja keemilised omadused
Uraan on väga raske, hõbevalge läikiv metall. Puhtal kujul on see terasest veidi pehmem, tempermalmist, painduv ja kergete paramagnetiliste omadustega. Uraanil on kolm allotroopset vormi: alfa (prismaatiline, stabiilne kuni 667,7 °C), beeta (tetragonaalne, stabiilne 667,7–774,8 °C), gamma (kehakeskse kuupstruktuuriga, mis eksisteerib 774,8 °C kuni sulamistemperatuurini). ), milles uraan on kõige tempermalmist ja hõlpsamini töödeldav. Alfafaas on väga tähelepanuväärne prismaatilise struktuuri tüüp, mis koosneb lainelistest aatomikihtidest äärmiselt asümmeetrilises prismaatilises võres. See anisotroopne struktuur muudab uraani legeerimise teiste metallidega keeruliseks. Ainult molübdeen ja nioobium võivad luua uraaniga tahkefaasilisi sulameid. Tõsi, uraanmetall võib suhelda paljude sulamitega, moodustades metallidevahelisi ühendeid.
Uraani põhilised füüsikalised omadused:
sulamistemperatuur 1132,2 °C (+/- 0,8);
keemistemperatuur 3818 °C;
tihedus 18,95 (alfafaasis);
erisoojusmaht 6,65 cal/mol/°C (25 C);
tõmbetugevus 450 MPa.
Keemiliselt on uraan väga aktiivne metall. Õhus kiiresti oksüdeerudes kaetakse see vikerkaare oksiidikilega. Peen uraanipulber süttib õhu käes iseeneslikult süttides temperatuuril 150–175 °C, moodustades U 3
O 8
. 1000 °C juures ühineb uraan lämmastikuga, moodustades kollase uraannitriidi. Vesi võib metalli korrodeerida, madalatel temperatuuridel aeglaselt ja kõrgel kiiresti. Uraan lahustub vesinikkloriid-, lämmastik- ja teistes hapetes, moodustades neljavalentseid sooli, kuid ei interakteeru leelistega. Uraan tõrjub välja vesiniku anorgaanilistest hapetest ja metallide, näiteks elavhõbeda, hõbeda, vase, tina, plaatina ja kulla soolalahustest. Tugeval loksutamisel hakkavad uraani metallosakesed hõõguma.
Uraanil on neli oksüdatsiooniastet - III-VI. Kuuevalentsete ühendite hulka kuulub uranüültrioksiid UO 3
ja uraani uraankloriid UO 2
Cl 2
. Uraantetrakloriid UCl 4
ja uraandioksiid UO 2
- neljavalentse uraani näited. Neljavalentset uraani sisaldavad ained on tavaliselt ebastabiilsed ja muutuvad pikaajalisel õhuga kokkupuutel kuuevalentseks uraaniks. Uranüülsoolad, nagu uranüülkloriid, lagunevad ereda valguse või orgaanilise aine juuresolekul.
Uraanil pole stabiilseid isotoope, kuid teada on 33 selle radioaktiivset isotoopi. Looduslik uraan koosneb kolmest radioaktiivsest isotoobist:
238 U (99,2739%, T = 4,47⋅10 9 aastat, α-emitter, radioaktiivse seeria (4n+2) esivanem, 235 U (0,7205%, T = 7,04⋅10 9 aastatel radioaktiivse seeria (4n+3) esivanem) ja 234 U (0,0056%, T = 2,48⋅10 5 aastat, α-emitter). Viimane isotoop ei ole primaarne, vaid see on radioaktiivse seeria osa 238 U. Loodusliku uraani aatommass on 238,0289+0,0001.Loodusliku uraani radioaktiivsus on tingitud peamiselt isotoopidest
238 U ja 234 U, tasakaaluolekus on nende eriaktiivsused võrdsed. Loodusliku uraani eriradioaktiivsus on 0,67 mikrokiud/g, mis jaguneb peaaegu pooleks 234 U ja 238 U; 235 U annab väikese panuse (isotoobi spetsiifiline aktiivsus 235 Looduslikus uraanis sisalduv U on 21 korda vähem aktiivne 238 U). Looduslik uraan on piisavalt radioaktiivne, et paljastada fotoplaat umbes tunniga. Termilise neutronite püüdmise ristlõige 233 U 4,6 10 -27 m2, 235 U 9,8 10 -27 m2, 238 U 2,7 10 -28 m2; lõhustumise ristlõige 233 U 5,27 10 -26 m2, 235 U 5,84 10 -26 m2, looduslik isotoopide segu 4,2 10-28 m2.Uraani isotoobid on tavaliselt α-emitterid. Keskmine α-kiirguse energia
230 U, 231 U, 232 U, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U on vastavalt 5,97; 3,05⋅10 -4 ; 5,414; 4,909; 4,859; 4,679; 4,572; 4,270 MeV. Samas isotoobid nagu 233 U, 238 U ja 239 Lisaks alfale toimub U-s ka teist tüüpi lagunemine – spontaanne lõhustumine, kuigi lõhustumise tõenäosus on palju väiksem kui α lagunemise tõenäosus.Praktiliste rakenduste seisukohalt on oluline, et looduslikud isotoobid
233 U ja 235 U lõhustumine nii termiliste kui ka kiirete neutronite mõjul ( 235 U on võimeline spontaanseks lõhustumiseks) ja tuumad 238 U on lõhustumisvõimeline ainult neutronite hõivamisel, mille energia on suurem kui 1 MeV. Madalama tuumaenergiaga neutronite püüdmisel 238 Te muutute kõigepealt tuumadeks 239 U, mis seejärel läbivad β-lagunemise ja muunduvad kõigepealt 239 Np ja seejärel - 239 juures Pu, mille tuumaomadused on lähedased 235 U. Tuumade termiliste neutronite efektiivsed püüdmise ristlõiked 234 U, 235 U ja 238 U on võrdsed 98⋅10 -28, 683⋅10 -28 ja 2,7⋅10 -28 m2 vastavalt. Täielik jaotus 235 U viib "soojusenergia ekvivalendi" 2⋅10 vabanemiseni 7 kWh/kg.Uraani tehnogeensed isotoobid
Kaasaegsed tuumareaktorid toodavad 11 kunstlikku radioaktiivset isotoopi massiarvuga 227–240, millest pikima elueaga on
233 U (T = 1,62 10 5 aastat); see saadakse tooriumi neutronkiirguse teel. Uraani isotoobid massiarvuga üle 240 ei jõua reaktorites moodustuda. Uraan-240 eluiga on liiga lühike ja see laguneb enne, kui suudab neutronit kinni püüda. Termotuumaplahvatuse ülivõimsates neutronivoogudes suudab uraanituum aga miljondiksekundi jooksul kinni püüda kuni 19 neutronit. Sel juhul sünnivad uraani isotoobid massiarvuga 239–257. Nende olemasolu saadi teada kaugete transuraanielementide - uraani raskete isotoopide järeltulijate - termotuumaplahvatuse saadustest. "Perekonna asutajad" ise on liiga ebastabiilsed, et β-laguneda ja sisse minna kõrgemad elemendid ammu enne toote ekstraheerimist tuumareaktsioonid plahvatusega segunenud kivist.Termilistes neutronenergia reaktorites kasutatakse isotoope tuumkütusena
235 U ja 233 U ja kiirete neutronreaktorites 238 U, st. isotoobid, mis on võimelised toetama lõhustumisahelreaktsiooni.U-232
232 U – tehnogeenne nukliid, looduses ei leidu, α-emitter, T=68,9 aastat, lähteisotoobid 236 Pu(α), 232 Np(β+) ja 232 Pa(β-), tütarnukliid 228 Th. Võimeline spontaanseks jagunemiseks. 232 U spontaanse lõhustumise kiirus on 0,47 jagu/s⋅kg. Tuumatööstuses 232 U tekib tooriumi kütusetsüklis lõhustuva (relvaklassi) nukliidi 233U sünteesi käigus kõrvalsaadusena. Kui kiiritatakse 232 Peamine reaktsioon toimub:
232 Th + n → 233 Th → (22,2 min, β-lagunemine) → 233 Pa → (27,0 päeva, β-lagunemine) → 233 U
ja kaheastmeline kõrvalreaktsioon:
232 Th + n → 231 Th + 2n, 231 Th → (25,5 h, β) → 231 Pa + n → 232 Pa → (1,31 päeva, β) → 232 U.
Tööaeg 232 U sõltub kaheastmelise reaktsiooni ajal kiirete neutronite olemasolust (vaja on neutroneid energiaga vähemalt 6 MeV), kuna esimese reaktsiooni ristlõige on termiliste kiiruste jaoks väike. Väikesel hulgal lõhustumisneutroneid on energiaga üle 6 MeV ja kui tooriumi pesitsusala asub reaktori osas, kus seda kiiritatakse mõõdukalt kiirete neutronitega (~ 500 keV), siis on see reaktsioon praktiliselt välistatud. Kui algne aine sisaldab 230 Th, siis haridus 232 U-d täiendab reaktsioon: 230 Th + n → 231 Th ja edasi nagu eespool. See reaktsioon toimib hästi ka termiliste neutronitega. Seetõttu hariduse allasurumine 232 U (ja see on vajalik allpool toodud põhjustel) nõuab tooriumi laadimist minimaalse kontsentratsiooniga 230 tuh.
Isotoop toodetakse elektrireaktoris
232 U kujutab endast tervise- ja ohutusprobleemi, kuna see laguneb 212 Bi ja 208 Te, mis kiirgavad suure energiaga γ-kvante. Seetõttu tuleks suures koguses seda isotoopi sisaldavaid preparaate töödelda kuumas kambris. Kättesaadavus 232 U kiiritatud uraanis on ohtlik ka aatomirelvade käsitsemise seisukohalt.Kogunemine 232 U vältimatu tootmises 233 U tooriumi energiatsüklis, mis takistab selle toomist energiasektorisse. Ebatavaline on see, et isotoop on ühtlane 232 U-l on neutronite mõjul suur lõhustumise ristlõige (termiliste neutronite puhul 75 barni, resonantsintegraal 380), samuti kõrge neutronite püüdmise ristlõige - 73 barni (resonantsintegraal 280).
Kasu on ka 232-st U: Seda kasutatakse sageli radiotracer-meetodis keemilistes ja füüsikalistes uuringutes.
U-233
233
U avastasid Seaborg, Hoffmann ja Stoughton. Uraan-233 – α-emitter, T=1,585⋅105 aastat, lähtenukliidid 237 Pu(α) 233 Np(β+) 233 Pa(β-), tütarnukliid 229 Th. Uraan-233 toodetakse tuumareaktorites tooriumist: 232Th hõivab neutroni ja muutub 233 Th, mis laguneb 233 Ra ja seejärel aastal 233 U. Tuumad 233 U ( paaritu isotoop) on võimelised nii iseeneslikult kui ka lõhustuma mis tahes energiaga neutronite mõjul, mistõttu sobib nii aatomirelvade kui ka reaktorikütuse tootmiseks (tuumakütuse laiendatud taastootmine on võimalik). Uraan-233 on ka kõige lootustandvam kütus gaasifaasi tuumarakettmootorite jaoks. Kiirete neutronite efektiivne lõhustumise ristlõige on 533 barni, poolestusaeg 1 585 000 aastat ja seda looduses ei esine. Kriitiline mass 233 U on kolm korda väiksem kui kriitiline mass 235 U (ca 16 kg). 233 U spontaanse lõhustumise kiirus on 720 lõhustumist/s⋅kg. 235U saab 232Th-st neutronkiirgusega:232 Th + n → 233 Th → (22,2 min, β-lagunemine) → 233 Pa → (27,0 päeva, β-lagunemine) → 233U
Neutroni neeldumisel tuum
233 U tavaliselt lõhustub, kuid aeg-ajalt tabab neutroni, muutudes 234 U, kuigi mittelõhustumisprotsesside osakaal on väiksem kui teistes lõhustuvates kütustes ( 235 U, 239 Pu, 241 Pu) jääb see väikeseks kõikide neutronite energiate juures. Pange tähele, et on olemas sulasoola reaktor, milles protaktiinium isoleeritakse füüsiliselt enne, kui tal on võimalik neutron neelata. Kuigi 233 U, olles neelanud neutroni, jaguneb tavaliselt, kuid mõnikord säilitab ta neutroni, muutudes 234 U (see protsess on oluliselt vähem tõenäoline kui lõhustumine).Tööaeg 233 Tooriumitööstuse toorainest saadud U on pikaajaline strateegia India tuumatööstuse arendamiseks, millel on märkimisväärsed tooriumivarud. Aretust saab läbi viia kas kiir- või termoreaktoris. Väljaspool Indiat ei tunta suurt huvi tooriumipõhise kütusetsükli vastu, kuigi maailma tooriumivarud on kolm korda suuremad kui uraanivarud Lisaks tuumareaktorites olevale kütusele saab seda kasutada 233 U relva laengus. Kuigi nüüd teevad nad seda harva. 1955. aastal katsetasid USA relvade kvaliteeti 233 U lõhkades selle põhjal operatsioonis Teekann pommi. Relvade vaatenurgast 233 U, võrreldav 239-ga Pu: selle radioaktiivsus on 1/7 (T = 159 200 aastat versus 24 100 aastat plutooniumil), selle kriitiline mass on 60% suurem (16 kg versus 10 kg) ja spontaanse lõhustumise kiirus on 20 korda suurem (6⋅10-9 versus 3⋅10 -10 ). Kuid kuna selle eriradioaktiivsus on madalam, on neutronite tihedus 233 U on sellest kolm korda kõrgem 239 Pu. Tuumalaengu loomine, mis põhineb 233 sa nõuad suur pingutus kui plutooniumil, kuid tehnoloogiline pingutus on ligikaudu sama.
Peamine erinevus on kohalolek
233 U lisandid 232 U, mis teeb töötamise keeruliseks 233 U ja muudab valmis relvade avastamise lihtsaks.232 U sisu relvade klassis 233 U ei tohiks ületada 5 ppm (0,0005%). Kaubanduslikus tuumkütuse tsüklis olemasolu 232 U ei ole suur puudus, isegi soovitav, kuna see vähendab uraani leviku võimalust relvade tarbeks. Kütuse säästmiseks pärast taseme taaskasutamist ja taaskasutamist 232 U ulatub 0,1-0,2% -ni. Spetsiaalselt loodud süsteemides koguneb see isotoop kontsentratsioonides 0,5-1%.
Esimese kahe aasta jooksul pärast tootmist
233 U, mis sisaldab 232 U, 228 Th jääb konstantsele tasemele, olles tasakaalus oma lagunemisega. Sel perioodil luuakse ja stabiliseeritakse γ-kiirguse taustväärtus. Seetõttu toodeti esimestel aastatel mass 233 U kiirgab märkimisväärset γ-kiirgust. Kümnekilone kera 233 Relvaklass U (5 ppm 232U) tekitab 1 m kaugusel tausta 11 milliremi tunnis 1 kuu pärast tootmist, 110milliremi/h aasta pärast, 200 milliremi/h 2 aasta pärast. Aastane doosipiir 5 rem ületatakse juba pärast 25-tunnist sellise materjaliga töötamist. Isegi värske
233 U (1 kuu alates valmistamiskuupäevast) piirab montaaži aega kümne tunnini nädalas. Täielikult kokkupandud relvas vähendab kiirgustaset laengu neeldumine keha poolt. Kaasaegsetes kergetes seadmetes ei ületa vähenemine 10 korda, tekitades ohutusprobleeme. Raskemates laengutes on neeldumine tugevam - 100 - 1000 korda. Berülliumreflektor suurendab neutronifooni taset: 9Be + γ-kvant → 8Be + n. γ-kiired 232 U moodustavad iseloomuliku signatuuri, neid saab tuvastada ning jälgida aatomilaengu liikumist ja olemasolu. Toodetud tooriumitsüklit kasutades, spetsiaalselt denatureeritud 233 U (0,5–1,0% 232 U), tekitab veelgi suurema ohu. Sellisest materjalist 10-kilone kera 1 m kaugusel 1 kuu pärast loob fooni 11 rem/h, aasta pärast 110 rem/h ja 2 aasta pärast 200 rem/h. Kokkupuude sellise aatomipommiga on isegi 1000-kordse kiirguse vähenemise korral piiratud 25 tunniga aastas. Märkimisväärse osa olemasolu 232 Lõhustuva materjali U muudab selle sõjaliseks kasutamiseks äärmiselt ebamugavaks.Uraani looduslikud isotoobid
U-234
Uraan-234 (uraan II) on osa looduslikust uraanist (0,0055%), T = 2,445⋅10
5 aastat, α-emitter, lähteradionukliidid: 238 Pu(a), 234 Pa(β-), 234 Np(β+), tütarisotoop in 230 tuh. Sisu 234 U on maagis selle suhteliselt lühikese poolestusaja tõttu väga väike. 234 U moodustub reaktsioonide tulemusena:238 U → (4,51 miljardit aastat, alfa lagunemine) → 234 Th
234 Th → (24,1 päeva, beeta-lagunemine) → 234 Pa
234 Pa → (6,75 tundi, beeta-lagunemine) → 234 U
Tavaliselt 234 U on tasakaalus 238 U, laguneb ja moodustub sama kiirusega. Küll aga lagunevad aatomid 238 U eksisteerivad mõnda aega tooriumi ja protaktiiniumi kujul, nii et neid saab maagist keemiliselt või füüsikaliselt eraldada (põhjaveega leostuda). Kuna 234 U poolestusaeg on suhteliselt lühike; kogu see maagis leiduv isotoop tekkis viimase paari miljoni aasta jooksul. Umbes pool loodusliku uraani radioaktiivsusest pärineb 234 U.
Kontsentratsioon 234 Kõrgelt rikastatud uraani U sisaldus on kergete isotoopide eelistatud rikastamise tõttu üsna kõrge. Kuna 234 U on tugev γ-emitter, selle kontsentratsioon kütuseks töötlemiseks ettenähtud uraanis on piiratud. Põhimõtteliselt kõrgendatud tase 234 U on tänapäevaste reaktorite jaoks vastuvõetav, kuid ümbertöödeldud kasutatud tuumkütus sisaldab selle isotoobi lubamatus koguses.
Absorptsiooni ristlõige
234 Termiliste neutronite U on 100 barni ja erinevate vahepealsete neutronite keskmistatud resonantsintegraali jaoks on 700 barni. Seetõttu reaktorites kltermiliste neutronitena muudetakse see lõhustuvaks 235 U kiiremini kui palju suurem kogus 238 U (ristlõikega 2,7 ait) teisendatakse 239 Pu. Selle tulemusena sisaldab kasutatud tuumkütus vähem 234 U, kui värskem.
U-235
Uraan-235 (aktinouraan) on isotoop, mis on võimeline tekitama kiiresti kasvava lõhustumisahelreaktsiooni. Avastas Arthur Jeffrey Dempster 1935. aastal.
See on esimene isotoop, milles avastati neutronite mõjul sunnitud tuumalõhustumise reaktsioon. Neutroni neelamine 235 U läheb 236-le U, mis jaguneb kaheks osaks, vabastades energiat ja emiteerides mitu neutronit. Mis tahes energiaga neutronite poolt lõhustuv isotoop, mis on võimeline spontaanselt lõhustuma 235 U on osa looduslikust uraanist (0,72%), α-emitterist (energia 4,679 MeV), T=7,038⋅10 8 aastat, vanemnukliidid 235 Pa, 235 Np ja 239 Pu, tütar - 231 Th. Spontaanse lõhustumise intensiivsus 235 U 0,16 jaotust/s⋅kg. Kui üks tuum jaguneb 235 U vabastatud 200 MeV energia = 3,2⋅10 -11 J, st. 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Kuid 5% sellest energiast kannavad praktiliselt tuvastamatud neutronid. Termiliste neutronite tuuma ristlõige on umbes 1000 barni ja kiirete neutronite puhul umbes 1 barn.
Netomass 60 kg 235 U toodab vaid 9,6 lõhustumist sekundis, mis teeb aatomipommi valmistamise kahuri konstruktsiooni abil piisavalt lihtsaks. 238 U tekitab 35 korda rohkem neutroneid kilogrammi kohta, nii et isegi väike protsent sellest isotoobist tõstab seda arvu mitu korda. 234 U tekitab 22 korda rohkem neutroneid ja on sarnane 238 U soovimatu tegevus. Konkreetne tegevus 235 U on ainult 2,1 mikrokuurit/g; selle saastatus on 0,8% 234 U tõsta see 51 mikrokiud/g-ni. Relvakvaliteediga uraani kriitiline mass. (93,5% 235 U) vesilahustes on alla 1 kg, lahtise palli puhul - umbes 50 kg, helkuriga palli puhul - 15-23 kg.
Looduslikus uraanis sobib aatomipommi südamiku valmistamiseks või jõureaktoris reaktsiooni alalhoidmiseks vaid üks, suhteliselt haruldane isotoop. Rikastusaste vastavalt 235 Tuumaelektrijaamade tuumakütuses on U vahemik 2–4,5%, relvade kasutamisel - vähemalt 80% ja eelistatavamalt 90%. USAS 235 Relvaklassi U on rikastatud 93,5%-ni (tööstus on võimeline tootma 97,65%). Sellist uraani kasutatakse mereväe reaktorites.
Kommenteeri. Uraan sisuga 235 Üle 85% U nimetatakse relvakvaliteediga uraaniks, mille sisaldus on üle 20% ja alla 85% - kasutamiseks sobiv uraan. relvade kasutamine, kuna seda saab kasutada "halva" (ebaefektiivse) pommi valmistamiseks. Kuid seda saab kasutada ka "hea" pommi valmistamiseks, kui kasutate implosiooni, neutronreflektoreid ja mõnda täiustatud nippi. Õnneks suudab selliseid nippe praktikas rakendada vaid 2-3 riiki maailmas. Tänapäeval uraanist pomme ilmselt kuskil ei toodeta (tuumarelvades on uraani asendanud plutoonium), kuid uraan-235 väljavaated jäävad uraanipommi kahuri konstruktsiooni lihtsuse ja selliste pommide tootmise laiendamise võimaluse tõttu alles. vajadus tekib ootamatult.
Olles kergem 234 U on proportsionaalselt rikastatud isegi suuremal määral kui 235 U kõigis massierinevustel põhinevate looduslike uraani isotoopide eraldamise protsessides, mis tekitab teatud probleemi aatomipommilaengute valmistamisel. Väga rikastatud 235 U sisaldab tavaliselt 1,5-2,0%. 234 U.
Jaoskond 235 U-d kasutatakse aatomirelvades, energia tootmiseks ja oluliste aktiniidide sünteesiks. Uraan looduslik koostis kasutatakse tuumareaktorites neutronite tootmiseks. Ahelreaktsiooni säilitab lõhustumisel tekkivate neutronite liig 235 U, samal ajal püütakse ahelreaktsioonist välja jäetud liigsed neutronid kinni mõne teise loodusliku isotoobiga, 238 U, mis viib plutooniumi tekkeni, mis on samuti võimeline neutronite mõjul lõhustuvad.
U-236
Looduses leitud lisandikogustes, α-emitter, T=2,3415⋅10 7 aastat, laguneb 232 Th. Moodustatud neutronite pommitamise teel 235 Seejärel jaguneb U baariumi isotoobiks ja krüptoni isotoobiks, vabastades kaks neutronit, gammakiirgust ja energiat.
Väikestes kogustes on see osa värskest kütusest; akumuleerub uraani kiiritamisel reaktoris neutronitega ja seetõttu kasutatakse seda kasutatud uraani tuumkütuse signaalimisseadmena. 236 U tekib kõrvalsaadusena isotoopide eraldamisel gaasi difusiooni teel kasutatud tuumkütuse regenereerimisel. Sellel isotoobil on tuumareaktorite sihtmaterjalina teatud tähtsus. Ringlussevõetud (töödeldud) uraani kasutamisel tuumareaktoris on oluline erinevus võrreldes loodusliku uraani kasutamisega. Kasutatud tuumkütusest eraldatud uraan sisaldab isotoopi 236 U (0,5%), mis värskes kütuses kasutades stimuleerib isotoobi tootmist 238 Pu. See toob kaasa energiakvaliteediga plutooniumi kvaliteedi halvenemise, kuid võib olla positiivne tegur tuumarelva leviku tõkestamise probleemi kontekstis.
Moodustati jõureaktoris 236 U on neutronmürk, selle esinemist tuumakütuses tuleb rohkem kompenseerida kõrge tase rikastamine 235 U.
U-238
Uraan-238 (uraan I) - lõhustub suure energiaga neutronitega (üle 1 MeV), mis on võimeline spontaanseks lõhustumiseks, moodustab loodusliku uraani (99,27%) aluse, α-emitter, T = 4,468⋅10 9 aastat, laguneb otse 234 Th, moodustab hulga geneetiliselt seotud radionukliide ja 18 toote kaudu muutub 206 Pb. Seeria konstantne lagunemiskiirus võimaldab radiomeetrilises dateeringus kasutada lähtenukliidi ja tütre kontsentratsioonide suhet. Uraan-238 poolväärtusaega spontaanse lõhustumise teel pole täpselt kindlaks tehtud, kuid see on väga pikk - umbes 10 16 aastat, seega on lõhustumise tõenäosus põhiprotsessi – alfaosakese emissiooni – suhtes vaid 10 -7 . Üks kilogramm uraani tekitab vaid 10 spontaanset lõhustumist sekundis ja sama aja jooksul eraldavad α-osakesed 20 miljonit tuuma. Ema nukliidid: 242 Pu(α), 238 Pa(β-) 234 Th, tütar - 234 Th.
Kuigi uraan-238 ei saa kasutada primaarse lõhustuva materjalina, on selle lõhustamiseks vajalike suure energiasisaldusega neutronite tõttu oluline koht tuumatööstuses. Suure tihedusega ja aatommass, 238 U sobib aatomi- ja vesinikupommidesse laengu/reflektori kestade valmistamiseks. Asjaolu, et see lõhustub kiirete neutronitega, suurendab laengu energiaväljundit: kaudselt, peegeldunud neutronite paljunemise kaudu või otseselt laengu kesta tuumade lõhustumise kaudu kiirete neutronitega (sünteesi käigus). Ligikaudu 40% lõhustumisel tekkivatest neutronitest ja kõik termotuumasünteesi neutronitest piisab lõhustumiseks 238 U energiad. 238 U spontaanse lõhustumise kiirus on 35 korda suurem kui 235 U, 5,51 jaotust/s⋅kg. See teeb võimatuks selle kasutamise laengu/reflektormürsina kahuritüüpi pommides, sest selle sobiv mass (200-300 kg) tekitab liiga kõrge neutronfooni. Puhas 238 U eriradioaktiivsus on 0,333 mikrokiud/g. Selle uraani isotoobi oluline rakendusvaldkond on tootmine 239 Pu. Plutoonium moodustub mitme reaktsiooni kaudu, mis algavad pärast selle kinnipüüdmist aatomi poolt 238 U neutron. Iga reaktorikütus, mis sisaldab 235. isotoobis looduslikku või osaliselt rikastatud uraani, sisaldab pärast kütusetsükli lõppu teatud osa plutooniumi.
Vaesestatud uraan
Pärast ekstraheerimist 235 U looduslikust uraanist, ülejäänud materjali nimetatakse "vaesestatud uraaniks", kuna see on kahanenud isotoopide poolest 235 U ja 234 U. Vähendatud sisu 234 U (umbes 0,001%) vähendab radioaktiivsust peaaegu poole võrra võrreldes loodusliku uraaniga, samas kui selle sisaldus väheneb 235 U ei mõjuta praktiliselt vaesestatud uraani radioaktiivsust.
Peaaegu kogu vaesestatud uraan maailmas säilitatakse heksafluoriidina. Ameerika Ühendriikides on kolmes gaasi difusioonirikastamise tehases 560 000 tonni vaesestatud uraanheksafluoriidi (UF6) ja Venemaal sadu tuhandeid tonne. Vaesestatud uraan on poole radioaktiivsem kui looduslik uraan, seda peamiselt selle eemaldamise tõttu 234 U. Tulenevalt asjaolust, et uraani põhikasutusalaks on energia tootmine, on termiliste neutronitega tuumareaktorites vaesestatud uraan madala majandusliku väärtusega kasutu toode.
Ohutuse seisukohalt on tavaline vaesestatud uraanheksafluoriidi gaasi muutmine uraanoksiidiks, mis on tahke aine. Uraanoksiid kas maetakse radioaktiivsete jäätmetena või seda saab kasutada plutooniumi tootmiseks kiirneutronreaktorites.
Otsus uraanoksiidi kõrvaldamise kohta sõltub sellest, kuidas riik suhtub vaesestatud uraani: kui radioaktiivseid jäätmeid, mida tuleb kõrvaldada, või kui materjali, mis sobib edasiseks kasutamiseks. Näiteks USA-s peeti kuni viimase ajani vaesestatud uraani tooraineks edasiseks kasutamiseks. Kuid alates 2005. aastast hakkas see seisukoht muutuma ja nüüd on USA-s võimalik vaesestatud uraanoksiidi matta. Prantsusmaal ei peeta vaesestatud uraani radioaktiivseks jäätmeks, vaid seda hoitakse uraanoksiidi kujul. Venemaal peab Föderaalse Aatomienergiaagentuuri juhtkond uraanheksafluoriidi jäätmeid väärtuslikuks materjaliks, mida ei saa kõrvaldada. Töö loomisega on alanud tööstuspaigaldis uraanheksafluoriidi jäätmete muundamiseks uraanoksiidiks. Saadud uraanoksiide säilitatakse eeldatavasti pikka aega nende edasiseks kasutamiseks kiirneutronreaktorites või nende täiendavaks rikastamiseks 235 U, millele järgneb põletamine termilistes reaktorites.
Vaesestatud uraani kasutamise viiside leidmine on rikastamistehaste jaoks suur väljakutse. Selle kasutamist seostatakse peamiselt uraani suure tiheduse ja suhteliselt madala hinnaga. Vaesestatud uraani kaks kõige olulisemat kasutusala on kiirgusvarjestus ja ballast kosmoserakendustes, näiteks õhusõidukite juhtpinnad. Iga Boeing 747 lennuk sisaldab selleks otstarbeks 1500 kg vaesestatud uraani. Vaesestatud uraani kasutatakse laialdaselt naftapuurimisel löökvarraste kujul (traatpuurimisel), mille kaal viib tööriista puurimisvedelikuga täidetud kaevudesse. Seda materjali kasutatakse kiiretes güroskoobi rootorites, suurtes hooratastes, ballastina kosmosemaanduritel ja võidusõidujahtidel.
Kuid uraani kõige kuulsam kasutusala on soomust läbistavate mürskude südamik. Teatud sulamiga teiste metallidega ja kuumtöötlemisel (legeerimine 2% Mo või 0,75% Tiga, 850°-ni kuumutatud metalli kiire karastamine vees või õlis, edasine hoidmine 450° juures 5 tundi) muutub uraanmetall kõvemaks ja tugevam kui teras (tugevus vahe juures > 1600 MPa). Koos suure tihedusega muudab see karastatud uraani soomust läbitungimisel äärmiselt tõhusaks, mis on oma efektiivsuselt sarnane oluliselt kallima monokristallilise volframiga. Soomuste hävitamise protsessiga kaasneb uraani põhiosa jahvatamine tolmuks, tolmu tungimine kaitstavasse objekti ja selle süttimine seal. Kõrbetormi ajal jäi lahinguväljale 300 tonni vaesestatud uraani (enamasti ründelennuki A-10 30 mm GAU-8 kahuri kestade jäänused, iga kest sisaldas 272 g uraanisulamit). Vaesestatud uraani kasutatakse tankisoomukites, näiteks tankis M-1 Abrams (USA). -4 massiprotsent (2-4 ppm olenevalt piirkonnast), happelistes tardkivimites 3,5 10 -4 %, savides ja kildades 3,2 10 -4 %, aluselistes kivimites 5·10 -5 %, ultramafilistes vahevöökivimites 3·10 -7 %. Uraani kogus 20 km paksuses litosfääri kihis on hinnanguliselt 1,3⋅10 14 t See on osa kõigist maakoore moodustavatest kivimitest ning esineb ka looduslikes vetes ja elusorganismides. See ei moodusta paksu hoiuseid. Suurem osa uraanist leidub suure ränisisaldusega happelistes kivimites. Väikseim uraani kontsentratsioon esineb ultramafilistes kivimites, maksimaalne settekivimites (fosforiidid ja süsinikkivimid). Ookeanid sisaldavad 10 10 t uraani. Uraani kontsentratsioon muldades varieerub vahemikus 0,7 - 11 ppm (fosforväetistega väetatud põllumuldadel 15 ppm), merevees 0,003 ppm.
Uraani vabal kujul maas ei leidu. Teada on 100 uraani mineraali, mille U-sisaldus on üle 1%. Ligikaudu kolmandikus neist mineraalidest on uraan neljavalentne, ülejäänud osas kuuevalentne. Neist uraanimineraalidest 15 on lihtsad oksiidid või hüdroksüülid, 20 komplekstitanaadid ja niobaadid, 14 silikaadid, 17 fosfaadid, 10 karbonaadid, 6 sulfaadid, 8 vanadaadid, 8 arsenaadid. Ebamäärased vormid uraaniühendeid leidub mõnes süsinikkivis mere päritolu, pruunsöes ja kivisöes, samuti tardkivimites teradevahelistes kiledes. 15 uraani mineraali on tööstusliku tähtsusega.
Peamised uraani mineraalid suurtes maagimaardlates on oksiidid (uraanipigi, uraniniit, koffinitiit), vanadaadid (karnotiit ja tüüjamuniit) ja komplekstitanaadid (branneriit ja davidiit). Tööstusliku tähtsusega on ka titanaadid, näiteks branneriit UTi 2 O 6 , silikaadid - kofinit U 1-x (OH) 4x , tantaloonibaatid ja hüdraatunud fosfaadid ja uranüülarsenaadid – uraani vilgukivid. Looduses loodusliku elemendina uraani ei esine. Kuna uraan võib eksisteerida mitmes oksüdatsioonifaasis, leidub seda väga mitmekesises geoloogilises keskkonnas.
Uraani rakendused
IN arenenud riigid Uraani tootmine on peamiselt suunatud lõhustuvate nukliidide tootmisele ( 235 U ja 233 U, 239 Pu) - tööstuslike reaktorite kütus, mis on ette nähtud nii relvakvaliteediga nukliidide kui ka tuumarelvade komponentide tootmiseks (aatomipommid ja mürsud strateegilistel ja taktikalistel eesmärkidel, neutronpommid, vesinikupommi päästikud jne). Aatomipommis kontsentratsioon 235 U ületab 75%. Mujal maailmas kasutatakse uraani metalli või selle ühendeid tuumakütusena elektri- ja teadusuuringute tuumareaktorites. Looduslikku või väherikastatud uraani isotoopide segu kasutatakse tuumaelektrijaamade statsionaarsetes reaktorites, tugevalt rikastatud toodet kasutatakse tuumaelektrijaamades (soojus-, elektri- ja mehaanilise energia, kiirguse või valguse allikad) või reaktorites, mis töötavad kiiresti. neutronid. Reaktorites kasutatakse sageli legeeritud ja legeerimata uraani. Kuid teatud tüüpi reaktorid kasutavad kütust tahkete ühendite kujul (näiteks UO 2 ), samuti uraani või muu metalliga vedela uraanisulami vesilahused.
Uraani peamine kasutusala on tuumaelektrijaamade jaoks tuumakütuse tootmine. 1400 MW installeeritud võimsusega surveveetuumareaktor vajab 50 uue kütuseelemendi tootmiseks 225 tonni looduslikku uraani aastas, mis vahetatakse välja vastava hulga kasutatud kütusevardade vastu. Selle reaktori laadimiseks on vaja umbes 130 tonni SWU-d (eraldustööüksus) ja kulutaset 40 miljonit dollarit aastas. Uraan-235 kontsentratsioon kütuses tuumareaktor 2–5%.
Endiselt pakuvad huvi uraanimaagid raadiumi (mille sisaldus on ligikaudu 1 g 3 tonni maagi kohta) ja mõnede teiste looduslike radionukliidide eraldamise seisukohalt. Uraaniühendeid kasutatakse klaasitööstuses, klaaside punaseks värvimiseks või roheline värv, või andes neile kauni rohekaskollase tooni. Neid kasutatakse ka fluorestseeruvate klaaside tootmisel: väike uraani lisamine annab klaasile kauni kollakasrohelise fluorestsentsi.
Kuni 1980. aastateni kasutasid hambaarstid looduslikku uraani laialdaselt, sealhulgas keraamikas, mis võimaldas neil saavutada loomulikku värvi ja kutsuda esile hambaproteesides ja kroonides originaalse fluorestsentsi. (Uraanilõug muudab naeratuse heledamaks!) Algne 1942. aasta patent soovitab uraanisisalduseks 0,1%. Seejärel asendati looduslik uraan vaesestatud uraaniga. Sellel oli kaks eelist – odavam ja vähem radioaktiivne. Uraani kasutati ka lambifilamentides ning naha- ja puidutööstuses värvainete komponendina. Uraanisoolasid kasutatakse villa ja naha peitsi- ja peitsilahustes. Uranüülatsetaati ja uranüülformiaati kasutatakse ülekandeelektronmikroskoopias elektrone absorbeerivate dekoratiivainetena, bioloogiliste objektide õhukeste lõikude kontrastsuse suurendamiseks ning viiruste, rakkude ja makromolekulide värvimiseks.
Na 2 U 2 O 7 tüüpi uranaadid ("kollane uranüül") kasutatakse pigmentidena keraamiliste glasuuride ja emailide jaoks (kollane, roheline ja must, olenevalt oksüdatsiooniastmest). Na 2 U 2 O 7 kasutatakse maalimisel ka kollase värvina. Mõned uraaniühendid on valgustundlikud. Kahekümnenda sajandi alguses kasutati uranüülnitraati laialdaselt vibreeriva ainena negatiivide tugevdamiseks ja toonitud fotoprintide tegemiseks (positiivide pruuniks või pruuniks värvimine). Uranüülatsetaat UO 2 (H3COOH) 2 kasutatakse analüütilises keemias – see moodustab naatriumiga lahustumatu soola. Fosforväetised sisaldavad üsna suures koguses uraani. Metalli uraani kasutatakse sihtmärgina suure energiaga röntgenikiirguse tekitamiseks mõeldud röntgentorus.
Mõnda uraanisoola kasutatakse katalüsaatorina keemilised reaktsioonid, nagu oksüdatsioon aromaatsed süsivesinikud, taimeõlide dehüdratsioon jne Karbiid 235 U-d nioobiumkarbiidi ja tsirkooniumkarbiidiga sulamis kasutatakse tuumareaktiivmootorite kütusena (töövedelik - vesinik + heksaan). Raua ja vaesestatud uraani sulamid ( 238 U) kasutatakse võimsate magnetostriktiivsete materjalidena.
Rahvamajanduses kasutatakse vaesestatud uraani meditsiinilise kiiritusravi seadmete lennukite vastukaalude ja kiirgusvastaste ekraanide valmistamisel. Vaesestatud uraani kasutatakse transpordikonteinerite valmistamiseks radioaktiivsete lasti ja tuumajäätmete transportimiseks ning usaldusväärseks bioloogiliseks kaitseks mõeldud toodete valmistamiseks (näiteks kaitseekraanid). γ-kiirguse neeldumisel on uraan viis korda efektiivsem kui plii, mis võimaldab oluliselt vähendada kaitseekraanide paksust ja vähendada radionukliidide transportimiseks mõeldud konteinerite mahtu. Radioaktiivsete jäätmete kuivhoidlate loomiseks kasutatakse kruusa asemel vaesestatud uraanoksiidil põhinevat betooni.
Vaesestatud uraan on poole radioaktiivsem kui looduslik uraan, seda peamiselt selle eemaldamise tõttu 234 U. Seda kasutatakse soomusterase legeerimiseks, eelkõige mürskude soomust läbistavate omaduste parandamiseks. 2% Mo või 0,75% Ti-ga legeerimisel ja kuumtöötlemisel (850°C-ni kuumutatud metalli kiire karastamine vees või õlis, edasine hoidmine 450° juures 5 tundi) muutub uraanmetall terasest kõvemaks ja tugevamaks (tõmbetugevus suurem kui 1600 MPa, hoolimata asjaolust, et puhta uraani puhul on see 450 MPa). Koos suure tihedusega muudab see karastatud uraani valuploki äärmiselt tõhusaks soomustläbistajaks, mis on oma efektiivsuselt sarnane kallima volframiga. Raske uraani ots muudab ka mürsu massijaotust, parandades selle aerodünaamilist stabiilsust. Kui selline mürsk (näiteks uraani sulam titaaniga) tabab soomust, siis see ei purune, vaid näib end teritavat, mis saavutab suurema läbitungimise. Soomuste hävitamise protsessiga kaasneb uraanisea jahvatamine tolmuks ja selle süttimine paagi sees õhus. Vaesestatud uraani kasutatakse tänapäevastes tankisoomustes.
Väikestes kogustes uraani lisamine terasele suurendab selle kõvadust, muutmata seda rabedaks ja suurendab selle vastupidavust hapetele. Eriti happekindel, isegi võrreldes Aqua Regiaga, on uraani ja nikli sulam (66% uraani ja 33% niklit), mille sulamistemperatuur on 1200 O . Vaesestatud uraani kasutatakse ballastina ka kosmoserakendustes, näiteks lennukite juhtimispindadel. Seda materjali kasutatakse kiirete güroskoobi rootorites, suurtes hooratastes, ballastina kosmosemaandurites ja võidusõidujahtides ning naftapuurimisel.
Nagu juba mainitud, uraani aatomipomme meie ajal ei toodeta. Küll aga tänapäevastes plutooniumipommides 238 U-d (kaasa arvatud vaesestatud uraan) kasutatakse endiselt. See moodustab laengu kesta, peegeldades neutroneid ja lisades inertsi plutooniumilaengu kokkusurumisele plahvatuslikul detonatsiooniskeemil. See suurendab oluliselt relva efektiivsust ja vähendab kriitilist massi (st. vähendab lõhustumise ahelreaktsiooni tekitamiseks vajaliku plutooniumi kogust). Vaesestatud uraani kasutatakse ka vesinikupommides, pakendades sellega termotuumalaengu, suunates ülikiirete neutronite tugeva voolu tuuma lõhustumisele ja suurendades seeläbi relva energiatoodangut. Sellist pommi nimetatakse kolme plahvatusetapi järgi lõhustumis-tuuma-lõhustumise relvaks. Suurem osa sellise relva plahvatusest saadavast energiast pärineb lõhustumisest 238 U, mis toodab märkimisväärses koguses radioaktiivseid tooteid. Näiteks Ivy Mike'i katses (1952) 10,4 megatonnise võimsusega vesinikupommi plahvatuse ajal 77% energiast tuli uraani kesta lõhustumisprotsessidest. Kuna vaesestatud uraanil ei ole kriitilist massi, võib seda pommile lisada piiramatus koguses. Nõukogude vesinikupommis (tsaar Bomba – Kuzkina ema), mis plahvatas Novaja Zemljal 1961. aastal saagisega “ainult” 50 megatonni, tulenes 90% saagisest termotuumasünteesi reaktsioon, kuna kest oli valmistatud 238 Plahvatuse viimases etapis asendati U pliiga. Kui kest oleks valmistatud (nagu see alguses kokku pandi) alates 238 U, siis ületas plahvatuse võimsus 100 megatonni ja radioaktiivne sadenemine moodustas 1/3 kõigist maailma tuumarelvakatsetustest.
Uraani looduslikud isotoobid on leidnud kasutust geokronoloogias mõõtmiseks absoluutne vanus kivid ja mineraalid. Ernest Rutherford juhtis veel 1904. aastal tähelepanu tõsiasjale, et Maa ja vanimate mineraalide vanus on samas suurusjärgus uraani poolestusajaga. Samal ajal tegi ta ettepaneku määrata selle vanus tihedas kivimis sisalduva heeliumi ja uraani koguse järgi. Kuid peagi selgus meetodi puudus: äärmiselt liikuvad heeliumi aatomid hajuvad kergesti isegi tihedates kivimites. Need tungivad ümbritsevatesse mineraalidesse ja uraani lähtetuumade lähedusse jääb heeliumi oluliselt vähem, kui radioaktiivse lagunemise seaduste järgi järgneb. Seetõttu arvutatakse kivimite vanus uraani ja radiogeense plii - uraani tuumade lagunemise lõppsaaduse - suhte järgi. Mõnede objektide, näiteks vilgukivide, vanust on veelgi lihtsam määrata: materjali vanus on võrdeline selles lagunenud uraani aatomite arvuga, mis on määratud jälgede - fragmentide jäetud jälgede arvuga. aine. Uraani kontsentratsiooni ja raja kontsentratsiooni suhte põhjal saab arvutada mis tahes iidse aarde (vaasid, ehted jne) vanuse. Geoloogias leiutati isegi spetsiaalne termin "uraanikell". Uraanikell on väga mitmekülgne instrument. Uraani isotoope leidub paljudes kivimites. Uraani kontsentratsioon maakoores on keskmiselt kolm miljondikosa. Sellest piisab, et mõõta uraani ja plii suhet ning seejärel radioaktiivse lagunemise valemite abil arvutada aeg, mis on möödunud mineraali kristalliseerumisest. Uraani-plii meetodil oli võimalik mõõta vanimate mineraalide vanust ning meteoriitide vanust kasutades määrasid nad planeedi Maa sünnikuupäeva. Samuti on teada Kuu pinnase vanus. Kuu mulla noorimad tükid on vanemad kui vanimad maapealsed mineraalid.