REAKCJE JĄDROWE METODY BOMBARDOWANIA JĄDROWEGO 1.40. Cockcroft i Walton uzyskali protony o odpowiednio wysokiej energii poprzez jonizację gazowego wodoru i późniejsze przyspieszanie jonów za pomocą instalacji wysokiego napięcia z transformatorem i prostownikiem. Podobna metoda może być

PRODUKTY REAKCJI I PROBLEM ROZDZIELANIA 8.16. W zakładzie w Hanford proces produkcji plutonu dzieli się na dwie główne części: faktyczną produkcję plutonu w kotle i oddzielanie go od bloków uranu, w których się tworzy. Przejdźmy do drugiej części procesu.

Załącznik nr 4. Pierwszy kocioł z samonapędzającą się reakcją łańcuchową W rozdziale VI opisano pokrótce budowę i działanie pierwszego kotła z samonapędzającą się reakcją łańcuchową. Choć na razie musimy powstrzymać się od podawania szczegółów ze względu na tajemnicę, co następuje

Wdrożenie reakcji łańcuchowej rozszczepienia jądrowego Teraz z całą siłą pojawiła się kwestia reakcji łańcuchowej rozszczepienia i możliwości uzyskania niszczycielskiej energii wybuchowej rozszczepienia. To pytanie zostało śmiertelnie splecione z rozpętaną wojną światową nazistowskie Niemcy 1 września

KONTROLOWANE REAKCJE TERMONUKLEARNE Niekontrolowane reakcje termojądrowe wystąpić podczas wybuchów bomb wodorowych. Doprowadzają do wyzwolenia ogromnych ilości energii jądrowej, czemu towarzyszy niezwykle niszczycielska eksplozja. Teraz zadaniem naukowców jest znalezienie sposobów

W labiryntach reakcji rozszczepienia W 1938 roku niemieccy naukowcy Otto Hahn i Fritz Strassmann (1902–1980) dokonali niesamowitego odkrycia. Odkryli, że bombardowanie uranu neutronami czasami dawało jądra, które były około dwa razy lżejsze od pierwotnego jądra uranu. Dalej

Cel: ukształtowanie wiedzy uczniów na temat rozszczepienia jąder uranu.

• sprawdź wcześniej przestudiowany materiał;
• rozważyć mechanizm rozszczepienia jądra uranu;
• rozważ warunek wystąpienia reakcji łańcuchowej;
• poznać czynniki wpływające na przebieg reakcji łańcuchowej;
• rozwijać mowę i myślenie uczniów;
• rozwinąć umiejętność analizowania, kontrolowania i dostosowywania własnych działań w zadanym czasie.

Wyposażenie: komputer, system projekcyjny, materiały dydaktyczne (test „Skład jądra”), dyski „Kurs interaktywny. Fizyka 7-11 klas” (Physikon) i „1C-korepetytor. Fizyka” (1C).

Powitanie, ogłoszenie planu zajęć.

Samodzielna praca uczniów – zaliczenie kolokwium ( Aneks 1 ). Test wymaga jednej poprawnej odpowiedzi.

Niedawno dowiedzieliśmy się, że podczas rozpadu promieniotwórczego niektóre pierwiastki chemiczne przekształcają się w inne pierwiastki chemiczne. Jak myślisz, co się stanie, jeśli wyślesz cząstkę do jądra atomu jakiegoś pierwiastka chemicznego, na przykład neutron do jądra uranu? (wysłuchiwanie sugestii uczniów)

Sprawdźmy Twoje założenia (praca z interaktywnym modelem „Rozszczepienie jądra”„Kurs interaktywny. Fizyka 7-11kl” ).

Jaki był rezultat?

– Kiedy neutron uderza w jądro uranu, widzimy, że w rezultacie powstają 2 fragmenty i 2-3 neutrony.

Ten sam efekt uzyskali w 1939 roku niemieccy naukowcy Otto Hahn i Fritz Strassmann. Odkryli, że w wyniku oddziaływania neutronów z jądrami uranu powstają jądra fragmentów radioaktywnych, których masy i ładunki stanowią w przybliżeniu połowę odpowiednich cech jąder uranu. Zachodzący w ten sposób rozszczepienie jądrowe nazywa się rozszczepieniem wymuszonym, w odróżnieniu od rozszczepienia samorzutnego, do którego dochodzi podczas naturalnych przemian radioaktywnych.

Jądro ulega wzbudzeniu i zaczyna się deformować. Dlaczego jądro rozpada się na dwie części? Pod wpływem jakich sił następuje pęknięcie?

Jakie siły działają wewnątrz jądra?

– Elektrostatyczne i nuklearne.

No dobrze, ale jak objawiają się siły elektrostatyczne?

– Siły elektrostatyczne działają pomiędzy naładowanymi cząstkami. Naładowaną cząstką w jądrze jest proton. Ponieważ proton jest naładowany dodatnio, między nimi działają siły odpychające.

To prawda, ale jak manifestują się siły nuklearne?

– Siły jądrowe to siły przyciągania pomiędzy wszystkimi nukleonami.

Zatem pod wpływem jakich sił jądro pęka?

– (Jeśli pojawiają się trudności, zadaję pytania naprowadzające i prowadzę uczniów do prawidłowego wniosku) Pod wpływem elektrostatycznych sił odpychania jądro rozpada się na dwie części, które rozlatują się w różnych kierunkach i emitują 2-3 neutrony.

Fragmenty odlatują z bardzo dużą prędkością. Okazuje się, że część energii wewnętrznej jądra zamienia się w energię kinetyczną latających fragmentów i cząstek. Fragmenty trafiają do środowiska. Jak myślisz, co się z nimi dzieje?

– Fragmenty są spowalniane w środowisku.

Aby nie naruszyć prawa zachowania energii, musimy powiedzieć, co stanie się z energią kinetyczną?

– Energia kinetyczna fragmenty zamieniane są na energię wewnętrzną otoczenia.

Czy zauważyłeś, że energia wewnętrzna ośrodka uległa zmianie?

– Tak, środowisko się ociepla.

Czy czynnik biorący udział w rozszczepieniu będzie miał wpływ na zmianę energii wewnętrznej? różne ilości jądra uranu?

– Oczywiście przy jednoczesnym rozszczepieniu dużej liczby jąder uranu wzrasta energia wewnętrzna środowiska otaczającego uran.

Z kursu chemii wiesz, że reakcje mogą zachodzić zarówno podczas absorpcji energii, jak i jej uwalniania. Co możemy powiedzieć o przebiegu reakcji rozszczepienia jąder uranu?

– W wyniku reakcji rozszczepienia jąder uranu następuje uwolnienie energii do środowiska.

Energia zawarta w jądrach atomów jest kolosalna. Na przykład przy całkowitym rozszczepieniu wszystkich jąder obecnych w 1 g uranu uwolniona zostanie taka sama ilość energii, jaka została uwolniona podczas spalania 2,5 tony ropy. Dowiedzieliśmy się, co stanie się z fragmentami, jak zachowają się neutrony?

– (słuchanie założeń uczniów, sprawdzanie założeń poprzez pracę z interaktywnym modelem „Reakcji Łańcuchowej”.„Regenerator 1C. Fizyka" ).

Zgadza się, neutrony na swojej drodze mogą spotkać jądra uranu i spowodować rozszczepienie. Reakcja ta nazywana jest reakcją łańcuchową.

Jaki jest zatem warunek wystąpienia reakcji łańcuchowej?

– Reakcja łańcuchowa jest możliwa dzięki temu, że w wyniku rozszczepienia każdego jądra powstają 2-3 neutrony, które mogą brać udział w rozszczepieniu innych jąder.

Widzimy, że całkowita liczba wolnych neutronów w kawałku uranu z czasem rośnie niczym lawina. Do czego to może prowadzić?

- Do eksplozji.

– Wzrasta liczba rozszczepień jądrowych, a co za tym idzie, energia uwalniana w jednostce czasu.

Możliwa jest jednak także inna opcja, w której liczba wolnych neutronów maleje z czasem, a neutron po drodze nie spotyka się z jądrem. W tym przypadku co stanie się z reakcją łańcuchową?

- Przestanie.

Czy można wykorzystać energię takich reakcji do celów pokojowych?

Jak powinna przebiegać reakcja?

– Reakcja musi przebiegać w taki sposób, aby liczba neutronów pozostawała stała w czasie.

Jak możemy zapewnić, że liczba neutronów pozostanie stała przez cały czas?

- (sugestie chłopaków)

Aby rozwiązać ten problem, należy wiedzieć, jakie czynniki wpływają na wzrost i spadek całkowitej liczby wolnych neutronów w kawałku uranu, w którym zachodzi reakcja łańcuchowa.

Jednym z tych czynników jest masa uranu . Faktem jest, że nie każdy neutron wyemitowany podczas rozszczepienia jądrowego powoduje rozszczepienie innych jąder. Jeśli masa (i odpowiednio wymiary) kawałka uranu będzie zbyt mała, wówczas wyleci z niego wiele neutronów, nie mając czasu na spotkanie z jądrem, spowodowanie jego rozszczepienia i w ten sposób wygenerowanie nowej generacji neutronów niezbędnych do kontynuowania reakcji. W takim przypadku reakcja łańcuchowa zatrzyma się. Aby reakcja mogła trwać, konieczne jest zwiększenie masy uranu do określonej wartości, tzw krytyczny.

Dlaczego reakcja łańcuchowa staje się możliwa wraz ze wzrostem masy?

– Im większa masa kawałka, tym większe prawdopodobieństwo spotkania neutronów z jądrami. W związku z tym wzrasta liczba rozszczepień jądrowych i liczba emitowanych neutronów.

Przy pewnej tak zwanej masie krytycznej uranu liczba neutronów powstałych podczas rozszczepienia jądrowego staje się równa liczbie neutronów utraconych (to znaczy wychwyconych przez jądra bez rozszczepienia i wyemitowanych na zewnątrz kawałka).

Dlatego ich łączna liczba pozostaje niezmieniona. W takim przypadku reakcja łańcuchowa może trwać długo, bez zatrzymywania się i bez wybuchu.

Najmniejszą masę uranu, przy której może zajść reakcja łańcuchowa, nazywa się masą krytyczną.

Jak będzie przebiegać reakcja, jeśli masa uranu będzie większa od masy krytycznej?

– W wyniku gwałtownego wzrostu liczby wolnych neutronów reakcja łańcuchowa prowadzi do eksplozji.

A co, jeśli jest mniej niż krytyczny?

– Reakcja nie przebiega z powodu braku wolnych neutronów.

Utratę neutronów (które wylatują z uranu nie reagując z jądrami) można ograniczyć nie tylko zwiększając masę uranu, ale także stosując specjalny odblaskowa skorupa . Aby to zrobić, kawałek uranu umieszcza się w powłoce wykonanej z substancji dobrze odbijającej neutrony (na przykład berylu). Odbijając się od tej powłoki, neutrony wracają do uranu i mogą brać udział w rozszczepieniu jądra.

Oprócz masy i obecności powłoki odblaskowej istnieje kilka innych czynników, od których zależy możliwość reakcji łańcuchowej. Na przykład, jeśli kawałek uranu zawiera zbyt wiele zanieczyszczenia absorbują inne pierwiastki chemiczne bardzo neutronów i reakcja ustaje.

Kolejnym czynnikiem wpływającym na przebieg reakcji jest Dostępność w uranie tzw moderator neutronów . Faktem jest, że jądra uranu-235 najprawdopodobniej rozszczepiają się pod wpływem wolnych neutronów. A podczas rozszczepienia jąder powstają szybkie neutrony. Jeśli szybkie neutrony zostaną spowolnione, większość z nich zostanie przechwycona przez jądra uranu-235, a następnie rozszczepienia tych jąder; jako moderatory stosowane są substancje takie jak grafit, palenisko, ciężka woda i inne. Substancje te jedynie spowalniają neutrony, prawie ich nie pochłaniając.

Jakie są zatem główne czynniki, które mogą wpływać na przebieg reakcji łańcuchowej?

– O możliwości wystąpienia reakcji łańcuchowej decyduje masa uranu, ilość zawartych w nim zanieczyszczeń, obecność otoczki i moderatora.

Masa krytyczna kulistego kawałka uranu-235 wynosi około 50 kg. Co więcej, jego promień wynosi tylko 9 cm, ponieważ uran ma bardzo dużą gęstość.

Dzięki zastosowaniu moderatora i powłoki odblaskowej oraz zmniejszeniu ilości zanieczyszczeń możliwe jest zmniejszenie masy krytycznej uranu do 0,8 kg.

Trudno powiedzieć, jaką nazwę nazwałby niemiecki uczony Martin Heinrich Klaproth pierwiastkiem chemicznym odkrytym w 1789 r., gdyby kilka lat wcześniej nie miało miejsca wydarzenie, które wstrząsnęło wszystkimi kręgami społeczeństwa: w 1781 r. angielski astronom William Herschel, obserwując gwiaździste niebo za pomocą domowego teleskopu, odkrył świetlisty obłok, który początkowo wziął za kometę, ale później nabrał przekonania, że ​​widzi nową, nieznaną dotąd siódmą planetę Układu Słonecznego. Na cześć starożytnego greckiego boga nieba Herschel nazwał go Uranem. Pod wrażeniem tego wydarzenia Klaproth nadał nowonarodzonemu żywiołowi nazwę nowej planety.

Pół wieku później, w 1841 r Francuski chemik Eugene Melchior Peligo po raz pierwszy zdołał pozyskać metaliczny uran. Przemysłowy świat pozostał obojętny na ciężkie, stosunkowo miękkiego metalu czym okazał się uran. Jego właściwości mechaniczne i chemiczne nie przyciągały ani metalurgów, ani konstruktorów maszyn. Jedynie dmuchacze szkła z Czech oraz saksońscy mistrzowie porcelany i fajansu chętnie używali tlenku tego metalu, aby nadać kieliszkom piękną żółto-zieloną barwę lub ozdobić naczynia misternym, aksamitno-czarnym wzorem.

Starożytni Rzymianie wiedzieli o „zdolnościach artystycznych” związków uranu. Podczas wykopalisk prowadzonych w pobliżu Neapolu udało się znaleźć fresk z mozaiką szklaną o niesamowitej urodzie. Archeolodzy byli zdumieni: przez dwa tysiące lat szkło prawie nie zmatowiało. Kiedy próbki szkła zostały poddane działaniu Analiza chemiczna okazało się, że zawierały one tlenek uranu, któremu mozaika zawdzięczała swoją trwałość. Ale jeśli tlenki i sole uranu były zaangażowane w „pracę społecznie użyteczną”, wówczas sam metal w czystej postaci prawie nikogo nie interesował.

Nawet naukowcy znali ten pierwiastek bardzo powierzchownie. Informacje o nim były skąpe, a czasem całkowicie błędne. Dlatego uważano, że jego masa atomowa wynosi około 120. Kiedy D.I. Mendelejew stworzył swój układ okresowy, wartość ta pomieszała wszystkie jego karty: uran ze względu na swoje właściwości nie chciał zmieścić się w komórce układu okresowego, która była zarezerwowana dla pierwiastek o tej masie atomowej. I wtedy naukowiec, wbrew opinii wielu swoich kolegów, zdecydował się przyjąć nową wartość masy atomowej uranu - 240 i przesunął pierwiastek na koniec stołu. Życie potwierdziło, że wielki chemik miał rację: masa atomowa uranu wynosi 238,03.

Ale geniusz D.I. Mendelejewa objawił się nie tylko w tym. Już w 1872 roku, kiedy większość naukowców uważała uran, w porównaniu z wieloma cennymi pierwiastkami, za rodzaj balastu, twórca układu okresowego przewidywał jego naprawdę świetlaną przyszłość: „Wśród wszystkich znanych pierwiastków chemicznych uran wyróżnia się tym, że ma największą masę atomową... Najwyższe ze znanych stężenie masy znaczącej materii... występującej w uranie... powinno wiązać się z wybitnymi cechami...

Przekonany, że badanie uranu, wychodząc od jego naturalnych źródeł, doprowadzi do wielu kolejnych nowych odkryć, śmiało polecam tym, którzy szukają tematów do nowych badań, szczególnie uważne przestudiowanie związków uranu.”

Przepowiednie wielkiego naukowca spełniły się niecałe ćwierć wieku później: w 1896 roku francuski fizyk Antoine Henri Becquerel, przeprowadzając eksperymenty z solami uranu, dokonał odkrycia, które słusznie zalicza się do największych odkryć naukowych, jakie kiedykolwiek dokonał człowiek. Oto jak to się stało. Becquerel od dawna interesuje się zjawiskiem fosforescencji (tj. blasku) nieodłącznie związanym z niektórymi substancjami. Pewnego dnia naukowiec postanowił wykorzystać do swoich eksperymentów jedną z soli uranu. Na kliszy fotograficznej owiniętej w czarny papier umieścił wzorzystą postać wyciętą z metalu, pokrytą warstwą soli uranowej i naświetlił ją jasnym światłem. światło słoneczne tak, aby fosforescencja była jak najbardziej intensywna. Cztery godziny później Becquerel wywołał płytę i zobaczył na niej wyraźną sylwetkę metalowej figury. Powtarzał swoje eksperymenty raz za razem - wynik był taki sam. I tak 24 lutego 1896 roku na posiedzeniu Francuskiej Akademii Nauk uczony poinformował, że badany przez niego fosforyzujący związek uranu emituje niewidzialne promienie, które przechodzą przez czarny nieprzezroczysty papier i redukują sole srebra na kliszy fotograficznej.

Dwa dni później Becquerel zdecydował się kontynuować eksperymenty, ale szczęśliwie pogoda była pochmurna, a czym byłaby fosforescencja bez słońca? Zirytowany złą pogodą naukowiec ukrył przygotowane, ale nigdy nie naświetlone przezrocza wraz z próbkami soli uranu w szufladzie biurka, gdzie leżały przez kilka dni. Wreszcie w nocy 1 marca wiatr oczyścił paryskie niebo z chmur, a promienie słońca o poranku zabłysły nad miastem. Becquerel, który niecierpliwie na to czekał, pospieszył do swojego laboratorium i wyjął folie z szuflady biurka, aby wystawić je na działanie słońca. Będąc jednak bardzo pedantycznym eksperymentatorem, w ostatniej chwili zdecydował się jednak wywołać przezrocza, choć logika zdawała się sugerować, że przez ostatnie dni nic nie mogło im się przytrafić: przecież leżały w ciemnym pudełku i bez światła nie ma żadnej substancji fosforyzującej. Naukowiec nie przypuszczał wówczas, że w ciągu kilku godzin zwykłe klisze fotograficzne warte kilka franków staną się bezcennymi skarbami nauki, a dzień 1 marca 1896 roku na zawsze zapisze się w historii światowej nauki.

To, co Becquerel zobaczył na wywołanych płytach, dosłownie go zadziwiło: czarne sylwetki próbek pojawiły się ostro i wyraźnie na warstwie światłoczułej. Oznacza to, że fosforescencja nie ma z tym nic wspólnego. Ale jakiego rodzaju promienie emituje sól uranu? Naukowiec wielokrotnie przeprowadzał podobne eksperymenty z innymi związkami uranu, także tymi, które nie miały zdolności fosforyzowania lub leżały latami w ciemnym miejscu i za każdym razem na płytkach pojawiał się obraz.

Becquerel ma wciąż nie do końca jasny pogląd, że uran jest „pierwszym przykładem metalu wykazującego właściwość podobną do niewidzialnej fosforescencji”.

W tym samym czasie francuskiemu chemikowi Henri Moissanowi udało się opracować metodę wytwarzania czystego uranu metalicznego. Becquerel poprosił Moissana o trochę sproszkowanego uranu i stwierdził, że promieniowanie czystego uranu jest znacznie intensywniejsze niż jego związków, a ta właściwość uranu pozostaje co najwyżej niezmieniona różne warunki eksperymenty, zwłaszcza przy silnym ogrzewaniu i chłodzeniu do niskich temperatur.

Becquerelowi nie spieszyło się z publikacją nowych danych: czekał, aż Moissan poinformuje o swoich bardzo interesujących badaniach. do tego zobowiązany etyka naukowa. I tak 23 listopada 1896 roku na posiedzeniu Akademii Nauk Moissan złożył sprawozdanie z prac nad otrzymaniem czystego uranu, a Becquerel mówił o nowej właściwości tego pierwiastka, polegającej na samoistnej przemianie jego atomów, towarzyszy uwolnienie energii promieniowania. Właściwość tę nazwano radioaktywnością.

Odkrycie Becquerela zapoczątkowało początek Nowa era w fizyce - epoki przemian pierwiastków. Odtąd atomu nie można było już uważać za pojedynczy i niepodzielny - droga do głębi tej „cegiełki” świata materialnego była otwarta dla nauki.

Naturalnie uran przyciągnął teraz uwagę naukowców. Jednocześnie interesowało ich także następujące pytanie: czy radioaktywność jest nieodłączną cechą tylko uranu? Być może istnieją w przyrodzie inne pierwiastki posiadające tę właściwość?

Odpowiedzi na to pytanie udzielili wybitni fizycy Pierre Curie i Maria Skłodowska-Curie. Za pomocą urządzenia zaprojektowanego przez męża Maria Curie zbadała ogromną ilość metali, minerałów i soli. Prace prowadzono w niezwykle trudnych warunkach. Laboratorium stanowiła opuszczona drewniana stodoła, którą para znalazła na jednym z paryskich dziedzińców. „Był to barak z desek, z asfaltową podłogą i szklanym dachem, który słabo chronił przed deszczem, bez żadnych urządzeń” – wspominała później M. Curie. „Miał tylko stare drewniane stoły, żeliwny piec która nie zapewniała wystarczającej ilości ciepła i tablica, której Pierre tak bardzo lubił używać.Nie było dygestoriów do eksperymentów ze szkodliwymi gazami, więc czynności te trzeba było wykonywać na podwórku, jeśli pozwalała na to pogoda, lub w pomieszczeniu, gdy pozwalała na to pogoda. Otwórz okna„. W pamiętniku P. Curie znajduje się zapis, że czasami prace prowadzono w temperaturze zaledwie sześciu stopni powyżej zera.

Pojawiło się wiele problemów z pozyskaniem niezbędnych materiałów. Ruda uranu była bardzo droga i państwo Curie nie mogli jej kupić w wystarczającej ilości za swoje skromne fundusze. Postanowili zwrócić się do rządu austriackiego z prośbą o sprzedaż za niską cenę odpadów tej rudy, z której wydobywano w Austrii uran, stosowanej w postaci soli do barwienia szkła i porcelany. Naukowców wspierała Wiedeńska Akademia Nauk, a do ich paryskiego laboratorium dostarczono kilka ton odpadów.

Maria Curie pracowała z niezwykłą wytrwałością. Badania różnych materiałów potwierdziły słuszność Becquerela, który uważał, że radioaktywność czystego uranu jest większa niż któregokolwiek z jego związków. Potwierdziły to wyniki setek eksperymentów. Jednak Marie Curie badała coraz więcej nowych substancji. I nagle... Niespodzianka! Dwa minerały uranu - chalkolit i ruda żywicy Bohemia - miały znacznie bardziej aktywny wpływ na urządzenie niż uran. Wniosek nasunął się sam: zawierają jakiś nieznany pierwiastek, charakteryzujący się jeszcze większą zdolnością do rozpadu radioaktywnego. Na cześć Polski – miejsca urodzenia Marii Curie – para nadała jej nazwę polon.

Powrót do pracy, znowu tytaniczna praca - i kolejne zwycięstwo: odkryto pierwiastek, który jest setki razy bardziej radioaktywny niż uran. Naukowcy nazwali ten pierwiastek radem, co po łacinie oznacza „promień”.

Odkrycie radu w pewnym stopniu odwróciło uwagę społeczności naukowej od uranu. Przez około czterdzieści lat tak naprawdę nie ekscytował umysłów naukowców, a myśl inżynierska rzadko pozwalała mu na skupienie uwagi. W jednym z tomów encyklopedii technicznej opublikowanej w roku 1934 napisano: „Uran pierwiastkowy nie ma praktycznego zastosowania”. Renomowana publikacja nie zgrzeszyła przeciwko prawdzie, ale już kilka lat później życie dokonało znaczących korekt w poglądach na temat możliwości uranu.

Na początku 1939 roku ukazały się dwa doniesienia naukowe. Pierwszy, mający na celu Akademia Francuska Nauki Frederica Joliot-Curie, nosił tytuł „Eksperymentalny dowód wybuchowego rozszczepienia jąder uranu i toru pod wpływem neutronów”. Druga wiadomość – jej autorami byli niemieccy fizycy Otto Frisch i Lise Meitner - wydawali angielskie czasopismo „Nature”; nosił tytuł: „Rozpad uranu przez neutrony: nowy typ reakcji jądrowej”. I tam, i tam mówiono o czymś nowym, dotychczasowym nieznane zjawisko, występujący w jądrze najcięższego pierwiastka - uranu.

Kilka lat wcześniej „chłopcy” poważnie zainteresowali się uranem – tak przyjacielsko nazwano grupę młodych utalentowanych fizyków, którzy pracowali pod przewodnictwem Enrico Fermiego na Uniwersytecie Rzymskim. Hobby tych naukowców była fizyka neutronów, która zawierała wiele nowych i nieznanych rzeczy.

Odkryto, że po napromieniowaniu neutronami jądra jednego pierwiastka z reguły przekształcają się w jądra drugiego, zajmując następną komórkę w Układ okresowy. A co jeśli napromieniujemy neutronami ostatni, 92. pierwiastek – uran? Następnie powinien powstać pierwiastek, który jest już na 93. miejscu - pierwiastek, którego nawet natura nie byłaby w stanie stworzyć!

Pomysł spodobał się „chłopcom”. Oczywiście, czy nie jest kuszące, aby dowiedzieć się, czym jest sztuczny element, jak wygląda, jak się zachowuje? Zatem uran jest napromieniany. Ale co się stało? Zgodnie z oczekiwaniami w uranie pojawił się nie tylko jeden pierwiastek promieniotwórczy, ale co najmniej kilkanaście. Zachowanie uranu było tajemnicze. Enrico Fermi wysyła w tej sprawie wiadomość do jednego z czasopism naukowych. Jego zdaniem możliwe jest, że powstał pierwiastek 93, ale nie ma na to dokładnych dowodów. Z drugiej strony istnieją dowody na to, że w napromieniowanym uranie występują inne pierwiastki. Które?

Próbę odpowiedzi na to pytanie podjęła córka Marii Curie, Irena Joliot-Curie. Powtórzyła eksperymenty Fermiego i dokładnie zbadała skład chemiczny uranu po napromieniowaniu neutronami. Wynik był więcej niż nieoczekiwany: pierwiastek lantan pojawił się w uranie, znajdującym się mniej więcej pośrodku układu okresowego, tj. bardzo daleko od uranu.

Kiedy te same eksperymenty przeprowadzili niemieccy naukowcy Otto Hahn i Friedrich Strassmann, odkryli w uranie nie tylko lantan, ale także bar. Zagadka za zagadką!

Hahn i Strassmann opowiedzieli o swoich eksperymentach swojej przyjaciółce, słynnej fizyk Lise Meitner. Teraz kilku czołowych naukowców próbuje natychmiast rozwiązać problem uranu. I tak najpierw Frederic Joliot-Curie, a po pewnym czasie Lise Meitner doszli do tego samego wniosku: jądro uranu pod wpływem neutronu wydaje się rozpadać. To wyjaśnia nieoczekiwane pojawienie się lantanu i baru – pierwiastków o masie atomowej w przybliżeniu o połowę mniejszej niż uran.

Amerykański fizyk Luis Alvarez, późniejszy laureat Nagrody Nobla, znalazł tę wiadomość pewnego styczniowego poranka 1939 roku w fotelu fryzjerskim. Przeglądał spokojnie gazetę, gdy nagle jego uwagę przykuł skromny nagłówek: „Atom uranu dzieli się na dwie połowy”. Chwilę później, ku zdumieniu fryzjera i klientów czekających w kolejce, z zakładu fryzjerskiego wybiegł dziwny klient, do połowy obcięty, z ciasno zawiązaną na szyi i łopoczącą na wietrze serwetką. Ignorując zdziwionych przechodniów, fizyk pospieszył do laboratorium Uniwersytetu Kalifornijskiego, gdzie pracował, aby przekazać swoim kolegom tę oszałamiającą wiadomość. Początkowo byli zaskoczeni niezwykle oryginalnym wyglądem Alvareza machającego gazetą, jednak gdy usłyszeli o sensacyjnym odkryciu, od razu zapomnieli o jego niezwykłej fryzurze.

Tak, to była prawdziwa sensacja w nauce. Ale Joliot-Curie założyła także inny najważniejszy fakt: rozpad jądra uranu ma charakter eksplozji, podczas której powstałe fragmenty rozpadają się z dużą prędkością. Chociaż możliwe było rozszczepienie tylko pojedynczych jąder, energia fragmentów ogrzała jedynie kawałek uranu. Jeśli liczba rozszczepień jest duża, uwolniona zostanie ogromna ilość energii.

Ale skąd można zdobyć wystarczającą ilość neutronów, aby je jednocześnie bombardować? duża liczba jądra uranu? Przecież znane naukowcom źródła neutronów wyprodukowały wiele miliardów razy mniej, niż było to wymagane. Z pomocą przyszła sama natura. Joliot-Curie odkryła, że ​​podczas rozszczepienia jądra uranu emitowanych jest kilka neutronów. Gdy znajdą się w jądrach sąsiadujących atomów, powinny doprowadzić do nowego rozpadu – rozpocznie się tzw. reakcja łańcuchowa. A ponieważ procesy te trwają milionowe części sekundy, natychmiast uwalniana jest kolosalna energia - eksplozja jest nieunikniona. Wydawać by się mogło, że wszystko jest jasne. Ale kawałki uranu zostały napromieniowane neutronami więcej niż raz, ale nie eksplodowały, tj. nie wystąpiła żadna reakcja łańcuchowa. Najwyraźniej potrzebne są inne warunki. Które? Fryderyk Joliot-Curie nie potrafił jeszcze odpowiedzieć na to pytanie.

A jednak odpowiedź została znaleziona. Został znaleziony w tym samym 1939 roku przez młodych radzieckich naukowców Ya.B. Zeldovich i Yu.B. Khariton. W swojej pracy ustalili, że istnieją dwa sposoby wywołania jądrowej reakcji łańcuchowej. Pierwszym jest zwiększenie rozmiaru kawałka uranu, ponieważ gdy mały kawałek zostanie napromieniowany, wiele nowo uwolnionych neutronów może z niego wylecieć, nie napotykając po drodze ani jednego jądra. Wraz ze wzrostem masy uranu w naturalny sposób wzrasta prawdopodobieństwo trafienia neutronu w cel.

Jest inny sposób - wzbogacanie uranu w izotop 235. Faktem jest, że naturalny uran ma dwa główne izotopy, których masy atomowe wynoszą 238 i 235. W jądrze pierwszego z nich, który stanowi setki razy więcej atomów , jest jeszcze o trzy neutrony więcej. Uran-235, „ubogi” w neutrony, łapczywie je pochłania - znacznie silniej niż jego „zamożny” brat, który w pewnych warunkach po wchłonięciu neutronu nie dzieli się na części, ale zamienia się w inny pierwiastek. Naukowcy wykorzystali później tę właściwość izotopu do otrzymania sztucznych pierwiastków transuranowych. W przypadku reakcji łańcuchowej obojętność uranu-238 na neutrony okazuje się katastrofalna: proces odwraca się, zanim zdąży nabrać sił. Ale im bardziej głodne neutronów izotopy 235 w uranie, tym bardziej energetyczna będzie reakcja.

Ale aby proces się rozpoczął, potrzebny jest także pierwszy neutron – ten „zapałka”, która powinna wywołać atomowy „ogień”. Oczywiście można w tym celu wykorzystać konwencjonalne źródła neutronów, które naukowcy wykorzystywali już w swoich badaniach, co nie jest zbyt wygodne, ale możliwe. Czy nie ma bardziej odpowiedniego „pasowania”?

Jeść. Odkryli go inni radzieccy naukowcy - K. A. Petrzhak i G. N. Flerow. Badając zachowanie uranu w latach 1939-1940, doszli do wniosku, że jego jądra są zdolne do samoistnego rozpadu. Potwierdziły to wyniki eksperymentów przeprowadzonych przez nich w jednym z laboratoriów w Leningradzie.

Ale być może uran nie rozpadł się sam, ale na przykład pod wpływem promieni kosmicznych: w końcu Ziemia jest stale pod ich ostrzałem. Oznacza to, że eksperymenty należy powtórzyć głęboko pod ziemią, dokąd nie przedostają się kosmiczni goście. Po konsultacji z największym radzieckim naukowcem atomowym I.V. Kurczatowa młodzi badacze postanowili przeprowadzić eksperymenty na jakiejś stacji moskiewskiego metra. Nie napotkało to żadnych przeszkód w Ludowym Komisariacie Kolei, a wkrótce w biurze kierownika stacji metra Dynamo, znajdującego się na głębokości 50 metrów, na poboczach pracownicy naukowi dostarczono sprzęt o wadze około trzech ton.

Jak zawsze przejeżdżały niebieskie pociągi, tysiące pasażerów zjeżdżało i wspinało się po ruchomych schodach i nikt nie przypuszczał, że gdzieś bardzo blisko prowadzone są eksperymenty, których znaczenie trudno przecenić. I wreszcie uzyskano wyniki podobne do tych obserwowanych w Leningradzie. Nie było wątpliwości: spontaniczny rozpad jest nieodłącznym elementem jąder uranu. Aby to zauważyć, trzeba było wykazać się niezwykłą umiejętnością eksperymentalną: w ciągu godziny na każde 60000000000000 atomów uranu rozpada się tylko jeden. To naprawdę kropla w morzu potrzeb!

K. A. Petrzhak i G. N. Flerov napisali ostatnią stronę tej części biografii uranu, która poprzedzała pierwszą na świecie reakcję łańcuchową. Dokonał tego 2 grudnia 1942 roku Enrico Fermi.

Pod koniec lat 30. Fermi, podobnie jak wielu innych wybitnych naukowców, został zmuszony do emigracji do Ameryki, aby uciec przed nazistowską zarazą. Tutaj zamierzał kontynuować swoje najważniejsze eksperymenty. Ale to wymagało dużo pieniędzy. Trzeba było się przekonać amerykański rząd jest to, że eksperymenty Fermiego umożliwią uzyskanie potężnej broni atomowej, która będzie mogła zostać użyta do walki z faszyzmem. Misji tej podjął się światowej sławy naukowiec Albert Einstein. Pisze list do prezydenta USA Franklina Roosevelta, który zaczyna się od słów: „Proszę pana! Najnowsze dzieło E. Fermiego i L. Szilarda, które przeczytałem w rękopisie, daje nadzieję, że pierwiastek uran w najbliższej przyszłości będzie można zamienił się w nowe ważne źródło energii...”. W piśmie naukowiec wezwał rząd do rozpoczęcia finansowania badań nad uranem. Biorąc pod uwagę ogromny autorytet Einsteina i powagę sytuacji międzynarodowej, Roosevelt wyraził zgodę.

Pod koniec 1941 roku mieszkańcy Chicago mogli zauważyć niezwykłe poruszenie na terenie jednego ze stadionów, niemające nic wspólnego ze sportem. Co jakiś czas pod jego bramę podjeżdżały samochody z ładunkiem. Liczni ochroniarze nie pozwolili osobom postronnym nawet zbliżyć się do płotu stadionu. Tutaj, na kortach tenisowych znajdujących się pod trybuną zachodnią, Enrico Fermi przygotowywał swój najniebezpieczniejszy eksperyment - wdrożenie kontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder uranu. Prace nad budową pierwszego na świecie reaktora jądrowego trwały dzień i noc przez rok.

Ranek nadszedł 2 grudnia 1942 roku. Przez całą noc naukowcy nie zamykali oczu, raz po raz sprawdzając swoje obliczenia. To nie żart: stadion znajduje się w samym centrum wielomilionowego miasta i choć obliczenia wskazywały, że reakcja w kotle atomowym będzie powolna, tj. nie byłoby wybuchowe; nikt nie miał prawa narażać życia setek tysięcy ludzi. Dzień zaczął się już dawno temu, przyszedł czas na śniadanie, ale wszyscy o tym zapomnieli – nie mogli się doczekać, aby jak najszybciej rozpocząć atak na atom. Fermiemu jednak się nie spieszy: zmęczonym ludziom trzeba dać odpocząć, potrzebują wytchnienia, żeby potem mogli jeszcze raz wszystko dokładnie przemyśleć i przemyśleć. Ostrożność i jeszcze raz ostrożność. I tak, gdy wszyscy czekali na rozkaz rozpoczęcia eksperymentu, Fermi powiedział swoje słynne zdanie, który przeszedł do historii podboju atomu, to tylko dwa słowa: „Chodźmy na śniadanie!”

Śniadanie się skończyło, wszystko wróciło na swoje miejsce – zaczyna się przeżycie. Wzrok naukowców skupiony jest na instrumentach. Minuty oczekiwania są bolesne. I wreszcie liczniki neutronów kliknęły jak karabiny maszynowe. Wydawało się, że dławią się ogromną liczbą neutronów, nie mając czasu ich policzyć! Rozpoczęła się reakcja łańcuchowa! Stało się to o 15:25 czasu chicagowskiego. Pozwolono, aby ogień atomowy płonął przez 28 minut, a następnie na polecenie Fermiego reakcja łańcuchowa została zatrzymana.

Telefon odebrał jeden z uczestników eksperymentu i za pomocą wcześniej uzgodnionej, zaszyfrowanej frazy powiedział swoim przełożonym: „Włoski nawigator dotarł do Nowego Świata!” Oznaczało to, że wybitny włoski naukowiec Enrico Fermi wyzwolił energię jądro atomowe i udowodnił, że człowiek może je kontrolować i wykorzystywać do woli.

Ale wola różni się od woli. W latach, w których miały miejsce opisane wydarzenia, reakcję łańcuchową uważano przede wszystkim za etap na drodze do stworzenia bomby atomowej. W tym kierunku kontynuowano prace atomistów w Ameryce.

Sytuacja w kręgach naukowych związanych z tymi pracami była niezwykle napięta. Ale nawet tutaj były pewne dziwactwa.

Jesienią 1943 roku podjęto decyzję o sprowadzeniu czołowego fizyka Nielsa Bohra z okupowanej przez Niemców Danii do Ameryki, aby mógł wykorzystać jego ogromną wiedzę i talent. Ciemnej nocy na łodzi rybackiej strzeżonej potajemnie przez angielskie łodzie podwodne naukowiec przebrany za rybaka został zabrany do Szwecji, skąd miał zostać przetransportowany samolotem do Anglii, a następnie do USA. Cały bagaż Bohra składał się z jednej butelki. Tę zwykłą zieloną butelkę spod duńskiego piwa, w której trzymał przed Niemcami bezcenną, ciężką wodę, fizyk cenił ją jak oczko w głowie: według wielu atomistów to właśnie ciężka woda mogła służyć jako moderator neutronów reakcji jądrowej.Bohr bardzo ciężko zniósł męczący lot i gdy tylko opamiętał się, pierwszą rzeczą, którą zrobił, było sprawdzenie, czy butelka ciężkiej wody jest nienaruszona. zmartwiony naukowiec odkrył, że padł ofiarą własnego roztargnienia: w rękach trzymał butelkę prawdziwego duńskiego piwa, ale naczynie z ciężką wodą pozostało w domu w lodówce.

Kiedy w gigantycznych zakładach Oak Ridge w Tennessee wyprodukowano pierwszy mały kawałek uranu-235 do bomby atomowej, został on wysłany specjalnym kurierem do Los Alamos, ukrytego wśród kantonów Nowego Meksyku, gdzie został stworzony. Zabójcza broń. Kurierowi, który musiał sam prowadzić samochód, nie powiedziano, co znajdowało się w przekazanym mu pudełku, ale niejednokrotnie słyszał przerażające historie o tajemniczych „promieniach śmierci” zrodzonych w Oak Ridge. Im dalej jechał, tym większe było jego podniecenie. W końcu, po pierwszym podejrzanym znaku w zachowaniu ukrytej za nim skrzyni, zdecydował się jak najszybciej wybiec z samochodu. Jadąc długim mostem kierowca nagle usłyszał z tyłu głośny strzał. Jak katapultowany wyskoczył z samochodu i pobiegł tak szybko, jak nigdy w życiu nie biegał. Jednak po przebiegnięciu znacznego dystansu zatrzymał się z wyczerpania, przekonał się, że jest cały i zdrowy, a nawet odważył się spojrzeć wstecz. Tymczasem za jego samochodem wyrósł już długi ogon niecierpliwie trąbiących samochodów. Musiałem wrócić i kontynuować swoją podróż. Ale gdy tylko wsiadł za kierownicę, znów rozległ się głośny strzał, a instynkt samozachowawczy ponownie dosłownie wyrzucił biedaka z samochodu i zmusił go do ucieczki z nieszczęsnego pudła. Dopiero gdy wściekły policjant dogonił go na motocyklu i zobaczył dokumenty rządowe, przestraszony kierowca dowiedział się, że strzały padły z pobliskiego poligonu, gdzie w tym czasie testowano nowe pociski artyleryjskie.

Praca w Los Alamos przebiegała w najściślejszej tajemnicy. Wszyscy główni naukowcy byli tutaj pod fikcyjnymi nazwiskami. I tak na przykład Niels Bohr był znany w Los Alamos jako Nicholas Baker, Enrico Fermi jako Henry Farmer, Eugene Wigner jako Eugene Wagner. Pewnego dnia, gdy Fermi i Wigner opuszczali teren tajnej fabryki, zatrzymał ich wartownik. Fermi przedstawił swój dowód osobisty na nazwisko Farmer, a Wigner nie mógł znaleźć jego dokumentów. Strażnik miał listę osób, które mogły wejść i wyjść z zakładu. "Jak masz na nazwisko?" - on zapytał. Roztargniony profesor najpierw z przyzwyczajenia mruknął „Wigner”, ale zaraz się otrząsnął i poprawił: „Wagner”. Wzbudziło to podejrzenia wśród strażników. Wagner był na liście, ale Wignera nie było. Zwrócił się do Fermiego, którego znał już dobrze z widzenia, i zapytał: „Czy ten człowiek ma na imię Wagner?” "Nazywa się Wagner. Jest to tak samo prawdziwe, jak to, że jestem Rolnikiem" - Fermi uroczyście zapewnił wartownika, ukrywając uśmiech, i przepuścił naukowców.

Około połowy 1945 roku zakończono prace nad stworzeniem bomby atomowej, na które wydano dwa miliardy dolarów, a 6 sierpnia nad japońskim miastem Hiroszima pojawił się gigantyczny grzyb ognisty, pochłonąwszy dziesiątki tysięcy istnień ludzkich. Data ta stała się mrocznym dniem w historii cywilizacji. Zrodziło się największe osiągnięcie nauki największa tragedia ludzkość. Naukowcy i cały świat stanęli przed pytaniem: co dalej? Nadal udoskonalać broń nuklearną, tworzyć jeszcze straszliwsze sposoby eksterminacji ludzi? NIE! Odtąd kolosalna energia zawarta w jądrach atomów musi służyć człowiekowi.

Pierwszy krok na tej drodze wykonali radzieccy naukowcy pod przewodnictwem akademika I.V. Kurczatowa. 27 czerwca 1954 r. moskiewskie radio nadało komunikat o wyjątkowej wadze: „Obecnie w Związku Radzieckim, dzięki staraniom radzieckich naukowców i inżynierów, trwają prace nad projektem i budową pierwszej przemysłowej elektrowni jądrowej o mocy użytkowej 5000 kilowatów zostało pomyślnie ukończone.” Po raz pierwszy przez druty przepłynął prąd, który przeniósł energię wytworzoną w głębi atomu uranu. Uruchomienie pierwszej elektrowni jądrowej zapoczątkowało rozwój nowej gałęzi technologii – energetyki jądrowej. Uran stał się pokojowym paliwem XX wieku.

Minęło kolejnych pięć lat i pierwszy na świecie lodołamacz o napędzie atomowym, Lenin, zjechał z pochylni sowieckich stoczni. Aby jego silniki mogły pracować z pełną mocą (44 tys. koni mechanicznych!), trzeba było „spalić” zaledwie kilkadziesiąt gramów uranu. Mały kawałek tego paliwa jądrowego może zastąpić tysiące ton oleju opałowego lub węgiel, które zmuszone są do przewożenia zwykłych statków wykonujących np. lot Londyn – Nowy Jork. A statek o napędzie atomowym z zapasem paliwa uranowego w ilości kilkudziesięciu kilogramów może kruszyć lody Arktyki przez trzy lata bez wchodzenia do portu w celu uzupełnienia paliwa. W 1974 r. Jeszcze potężniejszy lodołamacz nuklearny Arktika zaczął wypełniać swoje „obowiązki”: jego moc silnika wynosi 75 tysięcy koni mechanicznych! 17 sierpnia 1977 r. Arktika, po pokonaniu pozornie niezniszczalnej skorupy lodowej środkowego basenu polarnego Oceanu Arktycznego, dotarła do bieguna północnego. Spełniło się odwieczne marzenie wielu pokoleń żeglarzy i polarników, a uran wniósł swój wkład w rozwiązanie tego problemu. Najpotężniejszy lodołamacz nuklearny ma teraz dwie „siostry” - „Sibir” i „Rosję”.

Z roku na rok udział paliwa jądrowego w światowym bilansie zasobów energii staje się coraz bardziej zauważalny. Kilka lat temu w ZSRR uruchomiono pierwszą przemysłową elektrownię jądrową z tzw. reaktorem na prędkie neutrony. Ważną cechą takich reaktorów jest to, że jako paliwo jądrowe mogą wykorzystywać nie rzadki uran-235, ale najpowszechniejszy izotop tego pierwiastka na Ziemi - uran-238. Jednocześnie reaktor nie tylko uwalnia ogromną ilość energii, ale także wytwarza sztuczny pierwiastek polon-239, który sam jest zdolny do rozszczepienia, a zatem może być źródłem energii jądrowej. „Okazuje się tak” – napisał I.V. Kurczatow – „że palisz węgiel w palenisku, a wraz z popiołami wygarniasz jeszcze więcej węgla”.

Zalety paliwa jądrowego są niezaprzeczalne. Jednocześnie jego zastosowanie wiąże się z wieloma trudnościami, z których być może najważniejszym jest zniszczenie powstających odpadów radioaktywnych. Czy powinniśmy je opuszczać w specjalnych pojemnikach na dno mórz i oceanów? Zakopać je głęboko w ziemi? Jest mało prawdopodobne, aby problem można było całkowicie rozwiązać w ten sposób: w końcu na naszej planecie pozostają śmiercionośne substancje. Czy nie powinniśmy spróbować wysłać ich gdzieś dalej – do innych ciał niebieskich? Dokładnie taki pomysł wysunął jeden z amerykańskich naukowców. Zaproponował załadunek odpadów z elektrowni jądrowych na „towar” statki kosmiczne, podążając trasą Ziemia - Słońce. Oczywiście dzisiaj takie „paczki” byłyby dla nadawców dość drogie, ale zdaniem części optymistycznych ekspertów za jakieś dziesięć lat tego typu operacje transportowe staną się w pełni uzasadnione.

W dzisiejszych czasach nie trzeba już mieć bogatej wyobraźni, aby przewidzieć wspaniałą przyszłość uranu. Uran jutro to rakiety kosmiczne zmierzające w głąb Wszechświata, gigantyczne podwodne miasta zaopatrywane w energię przez dziesięciolecia, tworzenie sztucznych wysp i nawadnianie pustyń, przenikanie do wnętrzności Ziemi i przemiana klimatu naszej planety.

Uran otwiera przed człowiekiem wspaniałe perspektywy – jedną z nich niesamowite metale Natura!

Uran, pierwiastek numer 92, jest najcięższym pierwiastkiem występującym w przyrodzie. Stosowano go już na początku naszej ery, wśród ruin Pompejów i Herkulanum odnaleziono fragmenty ceramiki z żółtą glazurą (zawierającą ponad 1% tlenku uranu).

Uran został odkryty w 1789 r. w smole uranowej przez niemieckiego chemika Martona Heinricha Klaprotha, który nazwał go na cześć planety uran odkrytej w 1781 r. Uran metaliczny po raz pierwszy otrzymał francuski chemik Eugene Peligot w 1841 r. poprzez redukcję bezwodnego czterochlorku uranu potasem. W 1896 roku Antoine-Henri Becquerel odkrył zjawisko radioaktywności uranu, przypadkowo wystawiając klisze fotograficzne na promieniowanie jonizujące z pobliskiego kawałka soli uranowej.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Uran jest bardzo ciężkim, srebrzystobiałym i błyszczącym metalem. W czystej postaci jest nieco bardziej miękki od stali, plastyczny, elastyczny i ma niewielkie właściwości paramagnetyczne. Uran ma trzy formy alotropowe: alfa (pryzmatyczna, stabilna do 667,7 °C), beta (tetragonalna, stabilna od 667,7 do 774,8 °C), gamma (o sześciennej strukturze skupionej wokół ciała, istniejąca od 774,8 °C do temperatury topnienia ), w którym uran jest najbardziej plastyczny i łatwy w obróbce. Faza alfa jest bardzo niezwykłym rodzajem struktury pryzmatycznej, składającej się z falistych warstw atomów w niezwykle asymetrycznej sieci pryzmatycznej. Ta anizotropowa struktura utrudnia stopowanie uranu z innymi metalami. Tylko molibden i niob mogą tworzyć stopy w fazie stałej z uranem. To prawda, że ​​​​uran metaliczny może oddziaływać z wieloma stopami, tworząc związki międzymetaliczne.

Podstawowe właściwości fizyczne uranu:
temperatura topnienia 1132,2 °C (+/- 0,8);
temperatura wrzenia 3818 °C;
gęstość 18,95 (w fazie alfa);
ciepło właściwe 6,65 cal/mol/°C (25 C);
wytrzymałość na rozciąganie 450 MPa.

Z chemicznego punktu widzenia uran jest bardzo aktywny metal. Szybko utleniając się na powietrzu, pokrywa się tęczową warstwą tlenku. Drobny proszek uranowy zapala się samorzutnie w powietrzu; zapala się w temperaturze 150-175°C, tworząc U 3 O 8 . W temperaturze 1000 ° C uran łączy się z azotem, tworząc żółty azotek uranu. Woda może powodować korozję metalu, powoli w niskich temperaturach i szybko w wysokich temperaturach. Uran rozpuszcza się w kwasach solnym, azotowym i innych, tworząc czterowartościowe sole, ale nie wchodzi w interakcje z zasadami. Uran wypiera wodór z kwasów nieorganicznych i roztworów soli metali takich jak rtęć, srebro, miedź, cyna, platyna i złoto. Po energicznym wstrząśnięciu cząstki metalu uranu zaczynają świecić.
Uran ma cztery stopnie utlenienia - III-VI. Związki sześciowartościowe obejmują trójtlenek uranylu UO 3 i uran chlorek uranu UO 2 kl 2 . Czterochlorek uranu UCl 4 i dwutlenek uranu UO 2 - przykłady czterowartościowego uranu. Substancje zawierające uran czterowartościowy są zwykle niestabilne i pod wpływem długotrwałego działania powietrza zamieniają się w uran sześciowartościowy. Sole uranylu, takie jak chlorek uranylu, rozkładają się w obecności jasnego światła lub materii organicznej.

Uran nie ma stabilnych izotopów, ale znane są 33 z jego radioaktywnych izotopów. Uran naturalny składa się z trzech izotopów promieniotwórczych: 238 U (99,2739%, T=4,47⋅10 9 lata, α-emiter, przodek szeregu radioaktywnego (4n+2)), 235 U (0,7205%, T=7,04⋅10 9 lat, przodek szeregu radioaktywnego (4n+3)) i 234 U (0,0056%, T=2,48⋅10 5 lat, α-emiter). Ostatni izotop nie jest pierwotny, ale radiogenny; jest częścią szeregu radioaktywnego 238 U. Masa atomowa uranu naturalnego wynosi 238,0289+0,0001.

Radioaktywność naturalnego uranu wynika głównie z izotopów 238U i 234 U, w równowadze ich specyficzne działania są równe. Specyficzna radioaktywność naturalnego uranu wynosi 0,67 mikrocurie/g, podzielona prawie w połowie 234 U i 238 U; 235 U ma niewielki udział (specyficzna aktywność izotopu 235 U w naturalnym uranie jest 21 razy mniej aktywny 238 U). Naturalny uran jest wystarczająco radioaktywny, aby naświetlić kliszę fotograficzną w ciągu około godziny. Przekrój poprzeczny wychwytu neutronów termicznych 233 U 4,6 10 -27 m2, 235 U 9,8 10 -27 m2, 238 U 2,7 10 -28 m2; przekrój poprzeczny rozszczepienia 233 U 5,27 10 -26 m2, 235 U 5,84 10 -26 m2, naturalna mieszanina izotopów 4,2 10-28 m2.

Izotopy uranu są zwykle emiterami α. Średnia energia promieniowania α 230 U, 231 U, 232 U, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U wynosi odpowiednio 5,97; 3.05⋅10 -4 ; 5,414; 4,909; 4,859; 4,679; 4,572; 4,270 MeV. Jednocześnie izotopy takie jak 233U, 238U i 239 Oprócz alfa U ulega również innemu rodzajowi rozpadu - spontanicznemu rozszczepieniu, chociaż prawdopodobieństwo rozszczepienia jest znacznie mniejsze niż prawdopodobieństwo rozpadu α.

Z punktu widzenia zastosowań praktycznych ważne są naturalne izotopy 233U i 235 Rozszczepienie U pod wpływem zarówno neutronów termicznych, jak i szybkich ( 235 U jest zdolny do spontanicznego rozszczepienia) i jądra 238 U są zdolne do rozszczepienia tylko wtedy, gdy wychwytują neutrony o energii większej niż 1 MeV. Podczas wychwytywania neutronów o niższej energii jądrowej 238 Najpierw zamieniasz się w jądra 239 U, które następnie ulegają rozpadowi β i najpierw przekształcają się w 239 Np, a następnie - przy 239 Pu, którego właściwości jądrowe są bliskie 235 U. Efektywne przekroje wychwytu neutronów termicznych jąder 234 U, 235 U i 238 U są równe 98⋅10 -28, 683⋅10 -28 i 2,7⋅10 -28 odpowiednio m2. Kompletny podział 235 U prowadzi do uwolnienia „ekwiwalentu energii cieplnej” 2⋅10 7 kWh/kg.

Technogenne izotopy uranu

Nowoczesne reaktory jądrowe wytwarzają 11 sztucznych izotopów promieniotwórczych o liczbach masowych od 227 do 240, z których najdłużej żyje 233 U (T = 1,62 10 5 lata); otrzymuje się go przez napromienianie neutronami toru. Izotopy uranu o liczbie masowej większej niż 240 nie mają czasu na tworzenie się w reaktorach. Żywotność uranu-240 jest zbyt krótka i rozpada się, zanim będzie w stanie wychwycić neutron. Jednak w superpotężnych strumieniach neutronów podczas eksplozji termojądrowej jądro uranu jest w stanie wychwycić do 19 neutronów w ciągu jednej milionowej sekundy. W tym przypadku rodzą się izotopy uranu o liczbach masowych od 239 do 257. O ich istnieniu dowiedziano się z pojawienia się w produktach eksplozji termojądrowej odległych pierwiastków transuranowych - potomków ciężkich izotopów uranu. Sami „założyciele rodzaju” są zbyt niestabilni, aby doszło do rozpadu β i wpadnięcia w nie wyższe elementy na długo przed ekstrakcją produktu reakcje jądrowe ze skały zmieszanej w wyniku eksplozji.

W termicznych reaktorach mocy na neutrony izotopy są wykorzystywane jako paliwo jądrowe 235U i 233 U oraz w reaktorach na neutrony szybkie 238 Ty, tj. izotopy zdolne do podtrzymania reakcji łańcuchowej rozszczepienia.

U-232

232 U – nuklid technogenny, niewystępujący w przyrodzie, α-emiter, T=68,9 lat, izotopy macierzyste 236 Pu(α), 232 Np(β+) i 232 Pa(β-), nuklid potomny 228 Cz. Zdolny do spontanicznego podziału. 232 U ma spontaniczne tempo rozszczepienia wynoszące 0,47 działek / s⋅kg. W przemyśle nuklearnym 232 U powstaje jako produkt uboczny podczas syntezy rozszczepialnego (klasy broni) nuklidu 233U w cyklu paliwowym toru. Kiedy napromieniowany 232 Zachodzi główna reakcja:

232 Th + n → 233 Th → (22,2 min, rozpad β) → 233 Pa → (27,0 dni, rozpad β) → 233 U

i dwuetapowa reakcja uboczna:

232 Th + n → 231 Th + 2n, 231 Th → (25,5 h, β) → 231 Pa + n → 232 Pa → (1,31 dnia, β) → 232 U.

Czas trwania 232 U podczas reakcji dwuetapowej zależy od obecności szybkich neutronów (potrzebne są neutrony o energii co najmniej 6 MeV), ponieważ przekrój poprzeczny pierwszej reakcji jest mały jak na szybkości termiczne. Niewielka liczba neutronów rozszczepialnych ma energie powyżej 6 MeV, a jeśli strefa hodowli toru zlokalizowana jest w tej części reaktora, w której jest napromieniana umiarkowanie szybkimi neutronami (~500 keV), to reakcję tę można praktycznie wyeliminować. Jeśli oryginalna substancja zawiera 230 Th, potem edukacja 232 U uzupełnia się reakcją: 230 Th + n → 231 Th i dalej jak wyżej. Reakcja ta działa również dobrze w przypadku neutronów termicznych. Dlatego tłumienie edukacji 232 U (i jest to konieczne z powodów wskazanych poniżej) wymaga załadowania toru o minimalnym stężeniu 230 tys.

Izotop wytwarzany w reaktorze energetycznym 232 U stwarza problem dla zdrowia i bezpieczeństwa, ponieważ rozpada się na 212Bi i 208 Te, które emitują wysokoenergetyczne kwanty γ. Dlatego też preparaty zawierające duże ilości tego izotopu należy przetwarzać w gorącej komorze. Dostępność 232 U w napromieniowanym uranie jest również niebezpieczny z punktu widzenia obchodzenia się z bronią atomową.

Akumulacja 232 Jesteś nieunikniony w produkcji 233 U w cyklu energetycznym toru, co utrudnia jego wprowadzenie do energetyki. Niezwykłe jest to, że jest to parzysty izotop 232 U ma duży przekrój poprzeczny rozszczepienia pod wpływem neutronów (dla neutronów termicznych 75 barów, całka rezonansowa 380), a także wysoki przekrój wychwytu neutronów - 73 barny (całka rezonansowa 280).

Istnieją również korzyści z 232 U: Jest często stosowany w metodzie radioznacznikowej w badaniach chemicznych i fizycznych.

U-233