Уран – головний елемент атомної енергетики
Ви використовуєтеoutdated browser. Please upgrade вашого браузера до вдосконалення вашого досвіду.
Уран – головний елемент атомної енергетики
| Звідки взявся уран? |
 |
Урану на Землі чимало - за поширеністю він на 38 місці. А найбільше цього елемента в осадових породах – кулистих сланцях та фосфоритах. Усього в земній корі міститься 10-14 тонн урану, але головна проблема в тому, що він дуже розсіяний і не утворює потужних родовищ. Промислове значення мають приблизно 15 мінералів урану. Це уранова смолка - її основою служить оксид чотиривалентного урану, уранова слюдка - різні силікати, фосфати і складніші сполуки з ванадієм або титаном на основі шестивалентного урану.
Після відкриття Вольфгангом Рентгеном Х-променів французький фізик Антуан-Анрі Беккерель зацікавився світінням солей урану, що виникає під впливом сонячного світла. Він хотів зрозуміти, чи немає і тут Х-променів. Справді, вони були присутніми — сіль засвічувала фотопластинку крізь чорний папір. В одному з дослідів, однак, сіль не стали висвітлювати, а фотопластинка однаково потемніла. Коли між сіллю і фотопластинкою поклали металевий предмет, то під ним потемніння було менше. Отже, нові промені виникали аж ніяк не через збудження урану світлом і через метал частково не проходили. Їх і назвали спочатку променями Беккереля. Згодом було виявлено, що це головним чином альфа-промені з невеликою добавкою бета-променів: річ у тому, що основні ізотопи урану при розпаді викидають альфа-частинку, а дочірні продукти відчувають і бета-розпад.
Уран не має стабільних ізотопів, всі вони радіоактивні. Найбільш довгоживучий – уран-238 з періодом піврозпаду 4,4 млрд. років. Наступним йде уран-235 – 0,7 млрд. років. Обидва вони зазнають альфа-розпаду і стають відповідними ізотопами торію. Уран-238 становить понад 99% всього природного урану. Через його величезний період напіврозпаду радіоактивність цього елемента мала, альфа-частинки не здатні подолати ороговілий шар шкіри на поверхні людського тіла. Розповідають, що І.В.Курчатов після роботи з ураном просто витирав руки носовою хусткою і жодними хворобами, пов'язаними з радіоактивністю, не страждав.
Подібно до інших важких металів уран, дуже отруйний, може викликати ниркову та печінкову недостатність. З іншого боку, будучи розсіяним елементом, він неминуче присутній у воді, ґрунті та, концентруючись у харчовому ланцюжку, потрапляє в організм людини. Розумно припустити, що у процесі еволюції живі істоти навчилися знешкоджувати уран у природних концентраціях. Найбільш небезпечний уран у воді.
Раніше його застосовували як пігмент для виготовлення кераміки та кольорового скла. Тепер уран — основа атомної енергетики та атомної зброї. У цьому використовується його унікальне властивість — здатність ядра ділитися.
Розпад ядра на два нерівні великі шматки. Саме через цю властивість при нуклеосинтезі за рахунок нейтронного опромінення ядра важче урану утворюються з великими труднощами. Якщо співвідношення числа нейтронів та протонів у ядрі не оптимальне, воно стає нестабільним. Зазвичай таке ядро викидає з себе або альфа-частинку - два протони і два нейтрони, або бета-частинку - позитрон, що супроводжується перетворенням одного з нейтронів на протон. У першому випадку виходить елемент таблиці Менделєєва, віддалений на дві клітини тому, у другому - одну клітинку вперед. Однак ядро урану крім випромінювання альфа-і бета-частинок здатне ділитися - розпадатися на ядра двох елементів середини таблиці Менделєєва, наприклад барію і криптону, що і робить, отримавши новий нейтрон. Це явище виявили невдовзі після відкриття радіоактивності, коли фізики піддавали нововідкритому випромінюванню все, що доведеться.
Перша атомна бомба І.Курчатова
Незабаром після того, як була експериментально доведена можливість поділу ядер урану і торію (а інших елементів, що діляться на Землі в скільки-небудь значній кількості немає), що працювали в Прінстоні Нільс Бор і Джон Віллер, а також незалежно від них радянський фізик-теоретик Я. І.Френкель та німці Зігфрід Флюгге та Готфрід фон Дросте створили теорію поділу ядра. З неї випливали два механізми. Один пов'язаний з пороговим поглинанням швидких нейтронів. Згідно з ним, для ініціації поділу нейтрон повинен мати досить велику енергію, більше 1 МеВ для ядер основних ізотопів — урану-238 і торію-232. За меншої енергії поглинання нейтрону ураном-238 має резонансний характер. Так, нейтрон з енергією 25 еВ має у тисячі разів більшу площу перерізу захоплення, ніж з іншими енергіями. При цьому ніякого поділу не буде: уран-238 стане ураном-239, який з періодом напіврозпаду 23,54 хвилини перетвориться на нептуній-239, той, з періодом напіврозпаду 2,33 дні, — довготривалий плутоній-239. Торій-232 стане ураном-233.
Завантаження ТВЕЛу в реактор на четвертому блоці Калінінської АЕС
Другий механізм -безпорогове поглинання нейтрону, йому слідує третій більш-менш поширений ізотоп, що ділиться - уран-235 (а також і відсутні в природі плутоній-239 і уран-233): поглинувши будь-який нейтрон, навіть повільний, так званий тепловий, з енергією як у молекул, що беруть участь у тепловому русі, - 0,025 еВ, таке ядро розділиться. І це дуже добре: у теплових нейтронів площа перерізу захоплення вчетверо вища, ніж у швидких, мегаелектронвольтних. У цьому значимість урану-235 для наступної історії атомної енергетики: саме він забезпечує розмноження нейтронів у природному урані. Після влучення нейтрону ядро урану-235 стає нестабільним і швидко ділиться на дві нерівні частини. Принагідно вилітає кілька (в середньому 2,75) нових нейтронів. Якщо вони потраплять у ядра того ж урану, то викличуть розмноження нейтронів у геометричній прогресії — піде ланцюгова реакція, що призведе до вибуху через швидке виділення величезної кількості тепла. Ні уран-238, ні торій-232 так працювати не можуть: адже при розподілі вилітають нейтрони із середньою енергією 1—3 МеВ, тобто за наявності енергетичного порогу в 1 МеВ значна частина нейтронів свідомо не зможе викликати реакцію, і розмноження не буде. Отже, про ці ізотопи слід забути і доведеться уповільнювати нейтрони до теплової енергії, щоб вони максимально ефективно взаємодіяли з ядрами урану-235. При цьому не можна допустити їхнього резонансного поглинання ураном-238: все-таки в природному урані цей ізотоп становить трохи менше 99,3% і нейтрони частіше стикаються саме з ним, а не з цільовим ураном-235. А діючи сповільнювачем, можна підтримувати розмноження нейтронів на постійному рівні та вибуху не допустити – керувати ланцюговою реакцією.
Розрахунок, проведений Я.Б.Зельдовичем та Ю.Б.Харитоном у тому ж доленосному1939, показав, що для цього потрібно застосувати сповільнювач нейтронів у вигляді важкої води або графіту і збагатити ураном-235 природний уран щонайменше в 1,83 рази. Тоді ця ідея видалася їм чистою фантазією. Наразі вона вирішена, і атомна промисловість серійно випускає для електростанцій уран, збагачений ураном-235 до 3,5%.
Більшість реакторів працюють на повільних нейтронах. Збагачений уран у вигляді металу, сплаву, наприклад з алюмінієм, або у вигляді оксиду, складають у довгі циліндри - тепловиділяючі елементи. Їх певним чином встановлюють в реакторі, а між ними вводять стрижні з уповільнювача, які управляють ланцюговою реакцією. Згодом у тепловиділяючому елементі накопичуються реакторні отрути - продукти поділу урану, також здатні до поглинання нейтронів. Коли концентрація урану-235 падає нижче за критичну, елемент виводять з експлуатації. Однак у ньому багато уламків поділу із сильною радіоактивністю, яка зменшується роками, через що елементи ще довго виділяють значну кількість тепла. Їх витримують у охолоджуючих басейнах, а потім або захоронюють, або намагаються переробити — витягти уран-235, що не згорів, напрацьований плутоній (він йшов на виготовлення атомних бомб) та інші ізотопи, яким можна знайти застосування. Невикористовувану частину відправляють у могильники.
У так званих реакторах на швидких нейтронах, або реакторах-розмножувачах навколо елементів встановлюють відбивачі з урану-238 або торію-232. Вони уповільнюють і відправляють у зону реакції занадто швидкі нейтрони. Уповільнені до резонансних швидкостей нейтрони поглинають названі ізотопи, перетворюючись відповідно на плутоній-239 або уран-233, які можуть служитипаливом для атомної станції. Так як швидкі нейтрони погано реагують з ураном-235, потрібно значно збільшувати його концентрацію, але це окупається сильнішим потоком нейтронів. Незважаючи на те, що реактори-розмножувачі вважаються майбутнім атомної енергетики, оскільки дають більше ядерного палива, ніж витрачають, — досліди показали: керувати ними важко. Нині у світі залишився лише один такий реактор — на четвертому енергоблоці Білоярської АЕС.
Якщо не говорити про аварії, то основним пунктом у міркуваннях противників атомної енергетики сьогодні стала пропозиція додати до розрахунку її ефективності витрати на захист навколишнього середовища після виведення станції з експлуатації та роботи з паливом. В обох випадках виникають завдання надійного захоронення радіоактивних відходів, а це витрати, які несе держава. Є думка, що й перекласти їх у собівартість енергії, її економічна привабливість пропаде.
Це високозбагачений уран-235. Його критична маса - вона відповідає розміру шматка речовини, в якій мимоволі йде ланцюгова реакція, - досить мала для того, щоб виготовити боєприпас. Такий уран може бути для виготовлення атомної бомби, а також як підривник для термоядерної бомби.
Це уран-238, що залишився після виділення з нього урану-235. Обсяги відходу виробництва збройового урану та тепловиділяючих елементів. Зміст урану-235 у ньому - 0,2%. Ці відходи треба або зберігати до кращих часів, коли будуть створені реактори на швидких нейтронах і з'явиться можливість переробки урану-238 плутоній, або якосьвикористовувати.
Ампули з ізотопами, виділеними з опроміненого матеріалу в НДІАР ВАТ Росатом
Оскільки щільність урану висока, він служить як баласт для суден і противаг для літаків. Підходить цей метал і для радіаційного захисту у медичних приладах із джерелами випромінювання.