Уран в природе. Химический элемент уран: свойства, характеристика, формула

И его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторахЯдерный реактор (атомный реактор) - устройство для осуществления управляемой ядерной цепной реакции деления.

Деление ядер происходит в активной зоне реактора, в которой сосредоточено ядерное топливо, и сопровождается высвобождением значительного количества энергии.

Ядерные реакторы различают: по энергии нейтронов, вызывающих деление ядер (ядерные реакторы на тепловых, быстрых и промежуточных нейтронах); по характеру распределения ядерного топлива (гомогенные и гетерогенные); по используемому замедлителю (графитовые, водо-водяные и др.); по назначению (энергетические, исследовательские) и т. д.

Реакторы используют для выработки электрической энергии на атомных электростанциях и в ядерных силовых установках атомных судов, для научных исследований, воспроизводства ядерного топлива и т. д. . Малообогащенная смесь изотопов урана применяется в стационарных реакторах атомных электростанций. Продукт высокой степени обогащения - в ядерных реакторах, работающих на быстрых нейтронах.

235 U является источником ядерной энергии в ядерном оружииЯдерное оружие - овокупность ядерных боеприпасов, средств их доставки к цели и средств управления. Относится к оружию массового поражения; обладает громадной разрушительной силой. По мощности зарядов и дальности действия ядерное оружие делится на тактическое, оперативно-тактическое и стратегическое. Применение ядерного оружия в войне гибельно для всего человечества. . Этот тип находит наибольшее применение.

238 U служит источником вторичного ядерного горючего - плутония.

Геология

Основное применение урана в Геологии - определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимается геохронология. Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках .

Дополнительные сферы применения урана

Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топливаТопливо - горючие вещества, применяемые для получения при их сжигании тепловой энергии; основная составная часть - углерод.

По происхождению топливо делится на природное (нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, торф, древесина) и искусственное (кокс, моторные топлива, генераторные газы и др.), по агрегатному состоянию - на твердое, жидкое и газообразное. Основная характеристика топлива - теплота сгорания.

Для сопоставления различных видов топлива и суммарного учета его запасов принята единица учета - условное топливо, для которого низшая теплота сгорания принята 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).

В связи с развитием техники термин «топливо» стал применяться в более широком смысле и распространился на все материалы, служащие источником энергии (Водородная энергетика, Ракетное топливо, Ядерное топливо). для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело - водород + гексан).

Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу (урановое стекло).

Уранат натрия Na 2 U 2 O 7 использовался как жёлтый пигмент в живописи.

Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).

В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.

Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалыМагнитострикционные материалы - магнитомягкие материалы, у которых достаточно велик эффект магнитострикции: никель, алфер, пермаллой, пермендюр, ряд ферритов и др. Применяются в качестве преобразователей электромагнитной энергии в другие виды (например, в механическую), датчиков давления и т. п. .

Некоторые соединения урана светочувствительны.

Обеднённый уран

Такой уран используется для радиационнойРадиация (ионизирующее излучение) - потоки частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению его атомов или молекул. Это электроны, позитроны, протоны, нейтроны и другие элементарные частицы, а также атомные ядра и электромагнитное излучение гамма-, рентгеновского и оптического диапазонов.

В случае нейтральных частиц (g-кванты, нейтроны) ионизацию осуществляют вторичные заряженные частицы, образующиеся при взаимодействии нейтральных частиц с веществом (электроны и позитроны - в случае g-квантов, протоны или ядра отдачи - в случае нейтронов) защиты и балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов.

Для этих целей в самолёте «Боинг-747» содержится 1500 кг обеднённого урана.

Материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.

Сердечники бронебойных снарядов

Самое известное применение обеднённого урана - в качестве сердечников для бронебойных снарядов.

Впервые уран в качестве сердечника для снарядов был применен в Третьем рейхе.

Обеднённый уран используется в современной танковой броне (в боевом танке СШАСоединенные Штаты Америки (United States of America), США (USA) - государство в Северной Америке. Численность населения 300 млн человек на 2007 год - третье место в мире). Столица - Вашингтон. Крупные города: Нью-Йорк, Лос-Анджелес, Чикаго, Хьюстон, Филадельфия, Финикс, Сиэтл, Сан-Диего, Даллас, Сан-Антонио, Детройт, Сан-Хосе, Сан-Франциско, Бостон. M-1 «Абрамс»), который стоит на вооружении армии и морской пехоты США, Египта, Саудовской Аравии, Кувейта и Австралии. Танк назван в честь генерала Крейтона Абрамса.

Содержание статьи

УРАН, U (uranium), металлический химический элемент семейства актиноидов, которые включают Ac, Th, Pa, U и трансурановые элементы (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Уран приобрел известность благодаря использованию его в ядерном оружии и атомной энергетике. Оксиды урана применяются также для окрашивания стекла и керамики.

Нахождение в природе.

Содержание урана в земной коре составляет 0,003%, он встречается в поверхностном слое земли в виде четырех видов отложений. Во-первых, это жилы уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO 2), очень богатые ураном, но редко встречающиеся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие жилы встречаются в Заире, Канаде (Большое Медвежье озеро), Чехии и Франции. Вторым источником урана являются конгломераты ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов. Конгломераты обычно содержат достаточные для извлечения количества золота и серебра, а сопутствующими элементами становятся уран и торий. Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и Австралии. Третьим источником урана являются осадочные породы и песчаники, богатые минералом карнотитом (уранил-ванадат калия), который содержит, кроме урана, значительное количество ванадия и других элементов. Такие руды встречаются в западных штатах США. Железоурановые сланцы и фосфатные руды составляют четвертый источник отложений. Богатые отложения обнаружены в глинистых сланцах Швеции. Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, а фосфатные залежи в Анголе и Центральноафриканской Республике еще более богаты ураном. Большинство лигнитов и некоторые угли обычно содержат примеси урана. Богатые ураном отложения лигнитов обнаружены в Северной и Южной Дакоте (США) и битумных углях Испании и Чехии.

Открытие.

Уран был открыт в 1789 немецким химиком М.Клапротом, который присвоил имя элементу в честь открытия за 8 лет перед этим планеты Уран. (Клапрот был ведущим химиком своего времени; он открыл также другие элементы, в том числе Ce, Ti и Zr.) В действительности вещество, полученное Клапротом, было не элементным ураном, но окисленной формой его, а элементный уран был впервые получен французским химиком Э.Пелиго в 1841. С момента открытия и до 20 в. уран не имел того значения, какое он имеет сейчас, хотя многие его физические свойства, а также атомная масса и плотность были определены. В 1896 А.Беккерель установил, что соли урана обладают излучением, которое засвечивает фотопластинку в темноте. Это открытие активизировало химиков к исследованиям в области радиоактивности и в 1898 французские физики супруги П.Кюри и М.Склодовская-Кюри выделили соли радиоактивных элементов полония и радия, а Э.Резерфорд, Ф.Содди, К.Фаянс и другие ученые разработали теорию радиоактивного распада, что заложило основы современной ядерной химии и атомной энергетики.

Первые применения урана.

Хотя радиоактивность солей урана была известна, его руды в первой трети нынешнего столетия использовались лишь для получения сопутствующего радия, а уран считался нежелательным побочным продуктом. Его использование было сосредоточено в основном в технологии керамики и в металлургии; оксиды урана широко применяли для окраски стекла в цвета от бледножелтого до темнозеленого, что способствовало развитию недорогих стекольных производств. Сегодня изделия этих производств идентифицируют как флуоресцирующие под ультрафиолетовыми лучами. Во время Первой мировой войны и вскоре после нее уран в виде карбида применяли в производстве инструментальных сталей, аналогично Mo и W; 4–8% урана заменяли вольфрам, производство которого в то время было ограничено. Для получения инструментальных сталей в 1914–1926 ежегодно производили по нескольку тонн ферроурана, содержащего до 30% (масс.) U. Однако такое применение урана продолжалось недолго.

Современное применение урана.

Промышленность урана начала складываться в 1939, когда было осуществлено деление изотопа урана 235 U, что привело к технической реализации контролируемых цепных реакций деления урана в декабре 1942. Это было рождение эры атома, когда уран из незначительного элемента превратился в один из наиболее важных элементов в жизни общества. Военное значение урана для производства атомной бомбы и использование в качестве топлива в ядерных реакторах вызвали спрос на уран, который возрос в астрономических размерах. Интересна хронология роста потребности в уране по истории отложений в Большом Медвежьем озере (Канада). В 1930 в этом озере была обнаружена смоляная обманка – смесь оксидов урана, а в 1932 на этом участке была налажена технология очистки радия. Из каждой тонны руды (смоляной обманки) получали 1 г радия и около половины тонны побочного продукта – уранового концентрата. Однако радия было мало и его добыча была прекращена. С 1940 по 1942 разработку возобновили и начали отправку урановой руды в США. В 1949 аналогичная очистка урана с некоторыми усовершенствованиями была применена для производства чистого UO 2 . Это производство росло, и в настоящее время оно является одним из наиболее крупных производств урана.

Свойства.

Уран – один из наиболее тяжелых элементов, встречающихся в природе. Чистый металл очень плотный, пластичный, электроположительный с малой электропроводностью и высокореакционноспособный.

Уран имеет три аллотропные модификации: a -уран (орторомбическая кристаллическая решетка), существует в интервале от комнатной температуры до 668° С; b -уран (сложная кристаллическая решетка тетрагонального типа), устойчивый в интервале 668–774° С; g -уран (объемноцентрированная кубическая кристаллическая решетка), устойчивый от 774° С вплоть до температуры плавления (1132° С). Поскольку все изотопы урана нестабильны, все его соединения проявляют радиоактивность.

Изотопы урана

238 U, 235 U, 234 U встречаются в природе в соотношении 99,3:0,7:0,0058, а 236 U – в следовых количествах. Все другие изотопы урана от 226 U до 242 U получают искусственно. Изотоп 235 U имеет особо важное значение. Под действием медленных (тепловых) нейтронов он делится с освобождением огромной энергии. Полное деление 235 U приводит к выделению «теплового энергетического эквивалента» 2Ч 10 7 кВтЧ ч/кг. Деление 235 U можно использовать не только для получения больших количеств энергии, но также для синтеза других важных актиноидных элементов. Уран природного изотопного состава можно использовать в ядерных реакторах для производства нейтронов, образующихся при делении 235 U, в то же время избыточные нейтроны, не востребуемые цепной реакцией, могут захватываться другим природным изотопом, что приводит к получению плутония:

При бомбардировке 238 U быстрыми нейтронами протекают следующие реакции:

Согласно этой схеме, наиболее распространенный изотоп 238 U может превращаться в плутоний-239, который, подобно 235 U, также способен делиться под действием медленных нейтронов.

В настоящее время получено большое число искусственных изотопов урана. Среди них 233 U особенно примечателен тем, что он также делится при взаимодействии с медленными нейтронами.

Некоторые другие искусственные изотопы урана часто применяются в качестве радиоактивных меток (индикаторов) в химических и физических исследованиях; это прежде всего b -излучатель 237 U и a -излучатель 232 U.

Соединения.

Уран – высокореакционноспособный металл – имеет степени окисления от +3 до +6, близок бериллию в ряду активности, взаимодействует со всеми неметаллами и образует интерметаллические соединения с Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg, Mg, Ni, Pb, Sn и Zn. Тонкораздробленный уран особенно реакционноспособен и при температурах выше 500° С часто вступает в реакции, характерные для гидрида урана. Кусковой уран или стружка ярко сгорает при 700–1000° С, а пары урана горят уже при 150–250° С, с HF уран реагирует при 200–400° С, образуя UF 4 и H 2 . Уран медленно растворяется в концентрированной HF или H 2 SO 4 и 85%-ной H 3 PO 4 даже при 90° С, но легко реагирует с конц. HCl и менее активно с HBr или HI. Наиболее активно и быстро протекают реакции урана с разбавленной и концентрированной HNO 3 с образованием нитрата уранила (см. ниже ). В присутствии HCl уран быстро растворяется в органических кислотах, образуя органические соли U 4+ . В зависимости от степени окисления уран образует несколько типов солей (наиболее важные среди них с U 4+ , одна из них UCl 4 – легко окисляемая соль зеленого цвета); соли уранила (радикала UO 2 2+) типа UO 2 (NO 3) 2 имеют желтую окраску и флуоресцируют зеленым цветом. Соли уранила образуются при растворении амфотерного оксида UO 3 (желтая окраска) в кислой среде. В щелочной среде UO 3 образует уранаты типа Na 2 UO 4 или Na 2 U 2 O 7 . Последнее соединение («желтый уранил») применяют для изготовления фарфоровых глазурей и в производстве флуоресцентных стекол.

Галогениды урана широко изучались в 1940–1950, так как на их основе были разработаны методы разделения изотопов урана для атомной бомбы или ядерного реактора. Трифторид урана UF 3 был получен восстановлением UF 4 водородом, а тетрафторид урана UF 4 получают разными способами по реакциям HF с оксидами типа UO 3 или U 3 O 8 или электролитическим восстановлением соединений уранила. Гексафторид урана UF 6 получают фторированием U или UF 4 элементным фтором либо действием кислорода на UF 4 . Гексафторид образует прозрачные кристаллы с высоким коэффициентом преломления при 64° С (1137 мм рт. ст.); соединение летуче (в условиях нормального давления возгоняется при 56,54° С). Оксогалогениды урана, например, оксофториды, имеют состав UO 2 F 2 (фторид уранила), UOF 2 (оксид-дифторид урана).

Сколько руды требуется, чтобы получить низко обогащенный уран как топливо для АЭС? Принято считать, что топливный уран – это уран, содержание изотопа уран-235 в котором доведено до 4%. В природной руде этого изотопа всего 0,7%, то есть требуется увеличить его концентрация в 6 раз.

Напомню, что Европа и США до 80-х годов обогащали уран только на «сеточках», расходуя на эту работу гигантское количество электричества. Технологический момент, но, как говорится, с большими последствиями. Гексафторид природного урана можно «высасывать» по 235-му изотопу до упора – так, чтобы в «хвостах» его оставалось минимальное количество. Но что это значит в случае диффузионного метода? Большее количество «сеточек», большее количество емкостей под исходный гексафторид и, разумеется, большее количество затрат на электроэнергию. А это все увеличивает себестоимость, портит экономические показатели, снижая прибыль. Не интересно, в общем. Поэтому в западных «хвостах» урана-235 – 0,3%, а в дальнейшую работу уходит 0,4%. При таких «хвостах» картинка получается следующая: на 1 кг НОУ требуется 8 кг руды + 4,5 ЕРР (единиц разделительной работы).

У ватников картинка была и остается несколько иной – ведь работа наших «иголок» намного менее затратна. Помните – «игле» требуется в 20-30 раз меньше электроэнергии на 1 ЕРР. Экономить разделительную работу особого смысла не было, исходный гексфторид урана «выжимался» тщательнее: в наших «хвостах» остается 0,2% урана-235, в дальнейшую работу по обогащению уходило 0,5%. Казалось бы – разница всего 0,1%, зачем обращать внимание на такую мелочь? Да не все так просто: на наших «иголках» для получения 1 кг НОУ требуется 6,7 кг руды + 5,7 ЕРР. На 1,3 кг руды меньше – то есть мы к своим недрам относились значительно рачительнее, нежели демократы.

Но и это еще не все. 1 ЕРР на наших центрифугах стоит около 20 долларов, на «сеточках» 1 ЕРР стоила от 70 до 80. Значит, для Запада месторождение урана, в котором себестоимость руды, допустим, 100 долларов – очень дорого. Давайте на калькуляторе 1 кг НОУ посчитаем, чтобы понятно было.

1 кг НОУ = 8 кг руды + 4,5 ЕРР, то есть

1 кг НОУ = 8 х 100 + 4,5 х 70 = 1 115 долларов.

А теперь ставим наши цифры и получаем:

1 кг НОУ = 6,7 кг руды + 5,7 ЕРР

1 кг НОУ = 6,7 х 100 + 5,7 х 20 = 784 долларов

Значит, месторождение урана, которое для цивилизованного Запада было слишком дорогим для нас – самое то. Грубо – для нашей технологии урана на Земле БОЛЬШЕ, чем для западной. С того момента, когда Европа освоила центрифуги Циппе, запасы урана в мировой статистике резко увеличились, хотя братья-геологи для этого палец о палец не ударили: уже открытые ранее месторождения стали признавать коммерчески выгодными, вот и все. Но URENCO включила свои центрифуги в 80-е, а АЭС в Европе и в Штатах появились намного раньше, так ведь? Значит, с конца 40-х годов минувшего века месторождения урана эксплуатировались крайне размашисто, без экономии на природных рудах. Грубо говоря, Запад «убивал» одно месторождение за другим, перескакивая на новые. А жутко неэкономный Мордор никуда не торопился: нашли месторождение и высасывали его до донышка, без суеты и без спешки. При этом нельзя забывать о том, что все годы холодной войны ядерные страны очень активно наращивали запасы урана оружейного, высокообогащенного, а для этого уходит куда больше природной урановой руды. Грубо – на 1 кг ВОУ уходит 275 кг руды, а счет ВОУ в странах ядерного клуба шел на сотни тонн. А ВОУ это еще и не только оружие – на нем работают реакторы подлодок, на нем работает множество исследовательских реакторов. В общем, расходовало человечество свои урановые руды весьма и весьма интенсивно, и все, что мы с вами можем сказать в свое оправдание – не мы первыми начали.

Есть еще один момент, про который нужно знать. Когда нам говорят: «добыто столько-то тонн урановой руды», важно понимать, что речь идет не о горах каких-то там камушков или металлических слитках. В урановой промышленности все запасы руды традиционно пересчитывают в концентрат урана – если точнее, то U3 О8, закись-окись. Традиционно это был порошок желтого цвета и называли его «желтым кэком», но теперь это уже немножко устарело. В процессе обогащения руды применяется целый цикл ее обработки, одна из составных частей которого – обжиг. В последние годы на разных заводах применяют разные температуры, потому цвет концентрата урана получается самым разным – от темно-зеленого до черного. Но процедура обработки руды – отдельная тема, достаточно большая, а мы пока пробуем разобраться с месторождениями и добычей. Отложим, но запомним: все разговоры об урановой руде – это разговоры о концентрате урана. И это правильно – уж очень разными бывают эти руды, слишком разное количество урана в них имеется, так что без такой вот «стандартизации» было не обойтись.

Когда люди открыли этот вот металл и почему он, собственно говоря, называется «уран»? История давняя, но занимательная. Это сейчас мы с вами знаем, что такое радиация и вполне справедливо терпеть ее не можем и побаиваемся. А в раньшие времена человеки про радиацию знать ничего не знали – может, потому и не страдали от нее?.. Среди руд и минералов в серебряных шахтах средневековые горняки частенько находили черный тяжелый минерал – так называемую смоляную обманку. Точно известно, что обманку знали уже с 1565 года – тогда ее обнаружили в Рудных горах Саксонии, но какого-то особого применения для нее не придумали. В 1789 году этим минералом заинтересовался немецкий химик-аналитик Мартин Клапрот и решил ее как следует химически проанализировать. Руду в его лабораторию привезли из шахты Яхимово, что в нынешней Чехии. На минералах из того же Яхимиво делали позже свои открытия Беккерель и Кюри, так что предлагаю так и записать:

«родина» урана – Чехия.

Мартин Клапрот

Клапрот химичил весьма старательно: плавил минералы при разных температурах, с воздухом и без оного, поливал всякими кислотами и царской водкой, пока, в конце концов, не получил спекшуюся массу с отчетливо видимыми крупинками металла. Дело было в 1789 году – через 8 лет после того, как астрономы открыли неизвестную до того планету, названную ими Уран. Вот что писал по этому поводу сам Клапрот: «Ранее признавалось существование лишь 7 планет, соответствовавших 7 металлам, которые и носили названия планет. В связи с этим целесообразно, следуя традиции, назвать новый металл именем вновь открытой планеты. Слово «уран» происходит от греческого – «небо», и, таким образом, может обозначать небесный металл». С первооткрывателями не спорят – вот и имеем мы теперь дело с этим самым «небесным металлом».

Самому Клапроту, впрочем, получить чистый уран не удалось, этого добился только в 1840 году Э.М. Пелиго. В 1896 году Беккерель обнаружил, что соединения урана засвечивают фотобумагу – так начиналось исследование радиоактивности. К самому грозному и страшному оружию, к самому большому «запаснику энергии» человечество двигалось неторопливо…

Урановая руда

Урановой руды с точки зрения геологов на Земле – не просто много, а очень много. Но не всякий урановый минерал получает гордое название «руда»: минералы, в которых урана очень мало, а пустой породы очень много, рудами не считаются. Хорошими рудами считаются минералы, в которых урана больше 0,1% (1 кг на 1000 кг породы), но и тут есть исключения. Например, в Южной Африке, на месторождении Витватерсланда, уран добывают из руды, в которой его концентрация составляет всего 0,01%, причем добывают в промышленных масштабах. Как так? Да непрост этот небесный металл – нередко он содержится в тех же породах, где имеется золото. Раз уж из этой породы «выковыривают» золотишко, чего бы до кучи и уран не «наковырять» – вот такая логика. Золото как основная цель переработки руды, уран – как побочная. «Нередко» имеет и числовое значение: 12% добываемого в мире урана – побочный продукт на золотых и прочих приисках. В США, к примеру, уран получают из пород с концентрацией вообще в 0,008% – из фосфоритов Флориды. Основная добыча – фосфор, уран – до кучи… Ну, а если не касаться такой экзотики, то урановые руды по содержанию делят на 4 вида-сорта: богатые – с содержанием урана более 1%; рядовые – от 0,1 до 1,0%; бедные – от 0,03 до 0,1% и убогие – менее 0,03%.

А еще урановые руды подразделяют на 5 классов в зависимости от того, при помощи какой именно технологии добывается и перерабатывается небесный металл. Грубо – какие именно перерабатывающие заводы нужно создавать рядом с месторождениями. Это тоже такая традиция: поскольку концентрация урана всегда маленькая, миллионы тонн породы никто никуда возить и не думает. Шахта, рудник, карьер и впритык – все, что нужно для переработки.

Однако и это еще не все виды классификации урановых руд: с той поры, как все мы живем в мире, где важнее всего прибыль, едва ли не главная классификация – по стоимости конечного продукта (того самого концентрата урана, желтого кека). Эдакий обобщающий показатель, при котором отбрасываются прочь все частности – какой была концентрация урана в руде, каким способом его добывали-очищали, во что обошлась инфраструктура. Не важно, что было ДО, важно, почем получился результат. Тут всего 3 категории: 1) месторождения, где себестоимость 1 кг концентрата менее 40 долларов за килограмм; 2) где себестоимость от 40 до 80 долларов за кило; 3) где себестоимость от 80 до 130 долларов за кило. Все, что дороже 130 долларов – на сегодня «нещитово», поскольку сильно дорого. Но надолго ли сохранится такое пренебрежение-верхоглядство? До 2006 года МАГАТЭ считало сверхдорогим уран и по цене свыше 80 долл/кг, а теперь решило, что надо по заслугам оценить центрифуги – низкая себестоимость обогащения позволяет совершенно спокойно использовать и руду дороже 80 долларов. Наши центрифуги 10-го поколения только начали эксплуатироваться, потому нельзя исключать, что через какое-то время и планка в 130 долларов перестанет быть «отсекающей». В царстве мрака и ужаса с рваной в клочья экономикой началась промышленная работа реактора на быстрых нейтронах БН-800, проектируется БН-1200, в 2020 планируется запуск еще и свинцового реактора по проекту «Прорыв», к 2030 есть надежда на реализацию замкнутого ядерного цикла.

Впрочем, давайте не будем пускаться в проекты и гипотезы – остановимся на том, что имеем на день сегодняшний. В 2006 году считалось, что на третьей от Солнца планете урановых руд имелось 5 000 000 тонн, следующий отчет МАГАТЭ выпустило в 2010 году. Именно в этом отчете впервые состоялось признание центрифуг как единственного на сегодня способе обогащения урана, впервые планка «отсечения» была поднята с 80 долл/кг до 130 долл/кг. Новая цифра запасов урановой руды на Земле – 6 306 300 тонн. Повторяю – это не прирост за счет новых месторождений, это состоявшийся перевод геологических руд в промышленные. И состоялся он по простой причине – МАГАТЭ признало: кроме центрифуг все – зло, и мы о нем больше не будем вспоминать. Прирост извлекаемых руд составил 26% – без дополнительных инвестиций в геологоразведку.

Не так часто в истории цивилизации развитие технологии оказывало серьезное влияние на геополитику, а уран и центрифуги – тот самый случай. Давайте на пальцах прикинем, что означает появление коммерческого интереса к урановым месторождениям, которые до того много лет оставались нетронутыми? Во-первых, страны «атомного клуба» увидели свой интерес в тех территориях, где находились эти месторождения. К примеру, месторождения в Кировоградской области стали интересны уже не только Украине… Во-вторых, страны, не входившие в «атомный клуб» увидели, что урана может хватить и на них. И это не мое теоретическое измышление: на только что прошедшей «Атомэкспо-2016» присутствовали делегации 52 стран, а атомная энергетика хоть в каком-то виде имелась только у 32. 20 стран – это новички, которые почувствовали перспективу.

Калькулятор

Что интересного в уране – пусть расскажет калькулятор. Имеем 6 306 300 тонн руды, в которой содержание урана-235 (который, собственно говоря, «горит» в реакторах АЭС) в среднем составляет 0,72%. Следовательно, если всю урановую руду пересчитать в уран-235 – у нас его 45 405 тонн. По энергетической стоимости 1 тонна урана-235 соответствует 2 000 000 тонн бензина. Соответственно, пересчет запасов урана-235 в нефтяной эквивалент – это 90,81 млрд тонн нефти. Много это или мало? Разведанных запасов нефти на Земле на сегодня – 200 млрд тонн. Запасы урана – почти половина, почти 50%. И каковы перспективы? Технология добычи нефти доведена практически до совершенства, технология ее переработки – аналогично. Чтобы увеличить запасы нефти, нужно либо а) продолжать искать новые и новые месторождения, что при нынешних ценах на углеводороды замедляется вот уже два года; б) соглашаться с тем, что нефть с годами будет только дорожать, поскольку ее остается все меньше. Сланцевая нефть, о которой так много говорят большевики, меньшевики и прочие – да, при нынешнем уровне цен не интересна, но рано или поздно наступит момент, когда и ее резервы придется пустить в ход, причем не только на территории США.

А вот с ураном – несколько иная картина, куда как менее однозначная. Нам пока еще не раскрыли информацию о том, какой будет себестоимость 1 ЕРР на последних поколениях центрифуг Росатома – а мы уже видели, как технология обогащения может увеличить резервы урановой руды. Эксплуатация БН-800 только-только началась, БН-1200 пока еще только в чертежах, результаты проекта «Прорыв» мы увидим только в 2020 году. Но давайте без лишней скромности (сколько можно, в конце-то концов) констатируем исторический факт: за все время существования атомного проекта ошибок в развитии технологий со стороны бывшего Министерства среднего машиностроения, бывшего Министерства атомной энергетики и нынешнего Росатома – не было. Отдельные недочеты, огрехи – да, были, но генеральная линия развития, скажем прямо, не ломалась ни разу.

Причин не верить в то, что борьба Росатома за замкнутый ядерный цикл закончится успехом – на мой, конечно, взгляд – просто нет. Вам такое заявление кажется излишне смелым? А давайте оглядимся вокруг, на минуточку позволив себе забыть, что главное достижение человечества – свежая модель айфона. В надежность наших технологий не просто верят, а подписывают контракты на строительство АЭС не только «старые клиенты» – такие, как Венгрия, Иран и Финляндия, Китай и Индия. Впервые появятся АЭС в Египте, во Вьетнаме, в Белоруссии, в Турции, в Бангладеш, в Индонезии – и это будут АЭС российского производства. Значит, не я один верю в наши технологии, в их поступательное развитие. И не у одного у меня зреет уверенность в том, что при очередном скачке развития технологий запасы урана могут оказаться бОльшими, чем запасы углеводородов… И не будем скидывать со счетов еще один возможный резерв урана – новые месторождения. Есть, к примеру, такая страна, где уровень освоения территории геологической разведкой до сих пор не сильно превышает 60% – Россия. Есть страны, где вообще не до геологической разведки – например, Афганистан, Эритрея.

Но рассмотрение перспектив атомной энергетики – отдельная и очень серьезная тема, которую стоит оставить на потом. А эта заметка – вводная к «Урановым подземельям», в которой я хочу предложить посмотреть: что было, что стало, и как мы докатились до жизни такой. Ну и, само собой – без рассказов о новых айфонах от велико-могучих США дело тоже не обойдется. Их есть у меня и, как обычно, придумывать ничего не потребовалось.

Вконтакте

Откуда взялся уран? Скорее всего, он появляется при взрывах сверхновых. Дело в том, что для нуклеосинтеза элементов тяжелее железа должен существовать мощный поток нейтронов, который возникает как раз при взрыве сверхновой. Казалось бы, потом, при конденсации из образованного ею облака новых звездных систем, уран, собравшись в протопланетном облаке и будучи очень тяжелым, должен тонуть в глубинах планет. Но это не так. Уран - радиоактивный элемент, и при распаде он выделяет тепло. Расчет показывает, что если бы уран был равномерно распределен по всей толще планеты хотя бы с той же концентрацией, что и на поверхности, то он выделял бы слишком много тепла. Более того, его поток по мере расходования урана должен ослабевать. Поскольку ничего подобного не наблюдается, геологи считают, что не менее трети урана, а может быть, и весь он сосредоточен в земной коре, где его содержание составляет 2,5∙10 –4 %. Почему так получилось, не обсуждается.

Где добывают уран? Урана на Земле не так уж мало - по распространенности он на 38-м месте. А больше всего этого элемента в осадочных породах - углистых сланцах и фосфоритах: до 8∙10 –3 и 2,5∙10 –2 % соответственно. Всего в земной коре содержится 10 14 тонн урана, но главная проблема в том, что он весьма рассеян и не образует мощных месторождений. Промышленное значение имеют примерно 15 минералов урана. Это урановая смолка - ее основой служит оксид четырехвалентного урана, урановая слюдка - различные силикаты, фосфаты и более сложные соединения с ванадием или титаном на основе шестивалентного урана.

Что такое лучи Беккереля? После открытия Вольфгангом Рентгеном Х-лучей французский физик Антуан-Анри Беккерель заинтересовался свечением солей урана, которое возникает под действием солнечного света. Он хотел понять, нет ли и тут Х-лучей. Действительно, они присутствовали - соль засвечивала фотопластинку сквозь черную бумагу. В одном из опытов, однако, соль не стали освещать, а фотопластинка все равно потемнела. Когда же между солью и фотопластинкой положили металлический предмет, то под ним потемнение было меньше. Стало быть, новые лучи возникали отнюдь не из-за возбуждения урана светом и через металл частично не проходили. Их и назвали поначалу «лучами Беккереля». Впоследствии было обнаружено, что это главным образом альфа-лучи с небольшой добавкой бета-лучей: дело в том, что основные изотопы урана при распаде выбрасывают альфа-частицу, а дочерние продукты испытывают и бета-распад.

Насколько велика радиоактивность урана? У урана нет стабильных изотопов, все они радиоактивные. Самый долгоживущий - уран-238 с периодом полураспада 4,4 млрд лет. Следующим идет уран-235 - 0,7 млрд лет. Оба они претерпевают альфа-распад и становятся соответствующими изотопами тория. Уран-238 составляет более 99% всего природного урана. Из- за его огромного периода полураспада радиоактивность этого элемента мала, а кроме того, альфа-частицы не способны преодолеть ороговевший слой кожи на поверхности человеческого тела. Рассказывают, что И. В. Курчатов после работы с ураном просто вытирал руки носовым платком и никакими болезнями, связанными с радиоактивностью, не страдал.

Исследователи не раз обращались к статистике заболеваний рабочих урановых приисков и обрабатывающих комбинатов. Вот, например, недавняя статья канадских и американских специалистов, которые проанализировали данные о здоровье более 17 тысяч рабочих прииска Эльдорадо в канадской провинции Саскачеван за 1950–1999 годы (Environmental Research , 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Они исходили из того, что сильнее всего радиация действует на быстро размножающиеся клетки крови, приводя к соответствующим видам рака. Статистика же показала, что у рабочих прииска заболеваемость различными видами рака крови меньше, чем в среднем у канадцев. При этом основным источником радиации считается не сам по себе уран, а порождаемый им газообразный радон и продукты его распада, которые могут попасть в организм через легкие.

Чем же вреден уран ? Он, подобно другим тяжелым металлам, весьма ядовит, может вызывать почечную и печеночную недостаточность. С другой стороны, уран, будучи рассеянным элементом, неизбежно присутствует в воде, почве и, концентрируясь в пищевой цепочке, попадает в организм человека. Разумно предположить, что в процессе эволюции живые существа научились обезвреживать уран в природных концентрациях. Наиболее опасен уран в воде, поэтому ВОЗ установила ограничение: поначалу оно составляло 15 мкг/л, но в 2011 году норматив увеличили до 30 мк/г. Как правило, урана в воде гораздо меньше: в США в среднем 6,7 мкг/л, в Китае и Франции - 2,2 мкг/л. Но бывают и сильные отклонения. Так в отдельных районах Калифорнии его в сто раз больше, чем по нормативу, - 2,5 мг/л, а в Южной Финляндии доходит и до 7,8 мг/л. Исследователи же пытаются понять, не слишком ли строг норматив ВОЗ, изучая действие урана на животных. Вот типичная работа (BioMed Research International , 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Французские ученые девять месяцев поили крыс водой с добавками обедненного урана, причем в относительно большой концентрации - от 0,2 до 120 мг/л. Нижнее значение - это вода вблизи шахты, верхнее же нигде не встречается - максимальная концентрация урана, измеренная в той же Финляндии, составляет 20 мг/л. К удивлению авторов - статья так и называется: «Неожиданное отсутствие заметного влияния урана на физиологические системы...», - уран на здоровье крыс практически не сказался. Животные прекрасно питались, прибавляли в весе как следует, на болезни не жаловались и от рака не умирали. Уран, как ему и положено, откладывался прежде всего в почках и костях и в стократно меньшем количестве - в печени, причем его накопление ожидаемо зависело от содержания в воде. Однако ни к почечной недостаточности, ни даже к заметному появлению каких-либо молекулярных маркеров воспаления это не приводило. Авторы предложили начать пересмотр строгих нормативов ВОЗ. Однако есть один нюанс: воздействие на мозг. В мозгах крыс урана было меньше, чем в печени, но его содержание не зависело от количества в воде. А вот на работе антиоксидантной системы мозга уран сказался: на 20% выросла активность каталазы, на 68–90% - глютатионпероксидазы, активность же суперкоксиддисмутазы упала независимо от дозы на 50%. Это означает, что уран явно вызывал окислительный стресс в мозгу и организм на него реагировал. Такой эффект - сильное действие урана на мозг при отсутствии его накопления в нем, кстати, равно как и в половых органах, - замечали и раньше. Более того, вода с ураном в концентрации 75–150 мг/л, которой исследователи из университета Небраски поили крыс полгода (Neurotoxicology and Teratology , 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), сказалаcь на поведении животных, главным образом самцов, выпущенных в поле: они не так, как контрольные, пересекали линии, привставали на задние лапы и чистили шерстку. Есть данные, что уран приводит и к нарушениям памяти у животных. Изменение поведения коррелировало с уровнем окисления липидов в мозгу. Получается, что крысы от урановой водички делались здоровыми, но глуповатыми. Эти данные нам еще пригодятся при анализе так называемого синдрома Персидского залива (Gulf War Syndrome).

Загрязняет ли уран места разработки сланцевого газа? Это зависит от того, сколько урана в содержащих газ породах и как он с ними связан. Например, доцент Трейси Бэнк из Университета Буффало исследовала сланцевые породы месторождения Марцелус, протянувшегося с запада штата Нью-Йорк через Пенсильванию и Огайо к Западной Виргинии. Оказалось, что уран химически связан именно с источником углеводородов (вспомним, что в родственных углистых сланцах самое высокое содержание урана). Опыты же показали, что используемый при разрыве пласта раствор прекрасно растворяет в себе уран. «Когда уран в составе этих вод окажется на поверхности, он может вызвать загрязнение окрестностей. Радиационного риска это не несет, но уран - ядовитый элемент», - отмечает Трейси Бэнк в пресс-релизе университета от 25 октября 2010 года. Подробных статей о риске загрязнения окружающей среды ураном или торием при добыче сланцевого газа пока не подготовлено.

Зачем нужен уран? Раньше его применяли в качестве пигмента для изготовления керамики и цветного стекла. Теперь же уран - основа атомной энергетики и атомного оружия. При этом используется его уникальное свойство - способность ядра делиться.

Что такое деление ядра? Распад ядра на два неравных больших куска. Именно из-за этого свойства при нуклеосинтезе за счет нейтронного облучения ядра тяжелее урана образуются с большим трудом. Суть явления состоит в следующем. Если соотношение числа нейтронов и протонов в ядре не оптимально, оно становится нестабильным. Обычно такое ядро выбрасывает из себя либо альфа-частицу - два протона и два нейтрона, либо бета-частицу - позитрон, что сопровождается превращением одного из нейтронов в протон. В первом случае получается элемент таблицы Менделеева, отстоящий на две клетки назад, во втором - на одну клетку вперед. Однако ядро урана помимо излучения альфа- и бета-частиц способно делиться - распадаться на ядра двух элементов середины таблицы Менделеева, например бария и криптона, что и делает, получив новый нейтрон. Это явление обнаружили вскоре после открытия радиоактивности, когда физики подвергали новооткрытому излучению все, что придется. Вот как пишет об этом участник событий Отто Фриш («Успехи физических наук», 1968, 96, 4). После открытия бериллиевых лучей - нейтронов - Энрико Ферми облучал ими, в частности, уран, чтобы вызвать бета-распад, - он надеялся за его счет получить следующий, 93-й элемент, ныне названный нептунием. Он-то и обнаружил у облученного урана новый тип радиоактивности, который связал с появлением трансурановых элементов. При этом замедление нейтронов, для чего бериллиевый источник покрывали слоем парафина, увеличивало такую наведенную радиоактивность. Американский радиохимик Аристид фон Гроссе предположил, что одним из этих элементов был протактиний, но ошибся. Зато Отто Ган, работавший тогда в Венском университете и считавший открытый в 1917 году протактиний своим детищем, решил, что обязан узнать, какие элементы при этом получаются. Вместе с Лизой Мейтнер в начале 1938 года Ган предположил на основании результатов опытов, что образуются целые цепочки из радиоактивных элементов, возникающих из-за многократных бета-распадов поглотивших нейтрон ядер урана-238 и его дочерних элементов. Вскоре Лиза Мейтнер была вынуждена бежать в Швецию, опасаясь возможных репрессий со стороны фашистов после аншлюса Австрии. Ган же, продолжив опыты с Фрицем Штрассманом, обнаружил, что среди продуктов был еще и барий, элемент с номером 56, который никоим образом из урана получиться не мог: все цепочки альфа-распадов урана заканчиваются гораздо более тяжелым свинцом. Исследователи были настолько удивлены полученным результатом, что публиковать его не стали, только писали письма друзьям, в частности Лизе Мейтнер в Гётеборг. Там на Рождество 1938 года ее посетил племянник, Отто Фриш, и, гуляя в окрестностях зимнего города - он на лыжах, тетя пешком, - они обсудили возможности появления бария при облучении урана вследствие деления ядра (подробнее о Лизе Мейтнер см. «Химию и жизнь», 2013, №4). Вернувшись в Копенгаген, Фриш буквально на трапе парохода, отбывающего в США, поймал Нильса Бора и сообщил ему об идее деления. Бор, хлопнув себя по лбу, сказал: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». В январе 1939 года вышла статья Фриша и Мейтнер о делении ядер урана под действием нейтронов. К тому времени Отто Фриш уже поставил контрольный опыт, равно как и многие американские группы, получившие сообщение от Бора. Рассказывают, что физики стали расходиться по своим лабораториям прямо во время его доклада 26 января 1939 года в Вашингтоне на ежегодной конференции по теоретической физике, когда ухватили суть идеи. После открытия деления Ган и Штрассман пересмотрели свои опыты и нашли, так же, как и их коллеги, что радиоактивность облученного урана связана не с трансуранами, а с распадом образовавшихся при делении радиоактивных элементов из середины таблицы Менделеева.

Как проходит цепная реакция в уране? Вскоре после того, как была экспериментально доказана возможность деления ядер урана и тория (а других делящихся элементов на Земле в сколько-нибудь значимом количестве нет), работавшие в Принстоне Нильс Бор и Джон Уиллер, а также независимо от них советский физик-теоретик Я. И. Френкель и немцы Зигфрид Флюгге и Готфрид фон Дросте создали теорию деления ядра. Из нее следовали два механизма. Один - связанный с пороговым поглощением быстрых нейтронов. Согласно ему, для инициации деления нейтрон должен обладать довольно большой энергией, более 1 МэВ для ядер основных изотопов - урана-238 и тория-232. При меньшей энергии поглощение нейтрона ураном-238 имеет резонансный характер. Так, нейтрон с энергией 25 эВ имеет в тысячи раз большую площадь сечения захвата, чем с другими энергиями. При этом никакого деления не будет: уран-238 станет ураном-239, который с периодом полураспада 23,54 минуты превратится в нептуний-239, тот, с периодом полураспада 2,33 дня, - в долгоживущий плутоний-239. Торий-232 станет ураном-233.

Второй механизм - беспороговое поглощение нейтрона, ему следует третий более-менее распространенный делящийся изотоп - уран-235 (а равно и отсутствующие в природе плутоний-239 и уран-233): поглотив любой нейтрон, даже медленный, так называемый тепловой, с энергией как у молекул, участвующих в тепловом движении, - 0,025 эВ, такое ядро разделится. И это очень хорошо: у тепловых нейтронов площадь сечения захвата в четыре раза выше, чем у быстрых, мегаэлектронвольтных. В этом значимость урана-235 для всей последующей истории атомной энергетики: именно он обеспечивает размножение нейтронов в природном уране. После попадания нейтрона ядро урана-235 становится нестабильным и быстро делится на две неравные части. Попутно вылетает несколько (в среднем 2,75) новых нейтронов. Если они попадут в ядра того же урана, то вызовут размножение нейтронов в геометрической прогрессии - пойдет цепная реакция, что приведет к взрыву из-за быстрого выделения огромного количества тепла. Ни уран-238, ни торий-232 так работать не могут: ведь при делении вылетают нейтроны со средней энергией 1–3 МэВ, то есть при наличии энергетического порога в 1 МэВ значительная часть нейтронов заведомо не сможет вызвать реакцию, и размножения не будет. А значит, про эти изотопы следует забыть и придется замедлять нейтроны до тепловой энергии, чтобы они максимально эффективно взаимодействовали с ядрами урана-235. При этом нельзя допустить их резонансного поглощения ураном-238: все-таки в природном уране этот изотоп составляет чуть меньше 99,3% и нейтроны чаще сталкиваются именно с ним, а не с целевым ураном-235. А действуя замедлителем, можно поддерживать размножение нейтронов на постоянном уровне и взрыва не допустить - управлять цепной реакцией.

Расчет, проведенный Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном в том же судьбоносном 1939 году, показал, что для этого нужно применить замедлитель нейтронов в виде тяжелой воды или графита и обогатить ураном-235 природный уран по меньшей мере в 1,83 раза. Тогда эта идея показалась им чистой фантазией: «Следует отметить, что примерно двойное обогащение тех довольно значительных количеств урана, которые необходимы для осуществления цепного взрыва, <...> представляет собой чрезвычайно громоздкую, близкую к практической невыполнимости задачу». Сейчас эта задача решена, и атомная промышленность серийно выпускает для электростанций уран, обогащенный ураном-235 до 3,5%.

Что такое спонтанное деление ядер? В 1940 году Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили, что деление урана может происходить спонтанно, без всякого внешнего воздействия, правда период полураспада гораздо больше, чем при обычном альфа-распаде. Поскольку при таком делении тоже получаются нейтроны, если не дать им улететь из зоны реакции, они-то и послужат инициаторами цепной реакции. Именно это явление используют при создании атомных реакторов.

Зачем нужна атомная энергетика? Зельдович и Харитон были в числе первых, кто посчитал экономический эффект атомной энергетики («Успехи физических наук», 1940, 23, 4). «...В настоящий момент еще нельзя сделать окончательных заключений о возможности или невозможности осуществления в уране ядерной реакции деления с бесконечно разветвляющимися цепями. Если такая реакция осуществима, то автоматически осуществляется регулировка скорости реакции, обеспечивающая спокойное ее протекание, несмотря на огромное количество находящейся в распоряжении экспериментатора энергии. Это обстоятельство исключительно благоприятно для энергетического использования реакции. Приведем поэтому - хотя это и является делением шкуры неубитого медведя - некоторые числа, характеризующие возможности энергетического использования урана. Если процесс деления идет на быстрых нейтронах, следовательно, реакция захватывает основной изотоп урана (U238), то <исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран> стоимость калории из основного изотопа урана оказывается примерно в 4000 раз дешевле, чем из угля (если, конечно, процессы "сжигания" и теплосъема не окажутся в случае урана значительно дороже, чем в случае угля). В случае медленных нейтронов стоимость "урановой" калории (если исходить из вышеприведенных цифр) будет, принимая во внимание, что распространенность изотопа U235 равна 0,007, уже лишь в 30 раз дешевле "угольной" калории при прочих равных условиях».

Первую управляемую цепную реакцию провел в 1942 году Энрико Ферми в Чикагском университете, причем управляли реактором вручную - задвигая и выдвигая графитовые стержни при изменении потока нейтронов. Первая электростанция была построена в Обнинске в 1954 году. Помимо выработки энергии первые реакторы работали еще и на производство оружейного плутония.

Как функционирует атомная станция? Сейчас большинство реакторов работают на медленных нейтронах. Обогащенный уран в виде металла, сплава, например с алюминием, или в виде оксида складывают в длинные цилиндры - тепловыделяющие элементы. Их определенным образом устанавливают в реакторе, а между ними вводят стержни из замедлителя, которые и управляют цепной реакцией. Со временем в тепловыделяющем элементе накапливаются реакторные яды - продукты деления урана, также способные к поглощению нейтронов. Когда концентрация урана-235 падает ниже критической, элемент выводят из эксплуатации. Однако в нем много осколков деления с сильной радиоактивностью, которая уменьшается с годами, отчего элементы еще долго выделяют значительное количество тепла. Их выдерживают в охлаждающих бассейнах, а затем либо захоранивают, либо пытаются переработать - извлечь несгоревший уран-235, наработанный плутоний (он шел на изготовление атомных бомб) и другие изотопы, которым можно найти применение. Неиспользуемую часть отправляют в могильники.

В так называемых реакторах на быстрых нейтронах, или реакторах-размножителях, вокруг элементов устанавливают отражатели из урана-238 или тория-232. Они замедляют и отправляют обратно в зону реакции слишком быстрые нейтроны. Замедленные же до резонансных скоростей нейтроны поглощают названные изотопы, превращаясь соответственно в плутоний-239 или уран-233, которые могут служить топливом для атомной станции. Так как быстрые нейтроны плохо реагируют с ураном-235, нужно значительно увеличивать его концентрацию, но это окупается более сильным потоком нейтронов. Несмотря на то что реакторы-размножители считаются будущим атомной энергетики, поскольку дают больше ядерного топлива, чем расходуют, - опыты показали: управлять ими трудно. Сейчас в мире остался лишь один такой реактор - на четвертом энергоблоке Белоярской АЭС.

Как критикуют атомную энергетику? Если не говорить об авариях, то основным пунктом в рассуждениях противников атомной энергетики сегодня стало предложение добавить к расчету ее эффективности затраты по защите окружающей среды после выведения станции из эксплуатации и при работе с топливом. В обоих случаях возникают задачи надежного захоронения радиоактивных отходов, а это расходы, которые несет государство. Есть мнение, что если переложить их на себестоимость энергии, то ее экономическая привлекательность пропадет.

Существует оппозиция и среди сторонников атомной энергетики. Ее представители указывают на уникальность урана-235, замены которому нет, потому что альтернативные делящиеся тепловыми нейтронами изотопы - плутоний-239 и уран-233 - из-за периода полураспада в тысячи лет в природе отсутствуют. А получают их как раз вследствие деления урана-235. Если он закончится, исчезнет прекрасный природный источник нейтронов для цепной ядерной реакции. В результате такой расточительности человечество лишится возможности в будущем вовлечь в энергетический цикл торий-232, запасы которого в несколько раз больше, чем урана.

Теоретически для получения потока быстрых нейтронов с мегаэлектронвольтными энергиями можно использовать ускорители частиц. Однако если речь идет, например, о межпланетных полетах на атомном двигателе, то реализовать схему с громоздким ускорителем будет очень непросто. Исчерпание урана-235 ставит крест на таких проектах.

Что такое оружейный уран? Это высокообогащенный уран-235. Его критическая масса - она соответствует размеру куска вещества, в котором самопроизвольно идет цепная реакция, - достаточно мала для того, чтобы изготовить боеприпас. Такой уран может служить для изготовления атомной бомбы, а также как взрыватель для термоядерной бомбы.

Какие катастрофы связаны с применением урана? Энергия, запасенная в ядрах делящихся элементов, огромна. Вырвавшись из-под контроля по недосмотру или вследствие умысла, эта энергия способна натворить немало бед. Две самые чудовищные ядерные катастрофы случились 6 и 8 августа 1945 года, когда ВВС США сбросили атомные бомбы на Хиросиму и Нагасаки, в результате чего погибли и пострадали сотни тысяч мирных жителей. Катастрофы меньшего масштаба связаны с авариями на атомных станциях и предприятиях атомного цикла. Первая крупная авария случилась в1949 году в СССР на комбинате «Маяк» под Челябинском, где нарабатывали плутоний; жидкие радиоактивные отходы попали в речку Течу. В сентябре 1957 года на нем же произошел взрыв с выбросом большого количества радиоактивного вещества. Через одиннадцать дней сгорел британский реактор по наработке плутония в Уиндскейле, облако с продуктами взрыва рассеялось над Западной Европой. В 1979 году сгорел реактор на АЭС Тримейл-Айленд в Пенсильвании. К наиболее масштабным последствиям привели аварии на Чернобыльской АЭС (1986) и АЭС в Фукусиме (2011), когда воздействию радиации подверглись миллионы людей. Первая засорила обширные земли, выбросив в результате взрыва 8 тонн уранового топлива с продуктами распада, которые распространились по Европе. Вторая загрязнила и спустя три года после аварии продолжает загрязнять акваторию Тихого океана в районах рыбных промыслов. Ликвидация последствий этих аварий обошлась весьма дорого, и, если бы разложить эти затраты на стоимость электроэнергии, она бы существенно выросла.

Отдельный вопрос - последствия для здоровья людей. Согласно официальной статистике, многим людям, пережившим бомбардировку или живущим на загрязненной территории, облучение пошло на пользу - у первых более высокая продолжительность жизни, у вторых меньше онкологических заболеваний, а некоторое увеличение смертности специалисты связывают с социальным стрессом. Количество же людей, погибших именно от последствий аварий или в результате их ликвидации, исчисляется сотнями человек. Противники атомных электростанций указывают, что аварии привели к нескольким миллионам преждевременных смертей на европейском континенте, просто они незаметны на статистическом фоне.

Вывод земель из человеческого использования в зонах аварий приводит к интересному результату: они становятся своего рода заповедниками, где растет биоразнообразие. Правда, отдельные животные страдают от болезней, связанных с облучением. Вопрос, как быстро они приспособятся к повышенному фону, остается открытым. Есть также мнение, что последствием хронического облучения оказывается «отбор на дурака» (см. «Химию и жизнь», 2010, №5): еще на стадии эмбриона выживают более примитивные организмы. В частности, применительно к людям это должно приводить к снижению умственных способностей у поколения, родившегося на загрязненных территориях вскоре после аварии.

Что такое обедненный уран? Это уран-238, оставшийся после выделения из него урана-235. Объемы отхода производства оружейного урана и тепловыделяющих элементов велики - в одних США скопилось 600 тысяч тонн гексафторида такого урана (о проблемах с ним см. «Химию и жизнь», 2008, №5). Содержание урана-235 в нем - 0,2%. Эти отходы надо либо хранить до лучших времен, когда будут созданы реакторы на быстрых нейтронах и появится возможность переработки урана-238 в плутоний, либо как-то использовать.

Применение ему нашли. Уран, как и другие переходные элементы, используют в качестве катализатора. Например, авторы статьи в ACS Nano от 30 июня 2014 года пишут, что катализатор из урана или тория с графеном для восстановления кислорода и перекиси водорода «имеет огромный потенциал для применения в энергетике». Поскольку плотность урана высока, он служит в качестве балласта для судов и противовесов для самолетов. Годится этот металл и для радиационной защиты в медицинских приборах с источниками излучения.

Какое оружие можно делать из обедненного урана? Пули и сердечники для бронебойных снарядов. Расчет здесь такой. Чем тяжелее снаряд, тем выше его кинетическая энергия. Но чем больше размер снаряда, тем менее концентрирован его удар. Значит, нужны тяжелые металлы, обладающие высокой плотностью. Пули делают из свинца (уральские охотники одно время использовали и самородную платину, пока не поняли, что это драгоценный металл), сердечники же снарядов - из вольфрамового сплава. Защитники природы указывают, что свинец загрязняет почву в местах боевых действий или охоты и лучше бы заменить его на что-то менее вредное, например на тот же вольфрам. Но вольфрам недешев, а сходный с ним по плотности уран - вот он, вредный отход. При этом допустимое загрязнение почвы и воды ураном примерно в два раза больше, чем для свинца. Так получается потому, что слабой радиоактивностью обедненного урана (а она еще и на 40% меньше, чем у природного) пренебрегают и учитывают действительно опасный химический фактор: уран, как мы помним, ядовит. В то же время его плотность в 1,7 раза больше, чем у свинца, а значит, размер урановых пуль можно уменьшить в два раза; уран гораздо более тугоплавкий и твердый, чем свинец, - при выстреле он меньше испаряется, а при ударе в цель дает меньше микрочастиц. В общем, урановая пуля меньше загрязняет окружающую среду, чем свинцовая, правда, достоверно о таком использовании урана неизвестно.

Зато известно, что пластины из обедненного урана применяют для укрепления брони американских танков (этому способствуют его высокие плотность и температура плавления), а также вместо вольфрамового сплава в сердечниках для бронебойных снарядов. Урановый сердечник хорош еще и тем, что уран пирофорен: его горячие мелкие частицы, образовавшиеся при ударе о броню, вспыхивают и поджигают все вокруг. Оба применения считаются радиационно безопасными. Так, расчет показал, что, даже просидев безвылазно год в танке с урановой броней, загруженном урановым боекомплектом, экипаж получит лишь четверть допустимой дозы. А чтобы получить годовую допустимую дозу, надо на 250 часов прикрутить к поверхности кожи такой боеприпас.

Снаряды с урановыми сердечниками - к 30-мм авиационным пушкам или к артиллерийским подкалиберным - применяли американцы в недавних войнах, начав с иракской кампании 1991 года. В тот год они высыпали на иракские бронетанковые части в Кувейте и при их отступлении 300 тонн обедненного урана, из них 250 тонн, или 780 тысяч выстрелов, пришлось на авиационные пушки. В Боснии и Герцеговине при бомбежках армии непризнанной Республики Сербской было истрачено 2,75 тонны урана, а при обстрелах югославской армии в крае Косово и Метохия - 8,5 тонн, или 31 тысяча выстрелов. Поскольку ВОЗ к тому времени озаботилась последствиями применения урана, был проведен мониторинг. Он показал, что один залп состоял примерно из 300 выстрелов, из которых 80% содержало обедненный уран. В цели попадало 10%, а 82% ложилось в пределах 100 метров от них. Остальные рассеивались в пределах 1,85 км. Снаряд, попавший в танк, сгорал и превращался в аэрозоль, легкие цели вроде бронетранспортеров урановый снаряд прошивал насквозь. Таким образом, в урановую пыль в Ираке могло превратиться от силы полторы тонны снарядов. По оценкам же специалистов американского стратегического исследовательского центра «RAND Corporation», в аэрозоль превратилось больше, от 10 до 35% использованного урана. Борец с урановыми боеприпасами хорват Асаф Дуракович, работавший во множестве организаций от эр-риядского Госпиталя короля Фейсала до вашингтонского Уранового медицинского исследовательского центра, считает, что только в Южном Ираке в 1991 году образовалось 3–6 тонн субмикронных частиц урана, которые рассеялись по обширному району, то есть урановое загрязнение там сопоставимо с чернобыльским.

Уран представляет собой радиоактивный металл. В природе уран состоит из трех изотопов: уран-238, уран-235 и уран-234. Наивысший уровень стабильности фиксируется у урана-238.

Радиоактивный распад урана

Радиоакти́вным распа́дом называют процесс внезапного изменения состава или внутреннего строения атомных ядер, которые отличаются нестабильностью. При этом испускаются элементарные частицы, гамма-кванты и/или ядерные фрагменты. Радиоактивные вещества содержат радиоактивное ядро. Получившееся вследствие радиоактивного распада дочернее ядро может тоже стать радиоактивным и спустя определенное время подвергается распаду. Этот процесс происходит до того момента, пока не образуется стабильное ядро, лишенное радиоактивности. Э. Резерфорд методом эксперимента в 1899 доказал, что урановые соли испускают три вида лучей:

• α-лучи - поток положительно заряженных частиц
• β-лучи - поток отрицательно заряженных частиц
• γ-лучи - не создают отклонений в магнитном поле.

Радиоактивность урана

Естественная радиоактивность - вот что отличает радиоактивный уран от прочих элементов. Атомы урана не зависимо ни от каких факторов и условий постепенно изменяются. При этом испускаются невидимые лучи. После трансформаций, которые происходят с атомами урана, получается иной радиоактивный элемент и процесс повторяется. Он будет повторять столько раз, сколько необходимо, чтобы получился не радиоактивный элемент. К примеру, некоторые цепочки превращений насчитывают до 14 стадий. При этом промежуточным элементом является радий, а последняя стадия - образование свинца. Этот металл не является радиоактивным элементом, поэтому ряд превращений прерывается. Однако для полного превращения урана в свинец необходимо несколько миллиардов лет.
Радиоактивная руда урана часто становится причиной отравлений на предприятиях, занимающихся добычей и переработкой уранового сырья. В человеческом организме уран - общеклеточный яд. Он поражает главным образом почки, но встречаются и поражения печени и желудочно-кишечного тракта.
Уран не имеет полностью стабильных изотопов. Наибольший период жизни отмечается у урана-238. Полу распад урана-238 происходит на протяжении 4,4 млрд лет. Чуть меньше одного миллиарда лет идет полу распад урана-235 — 0,7 млрд лет. Уран-238 занимает свыше 99% всего объема природного урана. Вследствие его колоссального периода полураспада радиоактивность этого металла не высокая, к примеру, альфа-частицы не могут проникнуть через ороговевший слой кожи человека. После ряда проведенных исследований ученые выяснили, что главным источником радиации является не сам уран, а образуемый им газ радон, а также продукты его распада, попадающие в человеческий организм во время дыхания.