Уранът е основният елемент на ядрената енергия
Използватеостарял браузър. Моля, надстройте браузъра си, за да подобрите практическата си работа.
Уранът е основният елемент на ядрената енергия
| Откъде идва уранът? |
 |
На Земята има много уран - по отношение на разпространението той е на 38-мо място. И най-вече този елемент е в седиментните скали - въглеродни шисти и фосфорити. Общо земната кора съдържа 10 14 тона уран, но основният проблем е, че той е много разпръснат и не образува мощни находища. Около 15 уранови минерала са от промишлено значение. Това е уранова смола - нейната основа е четиривалентен уранов оксид, уранова слюда - различни силикати, фосфати и по-сложни съединения с ванадий или титан на базата на шествалентен уран.
След откриването на рентгеновите лъчи от Волфганг Рьонтген, френският физик Антоан-Анри Бекерел се интересува от светенето на уранови соли, което възниква под действието на слънчевата светлина. Искаше да разбере дали и тук има рентгенови лъчи. Наистина ги имаше – солта осветяваше фотографската плака през черната хартия. При един от експериментите обаче солта не е осветена и фотографската плака все още е потъмняла. Когато между солта и фотоплаката се постави метален предмет, потъмняването под него беше по-малко. Следователно новите лъчи изобщо не са възникнали поради възбуждането на урана от светлина и не са преминали частично през метала. Отначало те са били наричани "лъчи на Бекерел". Впоследствие беше установено, че това са предимно алфа лъчи с малко добавяне на бета лъчи: факт е, че основните изотопи на урана излъчват алфа частица по време на разпадане, а дъщерните продукти също изпитват бета разпад.
Уранът няма стабилни изотопи, всички те са радиоактивни. Най-дълголетният е уран-238 с период на полуразпад 4,4 милиарда години. Следващият е уран-235 - 0,7 милиарда години. И двата претърпяват алфа разпад и се превръщат в съответните изотопи на тория. Уран-238 представлява над 99% от целия естествен уран. Поради огромния си полуживот, радиоактивността на този елемент е малка, алфа частиците не са в състояние да преодолеят роговия слой на повърхността на човешкото тяло. Казват, че след работа с уран И. В. Курчатов просто избърсвал ръцете си с носна кърпа и не страдал от никакви заболявания, свързани с радиоактивността.
Подобно на други тежки метали, уранът е силно токсичен и може да причини бъбречна и чернодробна недостатъчност. От друга страна, като дисперсен елемент, той неизбежно присъства във водата, почвата и, концентрирайки се в хранителната верига, навлиза в човешкото тяло. Логично е да се предположи, че в процеса на еволюция живите същества са се научили да неутрализират урана в естествени концентрации. Най-опасен е уранът във водата.
Преди това се използва като пигмент за производството на керамика и цветно стъкло. Сега уранът е в основата на ядрената енергия и ядрените оръжия. В този случай се използва неговото уникално свойство - способността на ядрото да се дели.
Разпадането на ядрото на две неравни големи части. Именно поради това свойство по време на нуклеосинтезата поради неутронно облъчване се образуват много трудно ядра, по-тежки от урана. Ако съотношението на броя на неутроните и протоните в ядрото не е оптимално, то става нестабилно. Обикновено такова ядро изхвърля или алфа частица - два протона и два неутрона, или бета частица.частица - позитрон, която е придружена от трансформацията на един от неутроните в протон. В първия случай се получава елемент от периодичната таблица, отдалечен две клетки назад, във втория - една клетка напред. Въпреки това, ядрото на урана, в допълнение към излъчването на алфа и бета частици, е способно на делене - разпада се на ядрата на два елемента в средата на периодичната таблица, например барий и криптон, което прави, след като получи нов неутрон. Това явление беше открито малко след откриването на радиоактивността, когато физиците изложиха всичко, което имаха, на новооткритата радиация.
Първата атомна бомба на И.Курчатов
Скоро след като експериментално е доказана възможността за делене на ядрата на уран и торий (и на Земята няма други делящи се елементи в някакво значително количество), Нилс Бор и Джон Уилър, които са работили в Принстън, и независимо от тях съветският физик теоретик Я. И. Френкел и германците Зигфрид Флюге и Готфрид фон Дросте създават теорията за ядреното делене. От него последваха два механизма. Единият е свързан с праговата абсорбция на бързите неутрони. Според него, за да започне делене, неутронът трябва да има доста висока енергия, повече от 1 MeV за ядрата на основните изотопи - уран-238 и торий-232. При по-ниски енергии поглъщането на неутрон от уран-238 има резонансен характер. По този начин неутрон с енергия от 25 eV има напречно сечение на улавяне, което е хиляди пъти по-голямо, отколкото при други енергии. В този случай няма да има делене: уран-238 ще стане уран-239, който с период на полуразпад от 23,54 минути ще се превърне в нептуний-239, този с период на полуразпад 2,33 дни ще се превърне в дългоживещ плутоний-239. Торий-232 ще стане уран-233.
Зареждане на горивен елемент в реактора на блок 4 на Калининската АЕЦ
Вторият механизъм ебезпрагово поглъщане на неутрон, той е последван от третия повече или по-малко разпространен делящ се изотоп - уран-235 (както и плутоний-239 и уран-233, които липсват в природата): поглъщайки всеки неутрон, дори бавен, така нареченият топлинен, с енергия като тази на молекулите, участващи в топлинно движение - 0,025 eV, такова ядро ще се раздели . И това е много добре: за термичните неутрони площта на напречното сечение на улавяне е четири пъти по-висока, отколкото за бързите, мегаелектронволтови. Това е значението на уран-235 за цялата последваща история на ядрената енергетика: именно той осигурява размножаването на неутроните в естествения уран. След като удари неутрон, ядрото на уран-235 става нестабилно и бързо се разделя на две неравни части. По пътя излитат няколко (средно 2,75) нови неутрона. Ако ударят ядрата на същия уран, те ще накарат неутроните да се умножат експоненциално - ще започне верижна реакция, която ще доведе до експлозия поради бързото отделяне на огромно количество топлина. Нито уран-238, нито торий-232 могат да работят така: в края на краищата по време на делене се излъчват неутрони със средна енергия от 1-3 MeV, тоест, ако има енергиен праг от 1 MeV, значителна част от неутроните със сигурност няма да могат да предизвикат реакция и няма да има възпроизвеждане. Това означава, че тези изотопи трябва да бъдат забравени и неутроните ще трябва да бъдат забавени до топлинна енергия, така че да взаимодействат с ядрата на уран-235 възможно най-ефективно. В същото време не може да се допусне тяхното резонансно поглъщане от уран-238: в крайна сметка в естествения уран този изотоп е малко по-малко от 99,3% и неутроните по-често се сблъскват с него, а не с целевия уран-235. И действайки като модератор, е възможно да се поддържа размножаването на неутрони на постоянно ниво и да се предотврати експлозия - да се контролира верижна реакция.
Изчислението, извършено от Я. Б. Зелдович и Ю. Б. Харитон в същия съдбоносен1939 г., показа, че за това е необходимо да се използва модератор на неутрони под формата на тежка вода или графит и да се обогати естественият уран с уран-235 най-малко 1,83 пъти. Тогава тази идея им изглеждаше чиста фантазия. Сега тя е решена и ядрената индустрия масово произвежда уран, обогатен с уран-235 до 3,5% за електроцентрали.
Повечето реактори работят с бавни неутрони. Обогатеният уран под формата на метал, сплав, например с алуминий, или под формата на оксид се поставя в дълги цилиндри - горивни елементи. Те са монтирани по определен начин в реактора, като между тях са въведени пръти от модератора, които управляват верижната реакция. С течение на времето в горивния елемент се натрупват реакторни отрови - продукти на делене на уран, също способни да абсорбират неутрони. Когато концентрацията на уран-235 падне под критичното ниво, елементът се извежда от експлоатация. Въпреки това, той съдържа много фрагменти от делене със силна радиоактивност, която намалява с годините, поради което елементите излъчват значително количество топлина за дълго време. Държат ги в охладителни басейни, след което или ги заравят, или се опитват да ги преработят – да извлекат неизгорял уран-235, натрупан плутоний (използван е за направата на атомни бомби) и други изотопи, които могат да се използват. Неизползваната част се изпраща в гробищата.
В така наречените реактори на бързи неутрони или реактори-размножители около елементите са монтирани рефлектори от уран-238 или торий-232. Те забавят и изпращат твърде бързи неутрони обратно в реакционната зона. Забавени до резонансни скорости, неутроните абсорбират тези изотопи, превръщайки се съответно в плутоний-239 или уран-233, които могат да служат катогориво за атомна електроцентрала. Тъй като бързите неутрони не реагират добре с уран-235, е необходимо значително да се увеличи концентрацията му, но това се отплаща с по-силен неутронен поток. Въпреки факта, че размножителните реактори се смятат за бъдещето на ядрената енергия, тъй като те осигуряват повече ядрено гориво, отколкото консумират, експериментите показват, че те са трудни за контролиране. Сега в света е останал само един такъв реактор - в четвърти енергоблок на Белоярската АЕЦ.
Ако не говорим за аварии, основният момент в аргументите на противниците на ядрената енергетика днес беше предложението към изчисляването на нейната ефективност да се добавят разходите за опазване на околната среда след извеждане от експлоатация на централата и при работа с гориво. И в двата случая възниква задачата за надеждно погребване на радиоактивните отпадъци, а това са разходите, които държавата поема. Има мнение, че ако те бъдат прехвърлени към цената на енергията, тогава нейната икономическа привлекателност ще изчезне.
Това е високообогатен уран-235. Неговата критична маса - тя съответства на размера на парче материя, в което спонтанно възниква верижна реакция - е достатъчно малка, за да направи боеприпас. От такъв уран може да се направи атомна бомба, както и взривител за термоядрена бомба.
Това е уран-238, останал от добива на уран-235. Обеми отпадъци от производството на оръжеен уран и горивни елементи. Съдържанието на уран-235 в него е 0,2%. Тези отпадъци или трябва да се съхраняват до по-добри времена, когато ще бъдат създадени реактори на бързи неутрони и ще бъде възможно преработката на уран-238 в плутоний, или по някакъв начинизползване.
Ампули с изотопи, изолирани от облъчен материал в RINR JSC Rosatom
Поради високата си плътност уранът служи като баласт за кораби и противотежести за самолети. Този метал е подходящ и за радиационна защита в медицински изделия с източници на радиация.