Уран — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, атомная масса 238,029; обозначается символом U (лат. Uranium), относится к семейству актиноидов.
История
Ещё в древнейшие времена (I-й век до нашей эры) природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики.
Уран был открыт в 1789 немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом (Klaproth) при исследовании минерала настуран («урановая смолка»). Назван им в честь планеты Уран, открытой Уильямом Гершелем в 1781. В металлическом состоянии уран получен в 1841 французским химиком Эженом Пелиго при восстановлении UCl4 металлическим калием. Радиоактивные свойства урана обнаружил в 1896 француз Анри Беккерель. Первоначально урану приписывали атомную массу 116, но в 1871 Д. И. Менделеев пришел к выводу, что ее надо удвоить. После открытия элементов с атомными номерами от 90 до 103 американский химик Г.Сиборг пришел к выводу, что эти элементы (актиноиды) правильнее располагать в периодической системе в одной клетке с элементом № 89 актинием.
Физические свойства
Уран очень тяжелый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667.7 °C, плотность 18.95), бета (четырехугольная, стабильна от 667.7 до 774.8 °C), гамма (с объемно центрированной кубической структурой, существующей от 774.8 °C до точки плавления). Изотопный состав: U-238-99.2836%, U-235-0.7110%, U-234-0.0054%
Изотопы
U-238.
Хотя уран-238 не может быть использован как первичный делящийся материал, из-за высокой энергии нейтронов, необходимых для его деления, он занимает важное место в ядерной отрасли.
Имея высокую плотность и атомный вес, U-238 пригоден для изготовления из него оболочек заряда/рефлектора в устройствах синтеза и деления. Тот факт, что он делится быстрыми нейтронами, увеличивает энерговыход заряда: косвенно, размножением отраженных нейтронов; непосредственно при делении ядер оболочки быстрыми нейтронами (при синтезе). Примерно 40% нейтронов, образованных при делении и все нейтроны синтеза обладают достаточными для деления U-238 энергиями.
U-238 имеет интенсивность спонтанного деления в 35 раз более высокую, чем U-235, 5.51 делений/с*кг. Это делает невозможным применение его в качестве оболочки заряда/рефлектора в пушечных бомбах, ибо подходящая его масса (200-300 кг) создаст слишком высокий нейтронный фон.
Чистый U-238 имеет удельную радиоактивность 0.333 микрокюри/г.
Важная область применения этого изотопа урана — производство плутония-239. Плутоний образуется в ходе нескольких реакций, начинающихся после захвата атомом U-238 нейтрона. Любое реакторное топливо, содержащее природный или частично обогащенный по 235-му изотопу уран, после окончания топливного цикла содержит в себе определенную долю плутония.
U-235.
В природном уране только один, относительно редкий, изотоп подходит для изготовления ядра атомной бомбы или поддержания реакции в энергетическом реакторе. Степень обогащения по U-235 в ядерном топливе для АЭС колеблется в пределах 2-4.5%, для оружейного использования — минимум 80%, а более предпочтительно 90%. В США уран-235 оружейного качества обогащен до 93.5%, промышленность способна выдавать 97.65% — уран такого качества используется в реакторах для военно-морского флота.
Будучи еще более легким, U-234 пропорционально обогащается даже еще в большей степени, чем U-235 во всех процессах разделения, основанных на разнице в массах. Высокообогащенный U-235 обычно содержит 1.5-2.0% U-234.
Интенсивность спонтанного деления U-235 0.16 делений/с*кг. Чистая 60-килограмовая масса U-235 производит всего 9.6 делений/с, делая достаточно простой для изготовления пушечную схему. U-238 создает в 35 раз больше нейтронов на килограмм, так что даже маленький процент этого изотопа поднимает этот показатель в несколько раз. U-234 создает в 22 раза больше нейтронов и имеет похожее с U-238 нежелательное действие.
Удельная активность U-235 всего 2.1 микрокюри/г; загрязнение его 0.8% U-234 поднимают ее до 51 микрокюри/г.
Применение
Наибольшее применение имеет изотоп урана 235U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии (критическая масса около 48 кг).
Выделение изотопа U235 из природного урана — сложная технологическая проблема, (см. разделение изотопов). Изотоп U238 способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порожденные термоядерной реакцией). В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом 238U может превращаться в 239Pu, который затем используется как ядерное топливо.
Уран-233 искуственно получаемый в реакторах (посредством облучения тория-232 нейтронами и превращающегося в протактиний-233 и затем в уран-233) является ядерным топливом для атомных электростанций и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).
Использование урана в ЯО.
Уран 235 использовался в самых ранних ЯО пушечной схемы, например – бомбе “Little boy”, сброшенной на Хиросиму. Схема была признана малоэффективной т.к. выход энергии составлял менее 1% от количества использованного делящегося материала. Позже, в 50-е и 60-е, использовался для производства некоторых видов тактического Я.О. малых калибров, например артиллерийских снарядов (W-9, W-19, W-23, W-33 280mm снаряды мощностью 15-25 Кт), авиабомб (Mk-8 1952-1957 25-30Кт, Mk-11 1956-1960 ), и боеголовок ракет (W-8 1955). Здесь, видимо, сыграло роль то, что пушечная схема более подходит под форм-фактор боеприпасов относительно небольшого (в сравнении с имплозивной схемой) калибра. На текущий момент, по имеющимся данным, ЯО на основе реакции деления 235U сняты с вооружения всех стран. Последние боеприпасы такого типа были демонтированы в ЮАР в 1989 году.
Способность стабильного (238) изотопа урана делиться под воздействием высокоэнергетических нейтронов, нашла применение в "слойке" академика Сахарова. Им была предложена идея использовать в качестве ядерного материала уран 238, который считался отходами при производстве урана 235. Оказалось что, при бомбардировке этих "отходов" нейтронами термоядерного синтеза, в 10 раз более энергичными, чам нейтроны реакции деления тяжелых ядер, "отходы" начинают делиться. При этом стоимость дополнительных килотонн выхода во много раз уменьшается.
Продолжение следует. Stay tuned.
Подробнее:
© 2000–2012 NoNaMe