Природный уран: Уран: факты и фактики

alexxlab | 06.02.1983 | 0 | Разное

Содержание

Уран: факты и фактики

А. Мотыляев
«Химия и жизнь» №8, 2014

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 1014 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.

АО «Атомредметзолото» – Физические свойства

Мы используем куки-файлы (cookies) на нашем сайте для того, чтобы улучшить его работу.

Что такое куки-файлы?
Куки-файлы представляют собой небольшие текстовые файлы, которые пересылаются на ваш компьютер (или мобильное устройство), когда вы впервые посещаете сайт. Они помогают опознать вас (ваше устройство), когда вы в следующий раз посетите сайт; помогают вам быстрее справляться с формами для заполнения, а также рекомендовать определенный контент, исходя из вашего предыдущего поведения на сайте. Термин cookies применяется по отношению ко всем файлам, которые собирают информацию подобным образом.

Некоторые куки-файлы содержат личную информацию. Например, если вы кликнете на «напомнить мне» при загрузке, такой файл запомнит ваше имя пользователя. Но большинство куки-файлов не собирает информацию, по которой можно идентифицировать конкретно вас, вместо этого они собирают более общую информацию (местоположение, географическая зона и пр.).

Какими куки-файлами пользуется Урановый холдинг «АРМЗ»?
В общих чертах, наши куки-файлы выполняют четыре различные функции:

Основные куки-файлы
Такие куки-файлы позволяют идентифицировать подписчиков и гарантировать, что они заходят только на страницы, на которые подписались. Если подписчик выберет вариант отмены этих куки-файлов, то он не сможет получить доступ ко всему содержанию, которое обеспечено ему подпиской.

Оперативные куки-файлы
Куки-файлы этого типа используются для анализа того, как вы пользуетесь нашим сайтом, для мониторинга его показателей. Это позволяет нам предоставлять высококачественные услуги за счет предоставления быстрого доступа к наиболее популярным страницам.

Функциональные куки-файлы
Подобные куки-файлы используются, чтобы запоминать предпочтения пользователей. К примеру, они помогают сберечь ваше время при заполнении различных форм, для сохранения указанных вами в качестве предпочтительных настроек.

Другие куки-файлы
Определенные куки-файлы используются для сбора статистики, мониторинга трафика на сайте (например, при работе с программами «Яндекс. Метрика» и Google Analytics), улучшения функциональности сайта, а также выявления использования ботов (роботов).

Больше информацииИногда куки-файлы используются рекламодателями для того, чтобы показывать пользователям рекламу, исходя из их предпочтений. Если вы – резидент Европейского Союза и хотите узнать больше о том, как куки-файлы используются в таких целях или выбрать отказ от них, пожалуйста, посетите www.youronlinechoices.eu. Помните, что если вы выберете отключение использования куки-файлов, вы можете обнаружить, что некоторые разделы сайтов не будут работать привычным для вас образом.

Более подробно о том, как юридические лица могут использовать куки-файлы, рассказано на www.allaboutcookies.org.

Если у вас есть вопросы по поводу использования куки-файлов, пожалуйста, свяжитесь с нашим контактным лицом по эл. почте: [email protected]

Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный? / Хабр

Правда что ли, скажете вы, природный уран никому не нужен? Давайте посмотрим на потребление.

В данный момент спросом в мире пользуются следующие виды обогащенного урана:

  • 1. Природный уран (0,712%). Тяжеловодные реакторы (PHWR), например CANDU
  • 2. Слабо-обогащенный уран (2-3%, 4-5%). Реакторы типа вода-графит-цирконий, вода-вода-цирконий, реакторы ВВЭР, PWR, РБМК
  • 3. Средне обогащённый уран (15-25%), Быстрые реакторы, реакторы транспортных (ледоколы, ПАТЭС) ЯЭУ
  • 4. Высокообогащенный уран (>50%), ТрЯЭУ (подлодки), исследовательские реакторы.

Природный уран проходит только по первому пункту. Если предположить, что у нас в мире потребители урана это только коммерческие реакторы, то PHWR из них — это менее 10%. А если считать все остальное (транспортные, исследовательские) то… короче говоря природный уран ни к селу ни к городу. А значит почти любой потребитель требует наращивания процентного содержания легкого изотопа в смеси 235-238. Более того, уран используется не только в ядерной энергетике, но и в производстве брони, боеприпасов, и еще кое-чего. А там лучше иметь обедненный уран, что в принципе требует тех же процессов, только наоборот.

Про методы обогащения и будет статья.

В качестве сырья для обогащения используют не чистый металлический уран, а гексафторид урана UF6, который по совокупности свойств является наиболее подходящим химическим соединением для изотопного обогащения. Для химиков отметим, что фторирование урана происходит в вертикальном плазменном реакторе.
Несмотря на все обилие методов обогащения на сегодняшний день только две из них используются в промышленных масштабах — газовая диффузия и центрифуги. В обоих случаях используется газ — UF6.

Ближе к делу о разделении изотопов. Для любого метода эффективность разделения изотопов характеризуется коэффициентом разделения α – отношение доли «легкого» изотопа в «продукте» к его доле в первичной смеси.

Для большинства методов α лишь немного больше единицы, поэтому для получения высокой изотопной концентрации единичную операцию разделения изотопов приходится многократно повторять (каскады). Например, для газодиффузионного метода α=1.00429, для центрифуг значение сильно зависит от окружной скорости – при 250м/с α=1.026, при 600м/с α=1.233. Только при электромагнитном разделении α составляет 10—1000 за 1 цикл разделения. Сравнительная таблица по нескольким параметрам будет в конце.

Весь каскад машин по обогащению всегда разбит на ступени. В первой ступени каскада разделения поток исходной смеси разбивается на два потока: обедненный (удаляемый из каскада), и обогащенный. Обогащенный подается на 2-ю ступень. На 2-й ступени однажды обогащенный поток вторично подвергается разделению:
обогащенный поток 2-й ступени поступает на 3-ю, а ее обедненный поток возвращается на предыдущую (1-ю) и т.д. С последней ступени каскада отбирается готовый продукт с требуемой концентрацией заданного изотопа.

Коротко расскажу про основные методы разделения, применявшиеся когда либо в мире.

Электромагнитное разделение

По этому методу возможно разделить компоненты смеси в магнитном поле, причем с высокой чистотой. Электромагнитное разделение является исторически первым методом, освоенным для разделения изотопов урана.

Поскольку разделение можно выполнить с ионами урана, то конверсия урана в UF6 в принципе — не обязательна. Этот метод дает высокую чистоту, но низкий выход при больших энергозатратах. Вещество, изотопы которого требуется разделить, помещается в тигель ионного источника, испаряется и ионизуется. Ионы вытягиваются из ионизационной камеры сильным электрическим полем. Ионный пучок попадает в вакуумную разделительную камеру в магнитном поле Н, направленном перпендикулярно движению ионов. В результате ионы движутся по своим окружностям с различными (в зависимости от массы) радиусами кривизны. Достаточно взглянуть на картинку и вспомнить школьные уроки, где все мы считали, по какому радиусу полетит электрон или протон в магнитном поле.


Схема, демонстрирующая принцип электромагнитного разделения.

Преимущество способа – использование относительно простой технологии (калютроны: CALifornia University).
Применялся для обогащения урана на заводе Y-12 (США), имел 5184 разделительные камеры — «калютроны», и впервые позволил получить килограммовые количества 235U высокого обогащения – 80% или выше.

В Манхэттенском проекте калютоны использовались после термодиффузии – на альфа-калютроны поступало сырье 7% (завод Y-12) и обогащась до 15%. Уран оружейного качества (до 90%) получался на бета-калютронах на заводе Y-12. Альфа и бета калютроны не имеют ничего общего с альфа и бета частицами, просто это две «линии» калютронов, одна для предварительного, вторая для конечного обогащения.

Метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой степенью разделения. Двух проходов достаточно для обогащения выше 80% из бедного вещества с исходным содержанием менее 1%. Производительность определяется значением ионного тока и эффективностью улавливания ионов — до нескольких граммов изотопов в сутки (суммарно по всем изотопам).


Один из цехов электромагнитного разделения в Ок-Ридже (США)


Гигантский альфа-калютрон того же завода

Диффузионные методы

Диффузионные методы применялись для начального обогащения. На ряду с электромагнитным методом – исторически один из первых. Под диффузионным методом обычно понимают газовую диффузию – когда гексафторид урана нагревают до определенной температуры и пропускают через «сито» — специальной конструкции фильтр с отверстиями определённого размера.

Коротко из доклада Кокоина (6 сентрябра 1945 года):

Если пропускать газ, состоящий из двух сортов молекул (в нашем случае двух изотопов), через малое отверстие или через сетку, состоящую из большого числа малых отверстий, то оказывается, что более легкие молекулы газа проходят в большем количестве, нежели тяжелые. Существенно отметить, что это явление имеет место только тогда, когда молекулы проходят через отверстие, не сталкиваясь в нем,… т.е., когда длина свободного пробега молекулы больше диаметра отверстия. Соответственно, газ, прошедший мимо сеток, оказывается обедненным легкими молекулами. Практически же всегда имеет место обратное просачивание газа сквозь сетку, вследствие чего в действительности увеличение концентрации легкого изотопа (обогащение) оказывается несколько меньшим.

Ключевым моментом тут является фраза про размер отверстий. Первоначально сетки делали механическим способом, как сейчас – никто не знает. Более того материал — должен работать при повышенной температуре, а сами отверстия не должны закупориваться, из размер не должен меняться под действием коррозии и др. Технологии изготовления диффузионных барьеров засекречены до сих пор – такие же ноу-хау, как и с центрифугами.

Подробнее под спойлером, из того же доклада.

«О состоянии научно-исследовательских и практических работ Лаборатории № 2 по получению урана-235 диффузионным методом»

Обогащение оказывается тем большим, чем больше перепад давления на сетке. Перепад давления создается обычно компрессором (насосом), осуществляющим движение газа между сетками. Такая система, состоящая из сеток и компрессора, движущего газ, и является разделительной ступенью

В качестве газа мы употребляем шестифтористый уран. Это соль, обладающая довольно высокой упругостью пара при комнатной температуре. Что касается сеток, то к ним предъявляется требование, чтобы диаметр отверстия их был меньше длины свободного пробега молекул шестифтористого урана. Последняя, как это хорошо известно, обратно пропорциональна давлению газа. При атмосферном давлении длина свободного пробега молекул приблизительно равна 1/10000 мм. Поэтому, если бы мы умели делать тонкую сетку с отверстиями меньше 1/10 000 мм, мы могли бы работать с газом при атмосферном давлении.

В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1000 мм, т.е. в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении. Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного давления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмосферы, т.е. в условиях хорошего вакуума. Многократное обогащение газа при непрерывном процессе работы может быть осуществлено при помощи каскадной установки, состоящей из большого числа ступеней, соединенных последовательно. Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концентрации в 90% легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2000 таких ступеней. В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75-100 г урана-235 в сутки. Установка будет состоять приблизительно из 80-100 «колонн», в каждой из которых будет смонтировано 20-25 ступеней. Общая площадь сеток (площадью сеток определяется производительность всей установки) составит около 8000 м2. Общая мощность, расходуемая компрессорами, составит 20 000 кВт.

К тому же хороший вакуум, что требует достаточно большой мощности компрессорного оборудования, и наличие большого количества аппаратуры контроля герметичности (что, в принципе в современном мире не проблема, но в статье речь шла о послевоенном времени где надо было все, сразу и быстро).

Применялся как одна из первых ступеней обогащения. В Манхэттенском проекте завод К-25 обогащал уран с 0.86% до 7%, далее сырье шло на калютроны. В СССР – многострадальный завод Д-1, а так же последовавшие за ним заводы Д-2 и Д-3, и так далее.

Так же под «диффузионным» методом разделения иногда понимают жидкостную диффузию – тоже, только в жидкой фазе. Физический принцип — более легкие молекулы собираются в более нагретой области. Обычно разделительная колонка состоит из двух коаксиально расположенных труб, в которых поддерживаются различные температуры. Разделяемая смесь вводится между ними. Перепад температур ΔТ приводит к возникновению конвективных вертикальных потоков, а между поверхностями труб создаётся диффузионный поток изотопов, что приводит к появлению разности концентрации изотопов в поперечном сечении колонки. Вследствие этого более лёгкие изотопы накапливаются у горячей поверхности внутренней трубы и движутся вверх. Термодиффузионный метод позволяет разделять изотопы как в газообразной, так и в жидкой фазе.

В Манхэттенском проекте это завод S-50 – он обогащал природный уран до 0.86%, т.е. всего в 1.2 раза увеличивал обогащение по пятому урану. В СССР работы по жидкостной диффузии велись Радиевым институтом в послевоенное время, но никакого развития это направление не получило.


Каскад машин газодифузионного разделения изотопов.
Подписи на патенте — Ф. Саймон, К. Фукс, Р. Пайерлс.

Аэродинамическая сепарация

Аэродинамическая сепарация это своего рода вариант центрифугирования, но вместо закручивания газа он завихряется в специальной форсунке. Вместо тысячи слов – см. рисунок, т.н. «сопло Беккера» для аэродинамического разделения изотопов урана (смесь водорода и гексафторида урана) при пониженном давлении. Гексафторид урана очень тяжелый газ и приводит к износу мелких деталей форсунок (см. масштаб), и может переходит в твёрдое состояние на участках повышенного давления (например на входе в форсунку), поэтому гексафторид разбавляют водородом. Понятно, что при 4% содержании сырья в газе, да еще и пониженном давлении эффективность такого способа не велика. Развивалась этот способ пытались в ЮАР и ФРГ.


Все что вам нужно знать о аэродинамической сепарации есть на этой картинке


Варианты форсунок

Газовое центрифугирование

Наверное каждый человек (а гик уж и подавно!) слышавший хоть раз атомную энергетику, бомбы и обогащение, в общих чертах знает что такое центрифуга, как она работает и что в конструировании таких приборов есть много сложностей, секретов и ноу-хау. Поэтому про газовое центрифугирование скажу буквально пару слов. Однако, чесно говоря, газовые центрифуги имеют очень богатую историю развития и заслуживают отдельной статьи.

Принцип работы – разделение за счет центробежных сил в зависимости от абсолютной разницы в массе. При вращении (до 1000 об/с, окружная скорость – 100 — 600 м/с) более тяжелые молекулы уходят на периферию, более легкие – в центре (у ротора). Этот метод на данный момент является самым продуктивным и дешевым (исходят из цены $/EPP).

Гугл изибилует схематичными картинками устройства центрифуги, я лишь приведу пару фотографий как выглядит собранный каскад. В таком помещении кстати говоря достаточно жарко – гексафоторид урана там находится далеко не при комнатной температуре, и весь такой каскад нужно еще и охлаждать.


Каскад центрифуг фирмы URENCO. Большие, метра под 3 в высоту.


Бывают и поменьше, около полуметра. Наши отечественные.


Для понимания масштабов, или что такое «цех от горизонта до горизонта».

Лазерное обогащение

Физический принцип лазерного обогащения в том, что атомные энергетические уровни различных изотопов незначительно отличаются.

Этот эффект может быть использован для разделения U-235 от U-238, как в атомарном — AVLIS, так и в молекулярном виде — МLIS.

В методе используются пары урана, и лазеры, которые точно настроены на определенную длину волны, возбуждая атомы именно 235-го урана. Далее ионизированные атомы удаляются из смеси электрическим или магнитным полем.

Технология очень простая, и, вобще говоря, не требует каких то супер-сложных механических устройств типа диффузионных сеток или центрифуг, одна есть и другая проблема.
В сентябре 2012 года компания Global Laser Enrichment LLC (GLE) – консорциум General Electric, Hitachi и Cameco – получила лицензию Комиссии по ядерному регулированию (NRC) США на строительство лазерного разделительного завода мощностью до 6 млн ЕРР на площадке действующего совместного предприятия GE, Toshiba и Hitachi по фабрикации топлива в Уилмингтоне, штат Северная Каролина. Планируемое обогащение — до 8%. Однако лицензирование приостановили — по причине проблем с распространением технологии. Современные технологии обогащения (диффузионная и центрифугирование) требуют специального оборудования, настолько специального, что, вобще говоря, при желании через мониторинг международных контрактов можно косвенно предположить, кто собирается «по тихому» (без ведома МАГАТЭ) обогащать уран или вести работы по этому направлению. И такой мониторинг действительно ведется. В случае, если лазерный метод обогащения докажет свою простоту и эффективность, работы по оружейному урану могут начать вести там, где это не очень нужно. Поэтому пока лазерный метод как то подминают.

К лазерным методам можно отнести так же и молекулярный метод, основанный на том, что на инфракрасных или ультрафиолетовых частотах происходит избирательное поглощение газом 235UF6 инфракрасного спектра, что в дальнейшем позволяет использовать метод диссоциации возбужденных молекул или химическое разделение.
Относительное содержание U-235 может быть увеличено на порядок уже в первой стадии. Таким образом, одного прохода достаточно, чтобы обеспечить обогащение урана, достаточное для ядерных реакторов.


Пояснения к «молекулярному» методу с химическим разделением.

Преимущества лазерного обогащения:

  • Потребление электроэнергии: в 20 раз менее, чем для диффузии.
  • Каскадность: число каскадов (от 0,7% до 3-5% по U-235) – менее 100, по сравнению с 150 000 центрифуг.
  • Стоимость завода – существенно меньше.
  • Экологичность: вместо гексафторида урана используется менее опасный металлический уран.
  • Потребность в природном уране – на 30% меньше.
  • На 30% меньше хвостохранилищ (хранилища отвала).

Сравнение показателей различных методов


Обогащение урана в России

В настоящее время в России действует четыре обогатительных комбината:


Россия обладает мощнейшей индустрией разделения изотопов ~40% мирового рынка, базирующемся на наиболее экономичном (на сегодня) центрифужном методе.

На 2000г. мощности по обогащению в России распределены следующим образом: 40% — для собственных нужд, 13% — для переработки отвалов зарубежных пользователей, 30% — для переработки ВОУ и НОУ, и 17% — на внешние заказы. Все это — мирный атом. Производство обогащенного урана для военных целей у нас прекращено с 1989г. К 2004г. 170 т (из ~500 т) ВОУ (высоко обогащенного урана) было переработано по соглашению ВОУ-НОУ.

На этом все. Спасибо за внимание.

Код ТН ВЭД 2844105000. Ферро-уран. Товарная номенклатура внешнеэкономической деятельности ЕАЭС

Позиция ТН ВЭД
  • 28-38

    VI. Продукция химической и связанных с ней отраслей промышленности (Группы 28-38)

  • 28

    Продукты неорганической химии; соединения неорганические или органические драгоценных металлов, редкоземельных металлов, радиоактивных элементов или изотопов

  • VI. РАЗНЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПРОДУКТЫ

  • 2844 …

    Элементы химические радиоактивные и изотопы радиоактивные (включая делящиеся или воспроизводящиеся химические элементы и изотопы) и их соединения; смеси и остатки, содержащие эти продукты

  • 2844 1 …

    уран природный и его соединения; сплавы, дисперсии (включая металлокерамику), продукты и смеси керамические, содержащие природный уран или соединения природного урана

  • 2844 10 500 0

    ферро-уран


Позиция ОКПД 2
  • 24.46.10

    Уран природный и его соединения; сплавы, дисперсии (включая керметы), продукты керамические и смеси, содержащие природный уран или его соединения

Таможенные сборы Импорт
Базовая ставка таможенной пошлины 0
реш.54
Акциз Не облагается
НДС

20%

Экспорт
Базовая ставка таможенной пошлины Беспошлинно
Акциз Не облагается

Рассчитать контракт

Особенности товара

Загрузить особенности ИМ Загрузить особенности ЭК

ПЕРЕЧЕНЬ ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОБОРУДОВАНИЯ И СПЕЦИАЛЬНЫХ НЕЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, НА ЭКСПОРТ КОТОРЫХ НЕ ТРЕБУЮТСЯ ЗАВЕРЕНИЯ СТРАНЫ-ПОЛУЧАТЕЛЯ

Приложение N 1

к Положению об экспорте и импорте

ядерных материалов, оборудования,

специальных неядерных материалов и

соответствующих технологий

Список изменяющих документов

(в ред. Постановлений Правительства РФ от 06.11.2008 N 806,

от 04.04.2018 N 407)

Исходный материал, указанный в пункте 1.1 Списка, предназначенный для использования в неядерной деятельности.

Специальный расщепляющийся материал, указанный в пункте 1.2 Списка, при использовании в граммовых количествах или менее в качестве чувствительного элемента в приборах.

Исходный или специальный расщепляющийся материал, указанный в пунктах 1.1 и 1.2 Списка, экспорт которого осуществляется в конкретную страну-получатель в течение календарного года в объеме менее следующих пределов:

специальный расщепляющийся материал – 50 эффективных г <*>

природный уран – 500 кг

обедненный уран – 1000 кг

торий – 1000 кг.

Нуклиды, указанные в пункте 1.3 Списка.

——————————–

<*> Для урана вес в эффективных граммах рассчитывается умножением веса урана в граммах на квадрат обогащения и делением на 10000.

Абзац утратил силу. – Постановление Правительства РФ от 04.04.2018 N 407.

Дейтерий, тяжелая вода (окись дейтерия) и любое другое соединение дейтерия, указанное в пункте 2.2.1 Списка, в количестве, не превышающем 200 кг атомов дейтерия для конкретной страны-получателя в течение календарного года.

Ядерно-чистый графит, указанный в пункте 2.2.2 Списка, и изделия из него, предназначенные только для использования в неядерной деятельности.

Реакторы нулевой мощности, определяемые как реакторы с проектным максимальным уровнем производства плутония, не превышающим 100 г в год, которые не могут быть модифицированы для производства более 100 г плутония в год.

Открыть полный текст документа

Уран обогащает – Газета Коммерсантъ № 173 (7135) от 24.09.2021

Инвестиционные фонды, резко увеличившие покупку природного урана, смогли поднять его стоимость до уровней лета 2012 года. Спотовая цена подскочила на 56% за два месяца и превысила $50 за фунт закиси-окиси урана. Основной драйвер роста — канадский Sprott, который активно пополняет запасы. Интерес к урану растет на фоне климатической повестки и возможного дефицита сырья, полагают эксперты. Однако аналитики не ждут дальнейшего увеличения цен, прогнозируя их снижение до $40. В «Росатоме» спокойно реагируют на скачки цен, не ожидая изменений в планах по добыче.

Биржевая стоимость природного урана (закись-окись урана, U3O8) за последние два месяца выросла на 56%. Спотовые цены за неделю, закончившуюся 22 сентября, увеличились до $50,25 за фунт. Рынок не видел таких котировок уже девять лет — с лета 2012 года. До аварии на АЭС «Фукусима-1» в марте 2011 года цены на уран взлетали вплоть до $130 за фунт, а после аварии на АЭС «Фукусима-1» обрушились, долгое время уран торговался ниже $30 за фунт. Цены постепенно начали расти в 2020 году из-за закрытия крупных урановых рудников (см. “Ъ” от 3 апреля 2020 года), но не достигали $40 даже на фоне сокращения предложения.

Основные потребители урана — атомные энергоблоки. АЭС покупают сырье у производителей по долгосрочным контрактам. На спотовом рынке уран приобретают в основном инвестиционные фонды. Согласно отчету «Казатомпрома» (23% мировой добычи), в первом полугодии 2021 года объем трансакций на спотовом рынке составил 35,3 млн фунтов U3O8, а на долгосрочном рынке — 28 млн фунтов U3O8.

Основная причина резкого роста цен — выход на спотовый рынок новых инвестфондов (“Ъ” писал об этой тенденции 4 июня). Крупнейший из них — новый фонд Sprott Physical Uranium Trust, созданный канадскими Uranium Participation Corporation и Sprott Inc. С августа он нарастил свои запасы с 19 млн до 28,6 млн фунтов U3O8.

Общий объем покупок на рынке за девять месяцев текущего года превышает 10 тыс. тонн урана, что составляет примерно 15% мирового спроса на уран со стороны АЭС и почти 40% годового объема спотового рынка, говорит Борис Синицын из «Ренессанс Капитала»

Основной объем пришелся как раз на август—сентябрь, когда фонд Sprott заявил о покупках урана на средства от размещения долей в урановом трасте среди инвесторов, отмечает аналитик.

«Рост цен на уран, который мы наблюдаем в последние недели, связан с активизацией финансовых институтов, привлекающих средства для долгосрочных инвестиций. Их интерес к урану, безусловно, связан с развитием атомной энергетики и растущим повсеместным осознанием ее важности для решения проблем в сфере климата и устойчивого развития»,— прокомментировали в АО «Техснабэкспорт» (входит в «Росатом»). Там не ожидают «какой-либо корректировки ранее сформированных планов по добыче». В компании отмечают, что «уран реализуется в основном в составе продукции высоких переделов, которая законтрактована на долгосрочной основе». Ценовая динамика влияет на бизнес крупных производителей урана по прошествии нескольких лет, которые требуются для отражения нового рыночного баланса в контрактах.

Фундаментальную поддержку росту цен оказывают прогнозы спроса: если сейчас 440 атомных блоков потребляют 79,5 тыс. тонн урана в год, то к 2030 году потребление превысит 100 тыс. тонн в год, говорит Сергей Гришунин из Национального рейтингового агентства. Подстегнули рост цен и заявления «Казатомпрома» о сохранении пониженных объемов производства до 2023 года, отмечает он.

«Но ожидать, что цены сохранятся на уровне $50, было бы слишком оптимистично,— полагает Сергей Гришунин.— Тем не менее уровни в $35–40 представляются вполне устойчивыми».

В «Техснабэкспорте» не исключают как последующей коррекции цен, так и того, что текущий или даже более высокий уровень цен — «новая нормальность» на урановом рынке, поскольку предшествующий период низких цен сформировал дефицит инвестиций, который сдерживает ввод новых мощностей. При этом на текущей неделе котировки уже немного просели: по данным на 23 сентября, цена составляет $49,5 за фунт, сообщили “Ъ” в агентстве UxC.

Полина Смертина

Доцент химического факультета МГУ прокомментировал планируемый ввоз в Россию регенерированного урана – Газета.Ru

Кандидат химических наук, доцент химического факультета МГУ, заведующий лабораторией дозиметрии и радиоактивности окружающей среды Владимир Петров прокомментировал планируемый ввоз в Россию регенерированного урана.

Ранее на сайте французского отделения Гринпис сообщалось, что компания Orano заключила контракт с Росатомом на отправку в Россию свыше тысячи тонн отработанного урана с национальных АЭС.

«В средствах массовой информации появились сообщения о планируемом ввозе в Россию регенерированного урана. Это правда, но авторы этих сообщений ошибаются в том, что ввозимый материал – ядерные отходы, и их ввоз превращает Россию в подобие свалки. Такие утверждения невольно привлекают к себе внимание – ведь никто из нас не хочет жить на помойке. Но давайте разберемся без эмоций, в чем же дело», — отмечает он.

Петров пояснил, почему и зачем это делается. «Прежде всего, напомню, что отходами (даже по закону) называют те материалы, которые не могут быть использованы при современном уровне развития технологий. При этом, регенерированный уран – это сырье, причем сырье достаточно ценное. Это тот материал, который извлекается из отработавшего ядерного топлива после его выгрузки из реактора. Иначе говоря, это уран, который не сгорел в реакторе и который можно использовать повторно. Мало кто знает, но добыча урана из недр земли, из руды, его выделение, очистка и обогащение – достаточно дорогостоящие процессы. С другой стороны, есть уран в составе реакторного топлива», — отметил он.

Эксперт добавил, что прямая выгода ввоза такого урана в том, что можно извлечь несгоревшее сырье из отработавшего топлива и использовать его повторно.

«Не секрет, что природный уран – это радиоактивный элемент. Понятно, что и регенерированный уран также является радиоактивным, т.к. у урана просто нет стабильных изотопов. Но надо понимать, что регенерированный уран ни в коем случае не является отходом. Это действительно ценное сырье», — подчеркивает эксперт.

Кроме того, по его словам, мало кто в мире умеет обращаться с регенерированным ураном так, чтобы это было и безопасно, и экономически эффективно.

«В России такие технологии есть, они освоены в промышленном масштабе и успешно применяются. Достаточно сказать, что все реакторы типа РБМК, которые эксплуатируются сейчас в России, питаются топливом, изготовленным из регенерированного урана. А это примерно 10 ГВт – мощность, достаточная для электроснабжения нескольких городов-миллионников. Есть планы по переводу на регенерированный уран также и реакторов типа ВВЭР. Одним словом, использование регенерированного урана – рационально и выгодно», — пояснил он.

«Именно поэтому регенерированный уран везут в Россию: мы умеем с ним работать, и знаем, как его грамотно использовать», — заключил Владимир Петров.

Природный уран – обзор

Открытие и восстановление

1930-е годы были десятилетием открытий структуры ядра атома. Нейтроны с нулевым зарядом и массой, почти такой же, как у протона, оказались плотно упакованными в ядрах атомов. Изотопы многих элементов были приготовлены путем помещения образца в поток нейтронов, ядро ​​изменяется с захватом одного или нескольких нейтронов (образующих изотоп) без изменения сбалансированного заряда протонов и электронов (без изменения химического состава атом).

Именно во время этих экспериментов облучение урана привело к образованию бария. Было высказано предположение, что ядро ​​урана расщепляется на два ядра, одним из которых был барий, обнаруженный в эксперименте. Новые атомные ядра отталкивались друг от друга с выделением энергии около 200 МэВ. Это событие также произвело импульс быстрых нейтронов. Термин деление ядер был придуман для описания этого процесса [26].

Огромное выделение энергии плюс выброс двух или трех нейтронов высокой энергии предполагал, что надлежащее количество и конфигурация урана-235 может поддерживать цепную реакцию.В результате высвобождение энергии будет очень быстрым и вызовет взрыв, намного более мощный, чем любое химическое взрывчатое вещество. Лиза Мейтнер и Отто Хан (февраль 1939 г.) написали статью в Nature, описывающую деление, незадолго до начала Второй мировой войны – вскоре после этого все ядерные исследования были классифицированы Совершенно секретно . Замечательные разработки в течение ядерного десятилетия 1940-х годов были направлены на создание ядерного оружия, при этом все исследования и разработки проводились под этой строгой завесой военной тайны.

Первое производство плутония

Природный уран состоит из двух первичных изотопов, 99,27% U-238 и 0,71% U-235, и было известно, что изотоп 235 будет делиться. Изотопное разделение сложно, и производство расщепляющегося U-235 в количестве, достаточном для создания ядерного оружия, было сложной технологической задачей.

В январе 1941 года Глен Сиборг и его коллеги сообщили об открытии нового элемента, плутония-239, производимого нейтронным захватом изотопа U-238 [27].Каннингем и Вернер облучали нейтронами образец природного урана. Они обнаружили, что осадок фторида лантана, LaF 3 , был эффективным переносчиком плутония, делающим возможным разделение [28]. В результате этой процедуры разделения были получены первые несколько микрограммов металла Pu-239, использованных для определения его сечения деления примерно на 50% больше, чем у U-235. Это сделало плутоний привлекательной альтернативой U-235 в качестве оружейного материала.

Продолжившаяся лабораторная подготовка плутония дала около 20 мкг (микрограмм) металла, используемого для определения его радиологических свойств, степени химического окисления и оценки его физических свойств.

Угроза того, что Германия может разработать ядерное оружие, убедила президента Рузвельта в том, что армия должна нести ответственность за новую программу создания ядерного оружия. В июне 1942 г. было сформировано новое подразделение, получившее название «Манхэттенский округ» [29]. В рамках этого проекта было пять строительных площадок. Между группами было мало обмена информацией о задачах, и безопасность, должно быть, была хорошей. Одним из критериев масштабности этого секретного проекта является то, что в мае 1943 г. общая численность персонала на объекте в Хэнфорде превысила 40 000 человек [30].

Группа под руководством Энрико Ферми успешно продемонстрировала, что цепная ядерная реакция может поддерживаться с использованием матрицы из природного урана, помещенной в стопку графитовых кирпичей (ядерная стопка) [31]. Изначально котел работал при мощности 0,5 Вт, а 12 декабря 1942 г. был увеличен до 200 Вт тепловой энергии. Было ясно, что металлическое урановое топливо в таком реакторе постоянно подвергается воздействию нейтронов деления, которые производят плутоний, когда нейтрон захватывается реактором. Атом U-238.

Эта успешная демонстрация ядерного реактора послужила причиной решения профинансировать секретный проект района Манхэттен по производству плутония для ядерного оружия. Планируется построить ядерную установку для производства килограммов плутония с использованием известных данных и инженерного масштабного коэффициента 10 9 . Этот ядерный реактор для производства плутония будет вырабатывать около 250 мегаватт тепловой энергии. Для этого плутониевого завода было выбрано удаленное место недалеко от Хэнфорда в восточной части Вашингтона с близлежащей рекой Колумбия.Строительство велось еще до того, как стали известны химические операции по извлечению плутония из облученного уранового топлива.

Было рано признано, что будет легче создать атомную бомбу с использованием плутония, чем с U-235. Химическая очистка плутония от урана была намного проще, чем физическое отделение U-235 от U-238 (природного урана). Кроме того, большее сечение деления ослабило ограничения на концентрацию и конфигурацию при изготовлении бомбы. По этой причине усилия по нераспространению, как правило, сосредоточены на ограничении доступа к плутонию и попытках помешать странам эксплуатировать котлы / реакторы, способные преобразовывать U-238 в плутоний.

В лабораторных методах извлечения использовалась экстракция эфиром и образовался студенистый осадок LaF 3 , что явно не лучший выбор для крупномасштабного производства плутония. Опасность химического взрыва при использовании эфира и проблемы коррозии при использовании водных фторидов рекомендуются альтернативы. Осаждение оставалось методом выбора для процесса разделения, потому что он предлагал быстрое развитие в больших масштабах. В начале 1943 г. С. Г. Томпсон показал, что осадок BiPO 4 сильно несут Pu +4 [32].Осадок кристаллический и легко собирается фильтрацией или центрифугой. Этот метод был выбран для производства плутония.

Строятся реакторы для производства плутония в Хэнфорде, основанные на физике цепной ядерной реакции, но без металлического плутония, чтобы продемонстрировать, что его можно заставить взорваться. Масштаб проекта можно представить по ядерным реакторам в Хэнфорде, которые состояли из 1200 тонн чистого графита, содержащего около 250 тонн урановых снарядов, каждый из которых состоял из нескольких килограммов урана, запечатанных в алюминиевом контейнере.Заглушки топлива помещались в горизонтальные алюминиевые трубки, проходящие через графит. Охлаждающая вода прокачивалась по трубкам для отвода тепловой энергии (тепла).

Производство плутония длилось 100 дней, в результате чего около 1/4000 атомов U-238 превратилось в U-239. Урановые пробки выталкивались из реактора с новым топливом, чтобы начать следующий цикл облучения. Облученный уран хранился под водой для удаления тепла распада продуктов деления и обеспечения биологической защиты от гамма-излучения, производимого радиоактивным распадом.

Шаги, показанные на рис. 8.32 для образования плутония из U-238, теперь хорошо известны. Нейтронный захват ядра U-238 приводит к немедленному высвобождению гамма-лучей и полной энергии, соответствующей BE нейтрона. Новый атом U-239 имеет период полураспада 23,5 мин и распадается, высвобождая бета-частицу с образованием нептуния 239 (Np-239). Np-239 имеет период полураспада 2,35 дня и распадается с высвобождением бета-частицы с образованием Pu-239. Плутоний также распадается с высвобождением альфа-частицы, но период полураспада плутония составляет 24 400 лет, что делает его относительно стабильным атомом [33].

Рисунок 8.32. Конверсия U-238 в Pu-239.

Извлечение плутония началось с удаления алюминиевых банок, закрывающих топливные пробки (растворяющиеся механически или химически). Твэлы, содержащие уран, плутоний и продукты деления, растворялись в азотной кислоте. Плутоний в растворе был восстановлен до состояния +4 и осажден BiPO 4 . Уран находился в растворе с использованием сульфат-иона SO4-2 с образованием растворимого иона урана. Эта стадия отделения отделила очень небольшое количество плутония от урана и большей части продуктов деления.Часть продуктов деления осталась с плутонием. Растворение осадка плутоний-BiPO 4 и окисление плутония до состояния +6, растворимого в кислотном растворе, дает почти чистый плутоний. Примеси оставались нерастворимыми и отделялись с осадком. Плутоний в растворе снова был восстановлен до состояния +4, и цикл осаждения повторился два раза, причем извлеченный плутоний закончился конечным раствором кислоты. За третьим циклом осаждения BiPO 4 следует цикл с использованием LaF 3 для удаления последних следов продуктов деления [34].

Примечательно, что после всех этих этапов извлечение плутония превысило 95%, а коэффициент дезактивации плутониевого продукта превысил 10 7 . Это можно было считать удачей, поскольку решение об использовании процесса осаждения BiPO 4 было принято задолго до того, как стала известна химия плутония – «снимаем шляпу» перед пониманием ученых, работающих над проектом.

В «ускоренном» военном графике игнорировались некоторые недостатки процесса.Пакетный процесс всегда требует внимательного внимания оператора. Из-за количества технологических химикатов образовался большой объем высокоактивных жидких отходов, которые до сих пор хранятся в огромных резервуарах на территории Хэнфорда и представляют собой проблему обращения с отходами времен Второй мировой войны. Почти весь уран остался в потоке отходов, и для отделения урана от продуктов деления требуются дополнительные стадии обработки.

Есть дополнительная трудность при работе с облученным ураном.Все операции на реакторе и химическая обработка должны выполняться за защитой от излучения, чтобы защитить персонал станции от высокоэнергетического гамма-излучения, образующегося при распаде продуктов деления. Механические манипуляторы были разработаны для предоставления удаленных услуг по эксплуатации и техническому обслуживанию оборудования, работающего с облученным топливом. Аудит 1945 года показал, что завод по производству плутония в Хэнфорде стоил более 300 миллионов долларов (1945 долларов) [35]. Когда мы включаем завод по обогащению урана в Ок-Ридже, штат Теннесси, объект разработки оружия в Лос-Аламосе.NM, металлургическая лаборатория в Чикаго, Манхэттенский проект представляет собой самый амбициозный, дорогостоящий и успешный научно-исследовательский проект в истории.

Процесс PUREX – Производство плутония в период холодной войны

Подписание документов о капитуляции Германии и Японии было завершено в августе 1945 года, и окончание Второй мировой войны принесло нации “вздох облегчения”. Военнослужащие быстро вернулись к частной жизни. Это было верно и для многих ученых и технических специалистов, работающих над Манхэттенским проектом.Преимущество обладания самым мощным оружием было очевидным, но власть над программой была передана от армии (вооруженных сил) новому гражданскому комитету – Комиссии по атомной энергии. Производство плутония продолжалось под контролем Комиссии по атомной энергии (AEC).

Первый ядерный взрыв в Советском Союзе в 1949 году не стал большой неожиданностью. Речь Уинстона Черчилля «Железный занавес» в марте 1946 года определенно предупредила об агрессивном отношении Сталина, которое привело Советский Союз к его союзникам во Второй мировой войне.Это знаменует начало длительной холодной войны, которая длилась несколько десятилетий.

Холодная война гарантировала, что вооруженные силы потребуют дополнительного производства плутония. Противоточная экстракция была зрелой технологией, когда для извлечения и очистки плутония был выбран периодический процесс. Эксплуатация линии непрерывной экстракции более сложна, чем периодический процесс, и на разработку процесса было мало времени. Периодический процесс производства фосфата висмута продолжался до 1951 года.

Источником плутония будет природный уран, облученный в реакторах с графитовым замедлителем в Хэнфорде, Вашингтоне, и в более новых реакторах, построенных в Саванна-Ривер, Южная Каролина. Время облучения оставалось коротким – около 1/4000 для атомов U-238, преобразованных в плутоний. Для любого предлагаемого процесса разделения было три основных требования:

1.

Весь плутоний должен быть извлечен как материал оружейного качества.

2.

Уран должен быть извлечен практически без радиоактивных продуктов деления.

3.

Масса потока отходов продуктов деления должна быть значительно снижена (настолько мала, насколько это возможно).

Содержание радиоактивных продуктов деления в уране и плутонии было установлено примерно на уровне естественного урана, поэтому с этими металлами можно было обращаться и обрабатывать без громоздкой защиты от гамма-излучения.

В 1945 году было известно, что три-н-бутилфосфат (ТБФ) может быть использован в качестве экстрагирующего агента для ядерного топлива [36].Процесс PUREX ( P лутоний- UR anium- EX тяга) был разработан для удаления продуктов деления, источника практически всего гамма-излучения в продуктах урана и плутония, требующих коэффициента разделения 10 . 6 –10 7 . Токсичность плутония, вдыхаемого или проглоченного, требовала, чтобы отделение плутония от урана было установлено на уровне 10 8 . Небольшое количество урана в плутонии не считалось проблемой. Извлечение как урана для рециркуляции, так и плутониевого продукта должно было составить 99 + %.Эти технические требования к процессу разделения намного превосходили самые высокие стандарты промышленной практики того времени.

Поскольку процесс PUREX был разработан для замены периодического процесса с фосфатом висмута, исходное облученное урановое топливо было таким же. Первым шагом было химическое удаление алюминиевых банок с пробок уранового топлива, а затем растворение топлива в горячей азотной кислоте. PH и концентрацию металла в этом питающем растворе регулировали так, чтобы максимизировать растворимость плутония и урана в фазе органического экстракта.Этот питательный раствор поступил в центр первой линии экстракции.

Первая экстракция отделила плутоний и уран от продуктов деления. Органический экстракционный растворитель представлял собой номинальный 30 (об.)% ТБФ в парафиновом углеводороде (во многом похожем на керосин), который дает хорошие характеристики текучести на контактных стадиях жидкостной экстракции. Органический растворитель поступает с одного конца линии экстракции, при этом первая контактная ступень удаляет все, кроме следов урана и плутония, из кислотной (водной) фазы, содержащей продукты деления.Раствор ТВР продолжает загружать U и Pu на каждой стадии, пока не достигнет стадии подачи. Затем 2–3-молярная азотная кислота подается на другой конец линии экстракции и очищает металлы продуктов деления от фазы ТБФ. Время контакта между ТБФ и кислотной фазой, содержащей продукты деления, было коротким, чтобы свести к минимуму повреждение органической фазы гамма-излучением. Кислотный раствор поступает в блок регенерации азотной кислоты, который восстанавливает значения азотной кислоты, удаляет воду и концентрирует раствор продуктов деления для хранения.

Вторая линия экстракции принимает поток растворителя ТБФ, с одного конца которого подается разбавленная азотная кислота, содержащая химические вещества, восстанавливающие плутоний до кислоторастворимого состояния Pu +3 . Свежий ТБФ подается на другой конец линии для удаления следов урана, попавшего в кислотный поток, который теперь содержит плутоний. Эта стадия экстракции завершает отделение большой фракции урана от малой фракции плутония.

Уран выпускается из ТВР с помощью очистной линии с использованием разбавленной кислоты.Очищенный ТБФ идет на регенерацию растворителя и очищается для повторного использования. Вода испаряется из разбавленной кислоты, содержащей уран. Уровень pH регулируется, и уран экстрагируется с помощью противоточной кислотной скраба TBP для удаления следов плутония и продуктов деления. Отработанная азотная кислота идет на регенерацию азотной кислоты, а отходы продуктов деления, включая следы плутония, идут на концентрацию отходов.

Уран извлекается из ТВР с помощью очень разбавленной азотной кислоты.ТБФ рециркулируют, а раствор урана выпаривают. Перед этапами производства конечного уранового продукта, раствора нитрата урана или денитрации с образованием UO 3 может быть заключительный этап «полировки» урана.

Плутоний, оставшийся в кислотном растворе, окисляется до состояния Pu +4 , и центр подается в экстрактор, который собирает плутоний в фазе ТБФ и оставляет примеси в кислотной фазе. Фаза ТВР поступает в отпарную колонну разбавленной кислоты для извлечения продукта в виде раствора нитрата плутония.Обычно существует стадия полировки продукта плутонием для достижения максимальной чистоты продукта. Отпаренная органическая фаза ТБФ и водная кислотная фаза рециркулируют для восстановления значений азотной кислоты, обновления органической фазы и уменьшения объема потока отходов.

Существует несколько вариантов общих этапов разделения, описанных выше. Первый технологический завод PUREX по производству оружейного плутония был расположен на заводе AEC в Саванна-Ривер и начал производство в ноябре 1954 г. [37].После этой успешной демонстрации в январе 1956 года на заводе в Хэнфорде начал работать еще один завод. Улучшение работы процесса PUREX продолжалось с учетом опыта эксплуатации.

Требования к высокочистому плутонию и урану сделали разработку процесса PUREX реальной проблемой технологии разделения. Добавьте к этому требования к безопасности персонала, защите от токсичности тяжелых металлов и непрерывному гамма-излучению от продуктов деления. Инженерная задача включала разработку механических манипуляторов для выполнения всех технологических операций и задач по обслуживанию оборудования, защищенного радиационной защитой.Эта технология была разработана для военных и является основой модифицированного PUREX для переработки отечественного отработавшего ядерного топлива.

Процесс PUREX – отечественное отработавшее топливо

Первые ядерные реакторы, предназначенные для выработки электроэнергии, были установлены на атомных подводных лодках. Такой реактор должен обеспечивать электрическую и тепловую мощность, необходимую для поддержания экипажа под водой в течение длительного времени, а затем обеспечивать дополнительную регулируемую мощность, необходимую во время боевых маневров. Общая масса и размер реактора должны соответствовать подводной лодке и защищать экипаж от гамма-излучения продуктов деления.Эти конструкции реакторов, состав и конфигурация ядерного топлива были классифицированы военными как «Совершенно секретно». Эти реакторы строили гражданские подрядчики, и их инженеры увидели возможность и были поощрены распространить эту технологию на гражданское производство электроэнергии в рамках Инициативы «Атом для мира».

Ядерные реакторы для внутреннего производства электроэнергии были спроектированы для обеспечения базовой мощности, непрерывной работы на проектной мощности электростанции в течение длительных периодов между перегрузкой топлива и остановками для технического обслуживания механического оборудования.Двумя конструкциями, широко принятыми и развернутыми в Соединенных Штатах, были реакторы BWR и PWR. Топливом для этих реакторов является оксид урана, слегка обогащенный до 2,6–4% по U-235.

Оксидное топливо урана промышленно производится в виде небольших цилиндрических таблеток диаметром около 12–13 миллиметров и такой же длины. Эти окатыши загружаются в металлические трубы (наружный диаметр около 1 см), первоначально из нержавеющей стали, но вскоре замененные циркалоем (в основном чистым цирконием, легированным оловом, никелем, хромом и железом).Торцевые крышки на каждом конце трубы приварены, чтобы изолировать урановое топливо и все продукты деления (газы и твердые частицы) от воды в реакторе. Часто в этих трубках создается давление гелия для улучшения теплопередачи от топливных таблеток к стенке трубки. Циркалой имеет низкое поперечное сечение захвата нейтронов, устойчив к коррозии и быстро становится предпочтительным материалом для этого применения [38].

Топливные трубки для типичного PWR закреплены в топливной сборке, состоящей из массива топливных трубок 15 × 15, закрепленных на месте, с пространством для циркуляции воды под давлением для отвода тепла и для использования в качестве замедлителя нейтронов (для замедления нейтронов. ).Такая тепловыделяющая сборка имеет длину около 4 метров и вес около 658 кг. Он содержит около 523 кг оксида урана (461 кг металлического урана). Каждая тепловыделяющая сборка содержит 135 кг циркалоя и метизов [39]. Эти тепловыделяющие сборки содержат отработавшее ядерное топливо, которое является сырьем для переработки отработавшего топлива.

Состав отработавшего топлива определяется исходным составом топлива и радиационной историей тепловыделяющей сборки. В течение энергетического цикла топлива образуются три источника радиоизотопов:

Продукты деления, образующиеся при расщеплении делящихся элементов, исходный U-235 и Pu-239, образующийся при захвате нейтронов U-238 в топливе во время топливного цикла)

Трансурановые элементы, образующиеся в результате захвата нейтронов (нептуний, плутоний, америций и кюрий)

Продукты активации, образующиеся при воздействии атомы к сильному полю излучения в реакторе.

Сразу после остановки реактора топливо будет содержать более 350 нуклидов, многие из которых имеют очень короткие периоды полураспада, которые распадаются за секунды или минуты [40]. Эти процессы радиоактивного распада производят тепловую энергию (тепло) и гамма-излучение, которыми необходимо управлять при хранении отработавших топливных элементов.

Например, рассмотрим реактор, который работает с сжиганием топлива до 30 000 мегаватт-дней на тонну (1000 кг) металлического урана в топливе. Сразу после остановки эти тепловыделяющие элементы будут производить почти 2000 кВт тепловой энергии и радиоактивность нуклидов около 2 × 10 8 кюри на тонну.Топливные сборки хранятся в глубоком бассейне с водой (содержащем растворимый бор, поглотитель нейтронов), расположенном на каждой электростанции, где отводится тепловая энергия, а вода служит радиационной защитой [41]. Выделение тепловой энергии и гамма-излучение уменьшаются со временем по мере распада каждого радиоактивного изотопа, и через 10 лет выделение тепловой энергии составляет около 1,1 кВт, а радиоактивность составляет около 3,9 × 10 5 кюри на тонну. Выделение тепловой энергии все еще слишком велико для изолированного подземного хранения.Гамма-излучение требует громоздкой биологической защиты для защиты людей, перевозящих отработавшее топливо в любое удаленное хранилище или место переработки.

Как уран превращается в ядерное топливо

Уран является основным топливом для ядерных реакторов, и его можно найти во многих местах по всему миру. Для производства топлива уран добывается и проходит очистку и обогащение перед загрузкой в ​​ядерный реактор.

Таблетки ядерного топлива, каждая гранула – размером не больше кубика сахара – содержит столько же энергии, сколько тонна угля (Изображение: Казатомпром)

Добыча урана

Уран содержится в небольших количествах в большинстве горных пород и даже в морской воде.Урановые рудники работают во многих странах, но более 85% урана производится в шести странах: Казахстане, Канаде, Австралии, Намибии, Нигере и России.

Исторически традиционные шахты (например, открытый или подземный) были основным источником урана. После добычи руда измельчается в мельнице, куда добавляется вода для получения суспензии из мелких частиц руды и других материалов. Суспензию выщелачивают серной кислотой или щелочным раствором для растворения урана, оставляя нерастворенными оставшуюся породу и другие минералы.

Однако более половины урановых рудников в мире в настоящее время используют метод, называемый выщелачиванием на месте, когда добыча осуществляется без какого-либо серьезного нарушения грунта. Вода, вводимая с кислородом (или щелочью, кислотой или другим окислительным раствором), циркулирует через урановую руду, извлекая уран. Затем урановый раствор перекачивается на поверхность.

Раствор урана из рудников затем отделяется, фильтруется и сушится с получением концентрата оксида урана, часто называемого «желтым кеком».

«Yellowcake» – один из первых шагов на пути к производству ядерного топлива (Изображение: Казатомпром)

Обогащение

Подавляющее большинство ядерных энергетических реакторов используют в качестве топлива изотоп уран-235; однако он составляет всего 0,7% добытого природного урана и, следовательно, должен быть увеличен с помощью процесса, называемого обогащением. Это увеличивает концентрацию урана-235 с 0,7% до 3–5%, что является уровнем, используемым в большинстве реакторов.

Небольшое количество реакторов, в первую очередь реакторы CANDU из Канады, работают на природном уране, который не требует обогащения.

Процесс обогащения требует, чтобы уран находился в газообразной форме. Это достигается с помощью процесса, называемого конверсией, когда оксид урана превращается в другое соединение (гексафторид урана), которое представляет собой газ при относительно низких температурах.

Гексафторид урана подается в центрифуги с тысячами быстро вращающихся вертикальных трубок, которые отделяют уран-235 от более тяжелого изотопа урана-238.Центрифуги разделяют уран на два потока: один поток обогащается ураном-235; другой состоит из «хвостов», содержащих более низкую концентрацию урана-235 и известных как обедненный уран (DU).

Группа центрифуг на обогатительной фабрике (Изображение: Urenco)

Производство ядерного топлива

Обогащенный уран транспортируется на завод по изготовлению топлива, где он превращается в порошок диоксида урана. Затем из этого порошка прессуют маленькие топливные гранулы и нагревают до твердого керамического материала.Затем таблетки вставляются в тонкие трубки, известные как топливные стержни, которые затем группируются вместе, образуя топливные сборки. Количество топливных стержней, используемых для изготовления каждой тепловыделяющей сборки, колеблется от примерно 90 до более 200, в зависимости от типа реактора. После загрузки топливо обычно остается в активной зоне реактора в течение нескольких лет.

Ядерное топливо в виде порошка и таблеток (Изображение: Urenco)

Около 27 тонн урана – около 18 миллионов топливных таблеток, размещенных в более чем 50 000 топливных стержнях – требуется каждый год для реактора с водой под давлением мощностью 1000 МВт (эл.).Напротив, угольной электростанции эквивалентного размера требуется более двух с половиной миллионов тонн угля для производства такого же количества электроэнергии.

Топливная сборка, обычно длиной несколько метров, может годами находиться в реакторе, производя огромное количество низкоуглеродной электроэнергии (Изображение: Framatome)


Вас также может заинтересовать

обедненного урана | МАГАТЭ

10.Как уран и DU могут причинить вред людям? Связаны ли DU или уран с раком человека?

В достаточных количествах уран, который проглатывается или вдыхается, может быть вредным из-за его химической токсичности. Как ионы ртути, кадмия и других тяжелых металлов, избыток ионов уранила угнетает функцию почек (то есть влияет на почки). Высокие концентрации в почках могут вызвать повреждение и, в крайних случаях, почечную недостаточность. Общий медицинский и научный консенсус состоит в том, что в случаях высокого потребления уран, скорее всего, станет проблемой химической токсикологии, прежде чем он станет проблемой радиологии.Поскольку уран умеренно радиоактивен, попадая в организм, он также облучает органы, но основное воздействие на здоровье связано с его химическим воздействием на функции организма.

Во многих странах существующие пределы профессионального облучения растворимых соединений урана связаны с максимальной концентрацией 3 мкг урана на грамм ткани почек. Любые эффекты, вызванные воздействием этих уровней на почки, считаются незначительными и временными. Текущие методы, основанные на этих ограничениях, по-видимому, обеспечивают адекватную защиту работников урановой промышленности.Чтобы гарантировать, что эта концентрация в почках не будет превышена, законодательство ограничивает долгосрочные (8 часов) концентрации растворимого урана в воздухе рабочего места до 0,2 мг на кубический метр и краткосрочные (15 минут) до 0,6 мг на кубический метр.

Как и любой радиоактивный материал, существует риск развития рака в результате воздействия радиации, исходящей от природного и обедненного урана. Предполагается, что этот риск пропорционален полученной дозе. Пределы радиационного облучения рекомендованы Международной комиссией по радиологической защите (МКРЗ) и приняты в Основных нормах безопасности МАГАТЭ.Предел годовой дозы для человека из населения составляет 1 мЗв, а соответствующий предел для радиационного работника – 20 мЗв. Предполагается, что дополнительный риск смертельного рака, связанный с дозой 1 мЗв, составляет примерно 1 на 20 000. Это небольшое увеличение пожизненного риска следует рассматривать в свете риска развития смертельного рака у каждого пятого человека. Следует также отметить, что рак может проявиться только через много лет после воздействия радиоактивного материала.

Можно оценить, какое количество DU может подвергнуться воздействию человека до того, как будут превышены указанные выше химические и радиологические пределы.В таблице ниже показано, сколько обедненного урана необходимо будет вдохнуть или проглотить, чтобы концентрация в почках составила 3 ​​мкг на грамм почек (предел химической токсичности) или доза 1 мЗв (предел дозы излучения). Эти значения были рассчитаны с использованием биокинетических моделей, рекомендованных в настоящее время Международной комиссией по радиологической защите (МКРЗ). Значения были рассчитаны для двух типов соединений урана: «умеренно растворимых» соединений, таких как UO 3 и U 3 O 8 , и «нерастворимых» соединений, таких как UO 2 .

Путь всасывания Потребление, приводящее к концентрации в почках 3 мкг на грамм Поступление до дозы 1 мЗв
Масса
(мг)
Активность
(Бк)
Масса
(мг)
Активность
(Бк)
Вдыхание эталонного «умеренно растворимого» аэрозоля DU 230 3 400 32 480
Вдыхание эталонного «нерастворимого» аэрозоля DU 7 400 110 000 11 160
Проглатывание эталонного «умеренно растворимого» соединения DU 400 5 900 1 500 22 000
Проглатывание эталонного «нерастворимого» соединения DU 4 000 59 000 8 800 130 000

Следует иметь в виду, что количества, необходимые для достижения концентрации в почках 3 мкм на грамм, будут больше, если прием будет осуществляться в течение более длительного периода времени, поскольку это даст почкам больше времени для выведения DU.Таблица показывает, что для приема внутрь DU предел химической токсичности 3 мкг на грамм ткани почек требует меньшего поступления, чем радиологический предел (для представителей населения) в 1 мЗв. При вдыхании аэрозоля с DU происходит обратное.

Помимо радиологической опасности, связанной с изотопами урана, существует также потенциальный риск, связанный с другими радионуклидами, которые образуются в результате радиоактивного распада изотопов урана и которые могут быть обнаружены в принимаемой пище или во вдыхаемом воздухе.Значения в таблице выше были рассчитаны с учетом накопления этих радионуклидов внутри тела, но не включают вклад этих радионуклидов в проглоченную пищу или во вдыхаемый воздух.

Другой потенциально вредный эффект связан с внешним воздействием радиации, испускаемой изотопами урана. Основное излучение, излучаемое изотопами урана, – это альфа-частицы (ядра гелия). Диапазон этих альфа-частиц в воздухе составляет порядка одного сантиметра, в то время как в случае ткани они едва могут проникнуть через внешний мертвый слой кожи.Для сравнения, бета-частицы (электроны) способны проникать примерно через сантиметр ткани, в то время как гамма-излучение (фотоны высокой энергии) может проходить через тело. Следовательно, потенциальный риск от внешнего воздействия изотопов урана чрезвычайно низок, если уран не попадает непосредственно в организм (например, через рану). Более того, поскольку альфа-частицы не могут перемещаться очень далеко от источника, человек может подвергнуться облучению только при непосредственном контакте с изотопами урана. Однако это не относится к природному урану, где люди также подвергаются более проникающему воздействию бета- и гамма-излучения, испускаемого продуктами распада урана, которые обычно находятся в равновесии с изотопами урана.В случае DU единственными присутствующими бета-испускающими продуктами распада являются Th-234, Pa-234m и Th-231, каждый из которых излучает гамма-излучение низкой интенсивности, и, таким образом, риск внешнего воздействия DU значительно ниже, чем для DU. воздействие природного урана.

Был проведен ряд исследований рабочих, подвергшихся воздействию урана (см. Вопрос 8), и, несмотря на то, что некоторые рабочие подвергались воздействию большого количества урана, нет никаких доказательств того, что природный уран или DU являются канцерогенными. Отсутствие доказательств наблюдается даже в случае рака легких после вдыхания урана.В качестве меры предосторожности для оценки риска и установления пределов доз предполагается, что DU потенциально канцерогенный, но отсутствие доказательств определенного риска рака в исследованиях, проведенных на протяжении многих десятилетий, является значительным и должно рассматривать результаты оценок в перспективе.

Радиационные свойства урана

Радиационные свойства урана

(последнее обновление 1 мая 2021 г.)

Введение · Соединения урана · Литература

> см. также:



Уран – металл высокой плотности (18.9 г / см 3 ). Земная кора содержит в среднем около 3 частей на миллион (= 3 г / т) урана, а морская вода – около 3 частей на миллиард (= 3 мг / т).

  • Уран природного происхождения состоит из трех изотопов: U-238 (более 99%), U-235 и U-234, каждый из которых радиоактивен и имеет очень длительный период полураспада, т.е. очень медленно распадается.
  • U-238 и U-235 являются родительскими нуклидами двух независимых серий распада, в то время как U-234 является продуктом распада серии U-238.
  • Только U-235 (содержится в природном уране на 0.711 мас.%, Или 0,72 ат.%) Расщепляется и, следовательно, может выделять энергию в ядерном реакторе деления.
лет
Свойства изотопов природного урана
U-234 U-235 U-238
период полураспада 244 500 лет 703,8 · 10 6

9 9

удельная активность231.3 МБк / г 80,011 Бк / г 12,445 Бк / г
q 12 356 Бк
Изотопный состав природного урана
U-234 U-235 U-238 Всего
атом% 0,0054% 0,72%
вес.% 0,0053% 0,711% 99.284%100%
активность% 48,9% 2,2% 48,9% 100%
активность в 1 г U nat 12,356 Bq 25 280 Бк

> см. также: Калькулятор смеси нуклидов (преобразование массы / активности) · Программа просмотра ядерных данных

показаны только основные распады
* кроме того, все распады испускают гамма-излучение
показаны только основные распады
* кроме того, все распады испускают гамма-излучение
Ac: Актиний
Би: висмут
Pa: Протактиний
Pb: Свинец
Po: полоний
Ra: Радий
Рн: Радон
Th: торий
Tl: Таллий
U: уран

> См. Также: Калькулятор распада урана · Универсальный калькулятор распада · Программа просмотра ядерных данных
> См. Также: Конвертер единиц: Удельная активность <-> период полураспада · Распад <-> период полураспада · Время распада <->

В природном уране, содержащемся в ненарушенном месторождении урановой руды, эти цепочки распада обычно находятся в вековом равновесии.Это означает, что в 1 г природного урана (почти) каждый нуклид серии U-238 имеет активность 12 356 Бк, а каждый нуклид серии U-235 – 568 Бк.

На различных этапах производства ядерного топлива равновесие нарушается:

  • Химическое разделение урана (например, на урановой мельнице) удаляет продукты распада, при этом изотопный состав урана остается неизменным. Однако через несколько месяцев короткоживущие продукты распада Th-234, Pa-234m и Th-231 снова увеличиваются.Таким образом, в большинстве практических ситуаций необходимо учитывать и их наличие. Все дальнейшие продукты распада требуют тысячелетий для роста, и поэтому ими можно пренебречь в большинстве практических ситуаций.
  • Обогащение урана (например, на центрифужной установке) изменяет изотопный состав урана, увеличивая концентрацию U-235 в потоке продукта и одновременно снижая его концентрацию в потоке отходов (обедненный уран или хвосты).

Изотопы урана (U-238, U-235 и U-234) и многие продукты распада в основном излучают альфа-излучения и лишь небольшое количество гамма-излучения, в то время как некоторые продукты распада в основном излучают бета-излучения .Два бета-излучателя (Pb-214 и Bi-214), кроме того, являются основным источником гамма-излучения .

Альфа-излучение

  • Альфа-излучение – это излучение частиц ближнего действия. При включении он оказывает сильное воздействие на органические вещества.

Бета-излучение

  • Бета-излучение – это излучение частиц с ограниченным радиусом действия.В основном он представляет опасность внешнего радиационного облучения. Кроме того, он может вызывать рентгеновское излучение при взаимодействии с веществом (тормозное излучение).

Гамма-излучение

  • Гамма-излучение – это проникающее дальнодействующее электромагнитное излучение. Он представляет опасность внешнего радиационного облучения.

Альфа-излучение, испускаемое при распаде урана, может инициировать реакцию альфа-нейтронов в некоторых из более легких элементов, содержащихся в соединении урана (в частности, фтор в UF 6 или кислород в UO 2 или U 3). O 8 ), превращая одни нуклиды в другие, испуская нейтрон.Таким образом, такие урановые соединения производят около нейтронного излучения , даже если они не облучены.
> См .: Калькулятор реакции альфа-нейтронов

Кроме того, изотоп U-238 подвергается спонтанному делению на довольно низкой частоте. Каждое деление дает ок. 2 нейтрона, что дает около нейтронного излучения независимо от типа соединения урана.
> См .: Калькулятор реакции альфа-нейтронов (также учитывает спонтанное деление)

Нейтронное излучение

  • Нейтронное излучение – это излучение частиц дальнего действия.В основном он представляет собой внешнюю радиационную опасность.

Помимо радиационной опасности, тяжелый металл уран также представляет опасность химической токсичности.



(выберите из схемы процесса)


Урановая руда содержит уран природного изотопного состава в концентрациях от менее 0,03% до более 20%.
Содержание в руде 1% U 3 O 8 эквивалентно 0.848% U и 1 миллион фунтов U 3 O 8 эквивалентны 385 метрическим тоннам U. (см. также Конвертер единиц: Концентрация урана (вес.) · Вес урана)

На месторождении урановой руды постоянное равновесие достигается между U-238 и продуктами его распада, а также между U-235 и продуктами его распада. Равновесие может быть несколько нарушено геохимическими миграционными процессами в рудном месторождении.

Активность урановой руды (серия U-238)
(логарифмическая шкала времени)
В случае нетронутого месторождения урана активность всех продуктов распада остается постоянной в течение сотен миллионов лет.(см. также: Калькулятор распада урана)

В рудном месторождении радиация фактически задерживается под землей; воздействие возможно только в том случае, если загрязненные грунтовые воды, которые циркулируют по залежам, используются для питья. Радон не представляет интереса для глубоких отложений, хотя он может перемещаться через подземные трещины, так как он распадается, прежде чем достигнет поверхности.
Ситуация полностью меняется, когда месторождение разрабатывается: газ радон может улетучиваться в воздух, рудная пыль может уноситься ветром, а загрязнители могут вымываться и просачиваться в поверхностные водоемы и грунтовые воды.

альфа-излучение из 8 излучающих альфа нуклидов, содержащихся в серии U-238 (и, в меньшей степени, из 7 альфа-излучателей в серии U-235), представляет радиационную опасность при проглатывании или вдыхании урановой руды (пыли ) и радон. Гамма-излучение в основном Pb-214 и Bi-214, вместе с бета-излучением Th-234, Pa-234m, Pb-214, Bi-214 и Bi-210 и нейтронное излучение в результате спонтанного деления U-238 представляет внешнюю радиационную опасность.
При проглатывании и вдыхании также необходимо учитывать химическую токсичность урана как тяжелого металла.

> См. Также: Радиационное облучение рабочих на урановом руднике
> См. Также: Радиационное облучение жителей уранового рудника


Концентрация урана в растворе, полученном из скважин для выщелачивания на месте, зависит от ряда параметров, важным из которых является время с момента запуска.Начальная концентрация из отдельной лунки вскоре достигает пика через несколько дней и составляет обычно 300-600 мг / л, а затем быстро снижается. Падение замедляется при достижении концентрации 30-50 мг / л. Колодец обычно закрывают, когда концентрация достигает 10-20 мг / л после 8-18 месяцев эксплуатации. Средние концентрации урана обычно составляют 40-70 мг / л. [IAEA1989 стр.17]
Выщелачиваются также различные продукты распада урана, которые в зависимости от используемого выщелачивающего агента могут достигать значительной активности в выщелачивающем растворе.Во время обработки раствора большие количества содержащегося в нем радона улетучиваются в атмосферу, а другие продукты распада переходят в отработанные растворы. Эти растворы обычно сбрасываются в глубокие водоносные горизонты через колодцы для захоронения или испаряются в прудах, в результате чего образуется концентрированная жидкая суспензия.

См. Также Воздействие выщелачивания урана на месте.


Радон – это газообразный радиоактивный элемент, образующийся при распаде радия, содержащегося в урановой руде.Наиболее важным изотопом является Rn-222, образующийся при распаде Ra-226 (член ряда распадов U-238).
Радон представляет опасность при вдыхании, но гораздо более высокая радиационная опасность возникает при вдыхании короткоживущих дочерних продуктов радона (Po-218, Pb-214, Bi-214 и Po-214). Сам по себе радон не вызывает беспокойства, так как большая часть вдыхаемого радона выдыхается. И большая часть долгоживущего Pb-210 (период полураспада 22 года) и его потомков выводятся из организма до того, как распадутся.
Активность радона и дочерних продуктов
(логарифмическая шкала времени)
Активность долгоживущих дочерних продуктов радона
(логарифмическая шкала времени)

Для описания концентрации радона и дочерних продуктов радона в воздухе используется ряд единиц:

  • Бк / м 3 и пКи / л для активности концентрации радона-222 в воздухе:
    1 пКи / л (пикокюри или 10 -12 кюри на литр) эквивалентен 37 Бк / м 3 (беккерель на кубический метр)
  • Дж / м 3 , WL и Бк / м 3 EEC для концентрации активности дочерних продуктов радона-222 в воздухе:
    1 WL (рабочий уровень) эквивалентен 101.3 пКи / л (3746 Бк / м 3 ) радона-222 в равновесии с его короткоживущими продуктами распада.
    1 Дж / м 3 (Джоуль на кубический метр) эквивалентен 1,8 · 10 8 Бк / м 3 радона-222 в равновесии с его короткоживущими продуктами распада.
    EEC (равновесная эквивалентная концентрация) определяется как концентрация активности радона в радиоактивном равновесии с его короткоживущими дочерними продуктами, имеющими такую ​​же потенциальную концентрацию альфа-энергии, что и фактическая неравновесная смесь.
Блок WLM описывает воздействие дочерних продуктов радона-222:
1 WLM (месяц рабочего уровня) определяется как воздействие 1 WL в течение 170 часов.

Коэффициент равновесия описывает долю потенциальной энергии альфа-распада короткоживущих продуктов распада радона по сравнению с вековым равновесием. Коэффициент равновесия определяется как:
F = (0,106 c Po-218 + 0,514 c Pb-214 + 0,380 c Bi-214 ) / c Rn-222
где c x обозначает концентрацию активности нуклида x.
В помещении коэффициент равновесия зависит от интенсивности вентиляции; на открытом воздухе это зависит от расстояния от источника и скорости ветра.
Типичные значения: 0,4 для дома или работы и 0,6 для улицы.

> См. Также: Конвертер единиц: Концентрация активности. радон <-> дочерние продукты радона
> См. Также: Калькулятор индивидуальной дозы радона


Концентрат урановой руды, полученный в процессе измельчения, содержит смешанный оксид, обычно обозначаемый как «U 3 O 8 » (UO 2 · 2 UO 3 ).Его получают из Yellow Cake путем прокаливания. Из-за большого количества содержащихся примесей он нуждается в дальнейшей очистке, прежде чем его можно будет использовать для производства ядерного топлива. 1 т U 3 O 8 эквивалентно 0,848 т U.
Активность природного урана (серия U-238)
(логарифмическая шкала времени)
Первоначально он содержит только изотопы урана. В течение нескольких дней вырастают Th-231 (серия U-235), а через несколько месяцев – Th-234 и Pa-234m (серия U-238).Тогда активность остается стабильной более 10 000 лет.
По истечении этого времени Th-230 и все другие продукты распада ряда U-238, а также Pa-231 и все другие продукты распада ряда U-235 нарастают. Однако это могло произойти только в том случае, если остаточный концентрат руды не был израсходован. для производства ядерного топлива. (см. также: Калькулятор распада урана)

альфа-излучение изотопов урана U-238, U-235 и U-234 представляет радиационную опасность при проглатывании или вдыхании, в то время как бета-излучение короткоживущих продуктов распада Th-234 и Pa-234m вместе со слабым гамма-излучением , испускаемым всеми нуклидами, представляет внешнюю радиационную опасность.Дополнительную внешнюю радиационную опасность представляет нейтронного излучения в результате спонтанного деления U-238.
При проглатывании и вдыхании также необходимо учитывать химическую токсичность урана как тяжелого металла.

> См. Также: Радиационное облучение рабочих на урановом руднике · Урановый завод
> См. Также: Радиационное облучение жителей уранового рудника · Урановый комбинат


(см. также: Введение: Хвостохранилища урановых заводов)

Хвосты урановых заводов – это остаточные отходы процесса извлечения урана из урановой руды.Поскольку извлекается только уран, все остальные участники цепочек распада урана остаются в хвостах на своей первоначальной активности. Кроме того, небольшие остаточные количества урана остаются в хвостах, в зависимости от эффективности используемого процесса извлечения.

Хвосты урановых заводов (серия U-238)
(логарифмическая шкала времени)
Первоначально общая активность хвостов составляет около 85% от активности руды. В течение нескольких месяцев изотопы Th-234 и Pa-234m распадаются до значения, определяемого остаточной активностью U-238.Общая активность хвостов остается постоянной в течение более 10 000 лет и составляет около 75% от активности руды.
Только через несколько сотен тысяч лет, когда Th-230 распался до уровня остаточного U-234, происходит значительное снижение общей активности.
По истечении этого времени активность всех членов цепочки U-238 равна активности остаточных U-238 и U-234, и она остается на этом уровне в течение нескольких миллиардов лет. (см. также: Калькулятор распада урана)

По сравнению с урановой рудой, альфа-излучение хвостов урановых заводов и, следовательно, радиационная опасность при проглатывании или вдыхании хвостов (пыли) составляет прибл.На 25% ниже, при этом опасность от радона не изменилась. Внешняя радиационная опасность от гамма-излучения практически не меняется, а от бета-излучения снижается. Химическая токсичность урана играет второстепенную роль только в хвостохранилищах.

> См. Также: Радиационное облучение рабочих на урановом комбинате
> См. Также: Радиационное облучение жителей уранового комбината · Хвосты уранового комбината


Для использования в тяжеловодных реакторах (HWR, таких как тип CANDU, или реакторах с тяжелой водой под давлением – PHWR) уран необходим в форме UO 2 .Его получают из концентрата урановой руды путем очистки и конверсии. 1 т UO 2 эквивалентно 0,8815 т U.

Помимо радиологической и химической опасности, UO 2 представляет опасность от самовозгорания мелкодисперсных частиц (пирофорность).

> См. Также: Радиационное облучение рабочих на заводах по производству топлива для тяжеловодных реакторов


Для использования в реакторах Magnox (с графитовым замедлителем, с газовым охлаждением) уран необходим в форме металлического урана.Его получают из концентрата урановой руды путем очистки и конверсии.

Помимо радиологической и химической опасности, металлический уран представляет опасность из-за самовоспламенения мелкодисперсных частиц (пирофорность).

> См. Также: Радиационное облучение рабочих на заводах по производству топлива для реакторов Magnox


> См .: Обогащенный UF 6 · Обогащенный RepU UF 6


> См .: обедненный UF 6 · Обедненный RepU UF 6 · Металлический обедненный уран · Оксид обедненного урана (UO 2 или U 3 O 8 )


Общий · Натуральный UF 6 · Обогащенный UF 6 · Обедненный UF 6 · UF 6 каблуки

UF

6 – Общие Для использования в легководных реакторах (LWR, таких как реакторы с кипящей водой – BWR или реакторы с водой под давлением – PWR) делящийся изотоп U-235, содержащийся в природном уране, должен быть обогащен.Для процесса обогащения уран требуется в форме гексафторида урана (UF 6 ). 1 т UF 6 эквивалентна 0,676 т U.
Гексафторид урана получают из концентрата урановой руды путем переработки и конверсии.

При температуре окружающей среды UF 6 представляет собой твердое кристаллическое вещество, но при температуре 56,4 ° C он сублимируется (становится газом).
Химически UF 6 очень реактивен: с водой (атмосферная влажность!) Он образует чрезвычайно коррозионную плавиковую кислоту и высокотоксичный уранилфторид (UO 2 F 2 ).Плавиковая кислота вызывает ожоги кожи и при вдыхании повреждает легкие.

альфа-излучение изотопов урана U-238, U-235 и U-234 представляет радиационную опасность при проглатывании или вдыхании, в то время как бета-излучение короткоживущих продуктов распада Th-234 и Pa-234m вместе со слабым гамма-излучением , испускаемым всеми нуклидами, представляет внешнюю радиационную опасность. Кроме того, бета-излучение вызывает вторичное рентгеновское излучение (тормозное излучение) в UF 6 и в стенке цилиндра.
Внешняя радиационная опасность от UF 6 даже выше, чем от концентрата урановой руды, поскольку (Альфа, n) -реакция урана с фтором производит более нейтронного излучения (см. Анимацию) в дополнение к излучению, возникающему в результате спонтанного деления U-238. (см. также: Калькулятор реакции альфа-нейтронов)

При проглатывании и вдыхании также необходимо учитывать химическую токсичность урана как тяжелого металла.

Для гексафторида урана, полученного из регенерированного урана (RepU), см. Здесь

> См. Также: Радиационное воздействие на рабочих завода по конверсии и обогащению.

Натуральный УФ

6 > Общие свойства гексафторида урана (UF 6 ) см. Здесь

Гексафторид природного урана (обогащение , сырье ) получают из концентрата урановой руды путем переработки и конверсии.

UF 6 поставляется в стальных баллонах емкостью до 12,7 тонн. Если баллоны вовлечены в продолжительный пожар во время аварий, большое количество UF 6 может высвободиться за короткое время (см. Также «Опасности гексафторида урана»).

Обогащенный UF

6 > Общие свойства гексафторида урана (UF 6 ) см. Здесь

Обогащенный гексафторид урана (продукт обогащения ) получают из природного UF 6 путем обогащения.

Для использования в легководных реакторах (LWR) уран обогащается от 3 до 5 массовых процентов по U-235; это примерно в 4-7 раз больше естественной концентрации. В качестве побочного эффекта концентрация U-234 увеличивается в еще более высоком соотношении в соответствии с его более низким атомным весом.

Состав изотопов урана в обогащенном уране от обогащения природного урана
(обогащение до 3,5%)
U-234 U-235 U-238 Всего
вес.% 0.02884% 3,5% 96,471% 100%
активность% 81,8% 3,4% 14,7% 100%
активность в 1 г 20 900 ед. 66,703 Бк 2,800 Бк 12,005 Бк 81,508 Бк
(см. Также калькулятор дружественного обогащения JOL)

В дополнение к уже описанным опасностям, обращение с обогащенным ураном представляет опасность критичности : если в одном месте накапливается слишком большое количество обогащенного урана, могут происходить неконтролируемые цепные реакции, вызывающие сильные выбросы нейтронного и гамма-излучения.

Обогащенный уран (гексафторид) представляет опасность распространения , поскольку работа по разделению, необходимая для обогащения определенного количества реакторного урана до уровня бомбы (> 90 мас.% U-235), ниже, чем требуемая для производства уран реакторного качества в первую очередь из природного урана. (см. также «Калькулятор обогащения урана»)

Обедненный UF

6 > Общие свойства гексафторида урана (UF 6 ) см. Здесь

Гексафторид обедненного урана (хвосты обогащения ) является побочным продуктом обогащения природного UF 6 .

Отходы процесса обогащения обеднены по U-235, поэтому его называют «обедненным ураном». Типичные концентрации U-235 в обедненном уране (анализ хвостов ) составляют от 0,2 до 0,3 массовых процентов; это примерно 30-40% его концентрации в природном уране. Концентрация U-234 снижена до еще более низкого отношения, в соответствии с его более низким атомным весом.
Анализ хвостов – это параметр, который можно отрегулировать в соответствии с экономическими потребностями, в зависимости от стоимости свежего природного урана и от стоимости обогащения (выраженной в долларах за единицу работы разделения – ЕРР).
> См. Графики: Баланс затрат на обогащение урана · Анализ оптимальных хвостов
(Примечание: стоимость сырья включает цену урана плюс стоимость конверсии)
> См. Также: Оптимизатор затрат на обогащение урана
> Просмотр текущих цен на уран

9

Состав изотопов урана в обедненном уране от обогащения природного урана
(от обогащения до 3,5%, проба хвостов 0,2%)
U-234 U-235 U-238 Всего
вес.% 0.0008976% 0,2% 99,799% 100%
активность% 14,2% 1,1% 84,7% 100%
деп. 2076 Бк 160 Бк 12420 Бк 14 656 Бк
(см. Также Калькулятор дружественного обогащения JOL)

Активность обедненного урана (на 1 г ОУ)

В течение нескольких месяцев изотопы Th-234 и Pa-234m вырастают до значения, определяемого активностью U-238.Общая активность обедненного урана остается постоянной в течение примерно 10 000 лет.
Затем начинает расти Th-230 со всеми продуктами его распада. Примерно через 100 000 лет U-234 вырастает до уровня активности, заданного U-238, дополнительно способствуя прорастанию Th-230 и продуктов распада.
Примерно через 2 миллиона лет все нуклиды находятся в вековом равновесии, а общая активность достигает максимума и остается на этом уровне в течение миллиарда лет.
Из остаточного U-235 Th-231 вырастает в течение нескольких дней.Примерно через 10 000 лет Pa-231 и все другие продукты распада U-235 начинают расти (см. Также: Калькулятор распада урана)

Энергия гамма-распада обедненного урана (на 1 г DU)

Рост энергии гамма-распада еще более резкий, так как самые сильные гамма-излучатели этой серии относятся к продуктам распада (Pb-214 и, в частности, Bi-214, см. «Decay Series»). (генерируется с помощью калькулятора распада урана)

Таким образом, обедненный уран обладает необычным свойством: со временем становится более опасным – эффект, который необходимо учитывать при долгосрочном обращении с ним как с отходами.

Большая часть произведенного к настоящему времени обедненного UF 6 хранится в стальных баллонах на так называемых площадках для баллонов вблизи заводов по обогащению. На складских площадках цилиндры подвержены коррозии. Поэтому целостность цилиндров должна быть под наблюдением, и картина должна время от времени обновляться. Эти работы по техническому обслуживанию требуют перемещения цилиндров, что создает дополнительную опасность из-за взлома корродированных цилиндров и ошибок при обращении. (см. Цилиндр для хранения обедненного UF 6 )
В качестве наихудшего сценария следует предположить столкновение самолета с площадкой для баллонов.

UF

6 каблук > Общие свойства гексафторида урана (UF 6 ) см. Здесь

Пятки из гексафторида урана получают в виде остатка от разгрузки контейнеров с UF 6 любого изотопного состава.

Разгрузка баллонов UF 6 обычно осуществляется путем нагрева баллона в автоклаве. Затем UF 6 сублимируется (становится газом) и подается в приемную установку.Однако в цилиндре также присутствуют продукты распада U-238 и U-235, излучающие гамма-излучение, а именно Th-234, Pa-234m и Th-231. Они выросли в течение нескольких месяцев после химического разделения урана и не образуют газообразных соединений с фтором. Они скорее имеют тенденцию концентрироваться в остатках, называемых «пятками», которые не удаляются из цилиндра.

Эти продукты распада (в частности, Pa-234m) являются основным источником гамма-излучения в цилиндре; сам уран излучает лишь меньшее количество гамма-излучения.В заполненном цилиндре только небольшая часть генерируемого гамма-излучения достигает поверхности цилиндра, поскольку большая часть гамма-излучения экранируется содержащимся в нем ураном. Однако в «пустом» цилиндре основной источник гамма-излучения все еще присутствует в пятках и теперь почти беспрепятственно достигает поверхности цилиндра, посмотрите анимацию.
Кроме того, бета-излучение продуктов распада (в частности, Pa-234m) вызывает вторичное рентгеновское излучение в стенке цилиндра (тормозное излучение).

UF 6 Активность пяток (серия U-238)
(в 10 кг остаточного UF 6 в 48Y цилиндре, первоначально заполненном естественным UF 6 )
(логарифмическая шкала времени)
Только ок. Через полгода после выгрузки UF 6 эти продукты распада в основном разложились.

> см. также: Универсальный калькулятор распада


В процессе деконверсии обедненный гексафторид урана может быть преобразован в форму металлического урана.

Если UF 6 содержал переработанный уран (RepU), то обедненный уран может быть загрязнен изотопами искусственного урана U-236 и U-237, а также трансурановыми соединениями, такими как нептуний-237 и плутоний-239.

Помимо радиологической и химической опасности, металлический (обедненный) уран представляет опасность из-за самовозгорания мелкодисперсных частиц (пирофорность).


В процессе деконверсии обедненный гексафторид урана может быть преобразован в оксидную форму UO 2 или U 3 O 8 .В этих формах обедненный уран химически более стабилен и подходит для длительного хранения или захоронения (см. Управление отходами – обедненный уран).
1 т UO 2 эквивалентна 0,8815 т U, а 1 т U 3 O 8 эквивалентна 0,848 т U.

Внешняя радиационная опасность существует от гамма-излучения и нейтронного излучения (в результате спонтанного деления U-238).
> Мнение: Радиационное воздействие на хранилища обедненного урана: жители · Рабочие

Если UF 6 содержал переработанный уран (RepU), то обедненный уран может быть загрязнен нуклидами искусственного урана U-236 и U-237, а также трансурановыми соединениями, такими как нептуний-237 и плутоний-239.

Помимо радиологической и химической опасности (обедненный) UO 2 (кроме U 3 O 8 ) представляет опасность самовоспламенения мелкодисперсных частиц (пирофорность).


В процессе деконверсии обогащенный гексафторид урана превращается в оксидную форму UO 2 . В таком виде уран используется для производства ядерного топлива для легководных реакторов.1 т UO 2 эквивалентно 0,8815 т U.
Если UF 6 содержал переработанный уран (RepU), то ядерное топливо может быть загрязнено искусственными изотопами урана U-232, U-233 и U-236, а также продуктами деления, такими как технеций-99.
Производство и обращение с этим материалом, как и со всем обогащенным ураном, представляет опасность по критичности : если слишком большое количество обогащенного урана накапливается в одном месте, могут происходить неконтролируемые цепные реакции, вызывающие сильные выбросы нейтронного и гамма-излучения.

Помимо радиологической и химической опасности, (обогащенный) UO 2 представляет опасность самовозгорания мелкодисперсных частиц (пирофорность).

> См. Также: Радиационное облучение рабочих на заводах по производству топлива для легководных реакторов


Хотя отработанное топливо по-прежнему состоит в основном из урана, облучение в реакторе увеличило запас активности на несколько порядков из-за образования искусственных изотопов урана, трансурановых соединений, продуктов активации, продуктов деления и всех продуктов их распада.В первый раз активность настолько высока, что остаточное тепло удерживает температуру на высоком уровне, что требует адекватного охлаждения.
Отработанное топливо испускает широкий спектр ионизирующих излучений, включая нейтронное излучение.

Отработанное топливо:
(1 т тяжелого металла, из топлива UO 2 , выгорание: 33 ГВт-сутки / т U в легководном реакторе, во время выгрузки, без учета короткоживущих нуклидов)
Пройдет 10 миллионов лет, прежде чем искусственные продукты реакции распадутся и активность приблизится к уровню остаточного урана и продуктов его распада.
(см. также: Универсальный калькулятор распада)

Сравнение деятельности с отработавшим топливом и соответствующими объемами отходов, образующихся при производстве топлива:
(Отработанное топливо: 1 т тяжелого металла, из UO 2 топлива / МОКС-топливо, выгорание: 45 ГВт · сут / т HM в реакторе с водой под давлением)

Вначале активность с отработавшим топливом на несколько порядков превышает активность с отходами производства топлива, но спустя прибл.Через 1 миллион лет активность обедненного урана становится самой высокой.

В определенные периоды активности в отработавшем топливе, полученном из МОКС-топлива, до 5 раз выше, чем в отработавшем топливе из топлива UO 2 , и требуется до 10 раз больше времени, пока отработанное топливо из МОКС-топлива не достигнет уровней активности. в отработавшем топливе из топлива UO 2 .
(см. также: Калькулятор активности отходов цепочки ядерного топлива)


При переработке отработавшего топлива восстанавливаются только регенерированный уран (RepU) и плутоний, тогда как все остальные составляющие выбрасываются как высокоактивные отходы (ВАО).ВАО по-прежнему выделяют тепло и являются сильным источником всевозможного излучения. Следовательно, он требует безопасного хранения в течение сотен тысяч лет.

Деятельность с высокоактивными отходами:
(от переработки 1 т тяжелого металла, из топлива UO 2 , выгорание: 33 ГВт-сутки / т U в легководном реакторе, переработка через 5 лет после выгрузки)

(см. Также: Универсальный калькулятор распада)


Остаточный уран, содержащийся в отработавшем ядерном топливе, можно восстановить на заводе по переработке.

Уран, извлеченный в процессе PUREX (который используется на заводах по переработке в Селлафилде (Великобритания) и Ла Аг (Франция)), имеет форму уранилнитрата (UO 2 (NO 3 ) 2 ). Его необходимо преобразовать в форму UO 3 для дальнейшего использования.

Уран, полученный при переработке отработавшего ядерного топлива, загрязнен продуктами деления (в основном рутением-106 и технецием-99), искусственными изотопами урана (U-232, U-233, U-236 и U-237), трансурановыми соединениями ( такие как нептуний-237 и плутоний-239), а также продукты распада всех этих нуклидов.

Таким образом, радиационная опасность для сотрудников намного выше при переработке RepU, чем природного урана.

Активность серии уран-232
(логарифмическая шкала времени)
U-232 вызывает особую озабоченность, поскольку некоторые из продуктов его распада являются сильными гамма-излучателями (в частности, таллий-208). В то время как активность продуктов деления медленно снижается со временем из-за радиоактивного распада, активность потомства U-232 (и, следовательно, его гамма-излучение) сильно возрастает в течение первых 10 лет, пока не будет достигнуто долговременное равновесие с U-232.(см. также: Калькулятор распада урана)
10 -8 % 1029900 1,0 -4 %
Состав изотопов урана в уране, содержащемся в отработавшем топливе
(изначально с обогащением до 3,5%, после выгорания 39 ГВт · сут / тТМ)
при разгрузке реактора U-232 U-233 U-234 U-235 U-236 U-237 U-238
мас.% 1,58 · 10 -7 % 0.0175% 0,846% 0,472% 0,0013% 98,664%
активность% 1,329 · 10 -6 % 1,436 · 10 -9 % 1,724 · 10 -6 % 2,879 · 10 -5 % 99,999834% 3,128 · 10 -5 %
активность в 1 г U rep 522 Бк 0,564 Бк 40 495 Бк 677 Бк 11,304 Бк 3.927 · 10 10 Бк 12,284 Бк
с задержкой 5 лет U-232 U-233 U-234 U-235 U-236 90-275 237 U-238
вес.% 1,88 · 10 -7 % 2,59 · 10 -7 % 0,0184% 0,846% 0,472% 4,83 -9 % 98,664%
активность% 0.6955% 0,0004317% 19,87% 0,3160% 5,276% 68,11% 5,734%
активность в 1 г U rep 1,490 Bq 902 677 Бк 11 304 Бк 145 914 Бк 12 284 Бк
(по [Neghabian1991] стр.83)


«Парфюмированный» или «смешанный» уран – это промышленный термин, используемый для обозначения урана, который содержит следы переработанного урана (RepU).Следы могли быть получены при обработке необлученного материала в системе, которая ранее работала с облученным материалом. В результате воздействия системы производимый уран загрязняется искусственными изотопами урана, продуктами деления и трансурановыми соединениями.


Общий · Raw RepU UF 6 · Обогащенный RepU UF 6 · Обедненный RepU UF 6 · RepU каблуки

Гексафторид RepU (UF

6 ) – Общие > Общие свойства гексафторида урана (UF 6 ) см. Здесь

Дополнительные опасности существуют, если гексафторид урана содержит переработанный уран (RepU), извлеченный из отработавшего ядерного топлива.В этом случае гексафторид урана может быть загрязнен продуктами деления (в основном рутением-106 и технецием-99), искусственными изотопами урана (U-232, U-233, U-236, U-237), трансурановыми соединениями ( такие как нептуний-237 и плутоний-239), а также продукты распада всех этих нуклидов.

В процессе конверсии большая часть продуктов деления и трансурановых элементов удаляется, но может оставаться остаточное загрязнение.

> См. Также: Радиационное воздействие на рабочих завода по конверсии и обогащению.

Гексафторид сырого RepU (UF

6 ) > Общие свойства регенерированного гексафторида урана (UF 6 ) см. Здесь

Если гексафторид урана производится из переработанного урана (RepU), то он по-прежнему содержит все искусственные изотопы урана, извлеченные во время переработки.

9 -107 · 10 %

Состав изотопов урана в уране, содержащемся в отработавшем топливе
(изначально с обогащением до 3,5%, после выгорания 39 ГВт-сут / тТМ и задержки в 5 лет после выгрузки)
U-232 U-233 U-234 U-235 U-236 U-237 U-238
вес% 2,59 · 10 -7 % 0,0184% 0.846% 0,472% 4,83 · 10 -9 % 98,664%
активность% 0,6955% 0,0004317% 19,87% 682,1160% 0,3160% 5,734%
активность в 1 г U rep 1,490 Бк 0,925 Бк 42,578 Бк 677 Бк 11,304 Бк 145,914 145,914 Бк Neghabian1991] стр.83)

Обогащенный гексафторид RepU (UF

6 ) > Общие свойства регенерированного гексафторида урана (UF 6 ) см. Здесь

Если сырье UF 6 содержало регенерированный уран (RepU), тогда более легкие нуклиды урана U-232 и U-233 в основном и U-236 частично попадают в обогащенный продукт UF 6 . Любые присутствующие продукты деления, такие как технеций-99, полностью попадают в обогащенный продукт UF 6 .

Чтобы получить такую ​​же реактивность, RepU должен быть обогащен выше, чем природный уран, чтобы компенсировать присутствие U-236, поглотителя нейтронов.

055 · 10 -6 % 214 670 Бк
Состав изотопов урана в обогащенном уране от обогащения регенерированного урана (RepU)
(изначально с обогащением до 3,5%, после выгорания 39 ГВт-сут / тТМ и задержки в 5 лет после выгрузки)
U-232 U-233 U-234 U-235 U-236 U-237 U-238 Всего
вес% 1 1,45 · 10 -6 % 0,09281% 3,82% 1,602% 94,485% 100%
активность % 0,0018% 77,7% 1,1% 13,9% 4,3% 100%
Активность в 1 г U enr 8,360 Bq 3056 Бк 38 384 Бк 11 763 Бк 276 238 Бк
(по [Neghabian1991] p.90; см. также Дружественный калькулятор обогащения от JOL)

Обедненный гексафторид RepU (UF

6 ) > Общие свойства регенерированного гексафторида урана (UF 6 ) см. Здесь

Если сырье UF 6 содержало регенерированный уран (RepU), то более тяжелые нуклиды урана U-236 и U-237 частично оказывались в обедненных хвостах UF 6 . Любые присутствующие трансурановые соединения, такие как нептуний-237 и плутоний-239, в основном попадают в хвосты.

–% 55,2%
Состав изотопов урана в обедненном уране от обогащения регенерированного урана (RepU)
(изначально с обогащением до 3,5%, после выгорания 39 ГВт · сут / тТМ и задержки в 5 лет после разгрузки, анализ хвостов 0,2%)
U-232 U-233 U-234 U-235 U-236 U-237 U-238 Всего
вес% – 0.001939% 0,2% 0,2266% 99,571% 100%
активность% 20% 0,7175 0,7175100%
активность в 1 г U деп. 4,485 Бк 160 Бк 5,429 Бк 12,396 9028 Бк (после [Neghabian1991] стр.90; см. также Дружественный калькулятор обогащения от JOL)

RepU каблуки

> Общие свойства регенерированного гексафторида урана (UF 6 ) см. Здесь

Для баллонов с UF 6 , изготовленных из регенерированного урана (RepU), в пятках используется еще более сильный гамма-излучатель таллий-208 (Tl-208) из серии U-232, распад которого занимает более 10 лет.


Переработанный уран (RepU) можно использовать для замены природного урана при производстве ядерного топлива.Для этого уран, извлеченный на перерабатывающих заводах с помощью процесса PUREX, сначала необходимо преобразовать из формы уранилнитрата (UO 2 (NO 3 ) 2 ) в U 3 O 8 . Как и природный уран, он затем превращается в UF 6 , обогащается и, наконец, превращается в ядерное топливо.

Однако есть некоторые предостережения, касающиеся продуктов деления, искусственных изотопов урана и трансурановых соединений, содержащихся в RepU:

  • Радиационная опасность для сотрудников намного выше при переработке RepU, чем природного урана.
  • Перерабатывающие предприятия RepU должны быть строго отделены от предприятий, занимающихся переработкой природного урана, чтобы не было риска загрязнения природного урана любыми загрязняющими веществами, содержащимися в RepU. В противном случае природный уран стал бы «ароматизированным» ураном, что, возможно, сделало бы его непригодным для использования по назначению.
  • Чтобы получить такую ​​же реактивность, RepU должен быть обогащен выше, чем природный уран, чтобы компенсировать присутствие U-236, поглотителя нейтронов.

> См. Также: Радиационное облучение рабочих на заводах по производству топлива для легководных реакторов


Плутоний, содержащийся в отработавшем ядерном топливе, можно восстановить на заводе по переработке.Восстановленный плутоний состоит из нескольких нуклидов, только некоторые из которых (Pu-239 и Pu-241) являются делящимися. Из-за более короткого периода полураспада изотопов плутония (Pu-239: 24 065 лет) удельная активность плутония намного выше, чем у урана, что ведет к более высокой радиационной опасности. Кроме того, радиационная опасность может возникнуть из-за короткоживущих изотопов плутония, в частности Pu-241, который распадается с периодом полураспада 14,4 года до гамма-излучателя Am-241.

Как и обогащенный уран, плутоний представляет опасность по критичности : если слишком большие количества накапливаются в одном месте, могут происходить неконтролируемые цепные реакции, вызывающие сильные выбросы нейтронного и гамма-излучения.

Поскольку плутоний в основном состоит из делящегося материала (сравнимого только с высокообогащенным ураном), он представляет собой наиболее серьезную опасность распространения .


Плутоний, извлеченный из отработавшего топлива, можно использовать для замены делящегося изотопа урана U-235 в реакторном топливе. Плутоний смешивают с природным или обедненным ураном для получения смешанного оксидного топлива.
Поскольку только часть извлеченного плутония является делящимся (например,грамм. 66% по весу), а реакционная способность делящегося плутония (Pu-239 и Pu-241) ниже, чем у U-235 (например, 66% по весу), прибл. для замены U-235 в топливе требуется вдвое больше плутония.

Из-за более высокой активности плутония МОКС-топливо представляет более высокую радиационную опасность, чем оксидное урановое топливо.

Как и ураноксидное топливо, МОКС-топливо представляет опасность по критичности : если слишком большие количества накапливаются в одном месте, могут происходить неконтролируемые цепные реакции, вызывающие сильные выбросы нейтронного и гамма-излучения.

Из-за возможности извлечения плутония путем химической обработки, МОКС-топливо представляет опасность распространения .


Топливо REMIX (регенерированная смесь) производится из смеси регенерированного урана (RepU) и плутония, извлеченных из отработавшего ядерного топлива, с добавлением небольших объемов обогащенного урана.



[Neghabian1991] Verwendung von wiederaufgearbeitetem Uran und von abgereichertem Uran, фон А.Р. Негабиан, Х. Дж. Беккер, А. Баран, Х.-В. Binzel, Der Bundesminister fr Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (Hg.), Schriftenreihe Reaktorsicherheit und Strahlenschutz, BMU-1992-332, ноябрь 1991, 186 S.

[IAEA1989] Выщелачивание урана на месте: технические, экологические и экономические аспекты, IAEA-TECDOC-492, МАГАТЭ Вена 1989, 172 с.

Природные ядерные реакторы: два миллиарда лет назад естественные реакторы деления в Габоне, Западная Африка

Два миллиарда лет назад, за много лет до того, как люди разработали первые коммерческие атомные электростанции в 1950-х годах, в городах работали семнадцать естественных ядерных реакторов. то, что сегодня известно как Габон в Западной Африке [Рисунки 1 и 2].Энергия, производимая этими естественными ядерными реакторами, была скромной. Средняя выходная мощность реакторов в Габоне составляла около 100 киловатт, что позволяло питать около 1000 лампочек. Для сравнения, коммерческие атомные электростанции с реакторами с кипящей водой под давлением вырабатывают около 1000 мегаватт, что позволяет питать около десяти миллионов лампочек.

Рис. 1: Геология бассейна Франсвиль. Естественные ядерные реакторы расположены в Окло и Бангомбе. Другие урановые месторождения (на которых не было естественных ядерных реакторов) находятся в Бойндзи, Окелобондо и Микулунгу.Рисунок взят из Mossman et al., 2008.

Несмотря на свою скромную выходную мощность, ядерные реакторы в Габоне примечательны тем, что они спонтанно начали работать около двух миллиардов лет назад и продолжали стабильно работать до одного миллиона годы. Кроме того, на реакторах в Габоне многие из радиоактивных продуктов ядерного деления надежно удерживались в течение двух миллиардов лет, что свидетельствует о возможности долгосрочного геологического хранения ядерных отходов.

Возможность того, что природные ядерные реакторы могли работать на древней Земле, была впервые выдвинута учеными в 1950-х годах, когда коммерческие ядерные реакторы только начали разрабатываться и становились популярными. Примечательно, что в статье 1956 года Пол Курода теоретизировал условия, при которых ядерное деление может спонтанно развиваться и поддерживаться.

Рис. 2: Геологический разрез урановых месторождений Окло и Окелобондо, показывающий расположение ядерных реакторов.Последний реактор (№ 17) расположен в Бангомбе, примерно в 30 км к юго-востоку от Окло. Ядерные реакторы находятся в слое песчаника ТВС. Рисунок взят из Mossman et al., 2008.

Эти условия очень похожи на условия, в которых поддерживаются ядерные реакции в искусственных ядерных реакторах.

В искусственных ядерных реакторах энергия вырабатывается, когда атомы урана (или иногда плутония) делятся или распадаются на части, высвобождая ядерную энергию. В результате этого деления образуются быстрые нейтроны.При замедлении замедляющим веществом (обычно водой или графитом) эти нейтроны могут вызвать деление других атомов. При тщательном контроле самоподдерживающаяся «критическая» реакция ядерного деления может генерировать энергию в течение длительного времени – до тех пор, пока ядерное топливо не истощится от делящихся атомов. Энергия, произведенная в результате ядерного деления, обычно используется для нагрева воды и производства пара, который вращает большие турбины, вырабатывающие электричество.

Уран является наиболее распространенным топливом, используемым на коммерческих атомных электростанциях.Уран имеет три изотопа: уран-238, уран-235 и уран-234. Из-за ядерных свойств уран-235, скорее всего, расщепится при бомбардировке нейтронами. Однако сегодня на Земле уран-235 составляет только 0,720% урана, в то время как уран-238 является доминирующим изотопом урана (99,275%), а уран-234 присутствует только в следовых количествах (0,006%). Распределение изотопов урана в земной коре удивительно однородно, поэтому вся урановая руда, добываемая сегодня, содержит около 0,720% урана-235.Чтобы повысить эффективность цепных ядерных реакций, уран-235 искусственно обогащается примерно до 3%, прежде чем уран будет использоваться в качестве топлива на атомных электростанциях.

Для управления цепными ядерными реакциями в искусственных реакторах вода используется как замедлитель (то, что замедляет нейтроны), так и как хладагент. Для управления или остановки ядерной цепной реакции используются стержни управления. Эти управляющие стержни состоят из элементов (таких как серебро, иридий и кадмий), которые способны поглощать нейтроны, не подвергаясь делению.Бор (еще один элемент, очень хорошо поглощающий нейтроны, не подвергаясь делению) также может быть добавлен в воду, окружающую ядерный реактор, для смягчения или остановки ядерной реакции.

Таким образом, в искусственных ядерных реакторах тщательно контролируются концентрация урана, содержание урана-235 и наличие замедлителей и поглотителей нейтронов. Эти же факторы играют роль в естественных ядерных реакторах.

Для развития устойчивого природного ядерного реактора необходимо выполнение четырех условий:

1.Природная урановая руда должна иметь высокое содержание урана и иметь толщину (не менее ~ 2/3 метра) и геометрию, которые увеличивают вероятность спонтанного естественного деления урана-238, вызывающего самоподдерживающуюся реакцию деления в уране. -235.

2. Уран должен содержать значительное количество делящегося урана-235.

3. Должен быть замедлитель, что-то, что может замедлять нейтроны, образующиеся при делении урана.

4. Вблизи урана не должно быть значительных количеств нейтронопоглощающих элементов (таких как серебро или бор), которые могут препятствовать самоподдерживающейся ядерной реакции.

Курода указал, что условия, необходимые для развития природного ядерного реактора, могли присутствовать в древних месторождениях урана. Сегодня существует множество месторождений концентрированного урана, но – как вы, возможно, обрадуетесь, – спонтанное развитие ядерного деления невозможно. Это связано с тем, что концентрация урана-235 слишком мала (всего 0,720% урана, как я упоминал выше) для поддержания самоподдерживающейся реакции деления. Однако относительные пропорции урана-238 и урана-235 менялись на протяжении истории Земли.

Когда Земля была впервые сформирована, уран-235 составлял более 30% урана [Рисунок 3]. Доля урана-235 по отношению к урану-238 меняется, потому что изотопы урана радиоактивны и со временем распадаются на другие элементы. Однако уран-238 распадается гораздо медленнее, чем уран-235, поэтому уран-235 становится все более и более обедненным (по сравнению с ураном-238) за 4,54 миллиарда лет истории Земли. Миллиарды лет назад содержание урана-235 в урановой руде было достаточно высоким для развития самоподдерживающейся реакции деления.Два миллиарда лет назад в урановой руде должно было присутствовать около 3,6% урана-235 – примерно столько же урана-235, сколько использовалось на атомных электростанциях с реакторами с кипящей водой под давлением. Итак, теоретически древнее (возрастом в миллиарды лет) урановое месторождение могло спонтанно развить самоподдерживающееся ядерное деление, если уран был достаточно концентрированным, было вещество (вероятно, вода), которое действовало бы как замедлитель, и было поблизости незначительное количество нейтронопоглощающих элементов.

Рис. 3: Уран-235 / уран-238 в земной коре с течением времени. По оси абсцисс отложены миллионы лет. Когда около 2 миллиардов лет назад в Габоне работали природные ядерные реакторы, земная кора содержала примерно 3,68% урана-235. Рисунок взят из Gauthier-Lafaye and Weber, 2003.

Шестнадцать лет спустя, в 1972 году, именно такой естественный ядерный реактор был обнаружен в Габоне. Французы добывали уран в Габоне – своей бывшей колонии – для использования на атомных электростанциях.Во время рутинного измерения изотопов урановой руды из Габона французы заметили кое-что очень странное: урановая руда не содержала 0,720% урана-235. Скорее всего, урановая руда была аномально обеднена ураном-235, содержащим только 0,717%. Это может звучать как крошечный вариант, но это несоответствие очень тревожило французских ядерных чиновников. Видите ли, уран-235 в земной коре (и даже в лунных породах и в метеоритах) очень мало отличается от среднего значения 0,720%.Поскольку уран-235 может быть использован для изготовления ядерных бомб, очень важно было учесть этот «пропавший» уран-235.

К счастью, должностные лица и ученые-ядерщики вспомнили старые публикации Куроды и других, и вскоре они поняли, что аномальный уран из Габона является свидетельством чего-то экстраординарного – первого из когда-либо обнаруженных естественных ядерных реакторов. Урановая руда была обеднена ураном-235, потому что два миллиарда лет назад часть этого урана-235 использовалась в естественном ядерном реакторе.В итоге на урановых рудниках в Окло было обнаружено шестнадцать естественных ядерных реакторов [Рисунок 1]. Еще один семнадцатый природный ядерный реактор был также обнаружен в Бангомбе, расположенном примерно в 30 км к юго-востоку от Окло.

Природные ядерные реакторы деления в Габоне уникальны – на сегодняшний день никаких дополнительных естественных ядерных реакторов не обнаружено. К несчастью для науки, шестнадцать естественных ядерных реакторов в Окло были разрушены, полностью извлечены из их богатой урановой руды.У ученых есть только ограниченные образцы урана (часто с редкими полевыми заметками), на которых они могут исследовать эти необычные ядерные реакторы. В конце 1990-х годов существовала опасность того, что последний природный ядерный реактор в Бангомбе также будет заминирован. В 1997 году ученый Франсуа Готье-Лафай (и его соавторы) обратились к журналу Nature с призывом прекратить добычу урана Бангомбе. Они написали:

Последний известный реактор естественного деления на Земле, вероятно, будет заминирован в этом году.Поскольку эти природные реакторы уникальны, по крайней мере один должен быть сохранен для нынешних и будущих исследовательских программ … Все реакторы, кроме одного, расположены на самом важном урановом месторождении Габонского бассейна Франсвиль, в Окло … Это месторождение скоро будет полностью отработано, в 1998 году. Поэтому будущая работа над этими реакторами должна будет опираться на ранее собранные образцы, многие из которых плохо задокументированы и находятся вне их геологического контекста … Однако работа все еще возможна в реакторе, расположенном в очень небольшом урановом месторождении Бангомбе в 30 км от Окло.Мы предлагаем сохранить это уникальное, научно важное месторождение для настоящих и будущих исследований. Это месторождение не менее уникально и, безусловно, более незаменимо, чем самые ценные образцы с Луны и Марса.

С момента открытия в 1972 году в Габоне естественных ядерных реакторов, ученые ломали голову над тем, почему эти реакторы были созданы в Габоне два миллиарда лет назад и, по-видимому, не были созданы нигде и в другое время на Земле. Ученые все еще работают над изучением реакторов в Габоне, но за последние сорок лет им удалось выявить некоторые детали того, как эти ядерные реакторы работали, и которые были сохранены в геологической летописи.

Вам может быть интересно, почему естественные ядерные реакторы возникли на урановых месторождениях всего два миллиарда лет назад, когда содержание урана-235 уже было исчерпано до менее чем 4% урана. Разве реакторы деления не были бы даже более вероятными для развития раньше в истории Земли, когда уровни урана-235 были еще выше? Помните, что высокое содержание изотопов урана-235 – лишь одно из четырех условий, необходимых для развития природного ядерного реактора. Еще одно важное условие – концентрирование урана.Оказывается, около двух миллиардов лет назад на Земле не образовывалось никаких значительных концентраций урана. Причина этого проста: кислород.

В большинстве горных пород на Земле уран присутствует только в следовых количествах (частей на миллион или частей на миллиард). Уран обычно концентрируется за счет гидротермальной циркуляции, которая захватывает уран и концентрирует его в новом гидротермальном месторождении. Для того чтобы эта гидротермальная циркуляция концентрировала уран, этот уран должен быть растворимым (способным собираться в воде).Однако растворимость урана немного сложна. Когда уран находится в восстановленной форме (U4 +), уран имеет тенденцию образовывать очень стабильные соединения, которые нелегко перевести в раствор. Однако, когда уран находится в окисленной форме (U6 +), уран легко образует растворимые комплексы. В самой ранней атмосфере Земли было очень мало кислорода. Таким образом, было бы очень трудно сконцентрировать значительное количество урана, поскольку не было кислорода для преобразования урана в его растворимые формы.

Однако, начиная с 2.4 миллиарда лет назад произошло событие под названием «Великое окислительное событие», во время которого уровень кислорода в атмосфере значительно вырос с <1% до ≥15%. Этот значительный рост атмосферного кислорода был результатом фотосинтезирующих цианобактерий, производящих кислород. Некоторое время кислород, производимый этими бактериями, поглощался минералами, которые становились окисленными. Однако, когда эти минералы стали насыщаться кислородом, этот кислород начал накапливаться в атмосфере. Это увеличение атмосферного кислорода позволило урану стать подвижным и сконцентрироваться за счет гидротермальной циркуляции.

В Габоне богатые урановые месторождения образовались около двух миллиардов лет назад в слое морского песчаника в бассейне Франсвиль [Рис. 2]. Нижняя часть этого пласта песчаника первоначально содержала множество мелких кусочков урансодержащих минералов (монацита, торита, вероятно, уранинита). Эти минералы были рассредоточены до тех пор, пока песчаник не пропитался окислительной водой около двух миллиардов лет назад. Эти окисляющие воды растворили урансодержащие минералы и сконцентрировали уран в нескольких месторождениях в верхней части слоя песчаника.На самом деле уран стал чрезвычайно концентрированным. Деление урана могло начаться, когда концентрация урана достигла 10%; урановые месторождения Габона, в которых были разработаны природные ядерные реакторы, содержат от 25% до 60% урана.

Таким образом, два миллиарда лет назад в Габоне были выполнены два из четырех условий для создания природного ядерного реактора деления: были значительные концентрации урана, и этот уран все еще содержал значительное количество высокоделящегося урана-235.Два других условия также были выполнены. Вода могла просачиваться в проницаемый песчаник, содержащий урановые отложения, и эта вода действовала как замедлитель нейтронов. Также не было значительных количеств нейтронопоглощающих элементов для подавления самоподдерживающейся реакции деления. Все это дало идеальный рецепт для естественного ядерного реактора деления.

Естественные ядерные реакторы в Габоне работали несколько сотен тысяч лет. Реакторы, вероятно, включались и выключались через определенные промежутки времени.Ядерное деление началось, замедлялось водой, и продолжалось до тех пор, пока вся доступная вода не выкипела в результате ядерного тепла. Реакции не могли начаться снова, пока в реактор не проникла новая вода. Такое временное поведение реакторов, вероятно, действовало в течение нескольких часов, аналогично тому, как гейзеры периодически извергаются в результате подпитки грунтовых вод. Возможно, из-за этого периодического включения и выключения естественные ядерные реакторы Габона были чрезвычайно стабильны.Ни одного плавления не было; реакторы стабильно работали до 1 миллиона лет. В конце концов, делящийся уран-235 был истощен, и естественные ядерные реакторы Габона остановились.

Долговременная сохранность естественных ядерных реакторов Габона, возможно, даже более примечательна, чем сами реакторы. Эти ядерные реакторы пережили два миллиарда лет геологического времени. Сохранение реакторов в Габоне является результатом двух факторов: долгосрочной стабильности Африканского кратона и изоляции урановых месторождений от окисляющих грунтовых вод.Естественные ядерные реакторы в Габоне, по-видимому, были в значительной степени защищены оболочкой из углеродистых веществ и глины, которые создавали и поддерживали восстановительные (с низким содержанием кислорода) условия, которые в значительной степени препятствовали перемещению урана и других радиоактивных продуктов ядерного деления.

Возможно, естественные ядерные реакторы работали еще в нескольких местах на Земле два миллиарда лет назад. Возможно, мы еще не нашли доказательств существования других естественных ядерных реакторов, или, возможно, радиоактивные остатки других естественных ядерных реакторов уже давно подверглись эрозии, окислению и растворению.Однако на сегодняшний день естественные ядерные реакторы Габона остаются «уникальными и, безусловно, более незаменимыми, чем самые ценные образцы с Луны и Марса». Поскольку реакторы в Габоне были такими стабильными, эксплуатировались в течение такого длительного времени и хранились в течение двух миллиардов лет, научное изучение этих уникальных природных реакторов дает важные выводы, касающиеся антропогенной ядерной энергетики и хранения ядерных отходов. Мать-природа, кажется, умеет управлять ядерным реактором.

Ссылки:

Bourdon et al, 2003.Введение в геохимию серии U. В кн .: Геохимия уранового ряда. обзоров по минералогии и геохимии, т. 52: 1-22.

Gauthier-Lafaye, 2006. Временные ограничения для появления урановых месторождений и естественных ядерных реакторов деления в палеопротерозойском бассейне Франсвиль (Габон). Мемуары Геологического общества Америки , vol. 198: 157-167.

Gauthier-Lafaye et al., 1997. Последний естественный ядерный реактор деления. Природа , т.387: 337.

Gauthier-Lafaye and Weber, 2003. Естественные ядерные реакторы деления: временные ограничения для возникновения и их связь с месторождениями урана и марганца и с эволюцией атмосферы. Докембрийские исследования , т. 120, нет. 1-2: 81-101.

Hollinger and Devillers, 1981. Contribution à l’étude de la température dans les réacteurs fossils d’Oklo par la mesure du rapport isotopique du lutétium. Письма по науке о Земле и планетах , vol.52: 76-84.

Курода, 1956. О ядерно-физической устойчивости урановых минералов. Журнал химической физики, т. 25: 781-782.

Мешик А. 2005. Работа древнего ядерного реактора. Scientific American , т. 293, нет. 5: 82-91.

Mossman et al., 2008. Углеродистые вещества в реакторах Окло – анолог постоянного глубокого геологического захоронения антропогенных ядерных отходов. Обзоры по инженерной геологии , т. 19: 1-13.

Порцелли и Сварценски, 2003.Поведение нуклидов серий U и Th в подземных водах. В кн .: Геохимия уранового ряда. Обзоры в минералогии и геохимии , т. 52: 317-362.

*

Об авторе: Эвелин Мервин в настоящее время изучает докторскую степень в области морской геологии и геофизики в рамках совместной программы Массачусетского технологического института и Океанографического института Вудс-Холла. Она ведет блог по геологии под названием Georneys, который недавно присоединился к сети блогов AGU. В марте и апреле 2011 года Эвелин регулярно брала интервью у своего отца, инженера-атомщика, о продолжающейся аварии на АЭС «Фукусима-дайити» в Японии.Ее интервью с отцом стали чрезвычайно популярными и широко разошлись в Интернете. В настоящее время она составляет сборник всех ядерных интервью и планирует снова взять интервью у своего отца, поскольку катастрофа на Фукусиме приближается к четырехмесячной отметке. Ее можно найти в Твиттере под именем @GeoEvelyn.

Выраженные взгляды принадлежат автору и не обязательно совпадают с точкой зрения Scientific American.

Взгляните на полный список блоггеров в нашей новой сети блогов.

Изд. Примечание: спасибо читателям за указание на две ошибки, теперь исправленные: это десять миллионов, а не один миллион лампочек, которые может привести в действие искусственный реактор, и в нем выделяется ядерная, а не химическая энергия.

Уран – Информация об элементе, свойства и использование

Расшифровка:

Химия в ее элементе: уран

(Promo)

Вы слушаете Химию в ее элементе, представленную вам Chemistry World , журналом Королевского химического общества.

(Конец промо)

Крис Смит

Что касается химии в ее стихии на этой неделе, можете ли вы угадать, что связывает кили лодок, бронебойное оружие, красивое цветное стекло, которое вы можете отследить с помощью счетчика Гейгера и больше степеней окисления, чем химик может встряхнуть стеклянной палочкой. Если нет, то вот Полли Арнольд с ответом.

Полли Арнольд

Уран, безусловно, один из самых известных или, возможно, я бы сказал печально известных элементов.Это самый тяжелый природный элемент. На самом деле его больше в земной коре, чем серебра. Это один из восьми элементов, названных в честь небесных объектов, но вы можете не подумать, что уран заслуживает названия в честь планеты Уран. Блестящий черный порошок, который химик Клапрот выделил из минеральной урановой обманки в 1789 году – всего через восемь лет после открытия Урана – на самом деле был оксидом урана. Лишь пятьдесят два года спустя Эжен Мельхиор Пелиго восстановил тетрахлорид урана калием, и в этих более суровых условиях наконец получил чистый серебристо-белый металл.Образцы металла быстро тускнеют на воздухе, но если металл мелко разделен, он воспламеняется.

Уран находится среди актинидов, второй металлической оболочки, заполняющей свои f-орбитали валентными электронами, делая их большими и тяжелыми.

В химическом отношении уран восхитителен. Его ядро ​​настолько полно протонов и нейтронов, что оно сближает свои основные электронные оболочки. Это означает, что в игру вступают релятивистские эффекты, влияющие на орбитальные энергии электронов.Электроны внутреннего ядра движутся быстрее и притягиваются к тяжелому ядру, лучше защищая его. Таким образом, внешние валентные орбитали более экранированы и расширены и могут образовывать гибридные молекулярные орбитали, которые вплоть до нынешнего столетия приводили аргументы в пользу точного упорядочения энергий связи в ионе уранила.

Это означает, что теперь можно объединить множество орбиталей, чтобы образовать связи, и, следовательно, некоторые очень интересные соединения. В отсутствие воздуха уран может демонстрировать широкий диапазон степеней окисления, в отличие от лантаноидов, расположенных непосредственно над ним, и он образует множество глубоко окрашенных комплексов в своих более низких степенях окисления.Тетрахлорид урана, восстановленный Пелиго, имеет красивый травянисто-зеленый цвет, а трийодид – темно-синий. Из-за этого некоторые считают его «большим переходным металлом». Большинство этих соединений сложно создать и охарактеризовать, поскольку они так быстро реагируют с воздухом и водой, но в этой области химии все еще есть возможности для больших достижений.

Разветвления релятивистских эффектов на энергии связывающих электронов вызвали большой интерес у нас, химиков-синтетиков, но, к сожалению, у многих химиков-экспериментаторов и химиков-вычислителей, которые пытаются понять, как лучше справиться с нашим наследием ядерных отходов, появилось много головной боли.

В окружающей среде уран всегда существует в виде диоксидной соли, называемой уранил-ионом, в которой он плотно зажат между двумя атомами кислорода в высшей степени окисления. Известно, что соли уранила не реагируют с атомами кислорода, и около половины всех известных соединений урана содержат этот диоксомотив. Одна из самых интересных сторон этой области химии урана проявилась в последние пару лет: несколько исследовательских групп нашли способы стабилизировать однократно восстановленный ион уранила, фрагмент, который традиционно считался слишком нестабильным для выделения.Этот ион теперь начинает проявлять реактивность на своих атомах кислорода и, возможно, сможет научить нас многому о более радиоактивных и более реактивных искусственных сестрах урана, нептунии и плутонии – они также присутствуют в ядерных отходах, но с ними трудно работать. в количествах, превышающих миллиграммы.

За пределами химической лаборатории уран наиболее известен своей ролью ядерного топлива. Это было в центре внимания многих химиков в последние месяцы из-за международных дебатов о роли, которую ядерная энергия может играть в будущем как низкоуглеродный источник энергии, и о том, пригодны ли наши новые поколения более безопасных и эффективных электростанций. человеко-стойкий.

Для производства топлива, которое используется в реакторах для выработки электроэнергии, природный уран, который почти полностью состоит из U-238, обогащается изотопом U-235, который обычно присутствует только примерно в 0,7%.

Остатки, называемые обедненным ураном, или DU, имеют значительно пониженное содержание U-235, составляющее всего около 0,2%. Он на 40% менее радиоактивен, чем природный уран и материал, из которого мы делаем соединения в лаборатории.

Поскольку он очень плотный, DU также используется в экранировании, в килях лодок и, что еще более спорно, в носовой части бронебойного оружия.Металл имеет желаемую способность самозатачиваться, когда проникает в цель, а не становится грибовидным при ударе, как это делает обычное оружие с наконечником из карбида вольфрама.

Критики оружия с обедненным ураном утверждают, что оно может накапливаться на полях сражений. Поскольку уран в первую очередь является альфа-излучателем, его радиоактивность действительно становится проблемой, только если он попадает внутрь организма, где он может накапливаться в почках, вызывая повреждение. Однако уран также является тяжелым металлом, и его химическая токсичность имеет большее значение – он примерно так же токсичен, как свинец или ртуть.

Но уран не заслуживает того, чтобы его считали одной из неприятностей периодической таблицы. Считается, что большая часть внутреннего тепла Земли происходит из-за разложения природных урановых и ториевых отложений. Возможно, тем, кто хочет улучшить общественный имидж ядерной энергетики, следует потребовать переименования геотермальных наземных тепловых насосов в ядерные?

Репутация этого элемента также была бы значительно лучше, если бы только урановое стекло было наиболее широко известным лицом элемента.Точно так же, как соли свинца добавляют в стекло для изготовления сверкающей хрустальной посуды, соли уранила придают стеклу очень красивый и полупрозрачный желто-зеленый цвет, хотя стеклодувы экспериментировали для получения широкого диапазона цветов, похожих на драгоценные камни. Во время археологических раскопок около Неаполя в 1912 году была обнаружена небольшая зеленая мозаичная плитка, датированная 79 годом нашей эры, которая, как сообщалось, содержала уран, но эти утверждения не были подтверждены. Однако в начале -х гг. И начале 20-х -х гг. вв. Он широко использовался в таре и фужерах.Если вы думаете, что у вас есть кусок, вы можете проверить его с помощью счетчика Гейгера или поищив характерную зеленую флуоресценцию урана, когда он находится под УФ-лампой. Обычно считается, что из кусочков можно пить, но не рекомендуется сверлить в них отверстия и носить их. Справедливо.

Крис Смит

Или, предположительно, случайно съел это тоже. Химик Эдинбургского университета Полли Арнольд объяснила более мягкую сторону бронебойного элемента урана.На следующей неделе Андреа Селла познакомит нас с кристаллами с интригующими свойствами.

Андреа Селла

«Это потрясающий материал. Вы ДОЛЖНЫ это увидеть». Он вытащил из кармана флакон с образцом, содержащий потрясающие розовые кристаллы, которые соблазнительно блестели. “Вот это да!” Я сказал – химика всегда можно удивить красивыми кристаллическими продуктами. «Становится лучше». – загадочно сказал он. Он поманил меня в коридор. «Смотри», – сказал он. Когда кристаллы улавливали свет от новых люминесцентных ламп, свисающих с потолка, розовый цвет, казалось, становился все ярче и ярче.”Вот это да!” Я снова сказал. Мы переместили кристаллы обратно на солнечный свет, и цвет снова потускнел, и, перемещая кристаллы вперед и назад, они волшебным образом светились и тускнели.

Крис Смит

Но что они содержали? Что ж, ответ – это эрбий, и вы можете услышать все о нем в выпуске «Химия в его элементе» на следующей неделе. Я Крис Смит, спасибо за внимание и до свидания.

(промо)

(конец промо)

Что такое уран? | Производители урана Америки

Химический символ урана – U; его атомный номер (число протонов в ядре) 92.Его средняя атомная масса (протоны плюс нейтроны) составляет 238, и обычно обозначается как уран-238. Элемент идентифицируется его атомным номером, который никогда не меняется. Однако атомная масса некоторых элементов может быть непостоянной из-за вариаций числа нейтронов. Атомы, обладающие такими характеристиками, называются изотопами. Основными изотопами природного урана являются уран-238 (99,3%) и уран-235, самый активный из двух, 0,7%.

Уран – серебристо-белый элемент из ряда актинидов, примерно на 20% плотнее свинца и единственный делящийся элемент на Земле, встречающийся в природе.Он встречается во многих минералах и используется в основном как источник ядерной энергии путем деления радиоизотопа урана – 235.

Где находится уран?

Уран встречается во многих частях земной коры. Уран встречается чаще, чем олово, примерно в 40 раз чаще, чем серебро, и в 500 раз чаще, чем золото. Он встречается в большинстве горных пород и отложений, в морской воде, водоносных горизонтах и ​​горячих источниках. Обычно количество урана в данном районе очень мало, но там, где существуют определенные геологические условия, уран может быть более концентрированным и может быть извлечен с экономической точки зрения.

Энергия из урана

Некоторые изотопы, такие как уран, нестабильны и выделяют атомарные частицы, распадаясь на менее сложные формы. Этот процесс называется радиоактивностью. Когда нейтроны от атомных частиц сталкиваются с другими атомами урана-235, каждый атом разделяется на части, выделяя больше нейтронов и тепла. Эта активность, называемая ядерным делением, является движущей силой всей нынешней ядерной энергии. Когда в смеси имеется достаточная концентрация урана-235, процесс деления может поддерживаться сам по себе, вызывая цепную реакцию и высвобождая огромное количество энергии.

В процессе деления обогащенное топливо все больше загрязняется побочными продуктами деятельности, что снижает эффективность процесса реакции. По прошествии некоторого времени это так называемое «отработанное» топливо необходимо заменить свежим, обогащенным материалом. Установки атомной энергетики обычно требуют нового топлива примерно каждые четыре года.

Природный уран не содержит достаточно урана-235 для деления. Следовательно, топливо для атомных электростанций должно быть обогащено от его природного 0.От 7% до примерно 4,0%. Из-за низкого уровня обогащения это топливо не может взорваться, как атомная бомба (обогащение оружейного качества приближается к 100%. Ядерное топливо, наиболее распространенное использование урана, является удивительно эффективным источником чистой энергии для производства электроэнергии во всем мире. при делении один атом урана-235 может высвободить в 50 миллионов раз больше энергии – около 200 миллионов электрон-вольт – по сравнению с горением одного атома углерода – около 4-х электрон-вольт. Как показано на диаграмме ниже, ядерная энергия, подпитываемая обогащенным топливом уран и гидроэлектроэнергия являются базовой нагрузкой, низкоуглеродными вариантами для производства электроэнергии.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.