Характеристика основных естественных и искусственных радионуклидов. Атомные производства (комбинаты) военного назначения Извлек изотоп уран 235 5 букв
()
239 Pu ()
В отличие от другого, наиболее распространенного изотопа урана 238 U , в 235 U возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция . Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах , а также в ядерном оружии .
Образование и распад
Уран-235 образуется в результате следующих распадов:
texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{235}_{91}Pa} \rightarrow \mathrm{^{235}_{92}U} + e^- + \bar{\nu}_e;
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{235}_{93}Np} + e^- \rightarrow \mathrm{^{235}_{92}U} + \bar{\nu}_e;
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{239}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm{^{235}_{92}U} + \mathrm{^{4}_{2}He}.
Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файлtexvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{231}_{90}Th} + \mathrm{^{4}_{2}He};
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{215}_{82}Pb} + \mathrm{^{20}_{10}Ne};
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{210}_{82}Pb} + \mathrm{^{25}_{10}Ne};
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{207}_{80}Hg} + \mathrm{^{28}_{12}Mg}.
Вынужденное деление
Ошибка создания миниатюры: Файл не найден
Кривая выхода продуктов деления урана-235 для различных энергий делящих нейтронов.
В продуктах деления урана-235 было обнаружено около 300 изотопов различных элементов : от =30 (цинк) до Z=64 (гадолиний). Кривая зависимости относительного выхода изотопов, образующихся при облучении урана-235 медленными нейтронами, от массового числа - симметрична и по форме напоминает букву «M». Два выраженных максимума этой кривой соответствуют массовым числам 95 и 134, а минимум приходится на диапазон массовых чисел от 110 до 125. Таким образом, деление урана на осколки равной массы (с массовыми числами 115-119) происходит с меньшей вероятностью, чем асимметричное деление , такая тенденция наблюдается у всех делящихся изотопов и не связана с какими-то индивидуальными свойствами ядер или частиц, а присуща самому механизму деления ядра. Однако асимметрия уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра и при энергии нейтрона более 100 МэВ распределение осколков деления по массам имеет один максимум, соответствующий симметричному делению ядра.
Осколки, образующиеся при делении ядра урана, в свою очередь являются радиоактивными, и подвергаются цепочке β − -распадов , при которых постепенно в течение длительного времени выделяется дополнительная энергия. Средняя энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра урана-235 с учётом распада осколков, составляет приблизительно 202,5 МэВ = 3,244·10 −11 Дж , или 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг .
Деление ядер - лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора .
Цепная ядерная реакция
При распаде одного ядра 235 U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем - 2.416) свободных нейтрона. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра 235 U, при условии взаимодействия с другим ядром 235 U, может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной реакцией деления ядра .
Гипотетически, число нейтронов второго поколения (после второго этапа распада ядер) может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом реакции деления количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. В реальных условиях свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата 235 U, или будучи захваченными как самим изотопом 235 U с превращением его в 236 U, так и иными материалами (например, 238 U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как 149 Sm или 135 Xe).
В реальных условиях достичь критического состояния урана не так просто, поскольку на протекание реакции влияет ряд факторов. Например, природный уран лишь на 0,72 % состоит из 235 U, 99,2745 % составляет 238 U , который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер 235 U. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция деления очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию деления можно несколькими основными путями :
- Увеличить объём образца (для выделенного из руды урана возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
- Осуществить разделение изотопов, повысив концентрацию 235 U в образце;
- Уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
- Использовать вещество - замедлитель нейтронов для повышения концентрации тепловых нейтронов .
Изомеры
- Избыток массы: 40 920,6(1,8) кэВ
- Энергия возбуждения: 76,5(4) эВ
- Период полураспада: 26 мин
- Спин и чётность ядра: 1/2 +
Распад изомерного состояния осуществляется путём изомерного перехода в основное состояние.
Применение
- Уран-235 используется в качестве топлива для ядерных реакторов , в которых осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления;
- Уран с высокой степенью обогащения применяется для создания ядерного оружия . В этом случае для высвобождения большого количества энергии (взрыва) используется неуправляемая цепная ядерная реакция.
См. также
Напишите отзыв о статье "Уран-235"
Примечания
- G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «». Nuclear Physics A 729 : 337-676. DOI :. Bibcode : .
- G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «». Nuclear Physics A 729 : 3–128. DOI :. Bibcode : .
- Гофман К. - 2-е изд. стер. - Л. : Химия, 1987. - С. 130. - 232 с. - 50 000 экз.
- Фиалков Ю. Я. Применение изотопов в химии и химической промышленности. - Киев: Техніка, 1975. - С. 87. - 240 с. - 2 000 экз.
- . Kaye & Laby Online. .
- Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. - М .: Энергоатомиздат, 1982. - С. 512.
Отрывок, характеризующий Уран-235
Кристалл был материальным. И в то же время истинно волшебным. Он был вырезан из очень красивого камня, похожего на удивительно прозрачный изумруд. Но Магдалина чувствовала – это было что-то намного сложнее, чем простой драгоценный камень, пусть даже самый чистый. Он был ромбовидным и удлинённым, величиной с ладонь Радомира. Каждый срез кристалла был полностью покрыт незнакомыми рунами, видимо, даже более древними, чем те, которые знала Магдалина...– О чём он «говорит», радость моя?.. И почему мне не знакомы эти руны? Они чуточку другие, чем те, которым нас учили Волхвы. Да и откуда он у тебя?!
– Его принесли на Землю когда-то наши мудрые Предки, наши Боги, чтобы сотворить здесь Храм Вечного Знания, – задумчиво смотря на кристалл, начал Радомир. – Дабы помогал он обретать Свет и Истину достойным Детям Земли. Это ОН родил на земле касту Волхвов, Ведунов, Ведуний, Даринь и остальных просветлённых. И это из него они черпали свои ЗНАНИЯ и ПОНИМАНИЕ, и по нему когда-то создали Мэтэору. Позже, уходя навсегда, Боги оставили этот Храм людям, завещая хранить и беречь его, как берегли бы они саму Землю. А Ключ от Храма отдали Волхвам, дабы не попал он случайно к «тёмномыслящим» и не погибла бы Земля от их злой руки. Так с тех пор, и хранится это чудо веками у Волхвов, а они передают его время от времени достойному, чтобы не предал случайный «хранитель» наказ и веру, оставленную нашими Богами.
– Неужели это и есть Грааль, Север? – не удержавшись, просила я.
– Нет, Изидора. Грааль никогда не был тем, чем есть этот удивительный Умный Кристалл. Просто люди «приписали» своё желаемое Радомиру... как и всё остальное, «чужое». Радомир же, всю свою сознательную жизнь был Хранителем Ключа Богов. Но люди, естественно, этого знать не могли, и поэтому не успокаивались. Сперва они искали якобы «принадлежавшую» Радомиру Чашу. А иногда Граалем называли его детей или саму Магдалину. И всё это происходило лишь потому, что «истинно верующим» очень хотелось иметь какое-то доказательство правдивости того, во что они верят… Что-то материальное, что-то «святое», что возможно было бы потрогать... (что, к великому сожалению, происходит даже сейчас, через долгие сотни лет). Вот «тёмные» и придумали для них красивую в то время историю, чтобы зажечь ею чувствительные «верующие» сердца... К сожалению, людям всегда были нужны реликвии, Изидора, и если их не было, кто-то их просто придумывал. Радомир же никогда не имел подобной чаши, ибо не было у него и самой «тайной вечери»... на которой он якобы из неё пил. Чаша же «тайной вечери» была у пророка Джошуа, но не у Радомира.
И Иосиф Аримафейский вправду когда-то собрал туда несколько капель крови пророка. Но эта знаменитая «Граальская Чаша» по-настоящему была всего лишь самой простой глиняной чашечкой, из какой обычно пили в то время все евреи, и которую не так-то просто было после найти. Золотой же, или серебряной чаши, сплошь усыпанной драгоценными камнями (как любят изображать её священники) никогда в реальности не существовало ни во времена иудейского пророка Джошуа, ни уж тем более во времена Радомира.
Но это уже другая, хоть и интереснейшая история.
У тебя не так уж много времени, Изидора. И я думаю, ты захочешь узнать совершенно другое, что близко тебе по сердцу, и что, возможно, поможет тебе найти в себе побольше сил, чтобы выстоять. Ну, а этот, слишком тесно «тёмными» силами запутанный клубок двух чужих друг другу жизней (Радомира и Джошуа), в любом случае, так скоро не расплести. Как я уже сказал, у тебя просто не хватит на это времени, мой друг. Ты уж прости...
Я лишь кивнула ему в ответ, стараясь не показать, как сильно меня занимала вся эта настоящая правдивая История! И как же хотелось мне узнать, пусть даже умирая, всё невероятное количество лжи, обрушенной церковью на наши доверчивые земные головы... Но я оставляла Северу решать, что именно ему хотелось мне поведать. Это была его свободная воля – говорить или не говорить мне то или иное. Я и так была ему несказанно благодарна за его драгоценное время, и за его искреннее желание скрасить наши печальные оставшиеся дни.
Мы снова оказались в тёмном ночном саду, «подслушивая» последние часы Радомира и Магдалины...
– Где же находится этот Великий Храм, Радомир? – удивлённо спросила Магдалина.
– В дивной далёкой стране... На самой «вершине» мира... (имеется в виду Северный Полюс, бывшая страна Гиперборея – Даария), – тихо, будто уйдя в бесконечно далёкое прошлое, прошептал Радомир. – Там стоит святая гора рукотворная, которую не в силах разрушить ни природа, ни время, ни люди. Ибо гора эта – вечна... Это и есть Храм Вечного Знания. Храм наших старых Богов, Мария...
Когда-то, давным-давно, сверкал на вершине святой горы их Ключ – этот зелёный кристалл, дававший Земле защиту, открывавший души, и учивший достойных. Только вот ушли наши Боги. И с тех пор Земля погрузилась во мрак, который пока что не в силах разрушить сам человек. Слишком много в нём пока ещё зависти и злобы. Да и лени тоже...
– Люди должны прозреть, Мария. – Немного помолчав, произнёс Радомир. – И именно ТЫ поможешь им! – И будто не заметив её протестующего жеста, спокойно продолжил. – ТЫ научишь их ЗНАНИЮ и ПОНИМАНИЮ. И дашь им настоящую ВЕРУ. Ты станешь их Путеводной Звездой, что бы со мной ни случилось. Обещай мне!.. Мне некому больше доверить то, что должен был выполнить я сам. Обещай мне, светлая моя.
Радомир бережно взял её лицо в ладони, внимательно всматриваясь в лучистые голубые глаза и... неожиданно улыбнулся... Сколько бесконечной любви светилось в этих дивных, знакомых глазах!.. И сколько же было в них глубочайшей боли... Он знал, как ей было страшно и одиноко. Знал, как сильно она хотела его спасти! И несмотря на всё это, Радомир не мог удержаться от улыбки – даже в такое страшное для неё время, Магдалина каким-то образом оставалась всё такой же удивительно светлой и ещё более красивой!.. Будто чистый родник с животворной прозрачной водой...
Встряхнувшись, он как можно спокойнее продолжил.
– Смотри, я покажу тебе, как открывается этот древний Ключ...
На раскрытой ладони Радомира полыхнуло изумрудное пламя... Каждая малейшая руна начала раскрываться в целый пласт незнакомых пространств, расширяясь и открываясь миллионами образов, плавно протекавших друг через друга. Дивное прозрачное «строение» росло и кружилось, открывая всё новые и новые этажи Знаний, никогда не виданных сегодняшним человеком. Оно было ошеломляющим и бескрайним!.. И Магдалина, будучи не в силах отвести от всего этого волшебства глаз, погружалась с головой в глубину неизведанного, каждой фиброй своей души испытывая жгучую, испепеляющую жажду!.. Она вбирала в себя мудрость веков, чувствуя, как мощной волной, заполняя каждую её клеточку, течёт по ней незнакомая Древняя Магия! Знание Предков затопляло, оно было по-настоящему необъятным – с жизни малейшей букашки оно переносилось в жизнь вселенных, перетекало миллионами лет в жизни чужих планет, и снова, мощной лавиной возвращалось на Землю...
Широко распахнув глаза, Магдалина внимала дивному Знанию Древнего мира... Её лёгкое тело, свободное от земных «оков», песчинкой купалась в океане далёких звёзд, наслаждаясь величием и тишиной вселенского покоя...
Вдруг прямо перед ней развернулся сказочный Звёздный Мост. Протянувшись, казалось, в самую бесконечность, он сверкал и искрился нескончаемыми скоплениями больших и маленьких звёзд, расстилаясь у её ног в серебряную дорогу. Вдали, на самой середине той же дороги, весь окутанный золотым сиянием, Магдалину ждал Человек... Он был очень высоким и выглядел очень сильным. Подойдя ближе, Магдалина узрела, что не всё в этом невиданном существе было таким уж «человеческим»... Больше всего поражали его глаза – огромные и искристые, будто вырезаны из драгоценного камня, они сверкали холодными гранями, как настоящий бриллиант. Но так же, как бриллиант, были бесчувственными и отчуждёнными... Мужественные черты лица незнакомца удивляли резкостью и неподвижностью, будто перед Магдалиной стояла статуя... Очень длинные, пышные волосы искрились и переливались серебром, словно на них кто-то нечаянно рассыпал звёзды... «Человек» и, правда, был очень необычным... Но даже при всей его «ледяной» холодности, Магдалина явно чувствовала, как шёл от странного незнакомца чудесный, обволакивающий душу покой и тёплое, искреннее добро. Только она почему-то знала наверняка – не всегда и не ко всем это добро было одинаковым.
«Человек» приветственно поднял развёрнутую к ней ладонь и ласково произнёс:
– Остановись, Звёздная... Твой Путь не закончен ещё. Ты не можешь идти Домой. Возвращайся в Мидгард, Мария... И береги Ключ Богов. Да сохранит тебя Вечность.
И тут, мощная фигура незнакомца начала вдруг медленно колебаться, становясь совершенно прозрачной, будто собираясь исчезнуть.
Основой сферой деятельности господина Уинзора стали публичные лекции, для проведения которых он ездил по всей стране, выступления на радио и даже съемки небольших фильмов, в которых он пытался рассказать американцам о глобальном заговоре в мировой ядерной отрасли.
Задача заговора — максимально запугать людей радиацией, чтобы небольшая группа никому неизвестных лиц могла свободно распоряжаться самым ценным энергетическим ресурсом в мире. И чтобы слово не расходилось с делом, господин Уинзор снял потрясающий фильм, отражающий его лекцию, записанную в 1986-м году.
На этом и других подобных видео господина Уинзор насыпает на ладонь обогащенный уран, после чего всё это съедает, запивая водой, взятой из бассейна для охлаждения ядерного топлива. Более того, в таких бассейнах господин Уинзор даже купался, смывая с себя радиоактивную пыль, в столбе которой он стоял, сжигая перед камерой куски плутония.
В дополнение к таким демонстрациям при строительстве своего дома господин Уинзор залил в бетон такое количество радиоактивного материала, что при подходе к зданию счетчик Гейгера ломался от перегрузки. И несмотря на всё это Гален Уинсор прожил до старости в добром здравии, умерев в 82 года от естественных для его возраста причин, никак не связанных с радиацией.
«Для чего существует мировой урановый заговор? « — задает вопрос Гален Уинсор. И он на него отвечает:
По своей сути федеральный закон о контроле над ядерным материалом — это поддержание власти и контроль над массами за счет отказа от самодостаточных источников энергии. Очевидно, что если бы у кого-то был небольшой источник энергии, который был бы дешевым и эффективным, этот человек был бы независим, ему не нужно было бы подключаться к какой-то «электросети». Энергосистема — это не система подачи энергии, а самая настоящая контрольная сеть, которую наши правители используют, чтобы держать нас в повиновении.
Гален Уинсор приводил пример с простыми ядерными отходами, которых в мире накоплены килотонны. При этом каждая тонна стоит 10 миллионов долларов США по ценам 1986-го года. Их можно использовать, чтобы повторно получать из них топливный уран, но драгоценный изотопы намеренно держат под землей, создавая тем самым баснословные цены ядерного топлива на мировом рынке.
К этому нужно добавить всепланетный распил бабла на «захоронение», «транспортировку» и «хранение» ядерных материалов, которые вполне можно было бы перевозить обычным транспортом и хранить в обычных зданиях. Но вместо этого правительство сверлит для них базальтовые норы, в процессе чего испаряется уйма денег.
Однако самое главное, что даже не высокообогащенный уран, а все эти ядерные отходы посредством термоэлектронного преобразования еще в середине 1950-х могли быть превращены в относительно вечные портативные источники бесплатной энергии, одного из которых хватило бы на всё время жизни одной средней американской семьи. Такие источники годами питают навигационную сеть подводных лодок США, чего бы хватило на 50 лет освещения и отопления дома, работы стиральных машин, телевизоров и холодильников. Но тогда люди стали бы независимы от энергокомпаний, что для любого правительства недопустимо.
Комментарий редакции The Big The One: Фантастические опыты над собой господина Галена Уинзора действительно впечатляют, однако нельзя не заметить, что лучевая болезнь как нозологическая единица всё-таки существует, хотя точно нельзя сказать — действительно ли в её причине лежит уран? Тем не менее сама тема заговора в ядерной энергетике весьма интересная, поскольку на этот счет существуют определенные конспирологические теории.
В частности, многие люди считают, что понастроенные везде как бы атомные электростанции — это не более чем муляжи. Реально внутри энергоблока стоит какой-то небольшой секретный прибор, который и производит электрическую энергию, часть которой пускают на кипячение «охладителя» и кручение бутафорских «генераторов» и «турбин». Доказать, что на АЭС всё именно так и обстоит никто не может, поскольку там даже персонал ходит только туда, куда ему разрешено по правилам допуска, что порождает у конспирологов еще больше подозрений, однако возможно, что господин Гален Уинзор проливает свет и на эту ситуацию.
Второй интересный момент в свете уранового заговора — это контроль государства за таким ресурсом как ртуть, опасность которой не просто преувеличена, а высосана из пальца. Ртуть можно пить, что активно использовалось в 19-м веке для лечения непроходимости кишечника. И тем не менее, свободно обращение этого металла запрещено даже в Северной Корее и Гондурасе. Возникает вопрос: почему?
Ответа на этот вопрос мы не знаем. Но что мы знаем и что совершенно верно говорил господин Гален Уинзор — государству нужен полный контроль над стадом и главные инструменты контроля — это энергия и еда.
В конце 1940-х и в начале 1950-х группа переживших блокаду ленинградских биологов занялась созданием особой культуры дрожжей, которые бы могли, по типу растений, синтезировать углеводы и протеины из воздуха при подаче в субстрат небольших порций света и электричества. И хотя это был почти что частный проект, то есть люди брали у государства только оборудование и реактивы, никаких инвестиций не было, биологи успешно решили задачу.
Полученный ими микроорганизм производил почти что бесплатный протеин тоннами, перспектива чего поражала воображение. Это был идеальный корм для птицы и для скота, что позволило бы завалить голодающую послевоенную страну мясом. А при продолжении разработок можно было бы получать и более продвинутые продукты, выделять нужные сахара, липиды и аминокислоты, создавая почти бесплатные пищевые брикеты для людей.
Обрадованные ученые побежали с результатами на доклад в Политбюро, воображая, что сейчас им прямо Ленинскую премию выдадут и разрешат заводы для страны построить. Но… за инициативу лабораторию разогнали и тему похоронили. Опять возникает вопрос: почему?
Ответ на него то же, что и на вопрос почему в огромном СССР, занимающем 1/6 часть суши людям давали земельные наделы по 10 соток (по 6 в южных районах). Земля — источник еды, а еда — это основа независимости, которая для «стада» недопустима.
Таким образом, хотя мы ничего не может ни опровергнуть ни подтвердить про питательность обогащенного урана, одно мы точно знаем: портативных источников дешевой энергии в этом мире давно не было, нет, и, скорее всего, еще очень долго не будет. И что более всего удивляет: все правительства всех стран в этом вопросе заодно, как будто еще одно какое-то правительство этими всеми правительствами и управляет.
Откуда взялся уран? Скорее всего, он появляется при взрывах сверхновых. Дело в том, что для нуклеосинтеза элементов тяжелее железа должен существовать мощный поток нейтронов, который возникает как раз при взрыве сверхновой. Казалось бы, потом, при конденсации из образованного ею облака новых звездных систем, уран, собравшись в протопланетном облаке и будучи очень тяжелым, должен тонуть в глубинах планет. Но это не так. Уран - радиоактивный элемент, и при распаде он выделяет тепло. Расчет показывает, что если бы уран был равномерно распределен по всей толще планеты хотя бы с той же концентрацией, что и на поверхности, то он выделял бы слишком много тепла. Более того, его поток по мере расходования урана должен ослабевать. Поскольку ничего подобного не наблюдается, геологи считают, что не менее трети урана, а может быть, и весь он сосредоточен в земной коре, где его содержание составляет 2,5∙10 –4 %. Почему так получилось, не обсуждается.
Где добывают уран? Урана на Земле не так уж мало - по распространенности он на 38-м месте. А больше всего этого элемента в осадочных породах - углистых сланцах и фосфоритах: до 8∙10 –3 и 2,5∙10 –2 % соответственно. Всего в земной коре содержится 10 14 тонн урана, но главная проблема в том, что он весьма рассеян и не образует мощных месторождений. Промышленное значение имеют примерно 15 минералов урана. Это урановая смолка - ее основой служит оксид четырехвалентного урана, урановая слюдка - различные силикаты, фосфаты и более сложные соединения с ванадием или титаном на основе шестивалентного урана.
Что такое лучи Беккереля? После открытия Вольфгангом Рентгеном Х-лучей французский физик Антуан-Анри Беккерель заинтересовался свечением солей урана, которое возникает под действием солнечного света. Он хотел понять, нет ли и тут Х-лучей. Действительно, они присутствовали - соль засвечивала фотопластинку сквозь черную бумагу. В одном из опытов, однако, соль не стали освещать, а фотопластинка все равно потемнела. Когда же между солью и фотопластинкой положили металлический предмет, то под ним потемнение было меньше. Стало быть, новые лучи возникали отнюдь не из-за возбуждения урана светом и через металл частично не проходили. Их и назвали поначалу «лучами Беккереля». Впоследствии было обнаружено, что это главным образом альфа-лучи с небольшой добавкой бета-лучей: дело в том, что основные изотопы урана при распаде выбрасывают альфа-частицу, а дочерние продукты испытывают и бета-распад.
Насколько велика радиоактивность урана? У урана нет стабильных изотопов, все они радиоактивные. Самый долгоживущий - уран-238 с периодом полураспада 4,4 млрд лет. Следующим идет уран-235 - 0,7 млрд лет. Оба они претерпевают альфа-распад и становятся соответствующими изотопами тория. Уран-238 составляет более 99% всего природного урана. Из- за его огромного периода полураспада радиоактивность этого элемента мала, а кроме того, альфа-частицы не способны преодолеть ороговевший слой кожи на поверхности человеческого тела. Рассказывают, что И. В. Курчатов после работы с ураном просто вытирал руки носовым платком и никакими болезнями, связанными с радиоактивностью, не страдал.
Исследователи не раз обращались к статистике заболеваний рабочих урановых приисков и обрабатывающих комбинатов. Вот, например, недавняя статья канадских и американских специалистов, которые проанализировали данные о здоровье более 17 тысяч рабочих прииска Эльдорадо в канадской провинции Саскачеван за 1950–1999 годы (Environmental Research , 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Они исходили из того, что сильнее всего радиация действует на быстро размножающиеся клетки крови, приводя к соответствующим видам рака. Статистика же показала, что у рабочих прииска заболеваемость различными видами рака крови меньше, чем в среднем у канадцев. При этом основным источником радиации считается не сам по себе уран, а порождаемый им газообразный радон и продукты его распада, которые могут попасть в организм через легкие.
Чем же вреден уран ? Он, подобно другим тяжелым металлам, весьма ядовит, может вызывать почечную и печеночную недостаточность. С другой стороны, уран, будучи рассеянным элементом, неизбежно присутствует в воде, почве и, концентрируясь в пищевой цепочке, попадает в организм человека. Разумно предположить, что в процессе эволюции живые существа научились обезвреживать уран в природных концентрациях. Наиболее опасен уран в воде, поэтому ВОЗ установила ограничение: поначалу оно составляло 15 мкг/л, но в 2011 году норматив увеличили до 30 мк/г. Как правило, урана в воде гораздо меньше: в США в среднем 6,7 мкг/л, в Китае и Франции - 2,2 мкг/л. Но бывают и сильные отклонения. Так в отдельных районах Калифорнии его в сто раз больше, чем по нормативу, - 2,5 мг/л, а в Южной Финляндии доходит и до 7,8 мг/л. Исследователи же пытаются понять, не слишком ли строг норматив ВОЗ, изучая действие урана на животных. Вот типичная работа (BioMed Research International , 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Французские ученые девять месяцев поили крыс водой с добавками обедненного урана, причем в относительно большой концентрации - от 0,2 до 120 мг/л. Нижнее значение - это вода вблизи шахты, верхнее же нигде не встречается - максимальная концентрация урана, измеренная в той же Финляндии, составляет 20 мг/л. К удивлению авторов - статья так и называется: «Неожиданное отсутствие заметного влияния урана на физиологические системы...», - уран на здоровье крыс практически не сказался. Животные прекрасно питались, прибавляли в весе как следует, на болезни не жаловались и от рака не умирали. Уран, как ему и положено, откладывался прежде всего в почках и костях и в стократно меньшем количестве - в печени, причем его накопление ожидаемо зависело от содержания в воде. Однако ни к почечной недостаточности, ни даже к заметному появлению каких-либо молекулярных маркеров воспаления это не приводило. Авторы предложили начать пересмотр строгих нормативов ВОЗ. Однако есть один нюанс: воздействие на мозг. В мозгах крыс урана было меньше, чем в печени, но его содержание не зависело от количества в воде. А вот на работе антиоксидантной системы мозга уран сказался: на 20% выросла активность каталазы, на 68–90% - глютатионпероксидазы, активность же суперкоксиддисмутазы упала независимо от дозы на 50%. Это означает, что уран явно вызывал окислительный стресс в мозгу и организм на него реагировал. Такой эффект - сильное действие урана на мозг при отсутствии его накопления в нем, кстати, равно как и в половых органах, - замечали и раньше. Более того, вода с ураном в концентрации 75–150 мг/л, которой исследователи из университета Небраски поили крыс полгода (Neurotoxicology and Teratology , 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), сказалаcь на поведении животных, главным образом самцов, выпущенных в поле: они не так, как контрольные, пересекали линии, привставали на задние лапы и чистили шерстку. Есть данные, что уран приводит и к нарушениям памяти у животных. Изменение поведения коррелировало с уровнем окисления липидов в мозгу. Получается, что крысы от урановой водички делались здоровыми, но глуповатыми. Эти данные нам еще пригодятся при анализе так называемого синдрома Персидского залива (Gulf War Syndrome).
Загрязняет ли уран места разработки сланцевого газа? Это зависит от того, сколько урана в содержащих газ породах и как он с ними связан. Например, доцент Трейси Бэнк из Университета Буффало исследовала сланцевые породы месторождения Марцелус, протянувшегося с запада штата Нью-Йорк через Пенсильванию и Огайо к Западной Виргинии. Оказалось, что уран химически связан именно с источником углеводородов (вспомним, что в родственных углистых сланцах самое высокое содержание урана). Опыты же показали, что используемый при разрыве пласта раствор прекрасно растворяет в себе уран. «Когда уран в составе этих вод окажется на поверхности, он может вызвать загрязнение окрестностей. Радиационного риска это не несет, но уран - ядовитый элемент», - отмечает Трейси Бэнк в пресс-релизе университета от 25 октября 2010 года. Подробных статей о риске загрязнения окружающей среды ураном или торием при добыче сланцевого газа пока не подготовлено.
Зачем нужен уран? Раньше его применяли в качестве пигмента для изготовления керамики и цветного стекла. Теперь же уран - основа атомной энергетики и атомного оружия. При этом используется его уникальное свойство - способность ядра делиться.
Что такое деление ядра? Распад ядра на два неравных больших куска. Именно из-за этого свойства при нуклеосинтезе за счет нейтронного облучения ядра тяжелее урана образуются с большим трудом. Суть явления состоит в следующем. Если соотношение числа нейтронов и протонов в ядре не оптимально, оно становится нестабильным. Обычно такое ядро выбрасывает из себя либо альфа-частицу - два протона и два нейтрона, либо бета-частицу - позитрон, что сопровождается превращением одного из нейтронов в протон. В первом случае получается элемент таблицы Менделеева, отстоящий на две клетки назад, во втором - на одну клетку вперед. Однако ядро урана помимо излучения альфа- и бета-частиц способно делиться - распадаться на ядра двух элементов середины таблицы Менделеева, например бария и криптона, что и делает, получив новый нейтрон. Это явление обнаружили вскоре после открытия радиоактивности, когда физики подвергали новооткрытому излучению все, что придется. Вот как пишет об этом участник событий Отто Фриш («Успехи физических наук», 1968, 96, 4). После открытия бериллиевых лучей - нейтронов - Энрико Ферми облучал ими, в частности, уран, чтобы вызвать бета-распад, - он надеялся за его счет получить следующий, 93-й элемент, ныне названный нептунием. Он-то и обнаружил у облученного урана новый тип радиоактивности, который связал с появлением трансурановых элементов. При этом замедление нейтронов, для чего бериллиевый источник покрывали слоем парафина, увеличивало такую наведенную радиоактивность. Американский радиохимик Аристид фон Гроссе предположил, что одним из этих элементов был протактиний, но ошибся. Зато Отто Ган, работавший тогда в Венском университете и считавший открытый в 1917 году протактиний своим детищем, решил, что обязан узнать, какие элементы при этом получаются. Вместе с Лизой Мейтнер в начале 1938 года Ган предположил на основании результатов опытов, что образуются целые цепочки из радиоактивных элементов, возникающих из-за многократных бета-распадов поглотивших нейтрон ядер урана-238 и его дочерних элементов. Вскоре Лиза Мейтнер была вынуждена бежать в Швецию, опасаясь возможных репрессий со стороны фашистов после аншлюса Австрии. Ган же, продолжив опыты с Фрицем Штрассманом, обнаружил, что среди продуктов был еще и барий, элемент с номером 56, который никоим образом из урана получиться не мог: все цепочки альфа-распадов урана заканчиваются гораздо более тяжелым свинцом. Исследователи были настолько удивлены полученным результатом, что публиковать его не стали, только писали письма друзьям, в частности Лизе Мейтнер в Гётеборг. Там на Рождество 1938 года ее посетил племянник, Отто Фриш, и, гуляя в окрестностях зимнего города - он на лыжах, тетя пешком, - они обсудили возможности появления бария при облучении урана вследствие деления ядра (подробнее о Лизе Мейтнер см. «Химию и жизнь», 2013, №4). Вернувшись в Копенгаген, Фриш буквально на трапе парохода, отбывающего в США, поймал Нильса Бора и сообщил ему об идее деления. Бор, хлопнув себя по лбу, сказал: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». В январе 1939 года вышла статья Фриша и Мейтнер о делении ядер урана под действием нейтронов. К тому времени Отто Фриш уже поставил контрольный опыт, равно как и многие американские группы, получившие сообщение от Бора. Рассказывают, что физики стали расходиться по своим лабораториям прямо во время его доклада 26 января 1939 года в Вашингтоне на ежегодной конференции по теоретической физике, когда ухватили суть идеи. После открытия деления Ган и Штрассман пересмотрели свои опыты и нашли, так же, как и их коллеги, что радиоактивность облученного урана связана не с трансуранами, а с распадом образовавшихся при делении радиоактивных элементов из середины таблицы Менделеева.
Как проходит цепная реакция в уране? Вскоре после того, как была экспериментально доказана возможность деления ядер урана и тория (а других делящихся элементов на Земле в сколько-нибудь значимом количестве нет), работавшие в Принстоне Нильс Бор и Джон Уиллер, а также независимо от них советский физик-теоретик Я. И. Френкель и немцы Зигфрид Флюгге и Готфрид фон Дросте создали теорию деления ядра. Из нее следовали два механизма. Один - связанный с пороговым поглощением быстрых нейтронов. Согласно ему, для инициации деления нейтрон должен обладать довольно большой энергией, более 1 МэВ для ядер основных изотопов - урана-238 и тория-232. При меньшей энергии поглощение нейтрона ураном-238 имеет резонансный характер. Так, нейтрон с энергией 25 эВ имеет в тысячи раз большую площадь сечения захвата, чем с другими энергиями. При этом никакого деления не будет: уран-238 станет ураном-239, который с периодом полураспада 23,54 минуты превратится в нептуний-239, тот, с периодом полураспада 2,33 дня, - в долгоживущий плутоний-239. Торий-232 станет ураном-233.
Второй механизм - беспороговое поглощение нейтрона, ему следует третий более-менее распространенный делящийся изотоп - уран-235 (а равно и отсутствующие в природе плутоний-239 и уран-233): поглотив любой нейтрон, даже медленный, так называемый тепловой, с энергией как у молекул, участвующих в тепловом движении, - 0,025 эВ, такое ядро разделится. И это очень хорошо: у тепловых нейтронов площадь сечения захвата в четыре раза выше, чем у быстрых, мегаэлектронвольтных. В этом значимость урана-235 для всей последующей истории атомной энергетики: именно он обеспечивает размножение нейтронов в природном уране. После попадания нейтрона ядро урана-235 становится нестабильным и быстро делится на две неравные части. Попутно вылетает несколько (в среднем 2,75) новых нейтронов. Если они попадут в ядра того же урана, то вызовут размножение нейтронов в геометрической прогрессии - пойдет цепная реакция, что приведет к взрыву из-за быстрого выделения огромного количества тепла. Ни уран-238, ни торий-232 так работать не могут: ведь при делении вылетают нейтроны со средней энергией 1–3 МэВ, то есть при наличии энергетического порога в 1 МэВ значительная часть нейтронов заведомо не сможет вызвать реакцию, и размножения не будет. А значит, про эти изотопы следует забыть и придется замедлять нейтроны до тепловой энергии, чтобы они максимально эффективно взаимодействовали с ядрами урана-235. При этом нельзя допустить их резонансного поглощения ураном-238: все-таки в природном уране этот изотоп составляет чуть меньше 99,3% и нейтроны чаще сталкиваются именно с ним, а не с целевым ураном-235. А действуя замедлителем, можно поддерживать размножение нейтронов на постоянном уровне и взрыва не допустить - управлять цепной реакцией.
Расчет, проведенный Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном в том же судьбоносном 1939 году, показал, что для этого нужно применить замедлитель нейтронов в виде тяжелой воды или графита и обогатить ураном-235 природный уран по меньшей мере в 1,83 раза. Тогда эта идея показалась им чистой фантазией: «Следует отметить, что примерно двойное обогащение тех довольно значительных количеств урана, которые необходимы для осуществления цепного взрыва, <...> представляет собой чрезвычайно громоздкую, близкую к практической невыполнимости задачу». Сейчас эта задача решена, и атомная промышленность серийно выпускает для электростанций уран, обогащенный ураном-235 до 3,5%.
Что такое спонтанное деление ядер? В 1940 году Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили, что деление урана может происходить спонтанно, без всякого внешнего воздействия, правда период полураспада гораздо больше, чем при обычном альфа-распаде. Поскольку при таком делении тоже получаются нейтроны, если не дать им улететь из зоны реакции, они-то и послужат инициаторами цепной реакции. Именно это явление используют при создании атомных реакторов.
Зачем нужна атомная энергетика? Зельдович и Харитон были в числе первых, кто посчитал экономический эффект атомной энергетики («Успехи физических наук», 1940, 23, 4). «...В настоящий момент еще нельзя сделать окончательных заключений о возможности или невозможности осуществления в уране ядерной реакции деления с бесконечно разветвляющимися цепями. Если такая реакция осуществима, то автоматически осуществляется регулировка скорости реакции, обеспечивающая спокойное ее протекание, несмотря на огромное количество находящейся в распоряжении экспериментатора энергии. Это обстоятельство исключительно благоприятно для энергетического использования реакции. Приведем поэтому - хотя это и является делением шкуры неубитого медведя - некоторые числа, характеризующие возможности энергетического использования урана. Если процесс деления идет на быстрых нейтронах, следовательно, реакция захватывает основной изотоп урана (U238), то <исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран> стоимость калории из основного изотопа урана оказывается примерно в 4000 раз дешевле, чем из угля (если, конечно, процессы "сжигания" и теплосъема не окажутся в случае урана значительно дороже, чем в случае угля). В случае медленных нейтронов стоимость "урановой" калории (если исходить из вышеприведенных цифр) будет, принимая во внимание, что распространенность изотопа U235 равна 0,007, уже лишь в 30 раз дешевле "угольной" калории при прочих равных условиях».
Первую управляемую цепную реакцию провел в 1942 году Энрико Ферми в Чикагском университете, причем управляли реактором вручную - задвигая и выдвигая графитовые стержни при изменении потока нейтронов. Первая электростанция была построена в Обнинске в 1954 году. Помимо выработки энергии первые реакторы работали еще и на производство оружейного плутония.
Как функционирует атомная станция? Сейчас большинство реакторов работают на медленных нейтронах. Обогащенный уран в виде металла, сплава, например с алюминием, или в виде оксида складывают в длинные цилиндры - тепловыделяющие элементы. Их определенным образом устанавливают в реакторе, а между ними вводят стержни из замедлителя, которые и управляют цепной реакцией. Со временем в тепловыделяющем элементе накапливаются реакторные яды - продукты деления урана, также способные к поглощению нейтронов. Когда концентрация урана-235 падает ниже критической, элемент выводят из эксплуатации. Однако в нем много осколков деления с сильной радиоактивностью, которая уменьшается с годами, отчего элементы еще долго выделяют значительное количество тепла. Их выдерживают в охлаждающих бассейнах, а затем либо захоранивают, либо пытаются переработать - извлечь несгоревший уран-235, наработанный плутоний (он шел на изготовление атомных бомб) и другие изотопы, которым можно найти применение. Неиспользуемую часть отправляют в могильники.
В так называемых реакторах на быстрых нейтронах, или реакторах-размножителях, вокруг элементов устанавливают отражатели из урана-238 или тория-232. Они замедляют и отправляют обратно в зону реакции слишком быстрые нейтроны. Замедленные же до резонансных скоростей нейтроны поглощают названные изотопы, превращаясь соответственно в плутоний-239 или уран-233, которые могут служить топливом для атомной станции. Так как быстрые нейтроны плохо реагируют с ураном-235, нужно значительно увеличивать его концентрацию, но это окупается более сильным потоком нейтронов. Несмотря на то что реакторы-размножители считаются будущим атомной энергетики, поскольку дают больше ядерного топлива, чем расходуют, - опыты показали: управлять ими трудно. Сейчас в мире остался лишь один такой реактор - на четвертом энергоблоке Белоярской АЭС.
Как критикуют атомную энергетику? Если не говорить об авариях, то основным пунктом в рассуждениях противников атомной энергетики сегодня стало предложение добавить к расчету ее эффективности затраты по защите окружающей среды после выведения станции из эксплуатации и при работе с топливом. В обоих случаях возникают задачи надежного захоронения радиоактивных отходов, а это расходы, которые несет государство. Есть мнение, что если переложить их на себестоимость энергии, то ее экономическая привлекательность пропадет.
Существует оппозиция и среди сторонников атомной энергетики. Ее представители указывают на уникальность урана-235, замены которому нет, потому что альтернативные делящиеся тепловыми нейтронами изотопы - плутоний-239 и уран-233 - из-за периода полураспада в тысячи лет в природе отсутствуют. А получают их как раз вследствие деления урана-235. Если он закончится, исчезнет прекрасный природный источник нейтронов для цепной ядерной реакции. В результате такой расточительности человечество лишится возможности в будущем вовлечь в энергетический цикл торий-232, запасы которого в несколько раз больше, чем урана.
Теоретически для получения потока быстрых нейтронов с мегаэлектронвольтными энергиями можно использовать ускорители частиц. Однако если речь идет, например, о межпланетных полетах на атомном двигателе, то реализовать схему с громоздким ускорителем будет очень непросто. Исчерпание урана-235 ставит крест на таких проектах.
Что такое оружейный уран? Это высокообогащенный уран-235. Его критическая масса - она соответствует размеру куска вещества, в котором самопроизвольно идет цепная реакция, - достаточно мала для того, чтобы изготовить боеприпас. Такой уран может служить для изготовления атомной бомбы, а также как взрыватель для термоядерной бомбы.
Какие катастрофы связаны с применением урана? Энергия, запасенная в ядрах делящихся элементов, огромна. Вырвавшись из-под контроля по недосмотру или вследствие умысла, эта энергия способна натворить немало бед. Две самые чудовищные ядерные катастрофы случились 6 и 8 августа 1945 года, когда ВВС США сбросили атомные бомбы на Хиросиму и Нагасаки, в результате чего погибли и пострадали сотни тысяч мирных жителей. Катастрофы меньшего масштаба связаны с авариями на атомных станциях и предприятиях атомного цикла. Первая крупная авария случилась в1949 году в СССР на комбинате «Маяк» под Челябинском, где нарабатывали плутоний; жидкие радиоактивные отходы попали в речку Течу. В сентябре 1957 года на нем же произошел взрыв с выбросом большого количества радиоактивного вещества. Через одиннадцать дней сгорел британский реактор по наработке плутония в Уиндскейле, облако с продуктами взрыва рассеялось над Западной Европой. В 1979 году сгорел реактор на АЭС Тримейл-Айленд в Пенсильвании. К наиболее масштабным последствиям привели аварии на Чернобыльской АЭС (1986) и АЭС в Фукусиме (2011), когда воздействию радиации подверглись миллионы людей. Первая засорила обширные земли, выбросив в результате взрыва 8 тонн уранового топлива с продуктами распада, которые распространились по Европе. Вторая загрязнила и спустя три года после аварии продолжает загрязнять акваторию Тихого океана в районах рыбных промыслов. Ликвидация последствий этих аварий обошлась весьма дорого, и, если бы разложить эти затраты на стоимость электроэнергии, она бы существенно выросла.
Отдельный вопрос - последствия для здоровья людей. Согласно официальной статистике, многим людям, пережившим бомбардировку или живущим на загрязненной территории, облучение пошло на пользу - у первых более высокая продолжительность жизни, у вторых меньше онкологических заболеваний, а некоторое увеличение смертности специалисты связывают с социальным стрессом. Количество же людей, погибших именно от последствий аварий или в результате их ликвидации, исчисляется сотнями человек. Противники атомных электростанций указывают, что аварии привели к нескольким миллионам преждевременных смертей на европейском континенте, просто они незаметны на статистическом фоне.
Вывод земель из человеческого использования в зонах аварий приводит к интересному результату: они становятся своего рода заповедниками, где растет биоразнообразие. Правда, отдельные животные страдают от болезней, связанных с облучением. Вопрос, как быстро они приспособятся к повышенному фону, остается открытым. Есть также мнение, что последствием хронического облучения оказывается «отбор на дурака» (см. «Химию и жизнь», 2010, №5): еще на стадии эмбриона выживают более примитивные организмы. В частности, применительно к людям это должно приводить к снижению умственных способностей у поколения, родившегося на загрязненных территориях вскоре после аварии.
Что такое обедненный уран? Это уран-238, оставшийся после выделения из него урана-235. Объемы отхода производства оружейного урана и тепловыделяющих элементов велики - в одних США скопилось 600 тысяч тонн гексафторида такого урана (о проблемах с ним см. «Химию и жизнь», 2008, №5). Содержание урана-235 в нем - 0,2%. Эти отходы надо либо хранить до лучших времен, когда будут созданы реакторы на быстрых нейтронах и появится возможность переработки урана-238 в плутоний, либо как-то использовать.
Применение ему нашли. Уран, как и другие переходные элементы, используют в качестве катализатора. Например, авторы статьи в ACS Nano от 30 июня 2014 года пишут, что катализатор из урана или тория с графеном для восстановления кислорода и перекиси водорода «имеет огромный потенциал для применения в энергетике». Поскольку плотность урана высока, он служит в качестве балласта для судов и противовесов для самолетов. Годится этот металл и для радиационной защиты в медицинских приборах с источниками излучения.
Какое оружие можно делать из обедненного урана? Пули и сердечники для бронебойных снарядов. Расчет здесь такой. Чем тяжелее снаряд, тем выше его кинетическая энергия. Но чем больше размер снаряда, тем менее концентрирован его удар. Значит, нужны тяжелые металлы, обладающие высокой плотностью. Пули делают из свинца (уральские охотники одно время использовали и самородную платину, пока не поняли, что это драгоценный металл), сердечники же снарядов - из вольфрамового сплава. Защитники природы указывают, что свинец загрязняет почву в местах боевых действий или охоты и лучше бы заменить его на что-то менее вредное, например на тот же вольфрам. Но вольфрам недешев, а сходный с ним по плотности уран - вот он, вредный отход. При этом допустимое загрязнение почвы и воды ураном примерно в два раза больше, чем для свинца. Так получается потому, что слабой радиоактивностью обедненного урана (а она еще и на 40% меньше, чем у природного) пренебрегают и учитывают действительно опасный химический фактор: уран, как мы помним, ядовит. В то же время его плотность в 1,7 раза больше, чем у свинца, а значит, размер урановых пуль можно уменьшить в два раза; уран гораздо более тугоплавкий и твердый, чем свинец, - при выстреле он меньше испаряется, а при ударе в цель дает меньше микрочастиц. В общем, урановая пуля меньше загрязняет окружающую среду, чем свинцовая, правда, достоверно о таком использовании урана неизвестно.
Зато известно, что пластины из обедненного урана применяют для укрепления брони американских танков (этому способствуют его высокие плотность и температура плавления), а также вместо вольфрамового сплава в сердечниках для бронебойных снарядов. Урановый сердечник хорош еще и тем, что уран пирофорен: его горячие мелкие частицы, образовавшиеся при ударе о броню, вспыхивают и поджигают все вокруг. Оба применения считаются радиационно безопасными. Так, расчет показал, что, даже просидев безвылазно год в танке с урановой броней, загруженном урановым боекомплектом, экипаж получит лишь четверть допустимой дозы. А чтобы получить годовую допустимую дозу, надо на 250 часов прикрутить к поверхности кожи такой боеприпас.
Снаряды с урановыми сердечниками - к 30-мм авиационным пушкам или к артиллерийским подкалиберным - применяли американцы в недавних войнах, начав с иракской кампании 1991 года. В тот год они высыпали на иракские бронетанковые части в Кувейте и при их отступлении 300 тонн обедненного урана, из них 250 тонн, или 780 тысяч выстрелов, пришлось на авиационные пушки. В Боснии и Герцеговине при бомбежках армии непризнанной Республики Сербской было истрачено 2,75 тонны урана, а при обстрелах югославской армии в крае Косово и Метохия - 8,5 тонн, или 31 тысяча выстрелов. Поскольку ВОЗ к тому времени озаботилась последствиями применения урана, был проведен мониторинг. Он показал, что один залп состоял примерно из 300 выстрелов, из которых 80% содержало обедненный уран. В цели попадало 10%, а 82% ложилось в пределах 100 метров от них. Остальные рассеивались в пределах 1,85 км. Снаряд, попавший в танк, сгорал и превращался в аэрозоль, легкие цели вроде бронетранспортеров урановый снаряд прошивал насквозь. Таким образом, в урановую пыль в Ираке могло превратиться от силы полторы тонны снарядов. По оценкам же специалистов американского стратегического исследовательского центра «RAND Corporation», в аэрозоль превратилось больше, от 10 до 35% использованного урана. Борец с урановыми боеприпасами хорват Асаф Дуракович, работавший во множестве организаций от эр-риядского Госпиталя короля Фейсала до вашингтонского Уранового медицинского исследовательского центра, считает, что только в Южном Ираке в 1991 году образовалось 3–6 тонн субмикронных частиц урана, которые рассеялись по обширному району, то есть урановое загрязнение там сопоставимо с чернобыльским.
уран 235 75, уран 235/75r15Ура́н-235 (англ. uranium-235), историческое название актиноура́н (лат. Actin Uranium, обозначается символом AcU ) - радиоактивный нуклид химического элемента урана с атомным номером 92 и массовым числом 235. Изотопная распространённость урана-235 в природе составляет 0,7200(51) %. Является родоначальником радиоактивного семейства 4n+3, называемого рядом актиния. Открыт в 1935 году Артуром Демпстером (англ. Arthur Jeffrey Dempster).
В отличие от другого, наиболее распространенного изотопа урана 238U, в 235U возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии.
Активность одного грамма данного нуклида составляет приблизительно 80 кБк.
- 1 Образование и распад
- 2 Вынужденное деление
- 2.1 Цепная ядерная реакция
- 3 Изомеры
- 4 Применение
- 5 См. также
- 6 Примечания
Образование и распад
Уран-235 образуется в результате следующих распадов:
- β−-распад нуклида 235Pa (период полураспада составляет 24,44(11) мин):
- K-захват, осуществляемый нуклидом 235Np (период полураспада составляет 396,1(12) дня):
- α-распад нуклида 239Pu (период полураспада составляет 2,411(3)·104 лет):
Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:
- α-распад в 231Th (вероятность 100 %, энергия распада 4 678,3(7) кэВ):
- Спонтанное деление (вероятность 7(2)·10−9 %);
- Кластерный распад с образованием нуклидов 20Ne, 25Ne и 28Mg (вероятности соответственно составляют 8(4)·10−10 %, 8·10−10 %, 8·10−10 %):
Вынужденное деление
Основная статья: Деление ядра Кривая выхода продуктов деления урана-235 для различных энергий делящих нейтронов.В начале 1930-х гг. Энрико Ферми проводил облучение урана нейтронами, преследуя цель получить таким образом трансурановые элементы. Но в 1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман смогли показать, что при поглощении нейтрона ядром урана происходит вынужденная реакция деления. Как правило, ядро делится на два осколка, при этом высвобождается 2-3 нейтрона (см. схему).
В продуктах деления урана-235 было обнаружено около 300 изотопов различных элементов: от Z=30 (цинк) до Z=64 (гадолиний). Кривая зависимости относительного выхода изотопов, образующихся при облучении урана-235 медленными нейтронами, от массового числа - симметрична и по форме напоминает букву «M». Два выраженных максимума этой кривой соответствуют массовым числам 95 и 134, а минимум приходится на диапазон массовых чисел от 110 до 125. Таким образом, деление урана на осколки равной массы (с массовыми числами 115-119) происходит с меньшей вероятностью, чем асимметричное деление, такая тенденция наблюдается у всех делящихся изотопов и не связана с какими-то индивидуальными свойствами ядер или частиц, а присуща самому механизму деления ядра. Однако асимметрия уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра и при энергии нейтрона более 100 МэВ распределение осколков деления по массам имеет один максимум, соответствующий симметричному делению ядра.
Один из вариантов вынужденного деления урана-235 после поглощения нейтрона (схема)
Осколки, образующиеся при делении ядра урана, в свою очередь являются радиоактивными, и подвергаются цепочке β−-распадов, при которых постепенно в течение длительного времени выделяется дополнительная энергия. Средняя энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра урана-235 с учётом распада осколков, составляет приблизительно 202,5 МэВ = 3,244·10−11 Дж, или 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг.
Деление ядер - лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора.
Цепная ядерная реакция
Основная статья: Цепная ядерная реакцияПри распаде одного ядра 235U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем - 2.5) свободных нейтрона. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра 235U, при условии взаимодействия с другим ядром 235U, может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной реакцией деления ядра.
Гипотетически, число нейтронов второго поколения (после второго этапа распада ядер) может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом реакции деления количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. реальных условиях свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата 235U, или будучи захваченными как самим изотопом 235U с превращением его в 236U, так и иными материалами (например, 238U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как 149Sm или 135Xe).
Если в среднем каждый акт деления порождает еще один новый акт деления, то реакция становится самоподдерживающейся; это состояние называется критическим. (см. также Коэффициент размножения нейтронов)
В реальных условиях достичь критического состояния урана не так просто, поскольку на протекание реакции влияет ряд факторов. Например, природный уран лишь на 0,72 % состоит из 235U, 99,2745 % составляет 238U, который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер 235U. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция деления очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию деления можно несколькими основными путями:
- Увеличить объём образца (для выделенного из руды урана возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
- Осуществить разделение изотопов, повысив концентрацию 235U в образце;
- Уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
- Использовать вещество - замедлитель нейтронов для повышения концентрации тепловых нейтронов.
Изомеры
Известен единственный изомер 235Um со следующими характеристиками:
- Избыток массы: 40 920,6(1,8) кэВ
- Энергия возбуждения: 76,5(4) эВ
- Период полураспада: 26 мин
- Спин и чётность ядра: 1/2+
Распад изомерного состояния осуществляется путём изомерного перехода в основное состояние.
Применение
- Уран-235 используется в качестве топлива для ядерных реакторов, в которых осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления;
- Уран с высокой степенью обогащения применяется для создания ядерного оружия. этом случае для высвобождения большого количества энергии (взрыва) используется неуправляемая цепная ядерная реакция.
См. также
- Изотопы урана
- Разделение изотопов
Примечания
- 1 2 3 4 5 G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references.». Nuclear Physics A 729 : 337-676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. Bibcode: 2003NuPhA.729..337A.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729 : 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.
- Гофман К. Можно ли сделать золото? - 2-е изд. стер. - Л.: Химия, 1987. - С. 130. - 232 с. - 50 000 экз.
- Today in science history
- 1 2 3 Фиалков Ю. Я. Применение изотопов в химии и химической промышленности. - Киев: Техніка, 1975. - С. 87. - 240 с. - 2 000 экз.
- Table of Physical and Chemical Constants, Sec 4.7.1: Nuclear Fission. Kaye & Laby Online. Архивировано из первоисточника 8 апреля 2012.
- Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - С. 512.
уран 235 50, уран 235 75, уран 235 area, уран 235/75r15
К марту 1939 года группы ученых, работавших во Франции и в Америке, доказали, что для самоподдерживающейся цепной реакции достаточно выделения в среднем двухчетырех свободных нейтронов при каждом делении уранового ядра. Растущие было опасения о возможности создания атомной бомбы, однако, быстро развеялись.
Бор решил не терять времени. Физика деления, как и любое другое новое направление в науке, несомненно, предоставляла неохватное поле для деятельности. И, поскольку в Принстоне работать можно было с не меньшим успехом, чем в Копенгагене, Бор обратился к Уилеру с предложением сотрудничества. Они занялись дальнейшей разработкой теории деления ядер, опираясь на новые экспериментальные данные. Эксперименты они проводили с аппаратом, собранным на скорую руку тут же, в Принстоне, на чердаке Палмеровской лаборатории. Полученные результаты были поначалу весьма озадачивающими.
Упомянутый выше аппарат нужен был, чтобы изучить изменения в интенсивности деления ядра урана под воздействием нейтронов, несущих каждый раз различные объемы энергии . Было установлено, что чем больше эта энергия, тем интенсивнее происходит деление, а с ее уменьшением интенсивность деления, соответственно, также снижается. Такие данные были вполне ожидаемы. Однако вскоре выяснилось, что при достаточном уменьшении энергии нейтронов интенсивность деления ядра снова возрастает.
Плачек, который ранее заставил работавшего в Копенгагене Фриша искать достоверное подтверждение ядерного расщепления, весьма неожиданно оказался в Принстоне. «Что это еще за чертовщина: почему отклик одинаковый и на быстрое и на медленное воздействие?!» - возмущался он, сидя за завтраком вместе с Розенфельдом и Бором.
Возвращаясь вскоре в свой кабинет, Нильс Бор уже знал ответ на этот вопрос. Судя по всему, причина высокой интенсивности деления ядра при малой энергии воздействующих нейтронов - редкий изотоп уран-235 (U 235), который составляет ничтожно малый процент от общего количества этого элемента, встречающегося в природе. Бор и Уилер приступили теперь к детальной разработке данной гипотезы. И в новой теории были установлены два основополагающих фактора.
В изотопе U 235 баланс между отталкивающей силой протонов в ядре атома и силой поверхностного натяжения, удерживающей ядро от распада, гораздо более хрупкий, чем в изотопе U 238 . Три дополнительных нейтрона урана-238 стабилизируют ядро и увеличивают энергетический барьер, который необходимо преодолеть, чтобы запустить реакцию распада. Следовательно, для расщепления такого ядра необходимы более быстрые нейтроны с большей энергией.
Вторым из упомянутых факторов стал непосредственно сложный состав ядра. Для него более благоприятно равное число протонов и нейтронов, что объясняется квантовой природой их субатомных составляющих. Приняв дополнительный нейтрон, U 235 превращается в U 236 , в ядре которого 92 протона и 144 нейтрона, то есть четное число обоих нуклонов. Когда U 238 принимает добавочный нейтрон, то образуется изотоп U 239 с нечетным числом нейтронов в ядре. Уран-235 «ассимилирует» дополнительный нейтрон и вступает с ним в реакцию намного проще, чем уран-238.
Совокупность двух вышеописанных факторов в достаточной степени объясняет существенное различие в поведении двух изотопов урана. Для расщепления устойчивого ядра U 238 требуются быстрые нейтроны, а гораздо менее стабильное ядро U 235 разделить можно медленными. Таким образом, если изготовить бомбу, состоящую из смеси U 235 и U 238 , действие которой будет основано на расщеплении урана-235 под воздействием медленных нейтронов, то и цепная реакция в ней будет происходить медленно. Затем она затухнет, а бомба так и не взорвется.
Теперь шансы на создание бомбы в ближайшем будущем хотя и не исчезли совсем, но значительно снизились. Конечно, нельзя забывать и о словах Бора, неоднократно повторяемых им в ходе дискуссий с коллегами в апреле 1939 года: тогда он заявил, что изготовить бомбу можно при условии, что она будет сделана на основе чистого урана-235. Однако U 235 - редкий изотоп и его доля по отношению к природному урану составляет 1:140, то есть ничтожные 0,7 %. К тому же U 235 и U 238 по химическим свойствам идентичны, и поэтому с помощью химической реакции их разделить нельзя. Это возможно только с применением специальных физических методов, позволяющих отделить изотопы друг от друга, используя практически незаметную разницу в их массе. При этом подобные работы в масштабах, необходимых для создания атомной бомбы, требовали неоправданно больших усилий - на тогдашнем уровне разработок для нее требовалось несколько тонн урана-235.
