Откъде идва уранът?Най-вероятно се появява по време на експлозии на свръхнова. Факт е, че за нуклеосинтезата на елементи, по-тежки от желязото, трябва да има мощен поток от неутрони, който възниква точно по време на експлозия на свръхнова. Изглежда, че тогава, по време на кондензация от облака на нови звездни системи, образувани от него, уранът, събран в протопланетен облак и като много тежък, трябва да потъне в дълбините на планетите. Но това не е вярно. Уранът е радиоактивен елемент и при разпадането си отделя топлина. Изчисленията показват, че ако уранът беше равномерно разпределен по цялата дебелина на планетата, поне със същата концентрация като на повърхността, той би отделял твърде много топлина. Освен това неговият поток трябва да отслабва с изразходването на уран. Тъй като нищо подобно не е наблюдавано, геолозите смятат, че поне една трета от урана, а може би и целият, е концентриран в земната кора, където съдържанието му е 2,5∙10 –4%. Защо това се случи не се обсъжда.
Къде се добива уран?На Земята няма толкова малко уран - той е на 38-мо място по изобилие. И по-голямата част от този елемент се намира в седиментни скали - въглеродни шисти и фосфорити: съответно до 8∙10 –3 и 2,5∙10 –2%. Общо земната кора съдържа 10 14 тона уран, но основният проблем е, че той е много разпръснат и не образува мощни находища. Приблизително 15 уранови минерала са от промишлено значение. Това е уранов катран - основата му е четиривалентен уранов оксид, уранова слюда - различни силикати, фосфати и по-сложни съединения с ванадий или титан на базата на шествалентен уран.
Какво представляват лъчите на Бекерел?След откриването на рентгеновите лъчи от Волфганг Рьонтген, френският физик Антоан-Анри Бекерел се интересува от светенето на уранови соли, което се получава под въздействието на слънчевата светлина. Искаше да разбере дали и тук има рентгенови лъчи. Наистина ги имаше – солта осветяваше фотографската плака през черната хартия. При един от експериментите обаче солта не е осветена, но фотографската плака все пак е потъмняла. Когато метален предмет беше поставен между солта и фотографската плака, потъмняването отдолу беше по-малко. Следователно нови лъчи не са възникнали поради възбуждането на уран от светлина и не са преминали частично през метала. Първоначално са били наричани „лъчи на Бекерел“. Впоследствие беше открито, че това са предимно алфа лъчи с малко добавяне на бета лъчи: факт е, че основните изотопи на урана излъчват алфа частица по време на разпадане, а дъщерните продукти също изпитват бета разпад.
Колко радиоактивен е уранът?Уранът няма стабилни изотопи; всички те са радиоактивни. Най-дълголетният е уран-238 с период на полуразпад 4,4 милиарда години. Следва уран-235 - 0,7 милиарда години. И двамата претърпяват алфа разпад и се превръщат в съответните изотопи на тория. Уран-238 представлява повече от 99% от целия естествен уран. Поради огромния си полуживот, радиоактивността на този елемент е ниска и освен това алфа частиците не могат да проникнат през роговия слой на повърхността на човешкото тяло. Казват, че след работа с уран И. В. Курчатов просто изтрил ръцете си с носна кърпа и не страдал от никакви заболявания, свързани с радиоактивността.
Изследователите многократно са се обръщали към статистиката на заболяванията на работниците в уранови мини и преработвателни предприятия. Ето например неотдавнашна статия на канадски и американски специалисти, които анализираха здравните данни на повече от 17 хиляди работници в мината Eldorado в канадската провинция Саскачеван за годините 1950–1999 ( Проучване на околната среда, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Те изхождат от факта, че радиацията има най-силен ефект върху бързо размножаващите се кръвни клетки, водещи до съответните видове рак. Статистиката показва, че работниците в мините имат по-ниска честота на различни видове рак на кръвта, отколкото средните канадци. В този случай основният източник на радиация не се счита за самия уран, а за генерирания от него газообразен радон и неговите разпадни продукти, които могат да попаднат в тялото през белите дробове.
Защо уранът е вреден?? Той, подобно на други тежки метали, е силно токсичен и може да причини бъбречна и чернодробна недостатъчност. От друга страна, уранът, като дисперсен елемент, неизбежно присъства във водата, почвата и, концентрирайки се в хранителната верига, навлиза в човешкото тяло. Логично е да се предположи, че в процеса на еволюция живите същества са се научили да неутрализират урана в естествени концентрации. Уранът е най-опасният във водата, затова СЗО постави граница: първоначално беше 15 μg/l, но през 2011 г. нормата беше увеличена до 30 μg/g. По правило във водата има много по-малко уран: в САЩ средно 6,7 µg/l, в Китай и Франция - 2,2 µg/l. Но има и силни отклонения. Така в някои райони на Калифорния то е сто пъти повече от нормата - 2,5 mg/l, а в Южна Финландия достига 7,8 mg/l. Изследователите се опитват да разберат дали стандартът на СЗО е твърде строг, като изучават ефекта на урана върху животните. Ето една типична работа ( BioMed Research International, 2014 г., ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Френски учени хранели плъхове с вода с добавен обеднен уран в продължение на девет месеца и то в относително високи концентрации – от 0,2 до 120 mg/l. Долната стойност е водата в близост до мината, а горната стойност не се среща никъде - максималната концентрация на уран, измерена във Финландия, е 20 mg/l. За изненада на авторите - статията се нарича: „Неочакваното отсъствие на забележим ефект на урана върху физиологичните системи ...“ - уранът практически нямаше ефект върху здравето на плъховете. Животните се хранят добре, наддават правилно, не се оплакват от болести и не умират от рак. Уранът, както би трябвало да бъде, се отлага предимно в бъбреците и костите и в сто пъти по-малко в черния дроб, а натрупването му очаквано зависи от съдържанието във водата. Това обаче не доведе до бъбречна недостатъчност или дори до забележима поява на някакви молекулярни маркери на възпаление. Авторите предложиха да започне преглед на строгите насоки на СЗО. Има обаче едно предупреждение: ефектът върху мозъка. В мозъците на плъховете имало по-малко уран, отколкото в черния дроб, но съдържанието му не зависело от количеството във водата. Но уранът повлия на функционирането на антиоксидантната система на мозъка: активността на каталазата се увеличи с 20%, глутатион пероксидазата с 68–90%, а активността на супероксиддисмутазата намаля с 50%, независимо от дозата. Това означава, че уранът очевидно е причинил оксидативен стрес в мозъка и тялото е реагирало на него. Този ефект - силното въздействие на урана върху мозъка при липса на натрупване в него, впрочем, както и в половите органи - беше забелязан и преди. Освен това вода с уран в концентрация 75–150 mg/l, с която изследователи от Университета на Небраска хранят плъхове в продължение на шест месеца ( Невротоксикология и тератология, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), повлияха на поведението на животните, предимно мъжки, пуснати на полето: те пресичаха линии, изправяха се на задните си крака и чистеха козината си по различен начин от контролните. Има доказателства, че уранът води и до влошаване на паметта при животните. Промените в поведението са свързани с нивата на липидното окисление в мозъка. Оказва се, че урановата вода е направила плъховете здрави, но доста глупави. Тези данни ще ни бъдат полезни при анализа на така наречения Синдром на войната в Персийския залив.
Уранът замърсява ли местата за разработване на шистов газ?Зависи от това колко уран има в газосъдържащите скали и как е свързан с тях. Например, доцентът Трейси Банк от университета в Бъфало изучава шистите Марцелус, които се простират от западен Ню Йорк през Пенсилвания и Охайо до Западна Вирджиния. Оказа се, че уранът е химически свързан именно с източника на въглеводороди (не забравяйте, че родствените въглеродни шисти имат най-високо съдържание на уран). Експериментите показват, че разтворът, използван по време на фрактурирането, перфектно разтваря урана. „Когато уранът в тези води достигне повърхността, той може да причини замърсяване на околната среда. Това не представлява радиационен риск, но уранът е отровен елемент“, отбелязва Трейси Банк в университетско прессъобщение от 25 октомври 2010 г. Все още не са изготвени подробни статии за риска от замърсяване на околната среда с уран или торий по време на производството на шистов газ.
Защо е необходим уран?Преди това е бил използван като пигмент за производство на керамика и цветно стъкло. Сега уранът е в основата на ядрената енергия и атомните оръжия. В този случай се използва неговото уникално свойство - способността на ядрото да се дели.
Какво е ядрено делене? Разпадането на ядрото на две неравни големи части. Именно поради това свойство по време на нуклеосинтезата поради неутронно облъчване ядрата, по-тежки от урана, се образуват много трудно. Същността на явлението е следната. Ако съотношението на броя на неутроните и протоните в ядрото не е оптимално, то става нестабилно. Обикновено такова ядро излъчва или алфа частица - два протона и два неутрона, или бета частица - позитрон, което е придружено от трансформация на един от неутроните в протон. В първия случай се получава елемент от периодичната таблица, разположен две клетки назад, във втория - една клетка напред. Въпреки това, в допълнение към излъчването на алфа и бета частици, ядрото на урана е способно на делене - разпада се на ядрата на два елемента в средата на периодичната таблица, например барий и криптон, което прави, след като е получило нов неутрон. Това явление е открито малко след откриването на радиоактивността, когато физиците излагат новооткритата радиация на всичко, което могат. Ето как пише за това Ото Фриш, участник в събитията („Advances in Physical Sciences”, 1968, 96, 4). След откриването на берилиевите лъчи - неутроните - Енрико Ферми облъчва с тях уран, по-специално, за да предизвика бета-разпад - той се надява да го използва, за да получи следващия, 93-ти елемент, сега наречен нептуний. Именно той открива нов вид радиоактивност в облъчения уран, който свързва с появата на трансуранови елементи. В същото време забавянето на неутроните, за което източникът на берилий беше покрит със слой парафин, увеличи тази индуцирана радиоактивност. Американският радиохимик Аристид фон Гросе предполага, че един от тези елементи е протактиний, но той греши. Но Ото Хан, който тогава работел във Виенския университет и смятал открития през 1917 г. протактиний за свое въображение, решил, че е длъжен да разбере какви елементи са получени. Заедно с Lise Meitner, в началото на 1938 г., Хан предполага, въз основа на експериментални резултати, че цели вериги от радиоактивни елементи се образуват поради многократни бета-разпадания на неутронно-абсорбиращите ядра на уран-238 и неговите дъщерни елементи. Скоро Лизе Майтнер беше принудена да избяга в Швеция, страхувайки се от възможни репресии от нацистите след аншлуса на Австрия. Хан, продължавайки експериментите си с Фриц Щрасман, открива, че сред продуктите има и барий, елемент номер 56, който по никакъв начин не може да бъде получен от уран: всички вериги от алфа-разпадания на уран завършват с много по-тежко олово. Изследователите бяха толкова изненадани от резултата, че не го публикуваха; те само написаха писма до приятели, по-специално до Лиз Майтнер в Гьотеборг. Там, на Коледа 1938 г., нейният племенник Ото Фриш я посети и, разхождайки се в околностите на зимния град - той на ски, лелята пеша - те обсъдиха възможността за появата на барий по време на облъчването на уран като резултат от ядрено делене (за повече информация относно Lise Meitner вижте „Химия и живот“, 2013 г., № 4). Връщайки се в Копенхаген, Фриш буквално хвана Нилс Бор на прохода на кораб, заминаващ за Съединените щати, и му разказа за идеята за делене. Бор, като се плесна по челото, каза: „О, какви глупаци бяхме! Трябваше да забележим това по-рано." През януари 1939 г. Фриш и Майтнер публикуват статия за деленето на уранови ядра под въздействието на неутрони. По това време Ото Фриш вече е провел контролен експеримент, както и много американски групи, които са получили съобщението от Бор. Казват, че физиците започнали да се разпръсват по лабораториите си точно по време на неговия доклад на 26 януари 1939 г. във Вашингтон на годишната конференция по теоретична физика, когато разбрали същността на идеята. След откриването на деленето Хан и Щрасман преразгледаха експериментите си и откриха, също като колегите си, че радиоактивността на облъчения уран е свързана не с трансураниите, а с разпадането на радиоактивни елементи, образувани по време на делене от средата на периодичната таблица.
Как възниква верижна реакция в урана?Скоро след като експериментално е доказана възможността за делене на ядрата на уран и торий (а на Земята няма други делящи се елементи в някакво значително количество), Нилс Бор и Джон Уилър, които са работили в Принстън, както и независимо от тях, Съветският физик-теоретик Я. И. Френкел и германците Зигфрид Флюге и Готфрид фон Дросте създават теорията за ядреното делене. От него последваха два механизма. Единият е свързан с праговата абсорбция на бързите неутрони. Според него, за да започне делене, неутронът трябва да има доста висока енергия, повече от 1 MeV за ядрата на основните изотопи - уран-238 и торий-232. При по-ниски енергии поглъщането на неутрони от уран-238 има резонансен характер. По този начин неутрон с енергия от 25 eV има площ на напречното сечение на улавяне, която е хиляди пъти по-голяма, отколкото при други енергии. В този случай няма да има делене: уран-238 ще стане уран-239, който с период на полуразпад от 23,54 минути ще се превърне в нептуний-239, който с период на полуразпад от 2,33 дни ще се превърне в дълготраен плутоний-239. Торий-232 ще стане уран-233.
Вторият механизъм е безпраговото поглъщане на неутрон, следван от третия повече или по-малко разпространен делящ се изотоп - уран-235 (както и плутоний-239 и уран-233, които не се срещат в природата): поглъщайки всеки неутрон, дори и бавен, т. нар. термичен, с енергия като за молекули, участващи в топлинно движение - 0,025 eV, такова ядро ще се раздели. И това е много добре: топлинните неутрони имат площ на напречното сечение на улавяне четири пъти по-голяма от бързите, мегаелектронволтови неутрони. Това е значението на уран-235 за цялата последваща история на ядрената енергетика: именно той осигурява размножаването на неутроните в естествения уран. След като бъде ударено от неутрон, ядрото на уран-235 става нестабилно и бързо се разделя на две неравни части. По пътя се излъчват няколко (средно 2,75) нови неутрона. Ако ударят ядрата на същия уран, те ще накарат неутроните да се умножат експоненциално - ще настъпи верижна реакция, която ще доведе до експлозия поради бързото отделяне на огромно количество топлина. Нито уран-238, нито торий-232 могат да работят така: в края на краищата по време на делене неутроните се излъчват със средна енергия от 1–3 MeV, тоест, ако има енергиен праг от 1 MeV, значителна част от неутроните със сигурност няма да могат да предизвикат реакция и няма да има възпроизводство. Това означава, че тези изотопи трябва да бъдат забравени и неутроните ще трябва да бъдат забавени до топлинна енергия, така че да взаимодействат възможно най-ефективно с ядрата на уран-235. В същото време не може да се допусне тяхното резонансно поглъщане от уран-238: в крайна сметка в естествения уран този изотоп е малко по-малко от 99,3% и неутроните по-често се сблъскват с него, а не с целевия уран-235. И като действа като модератор, е възможно да се поддържа размножаването на неутрони на постоянно ниво и да се предотврати експлозия - контролирайте верижната реакция.
Изчисление, извършено от Я. Б. Зелдович и Ю. Б. Харитон през същата съдбоносна 1939 г., показва, че за това е необходимо да се използва неутронен забавител под формата на тежка вода или графит и да се обогати естественият уран с уран. 235 най-малко 1,83 пъти. Тогава тази идея им изглеждаше чиста фантазия: „Трябва да се отбележи, че приблизително двойното обогатяване на тези доста значителни количества уран, които са необходими за извършване на верижна експлозия,<...>е изключително тромава задача, почти невъзможна на практика.“ Сега този проблем е решен и ядрената индустрия масово произвежда уран, обогатен с уран-235 до 3,5% за електроцентрали.
Какво е спонтанно ядрено делене?През 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак откриват, че деленето на уран може да се случи спонтанно, без никакво външно влияние, въпреки че полуживотът е много по-дълъг, отколкото при обикновения алфа-разпад. Тъй като такова делене също произвежда неутрони, ако не им бъде позволено да излязат от реакционната зона, те ще служат като инициатори на верижната реакция. Именно това явление се използва при създаването на ядрени реактори.
Защо е необходима ядрената енергия?Зелдович и Харитон са сред първите, които изчисляват икономическия ефект от ядрената енергия (УФН, 1940, 23, 4). „...В момента все още е невъзможно да се направят окончателни изводи за възможността или невъзможността да се осъществи реакция на ядрено делене в уран с безкрайно разклонени вериги. Ако такава реакция е осъществима, тогава скоростта на реакцията се регулира автоматично, за да се осигури нейното гладко протичане, въпреки огромното количество енергия на разположение на експериментатора. Това обстоятелство е изключително благоприятно за енергийното използване на реакцията. Затова нека представим - въпреки че това е разделяне на кожата на неубита мечка - някои числа, характеризиращи възможностите за енергийно използване на урана. Ако процесът на делене протича с бързи неутрони, следователно реакцията улавя основния изотоп на урана (U238), тогава<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>цената на една калория от основния изотоп на урана се оказва приблизително 4000 пъти по-евтина, отколкото от въглища (освен ако, разбира се, процесите на „изгаряне“ и отвеждане на топлината се окажат много по-скъпи в случая на уран от в случай на въглища). В случай на бавни неутрони, цената на „уранова“ калория (въз основа на горните цифри) ще бъде, като се има предвид, че изобилието на изотопа U235 е 0,007, вече само 30 пъти по-евтино от една „въглищна“ калория, при равни други условия.”
Първата контролирана верижна реакция е извършена през 1942 г. от Енрико Ферми в Чикагския университет и реакторът е управляван ръчно - натискане на графитни пръчки навътре и навън при промяна на неутронния поток. Първата електроцентрала е построена в Обнинск през 1954 г. В допълнение към генерирането на енергия, първите реактори са работили и за производството на оръжеен плутоний.
Как работи атомната електроцентрала?В наши дни повечето реактори работят с бавни неутрони. Обогатеният уран под формата на метал, сплав като алуминий или оксид се поставя в дълги цилиндри, наречени горивни елементи. Те са монтирани по определен начин в реактора, като между тях са поставени модериращи пръти, които управляват верижната реакция. С течение на времето в горивния елемент се натрупват реакторни отрови - продукти на делене на уран, които също са способни да абсорбират неутрони. Когато концентрацията на уран-235 падне под критично ниво, елементът се извежда от експлоатация. Той обаче съдържа много фрагменти от делене със силна радиоактивност, която намалява с годините, което кара елементите да излъчват значително количество топлина за дълго време. Те се съхраняват в охладителни басейни и след това или се погребват, или се опитват да бъдат преработени - за извличане на неизгорял уран-235, произведен плутоний (използван е за направата на атомни бомби) и други изотопи, които могат да бъдат използвани. Неизползваната част се изпраща на гробища.
В така наречените бързи реактори или реактори-размножители около елементите са монтирани рефлектори от уран-238 или торий-232. Те забавят и изпращат обратно в реакционната зона неутрони, които са твърде бързи. Неутроните, забавени до резонансни скорости, абсорбират тези изотопи, превръщайки се съответно в плутоний-239 или уран-233, които могат да служат като гориво за атомна електроцентрала. Тъй като бързите неутрони реагират слабо с уран-235, концентрацията му трябва да бъде значително увеличена, но това се отплаща с по-силен неутронен поток. Въпреки факта, че размножителните реактори се смятат за бъдещето на ядрената енергия, защото произвеждат повече ядрено гориво, отколкото консумират, експериментите показват, че те са трудни за управление. Сега в света е останал само един такъв реактор - в четвърти енергоблок на Белоярската АЕЦ.
Как се критикува ядрената енергия?Ако не говорим за аварии, тогава основният момент в аргументите на противниците на ядрената енергия днес е предложението да се добавят към изчислението на нейната ефективност разходите за опазване на околната среда след извеждане от експлоатация на станцията и при работа с гориво. И в двата случая възниква задачата за надеждно погребване на радиоактивните отпадъци, а това са разходи, поети от държавата. Има мнение, че ако ги прехвърлите към цената на енергията, тогава нейната икономическа привлекателност ще изчезне.
Опозиция има и сред привържениците на ядрената енергетика. Неговите представители посочват уникалността на уран-235, който няма заместител, тъй като в природата не се срещат алтернативни изотопи, делящи се от топлинни неутрони - плутоний-239 и уран-233 - поради техния период на полуразпад от хиляди години. А те се получават именно в резултат на деленето на уран-235. Ако той се изчерпи, ще изчезне чудесен естествен източник на неутрони за верижна ядрена реакция. В резултат на такова разточителство човечеството ще загуби в бъдеще възможността да включи в енергийния цикъл торий-232, чиито запаси са няколко пъти по-големи от урана.
Теоретично, ускорителите на частици могат да се използват за производство на поток от бързи неутрони с мегаелектронволтови енергии. Ако обаче говорим, например, за междупланетни полети на ядрен двигател, тогава прилагането на схема с обемист ускорител ще бъде много трудно. Изчерпването на уран-235 слага край на подобни проекти.
Какво е оръжеен уран?Това е високообогатен уран-235. Неговата критична маса - тя съответства на размера на парче вещество, в което спонтанно възниква верижна реакция - е достатъчно малка, за да произвежда боеприпаси. Такъв уран може да се използва за направата на атомна бомба, а също и като предпазител за термоядрена бомба.
Какви бедствия са свързани с използването на уран?Енергията, съхранявана в ядрата на делящите се елементи, е огромна. Ако излезе извън контрол поради недоглеждане или умишлено, тази енергия може да причини много проблеми. Двете най-тежки ядрени катастрофи се случват на 6 и 8 август 1945 г., когато ВВС на САЩ хвърлят атомни бомби над Хирошима и Нагасаки, убивайки и ранявайки стотици хиляди цивилни. Бедствия с по-малък мащаб са свързани с аварии в атомни електроцентрали и предприятия с ядрен цикъл. Първата голяма авария става през 1949 г. в СССР в завода Маяк край Челябинск, където се произвежда плутоний; Течни радиоактивни отпадъци се озоваха в река Теча. През септември 1957 г. на него избухва експлозия, освобождавайки голямо количество радиоактивен материал. Единадесет дни по-късно британският реактор за производство на плутоний в Windscale изгоря и облакът с продуктите на експлозията се разпръсна над Западна Европа. През 1979 г. изгоря реактор в атомната електроцентрала Three Mail Island в Пенсилвания. Най-мащабните последици бяха причинени от авариите в атомната електроцентрала Чернобил (1986 г.) и атомната електроцентрала Фукушима (2011 г.), когато милиони хора бяха изложени на радиация. Първите осеяха обширни площи, отделяйки 8 тона ураново гориво и разпадни продукти в резултат на експлозията, която се разпространи в цяла Европа. Вторият замърси и три години след инцидента продължава да замърсява Тихия океан в риболовните райони. Отстраняването на последствията от тези аварии беше много скъпо и ако тези разходи се разбият на цената на електроенергията, тя щеше да се увеличи значително.
Отделен въпрос са последствията за човешкото здраве. Според официалната статистика много хора, преживели бомбардировките или живеещи в замърсени райони, са се облагодетелствали от радиацията – първите имат по-висока продължителност на живота, вторите имат по-малко ракови заболявания, а експертите отдават известно увеличение на смъртността на социалния стрес. Броят на загиналите именно от последствията от катастрофи или в резултат на ликвидирането им възлиза на стотици хора. Противниците на атомните електроцентрали посочват, че авариите са довели до няколко милиона преждевременни смъртни случаи на европейския континент, но те са просто невидими в статистическия контекст.
Премахването на земи от човешка употреба в зони на аварии води до интересен резултат: те се превръщат в един вид природни резервати, където расте биоразнообразието. Вярно е, че някои животни страдат от заболявания, свързани с радиацията. Остава отворен въпросът колко бързо ще се адаптират към повишения фон. Има също мнение, че последствието от хроничното облъчване е „селекция за глупаци“ (вж. „Химия и живот“, 2010, № 5): дори в ембрионален стадий оцеляват по-примитивни организми. По-специално, по отношение на хората, това трябва да доведе до намаляване на умствените способности на поколението, родено в замърсени райони малко след аварията.
Какво е обеднен уран?Това е уран-238, останал след отделянето на уран-235 от него. Обемите на отпадъците от производството на оръжеен уран и горивни елементи са големи - само в Съединените щати са натрупани 600 хиляди тона такъв уранов хексафлуорид (за проблемите с него вижте Химия и живот, 2008 г., № 5) . Съдържанието на уран-235 в него е 0,2%. Тези отпадъци трябва или да се съхраняват до по-добри времена, когато ще бъдат създадени реактори на бързи неутрони и ще бъде възможно да се преработи уран-238 в плутоний, или да се използват по някакъв начин.
Те намериха приложение за това. Уранът, подобно на други преходни елементи, се използва като катализатор. Например авторите на статията в ACS Наноот 30 юни 2014 г. те пишат, че катализатор, направен от уран или торий с графен за редуциране на кислород и водороден пероксид, „има огромен потенциал за използване в енергийния сектор“. Тъй като уранът има висока плътност, той служи като баласт за кораби и противотежести за самолети. Този метал е подходящ и за радиационна защита в медицински изделия с източници на радиация.
Какви оръжия могат да бъдат направени от обеднен уран?Куршуми и ядра за бронебойни снаряди. Изчислението тук е следното. Колкото по-тежък е снарядът, толкова по-голяма е неговата кинетична енергия. Но колкото по-голям е снарядът, толкова по-малко е концентриран неговият удар. Това означава, че са необходими тежки метали с висока плътност. Куршумите са направени от олово (уралските ловци по едно време също са използвали самородна платина, докато не разберат, че това е благороден метал), докато ядрата на черупката са направени от волфрамова сплав. Еколозите посочват, че оловото замърсява почвата в местата на военни операции или лов и би било по-добре да го замените с нещо по-малко вредно, например волфрам. Но волфрамът не е евтин, а уранът, който е с подобна плътност, е вреден отпадък. В същото време допустимото замърсяване на почвата и водата с уран е приблизително два пъти по-високо, отколкото с олово. Това се случва, защото слабата радиоактивност на обеднения уран (и тя също е с 40% по-малка от тази на естествения уран) се пренебрегва и се взема предвид един наистина опасен химически фактор: уранът, както си спомняме, е отровен. В същото време плътността му е 1,7 пъти по-голяма от тази на оловото, което означава, че размерът на урановите куршуми може да бъде намален наполовина; уранът е много по-огнеупорен и твърд от оловото - при изстрел се изпарява по-малко, а когато попадне в целта, произвежда по-малко микрочастици. Като цяло урановият куршум е по-малко замърсяващ от оловния куршум, въпреки че такова използване на уран не е известно със сигурност.
Но е известно, че плочите от обеднен уран се използват за укрепване на бронята на американски танкове (това се улеснява от високата му плътност и точка на топене), а също и вместо волфрамова сплав в сърцевините за бронебойни снаряди. Урановото ядро също е добро, защото уранът е пирофорен: неговите горещи малки частици, образувани при удар с бронята, пламват и подпалват всичко наоколо. И двете приложения се считат за радиационно безопасни. Така изчислението показа, че дори след една година престой в резервоар с уранова броня, зареден с уранови боеприпаси, екипажът ще получи само една четвърт от допустимата доза. И за да получите годишната допустима доза, трябва да завиете такива боеприпаси към повърхността на кожата за 250 часа.
Снаряди с уранови ядра - за 30-милиметрови авиационни оръдия или артилерийски подкалибър - са използвани от американците в последните войни, като се започне от кампанията в Ирак през 1991 г. През тази година те се изсипаха върху иракските бронирани части в Кувейт и по време на тяхното отстъпление 300 тона обеднен уран, от които 250 тона, или 780 хиляди патрона, бяха изстреляни по самолетни оръдия. В Босна и Херцеговина при бомбардировките на армията на непризнатата Република Сръбска са изразходвани 2,75 тона уран, а при обстрела на югославската армия в района на Косово и Метохия - 8,5 тона, или 31 хиляди патрона. Тъй като по това време СЗО беше загрижена за последствията от използването на уран, беше извършен мониторинг. Той показа, че един залп се състои от приблизително 300 изстрела, от които 80% съдържат обеднен уран. 10% са уцелили цели, а 82% са паднали на 100 метра от тях. Останалите се разпръснаха в рамките на 1,85 км. Снаряд, попаднал в танк, изгоря и се превърна в аерозол; Така най-много един и половина тона снаряди могат да се превърнат в уранов прах в Ирак. Според експерти от американския център за стратегически изследвания RAND Corporation повече от 10 до 35% от използвания уран се е превърнал в аерозол. Хърватският активист срещу боеприпасите с уран Асаф Дуракович, който е работил в различни организации от болницата „Крал Фейсал“ в Рияд до медицинския изследователски център за уран във Вашингтон, изчислява, че само в Южен Ирак през 1991 г. са се образували 3-6 тона субмикронни частици уран, които бяха разпръснати на широка територия, тоест замърсяването с уран там е сравнимо с Чернобил.
Съдържанието на статията
УРАН, U (уран), метален химичен елемент от семейството на актинидите, което включва Ac, Th, Pa, U и трансуранови елементи (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Уранът придоби известност поради използването му в ядрени оръжия и ядрена енергия. Урановите оксиди се използват и за оцветяване на стъкло и керамика.
Да бъдеш сред природата.
Съдържанието на уран в земната кора е 0,003% и се намира в повърхностния слой на земята под формата на четири вида утайки. Първо, това са вени от уранинит или уранова смола (уранов диоксид UO 2), много богата на уран, но рядка. Те са придружени от радиеви отлагания, тъй като радият е пряк продукт от изотопния разпад на урана. Такива вени има в Заир, Канада (Голямото мечо езеро), Чехия и Франция. Вторият източник на уран са конгломерати от ториеви и уранови руди заедно с руди от други важни минерали. Конгломератите обикновено съдържат достатъчни количества злато и сребро за възстановяване, като уранът и торият са свързани елементи. Големи находища на тези руди се намират в Канада, Южна Африка, Русия и Австралия. Третият източник на уран са седиментни скали и пясъчници, богати на минерала карнотит (калиев уранил ванадат), който съдържа, освен уран, значително количество ванадий и други елементи. Такива руди има в западните щати на САЩ. Желязно-урановите шисти и фосфатните руди представляват четвърти източник на седименти. Богати находища има в шистите на Швеция. Някои фосфатни руди в Мароко и Съединените щати съдържат значителни количества уран, а фосфатните находища в Ангола и Централноафриканската република са още по-богати на уран. Повечето лигнити и някои въглища обикновено съдържат примеси на уран. Богати на уран лигнитни залежи са открити в Северна и Южна Дакота (САЩ) и битуминозни въглища в Испания и Чехия.
Отваряне.
Уран е открит през 1789 г. от немския химик М. Клапрот, който наименува елемента в чест на откриването на планетата Уран 8 години по-рано. (Клапрот беше водещият химик на своето време; той откри и други елементи, включително Ce, Ti и Zr.) Всъщност веществото, получено от Клапрот, не беше елементарен уран, а негова окислена форма, а елементарният уран беше получен за първи път от френският химик Е. .Пелиго през 1841 г. От момента на откриването до 20 век. уранът не е имал значението, което има днес, въпреки че много от неговите физически свойства, както и неговата атомна маса и плътност, са били определени. През 1896 г. А. Бекерел установява, че урановите соли имат радиация, която осветява фотографска плака на тъмно. Това откритие активира химиците към изследвания в областта на радиоактивността и през 1898 г. френските физици съпрузи П. Кюри и М. Склодовска-Кюри изолират соли на радиоактивните елементи полоний и радий, а Е. Ръдърфорд, Ф. Соди, К. Фаянс и други учени разработиха теорията за радиоактивния разпад, която постави основите на съвременната ядрена химия и ядрена енергия.
Първите употреби на уран.
Въпреки че радиоактивността на урановите соли беше известна, неговите руди през първата третина на този век бяха използвани само за получаване на придружаващ радий, а уранът се смяташе за нежелан страничен продукт. Използването му е съсредоточено главно в керамичната технология и металургията; Урановите оксиди бяха широко използвани за оцветяване на стъкло в цветове, вариращи от бледожълто до тъмнозелено, което допринесе за развитието на евтино производство на стъкло. Днес продуктите от тези индустрии се идентифицират като флуоресцентни под ултравиолетовите лъчи. По време на Първата световна война и малко след това уранът под формата на карбид се използва в производството на инструментални стомани, подобни на Mo и W; 4–8% уран замени волфрама, чието производство беше ограничено по това време. За получаване на инструментални стомани през 1914–1926 г. се произвеждат няколко тона фероуран, съдържащ до 30% (маса) U, но това използване на уран не продължи дълго.
Съвременни употреби на уран.
Урановата промишленост започва да се оформя през 1939 г., когато е извършено деленето на урановия изотоп 235 U, което води до техническото прилагане на контролирани верижни реакции на делене на уран през декември 1942 г. Това е раждането на ерата на атома , когато уранът се превърна от незначителен елемент в един от най-важните елементи в жизненото общество. Военното значение на урана за производството на атомната бомба и използването му като гориво в ядрени реактори доведе до астрономическо увеличение на търсенето на уран. Интересна е хронологията на нарастването на търсенето на уран въз основа на историята на седиментите в Голямото мечо езеро (Канада). През 1930 г. в това езеро е открита смес от смола, смес от уранови оксиди, а през 1932 г. в тази област е създадена технология за пречистване на радий. От всеки тон руда (смолна смес) се получава 1 g радий и около половин тон страничен продукт, уранов концентрат. Радият обаче беше малко и добивът му беше спрян. От 1940 до 1942 г. разработката е възобновена и уранова руда започва да се транспортира до Съединените щати. През 1949 г. подобно пречистване на уран, с някои подобрения, е използвано за производството на чист UO 2 . Това производство се разрасна и сега е едно от най-големите съоръжения за производство на уран.
Имоти.
Уранът е един от най-тежките елементи, открити в природата. Чистият метал е много плътен, пластичен, електроположителен с ниска електрическа проводимост и силно реактивен.
Уранът има три алотропни модификации: а-уран (орторомбична кристална решетка), съществува в диапазона от стайна температура до 668 ° C; b-уран (сложна кристална решетка от тетрагонален тип), стабилен в диапазона 668–774° C; ж-уран (кубична кристална решетка с тяло-центр), стабилен от 774°C до точката на топене (1132°C). Тъй като всички изотопи на урана са нестабилни, всички негови съединения проявяват радиоактивност.
Изотопи на урана
238 U, 235 U, 234 U се срещат в природата в съотношение 99,3:0,7:0,0058, а 236 U се среща в следи от количества. Всички останали изотопи на урана от 226 U до 242 U се получават по изкуствен път. Особено важен е изотопът 235 U. Под въздействието на бавни (топлинни) неутрони той се разделя, освобождавайки огромна енергия. Пълното делене на 235 U води до освобождаване на „еквивалент на топлинна енергия“ от 2H 10 7 kWh h/kg. Деленето на 235 U може да се използва не само за производство на големи количества енергия, но и за синтезиране на други важни актинидни елементи. Естественият изотоп на урана може да се използва в ядрени реактори за производство на неутрони, произведени от деленето на 235 U, докато излишните неутрони, които не са необходими за верижната реакция, могат да бъдат уловени от друг естествен изотоп, което води до производството на плутоний:
Когато 238 U се бомбардира с бързи неутрони, възникват следните реакции:
Според тази схема най-често срещаният изотоп 238 U може да се превърне в плутоний-239, който, подобно на 235 U, също е способен да се дели под въздействието на бавни неутрони.
Понастоящем са получени голям брой изкуствени изотопи на урана. Сред тях 233 U е особено забележителен, тъй като той също се дели при взаимодействие с бавни неутрони.
Някои други изкуствени изотопи на урана често се използват като радиоактивни маркери в химически и физически изследвания; това е на първо място b- излъчвател 237 U и а- излъчвател 232 U.
Връзки.
Уранът, силно реактивен метал, има степен на окисление от +3 до +6, близък е до берилия в серията на активност, взаимодейства с всички неметали и образува интерметални съединения с Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn и Zn. Фино натрошеният уран е особено реактивен и при температури над 500 ° C често влиза в реакции, характерни за уранов хидрид. Уранът или стърготини горят ярко при 700–1000° C, а урановите пари горят още при 150–250° C; уранът реагира с HF при 200–400° C, образувайки UF 4 и H 2 . Уранът се разтваря бавно в концентриран HF или H 2 SO 4 и 85% H 3 PO 4 дори при 90 ° C, но лесно реагира с конц. HCl и по-малко активен с HBr или HI. Най-активните и бързи реакции на уран с разреден и концентриран HNO 3 протичат с образуването на уранил нитрат ( виж отдолу). В присъствието на HCl уранът бързо се разтваря в органични киселини, образувайки органични U4+ соли. В зависимост от степента на окисление уранът образува няколко вида соли (най-важните от тях са с U 4+, една от тях UCl 4 е лесно окисляема зелена сол); ураниловите соли (радикал UO 2 2+) от типа UO 2 (NO 3) 2 са жълти на цвят и флуоресцират в зелено. Ураниловите соли се образуват чрез разтваряне на амфотерния оксид UO 3 (жълт цвят) в кисела среда. В алкална среда UO 3 образува уранати като Na 2 UO 4 или Na 2 U 2 O 7. Последното съединение („жълт уранил“) се използва за производството на порцеланови глазури и в производството на флуоресцентни стъкла.
Урановите халиди са били широко изследвани през 1940-1950 г., тъй като са били използвани за разработване на методи за разделяне на уранови изотопи за атомната бомба или ядрения реактор. Урановият трифлуорид UF 3 се получава чрез редукция на UF 4 с водород, а урановият тетрафлуорид UF 4 се получава по различни начини чрез реакции на HF с оксиди като UO 3 или U 3 O 8 или чрез електролитна редукция на уранилни съединения. Урановият хексафлуорид UF 6 се получава чрез флуориране на U или UF 4 с елементарен флуор или чрез действието на кислород върху UF 4 . Хексафлуоридът образува прозрачни кристали с висок индекс на пречупване при 64 ° C (1137 mm Hg); съединението е летливо (при нормално налягане сублимира при 56,54 ° C). Уранови оксохалиди, например оксофлуориди, имат състав UO 2 F 2 (уранил флуорид), UOF 2 (ураниев оксид дифлуорид).
Приложение
Въпреки че уран-238 не може да се използва като първичен делящ се материал, поради високоенергийните неутрони, необходими за неговото делене, той има важно място в ядрената индустрия.
Имайки висока плътност и атомно тегло, U-238 е подходящ за производство на рефлекторни зарядни черупки в устройства за синтез и делене. Фактът, че се разпада от бързи неутрони, увеличава енергийния изход на заряда: индиректно, чрез умножаване на отразени неутрони; директно по време на деленето на черупкови ядра от бързи неутрони (по време на синтез). Приблизително 40% от неутроните, произведени от делене, и всички термоядрени неутрони имат достатъчна енергия за делене на U-238.
U-238 има скорост на спонтанно делене 35 пъти по-висока от U-235, 5,51 деления/s*kg. Това прави невъзможно използването му като снаряд за рефлекторен заряд в оръдия бомби, тъй като подходящата му маса (200-300 kg) ще създаде твърде висок неутронен фон.
Чистият U-238 има специфична радиоактивност от 0,333 микрокюри/g.
Важно приложение на този изотоп на уран е производството на плутоний-239. Плутоният се образува чрез няколко реакции, които започват, след като атомът U-238 улови неутрон. Всяко реакторно гориво, съдържащо естествен или частично обогатен уран в 235-ия изотоп, съдържа определена част от плутоний след края на горивния цикъл.
Верига на разпадане на уран-238
Изотопът е уран-238, той е повече от 99% в естествения уран. Този изотоп е и най-стабилен; ядрото му не може да бъде разделено от топлинни неутрони. За да се раздели 238U, неутронът се нуждае от допълнителна кинетична енергия от 1,4 MeV. Ядрен реактор, изработен от чист уран-238, няма да работи при никакви обстоятелства.
Атом на уран-238, в чието ядро протони и неутрони едва се държат заедно от кохезионни сили. От време на време от него избухва компактна група от четири частици: два протона и два неутрона (b-частица). Така уран-238 се превръща в торий-234, чието ядро съдържа 90 протона и 144 неутрона. Но торий-234 също е нестабилен. Трансформацията му обаче се извършва по различен начин от предишния случай: един от неговите неутрони се превръща в протон, а торий-234 се превръща в протактиний-234, чието ядро съдържа 91 протона и 143 неутрона. Тази метаморфоза, настъпила в ядрото, засяга и електроните, движещи се по техните орбити: един от тях става несдвоен и излита от атома. Протактиният е много нестабилен и отнема много малко време за трансформация. Това е последвано от други трансформации, придружени от радиация, и цялата тази верига в крайна сметка завършва със стабилен оловен нуклид (виж Фигура № 7, Приложение Б).
Най-важното обстоятелство за ядрената енергетика е, че най-разпространеният изотоп на урана, 238U, е и потенциален източник на ядрено гориво. И Силард, и Ферми са били прави в предположението, че поглъщането на неутрони от урана ще доведе до образуването на нови елементи. Наистина, когато се сблъска с топлинен неутрон, уран-238 не се дели; вместо това ядрото поглъща неутрона. Средно за 23,5 минути един от неутроните в ядрото се превръща в протон (с излъчване на електрон реакцията е разпад), а ядрото на уран-239 става ядрото на нептуний-239 (239Np). След 2,4 дни настъпва вторият c - разпад и се образува плутоний-239 (239Pu).
В резултат на последователното поглъщане на неутрони в ядрен реактор могат да се получат елементи дори по-тежки от плутония.
Само следи от 239Pu, 244Pu и 237Np са открити в естествените минерали и уранова руда, така че трансуранови елементи (по-тежки от урана) практически никога не се срещат в естествената среда.
Изотопите на урана, които съществуват в природата, не са напълно стабилни по отношение на b-разпадането и спонтанното делене, но се разпадат много бавно: половин животуран-238 е на 4,5 милиарда години, а уран-235 е на 710 милиона години. Поради ниската честота на ядрените реакции такива дългоживеещи изотопи не са опасни източници на радиация. Слитък от естествен уран може да се държи в ръцете ви без вреда за здравето. Неговата специфична дейностравно на 0,67 mCi/kg (Ci - кюри, извънсистемна единица за активност, равна на 3,7 * 1010 разпадания в секунда).
Когато изучава явлението радиоактивност, всеки учен се обръща към такава важна характеристика като нейния полуживот. Както знаете, се казва, че всеки втори атом се разпада в света и количествените характеристики на тези процеси са пряко свързани с броя на наличните атоми. Ако за определен период от време половината от общия брой налични атоми се разпадне, тогава разпадането на ½ от останалите атоми ще изисква същото време. Именно този период от време се нарича полуживот. Тя варира за различните елементи - от хилядни от милисекундата до милиарди години, както например в случая с времето на полуразпад на урана.
Уранът, като най-тежкият от всички елементи, съществуващи в естествено състояние на Земята, като цяло е най-добрият обект за изследване на процеса на радиоактивност. Този елемент е открит през 1789 г. от немския учен М. Клапрот, който го нарече в чест на наскоро откритата планета Уран. Фактът, че уранът е радиоактивен, е открит съвсем случайно в края на 19 век от френския химик А. Бекерел.
Уранът се изчислява по същата формула като подобни периоди на други радиоактивни елементи:
T_(1/2) = au ln 2 = frac(ln 2)(ламбда),
където "au" е средният живот на атома, "ламбда" е основната константа на разпадане. Тъй като ln 2 е приблизително 0,7, полуживотът е средно само 30% по-кратък от общия живот на атома.
Въпреки факта, че днес учените познават 14 изотопа на урана, само три от тях се срещат в природата: уран-234, уран-235 и уран-238. уранът е различен: за U-234 той е „само“ 270 хиляди години, а периодът на полуразпад на уран-238 надхвърля 4,5 милиарда. Времето на полуразпад на уран-235 е в "златната среда" - 710 милиона години.
Струва си да се отбележи, че радиоактивността на урана в естествени условия е доста висока и позволява например фотоплаки да бъдат осветени само за час. В същото време си струва да се отбележи, че от всички изотопи на урана само U-235 е подходящ за производство на пълнежи. Работата е там, че полуразпадът на уран-235 в промишлени условия е по-малко интензивен от неговите „братя“. , поради което отделянето на ненужни неутрони тук е минимално.
Периодът на полуразпад на уран-238 значително надвишава 4 милиарда години, но сега той се използва активно в ядрената индустрия. Така че, за да започне верижна реакция, включваща делене на тежки ядра на този елемент, е необходимо значително количество неутронна енергия. Уран-238 се използва като защита в апарати за делене и термоядрен синтез. По-голямата част от добития уран-238 обаче се използва за синтез на плутоний, използван в ядрените оръжия.
Учените използват времето на полуразпад на урана, за да изчислят възрастта на отделните минерали и небесните тела като цяло. Урановите часовници са доста универсален механизъм за този вид изчисления. В същото време, за да се изчисли повече или по-малко точно възрастта, е необходимо да се знае не само количеството уран в определени скали, но и съотношението на уран и олово като краен продукт, в който се образуват уранови ядра преобразуван.
Има и друг начин за изчисляване на скали и минерали, той е свързан с така нареченото спонтанно Както е известно, в резултат на спонтанното делене на урана при естествени условия, неговите частици бомбардират близките вещества с колосална сила, оставяйки след себе си специални следи - писти.
Именно по броя на тези следи, знаейки полуживота на урана, учените правят заключение за възрастта на конкретно твърдо вещество - било то древна скала или сравнително „млада“ ваза. Работата е там, че възрастта на един обект е правопропорционална на количествения показател на атомите на урана, чиито ядра са го бомбардирали.
Ядреното делене е разделянето на тежък атом на два фрагмента с приблизително еднаква маса, придружено от освобождаване на голямо количество енергия.
Откриването на ядреното делене постави началото на нова ера - „атомната ера“. Потенциалът на възможната му употреба и съотношението риск-полза от нейната употреба не само генерират много социологически, политически, икономически и научни постижения, но и сериозни проблеми. Дори от чисто научна гледна точка процесът на ядрено делене е създал голям брой загадки и усложнения, а пълното му теоретично обяснение е въпрос на бъдещето.
Споделянето е печелившо
Енергиите на свързване (на нуклон) са различни за различните ядра. По-тежките имат по-ниска енергия на свързване от тези, разположени в средата на периодичната таблица.
Това означава, че тежките ядра с атомен номер по-голям от 100 се възползват от разделянето на два по-малки фрагмента, като по този начин освобождават енергия, която се преобразува в кинетична енергия на фрагментите. Този процес се нарича разделяне
Според кривата на стабилност, която показва броя на протоните спрямо броя на неутроните за стабилни нуклиди, по-тежките ядра предпочитат по-голям брой неутрони (спрямо броя на протоните), отколкото по-леките ядра. Това предполага, че някои "резервни" неутрони ще бъдат излъчени заедно с процеса на делене. Освен това те ще поемат и част от освободената енергия. Изследване на деленето на ядрото на атом на уран показа, че се отделят 3-4 неутрона: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Атомният номер (и атомната маса) на фрагмента не е равен на половината от атомната маса на родителя. Разликата между масите на атомите, образувани в резултат на разделянето, обикновено е около 50. Причината за това обаче все още не е напълно ясна.
Енергиите на свързване на 238 U, 145 La и 90 Br са съответно 1803, 1198 и 763 MeV. Това означава, че в резултат на тази реакция се освобождава енергията на делене на урановото ядро, равна на 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Спонтанно делене
Процесите на спонтанно делене са известни в природата, но те са много редки. Средната продължителност на този процес е около 10 17 години, а например средната продължителност на алфа-разпадането на същия радионуклид е около 10 11 години.
Причината за това е, че за да се раздели на две части, сърцевината трябва първо да претърпи деформация (разтягане) в елипсоидална форма и след това, преди окончателно да се раздели на два фрагмента, да образува „врат“ в средата.
Потенциална бариера
В деформирано състояние върху ядрото действат две сили. Едното е увеличената повърхностна енергия (повърхностното напрежение на течна капка обяснява нейната сферична форма), а другото е кулоновото отблъскване между фрагментите на делене. Заедно те създават потенциална бариера.
Както в случая на алфа разпадане, за да се случи спонтанно делене на ядрото на уранов атом, фрагментите трябва да преодолеят тази бариера с помощта на квантово тунелиране. Стойността на бариерата е около 6 MeV, както в случая на алфа разпад, но вероятността за тунелиране на алфа частица е много по-голяма от тази на много по-тежкия продукт на атомно делене.
Принудително разделяне
Много по-вероятно е индуцираното делене на урановото ядро. В този случай майчиното ядро се облъчва с неутрони. Ако родителят го абсорбира, те се свързват, освобождавайки свързваща енергия под формата на вибрационна енергия, която може да надхвърли 6 MeV, необходими за преодоляване на потенциалната бариера.
Когато енергията на допълнителния неутрон не е достатъчна за преодоляване на потенциалната бариера, падащият неутрон трябва да има минимална кинетична енергия, за да може да предизвика атомно делене. В случая на 238 U, енергията на свързване на допълнителни неутрони липсва с около 1 MeV. Това означава, че деленето на ураново ядро се индуцира само от неутрон с кинетична енергия, по-голяма от 1 MeV. От друга страна, изотопът 235 U има един несдвоен неутрон. Когато едно ядро абсорбира допълнително, то се сдвоява с него и това сдвояване води до допълнителна енергия на свързване. Това е достатъчно, за да освободи количеството енергия, необходимо на ядрото да преодолее потенциалната бариера и деленето на изотопа се случва при сблъсък с всеки неутрон.
Бета разпад
Въпреки че реакцията на делене произвежда три или четири неутрона, фрагментите все още съдържат повече неутрони, отколкото техните стабилни изобари. Това означава, че фрагментите на разцепване са склонни да бъдат нестабилни към бета разпадане.
Например, когато се случи делене на урановото ядро 238 U, стабилната изобара с A = 145 е неодимовият 145 Nd, което означава, че фрагментът от лантан 145 La се разпада на три етапа, като всеки път излъчва електрон и антинеутрино, докато се образува стабилен нуклид. Стабилна изобара с A = 90 е цирконий 90 Zr, така че фрагментът на разцепване на бром 90 Br се разпада в пет етапа на веригата на β-разпад.
Тези вериги на β-разпад освобождават допълнителна енергия, почти цялата от която се отнася от електрони и антинеутрино.
Ядрени реакции: делене на уранови ядра
Директно излъчване на неутрони от нуклид с твърде много неутрони, за да се осигури ядрена стабилност, е малко вероятно. Въпросът тук е, че няма кулоново отблъскване и така повърхностната енергия има тенденция да поддържа неутрона свързан с родителя. Това обаче се случва понякога. Например, фрагментът на делене на 90 Br в първия етап на бета-разпадане произвежда криптон-90, който може да бъде във възбудено състояние с достатъчно енергия, за да преодолее повърхностната енергия. В този случай емисиите на неутрони могат да възникнат директно с образуването на криптон-89. е все още нестабилен към β разпадане, докато не стане стабилен итрий-89, така че криптон-89 се разпада в три стъпки.
Деление на уранови ядра: верижна реакция
Неутроните, излъчени при реакцията на делене, могат да бъдат погълнати от друго родителско ядро, което след това самото претърпява индуцирано делене. В случая на уран-238 трите неутрона, които се произвеждат, излизат с енергия по-малка от 1 MeV (енергията, освободена по време на деленето на ядрото на уран - 158 MeV - се превръща главно в кинетична енергия на фрагментите от делене ), така че те не могат да причинят по-нататъшно делене на този нуклид. Въпреки това, при значителна концентрация на редкия изотоп 235 U, тези свободни неутрони могат да бъдат уловени от ядра 235 U, което всъщност може да причини делене, тъй като в този случай няма енергиен праг, под който да не се индуцира делене.
Това е принципът на верижната реакция.
Видове ядрени реакции
Нека k е броят на неутроните, произведени в проба от делящ се материал на етап n от тази верига, разделен на броя на неутроните, произведени на етап n - 1. Това число ще зависи от това колко неутрони, произведени на етап n - 1, се абсорбират от ядрото, което може да претърпи принудително делене.
Ако к< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.
Ако k > 1, тогава верижната реакция ще расте, докато се изразходва целият делящ се материал. Това се постига чрез обогатяване на естествена руда до получаване на достатъчно голяма концентрация на уран-235. За сферична проба стойността на k нараства с увеличаване на вероятността за поглъщане на неутрони, което зависи от радиуса на сферата. Следователно масата U трябва да надвишава определено количество, за да може да се получи делене на уранови ядра (верижна реакция).
Ако k = 1, тогава протича контролирана реакция. Това се използва в. Процесът се контролира от разпределението на кадмиеви или борни пръчки сред урана, които абсорбират повечето от неутроните (тези елементи имат способността да улавят неутрони). Деленето на урановото ядро се управлява автоматично чрез преместване на пръчките, така че стойността на k остава равна на единица.
