Odkiaľ sa vzal urán? S najväčšou pravdepodobnosťou sa objavuje počas výbuchov supernov. Faktom je, že pre nukleosyntézu prvkov ťažších ako železo musí existovať silný tok neutrónov, ku ktorému dochádza práve počas výbuchu supernovy. Zdalo by sa, že potom, počas kondenzácie z oblaku nových hviezdnych systémov ním vytvorených, urán, ktorý sa zhromaždil v protoplanetárnom oblaku a je veľmi ťažký, by mal klesnúť do hlbín planét. Ale to nie je pravda. Urán je rádioaktívny prvok a pri rozklade uvoľňuje teplo. Výpočty ukazujú, že ak by bol urán rovnomerne rozmiestnený po celej hrúbke planéty, aspoň s rovnakou koncentráciou ako na povrchu, vyžaroval by príliš veľa tepla. Navyše, jeho tok by mal slabnúť, keď sa urán spotrebúva. Keďže nič také nebolo pozorované, geológovia sa domnievajú, že najmenej tretina uránu a možno aj všetok urán je sústredená v zemskej kôre, kde je jeho obsah 2,5∙10 – 4 %. Prečo sa to stalo, sa nediskutuje.
Kde sa ťaží urán? Na Zemi nie je tak málo uránu – je na 38. mieste, čo sa týka množstva. A väčšina tohto prvku sa nachádza v sedimentárnych horninách – uhlíkatých bridliciach a fosforitoch: až 8∙10 –3 a 2,5∙10 –2 %, v tomto poradí. Celkovo zemská kôra obsahuje 10 14 ton uránu, ale hlavným problémom je, že je veľmi rozptýlený a netvorí silné ložiská. Priemyselný význam má približne 15 uránových nerastov. Ide o uránový decht – jeho základom je oxid štvormocného uránu, uránová sľuda – rôzne silikáty, fosforečnany a zložitejšie zlúčeniny s vanádom alebo titánom na báze šesťmocného uránu.
Čo sú Becquerelove lúče? Po objavení röntgenových lúčov Wolfgangom Roentgenom sa francúzsky fyzik Antoine-Henri Becquerel začal zaujímať o žiaru uránových solí, ku ktorej dochádza pod vplyvom slnečného žiarenia. Chcel pochopiť, či sú aj tu röntgenové lúče. Skutočne boli prítomní - soľ osvetlila fotografickú platňu cez čierny papier. V jednom z experimentov však soľ nebola osvetlená, no fotografická platňa aj tak stmavla. Keď sa medzi soľ a fotografickú platňu umiestnil kovový predmet, stmavnutie pod ním bolo menšie. Nové lúče teda nevznikli v dôsledku excitácie uránu svetlom a čiastočne neprešli cez kov. Spočiatku sa nazývali „Becquerelove lúče“. Následne sa zistilo, že ide hlavne o alfa lúče s malým prídavkom beta lúčov: faktom je, že hlavné izotopy uránu vyžarujú pri rozpade alfa časticu a beta rozpad zažívajú aj dcérske produkty.
Ako rádioaktívny je urán? Urán nemá stabilné izotopy, všetky sú rádioaktívne. Najdlhší je urán-238 s polčasom rozpadu 4,4 miliardy rokov. Nasleduje urán-235 - 0,7 miliardy rokov. Oba podliehajú rozpadu alfa a stávajú sa zodpovedajúcimi izotopmi tória. Urán-238 tvorí viac ako 99% všetkého prírodného uránu. Vďaka obrovskému polčasu rozpadu je rádioaktivita tohto prvku nízka a navyše alfa častice nie sú schopné preniknúť cez stratum corneum na povrchu ľudského tela. Hovorí sa, že po práci s uránom si I.V. Kurchatov jednoducho utrel ruky vreckovkou a netrpel žiadnymi chorobami spojenými s rádioaktivitou.
Výskumníci sa opakovane obrátili na štatistiku chorôb pracovníkov v uránových baniach a spracovateľských závodoch. Tu je napríklad nedávny článok kanadských a amerických špecialistov, ktorí analyzovali zdravotné údaje viac ako 17 tisíc pracovníkov v bani Eldorado v kanadskej provincii Saskatchewan za roky 1950–1999 ( Environmentálny výskum, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Vychádzali zo skutočnosti, že žiarenie má najsilnejší vplyv na rýchlo sa množiace krvinky, čo vedie k zodpovedajúcim typom rakoviny. Štatistiky ukázali, že banskí robotníci majú nižší výskyt rôznych typov rakoviny krvi ako priemerní Kanaďania. V tomto prípade sa za hlavný zdroj žiarenia nepovažuje samotný urán, ale plynný radón, ktorý vytvára a produkty jeho rozpadu, ktoré sa môžu dostať do tela cez pľúca.
Prečo je urán škodlivý?? Rovnako ako ostatné ťažké kovy je vysoko toxický a môže spôsobiť zlyhanie obličiek a pečene. Na druhej strane, urán, ktorý je rozptýleným prvkom, je nevyhnutne prítomný vo vode, pôde a koncentruje sa v potravinovom reťazci a vstupuje do ľudského tela. Je rozumné predpokladať, že v procese evolúcie sa živé bytosti naučili neutralizovať urán v prirodzených koncentráciách. Urán je vo vode najnebezpečnejší, preto WHO stanovila limit: spočiatku to bolo 15 μg/l, no v roku 2011 sa norma zvýšila na 30 μg/g. Vo vode je spravidla oveľa menej uránu: v USA v priemere 6,7 µg/l, v Číne a Francúzsku - 2,2 µg/l. Existujú však aj silné odchýlky. Takže v niektorých oblastiach Kalifornie je to stokrát viac ako štandard - 2,5 mg/l a v južnom Fínsku dosahuje 7,8 mg/l. Vedci sa snažia pochopiť, či je norma WHO príliš prísna skúmaním vplyvu uránu na zvieratá. Tu je typická práca ( BioMed Research International, 2014, IČO 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Francúzski vedci kŕmili potkany vodou s pridaným ochudobneným uránom počas deviatich mesiacov a v relatívne vysokých koncentráciách – od 0,2 do 120 mg/l. Spodná hodnota je voda pri bani, horná hodnota sa nikde nenachádza – maximálna koncentrácia uránu, nameraná vo Fínsku, je 20 mg/l. Na prekvapenie autorov - článok sa nazýva: „Neočakávaná absencia viditeľného účinku uránu na fyziologické systémy ...“ - urán nemal prakticky žiadny vplyv na zdravie potkanov. Zvieratá sa dobre najedli, riadne pribrali, nesťažovali sa na choroby a nezomreli na rakovinu. Urán, ako sa patrí, sa ukladal predovšetkým v obličkách a kostiach a v stonásobne menšom množstve v pečeni a jeho hromadenie sa podľa očakávania odvíjalo od obsahu vo vode. To však neviedlo k zlyhaniu obličiek alebo dokonca k viditeľnému výskytu akýchkoľvek molekulárnych markerov zápalu. Autori navrhli, aby sa začala revízia prísnych smerníc WHO. Je tu však jedno upozornenie: vplyv na mozog. V mozgu potkanov bolo menej uránu ako v pečeni, no jeho obsah nezávisel od množstva vo vode. Urán však ovplyvnil fungovanie antioxidačného systému mozgu: aktivita katalázy sa zvýšila o 20 %, glutatiónperoxidázy o 68–90 % a aktivita superoxiddismutázy sa znížila o 50 %, bez ohľadu na dávku. To znamená, že urán jednoznačne spôsobil oxidačný stres v mozgu a telo naň reagovalo. Tento účinok - silný účinok uránu na mozog v neprítomnosti jeho akumulácie v ňom, mimochodom, ako aj v pohlavných orgánoch - bol zaznamenaný skôr. Navyše voda s uránom v koncentrácii 75–150 mg/l, ktorou výskumníci z University of Nebraska kŕmili potkany šesť mesiacov ( Neurotoxikológia a teratológia, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), ovplyvnilo správanie zvierat, hlavne samcov, vypustených do terénu: prekračovali čiary, postavili sa na zadné a srsť si vyčesali inak ako kontrolné. Existujú dôkazy, že urán vedie aj k zhoršeniu pamäti u zvierat. Zmeny správania korelovali s hladinami oxidácie lipidov v mozgu. Ukázalo sa, že uránová voda urobila potkany zdravými, ale skôr hlúpymi. Tieto údaje nám budú užitočné pri analýze takzvaného syndrómu vojny v Perzskom zálive.
Kontaminuje urán lokality na rozvoj bridlicového plynu? Závisí to od toho, koľko uránu je v horninách obsahujúcich plyn a ako je s nimi spojený. Napríklad docent Tracy Bank z univerzity v Buffale skúmal Marcellus Shale, ktorý sa tiahne od západu New Yorku cez Pensylvániu a Ohio až po Západnú Virgíniu. Ukázalo sa, že urán je chemicky príbuzný práve so zdrojom uhľovodíkov (nezabudnite, že príbuzné uhlíkaté bridlice majú najvyšší obsah uránu). Experimenty ukázali, že roztok používaný pri štiepení dokonale rozpúšťa urán. „Keď sa urán v týchto vodách dostane na povrch, môže spôsobiť kontamináciu okolia. Nepredstavuje to radiačné riziko, ale urán je jedovatý prvok,“ poznamenáva Tracy Bank v univerzitnej tlačovej správe z 25. októbra 2010. O riziku kontaminácie životného prostredia uránom alebo tóriom pri výrobe bridlicového plynu zatiaľ neboli pripravené žiadne podrobné články.
Prečo je potrebný urán? Predtým sa používal ako pigment na výrobu keramiky a farebného skla. Teraz je urán základom jadrovej energie a atómových zbraní. V tomto prípade sa využíva jeho jedinečná vlastnosť – schopnosť jadra deliť sa.
Čo je jadrové štiepenie? Rozpad jadra na dva nerovnako veľké kusy. Práve pre túto vlastnosť sa pri nukleosyntéze v dôsledku ožarovania neutrónmi len veľmi ťažko tvoria jadrá ťažšie ako urán. Podstata javu je nasledovná. Ak pomer počtu neutrónov a protónov v jadre nie je optimálny, stáva sa nestabilným. Typicky takéto jadro emituje buď alfa časticu – dva protóny a dva neutróny, alebo beta časticu – pozitrón, ktorá je sprevádzaná premenou jedného z neutrónov na protón. V prvom prípade sa získa prvok periodickej tabuľky, vzdialený dve bunky dozadu, v druhom - jedna bunka dopredu. Jadro uránu je však okrem vyžarovania častíc alfa a beta schopné štiepenia – rozpadu na jadrá dvoch prvkov v strede periodickej tabuľky, napríklad bária a kryptónu, čo sa mu po prijatí nového neutrónu podarí. Tento jav bol objavený krátko po objavení rádioaktivity, keď fyzici vystavili novoobjavené žiarenie všetkému, čo mohli. Takto o tom píše účastník udalostí Otto Frisch („Pokroky vo fyzikálnych vedách“, 1968, 96, 4). Po objavení lúčov berýlia – neutrónov – nimi Enrico Fermi ožaroval najmä urán, aby spôsobil beta rozpad – dúfal, že ho využije na získanie ďalšieho, 93. prvku, ktorý sa dnes nazýva neptunium. Práve on objavil v ožiarenom uráne nový typ rádioaktivity, ktorý spájal s výskytom transuránových prvkov. Túto indukovanú rádioaktivitu zároveň zvýšilo spomalenie neutrónov, pre ktoré bol zdroj berýlia pokrytý vrstvou parafínu. Americký rádiochemik Aristide von Grosse navrhol, že jedným z týchto prvkov je protaktínium, ale mýlil sa. Ale Otto Hahn, ktorý vtedy pôsobil na Viedenskej univerzite a považoval protaktínium objavené v roku 1917 za svoje dieťa, sa rozhodol, že je povinný zistiť, aké prvky boli získané. Spolu s Lise Meitnerovou začiatkom roku 1938 Hahn na základe experimentálnych výsledkov navrhol, že celé reťazce rádioaktívnych prvkov vznikajú v dôsledku mnohonásobných beta rozpadov jadier uránu-238 pohlcujúcich neutróny a jeho dcérskych prvkov. Čoskoro bola Lise Meitner nútená utiecť do Švédska, pretože sa obávala možných odvetných opatrení zo strany nacistov po rakúskom anšluse. Hahn, ktorý pokračoval v experimentoch s Fritzom Strassmannom, zistil, že medzi produktmi bolo aj bárium, prvok číslo 56, ktorý sa v žiadnom prípade nedal získať z uránu: všetky reťazce alfa rozpadov uránu končia oveľa ťažším olovom. Výskumníci boli tak prekvapení výsledkom, že ho nezverejnili, len písali listy priateľom, najmä Lise Meitnerovej do Göteborgu. Tam ju na Vianoce 1938 navštívil jej synovec Otto Frisch a na prechádzke po okolí zimného mesta - on na lyžiach, teta pešo - diskutovali o možnosti výskytu bária pri ožarovaní uránom ako výsledkom jadrového štiepenia (viac informácií o Lise Meitnerovej pozri „Chémia a život “, 2013, č. 4). Po návrate do Kodane Frisch doslova zachytil Nielsa Bohra na móle lode odchádzajúcej do Spojených štátov a povedal mu o myšlienke štiepenia. Bohr si pleskol po čele a povedal: „Ach, akí sme boli blázni! Mali sme si to všimnúť skôr." V januári 1939 Frisch a Meitner publikovali článok o štiepení jadier uránu pod vplyvom neutrónov. V tom čase už Otto Frisch vykonal kontrolný experiment, ako aj mnohé americké skupiny, ktoré dostali správu od Bohra. Hovorí sa, že fyzici sa začali rozchádzať do svojich laboratórií práve počas jeho správy 26. januára 1939 vo Washingtone na výročnej konferencii o teoretickej fyzike, keď pochopili podstatu myšlienky. Po objave štiepenia Hahn a Strassmann zrevidovali svoje experimenty a rovnako ako ich kolegovia zistili, že rádioaktivita ožiareného uránu nesúvisí s transuránmi, ale s rozpadom rádioaktívnych prvkov vznikajúcich pri štiepení zo stredu periodickej tabuľky.
Ako prebieha reťazová reakcia v uráne?Čoskoro po tom, čo bola experimentálne dokázaná možnosť štiepenia jadier uránu a tória (a na Zemi nie sú žiadne iné štiepne prvky vo významnejšom množstve), Niels Bohr a John Wheeler, ktorí pracovali v Princetone, ako aj nezávisle od nich Sovietsky teoretický fyzik Ya I. Frenkel a Nemci Siegfried Flügge a Gottfried von Droste vytvorili teóriu jadrového štiepenia. Z toho vyplynuli dva mechanizmy. Jedna je spojená s prahovou absorpciou rýchlych neutrónov. Podľa nej na spustenie štiepenia musí mať neutrón dosť vysokú energiu, viac ako 1 MeV pre jadrá hlavných izotopov - uránu-238 a tória-232. Pri nižších energiách má absorpcia neutrónov uránom-238 rezonančný charakter. Neutrón s energiou 25 eV má teda plochu prierezu záchytu, ktorá je tisíckrát väčšia ako pri iných energiách. V tomto prípade nedôjde k štiepeniu: z uránu-238 sa stane urán-239, ktorý sa s polčasom rozpadu 23,54 minúty zmení na neptúnium-239, ktoré sa s polčasom rozpadu 2,33 dňa zmení na dlhoveké. plutónium-239. Tórium-232 sa zmení na urán-233.
Druhým mechanizmom je bezprahová absorpcia neutrónu, po ňom nasleduje tretí viac-menej bežný štiepny izotop - urán-235 (ako aj plutónium-239 a urán-233, ktoré sa v prírode nenachádzajú): tzv. absorbovaním akéhokoľvek neutrónu, aj pomalého, takzvaného tepelného, s energiou ako pre molekuly podieľajúce sa na tepelnom pohybe – 0,025 eV, sa takéto jadro rozštiepi. A to je veľmi dobré: tepelné neutróny majú záchytný prierez štyrikrát väčší ako rýchle megaelektrónvoltové neutróny. Toto je význam uránu-235 pre celú nasledujúcu históriu jadrovej energetiky: práve on zabezpečuje množenie neutrónov v prírodnom uráne. Po zásahu neutrónom sa jadro uránu-235 stane nestabilným a rýchlo sa rozdelí na dve nerovnaké časti. Po ceste sa vyžaruje niekoľko (v priemere 2,75) nových neutrónov. Ak zasiahnu jadrá toho istého uránu, spôsobia exponenciálne množenie neutrónov – dôjde k reťazovej reakcii, ktorá v dôsledku rýchleho uvoľnenia obrovského množstva tepla povedie k výbuchu. Ani urán-238, ani tórium-232 takto fungovať nemôžu: veď pri štiepení sa neutróny vyžarujú s priemernou energiou 1–3 MeV, teda ak je prah energie 1 MeV, významná časť neutróny určite nebudú schopné vyvolať reakciu a nedôjde k žiadnej reprodukcii. To znamená, že na tieto izotopy by sa malo zabudnúť a neutróny sa budú musieť spomaliť na tepelnú energiu, aby čo najefektívnejšie interagovali s jadrami uránu-235. Zároveň nemožno dovoliť ich rezonančnú absorpciu uránom-238: koniec koncov, v prírodnom uráne je tento izotop o niečo menší ako 99,3% a neutróny sa s ním častejšie zrážajú, a nie s cieľovým uránom-235. A pôsobením moderátora je možné udržať množenie neutrónov na konštantnej úrovni a zabrániť výbuchu – riadiť reťazovú reakciu.
Výpočet, ktorý uskutočnili Ya B. Zeldovich a Yu B. Khariton v tom istom osudnom roku 1939, ukázal, že na to je potrebné použiť moderátor neutrónov vo forme ťažkej vody alebo grafitu a obohatiť prírodný urán o urán. 235 najmenej 1,83 krát. Potom sa im táto myšlienka zdala čistou fantáziou: „Treba poznamenať, že približne dvojnásobné obohatenie tých pomerne významných množstiev uránu, ktoré sú potrebné na uskutočnenie reťazovej explózie,<...>je mimoriadne ťažkopádna úloha, ktorá sa blíži praktickej nemožnosti.“ Teraz je tento problém vyriešený a jadrový priemysel hromadne vyrába urán obohatený o urán-235 na 3,5 % pre elektrárne.
Čo je spontánne jadrové štiepenie? V roku 1940 G. N. Flerov a K. A. Petrzhak zistili, že štiepenie uránu môže nastať spontánne, bez akéhokoľvek vonkajšieho vplyvu, hoci polčas rozpadu je oveľa dlhší ako pri bežnom alfa rozpade. Keďže pri takomto štiepení vznikajú aj neutróny, ak im nebude umožnené uniknúť z reakčnej zóny, budú slúžiť ako iniciátory reťazovej reakcie. Práve tento jav sa využíva pri vytváraní jadrových reaktorov.
Prečo je potrebná jadrová energia? Zeldovich a Khariton boli medzi prvými, ktorí vypočítali ekonomický efekt jadrovej energie (Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1940, 23, 4). “...V súčasnosti ešte nie je možné urobiť konečné závery o možnosti alebo nemožnosti uskutočniť jadrovú štiepnu reakciu v uráne s nekonečne sa rozvetvenými reťazcami. Ak je takáto reakcia uskutočniteľná, potom sa reakčná rýchlosť automaticky upraví tak, aby sa zabezpečil jej hladký priebeh, napriek obrovskému množstvu energie, ktorú má experimentátor k dispozícii. Táto okolnosť je mimoriadne priaznivá pre energetické využitie reakcie. Uveďme si preto – hoci ide o delenie kože nezabitého medveďa – niekoľko čísel charakterizujúcich možnosti energetického využitia uránu. Ak teda proces štiepenia prebieha s rýchlymi neutrónmi, reakcia zachytí hlavný izotop uránu (U238), potom<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>náklady na kalórie z hlavného izotopu uránu sú približne 4000-krát lacnejšie ako z uhlia (pokiaľ, samozrejme, procesy „spaľovania“ a odvodu tepla nie sú v prípade uránu oveľa drahšie ako v prípade uhlia). V prípade pomalých neutrónov budú náklady na „uránovú“ kalóriu (na základe vyššie uvedených údajov), berúc do úvahy, že množstvo izotopu U235 je 0,007, čo je už len 30-krát lacnejšie ako kalória „uhlia“, všetky ostatné veci sú rovnaké."
Prvú riadenú reťazovú reakciu vykonal v roku 1942 Enrico Fermi na Chicagskej univerzite a reaktor bol riadený manuálne – zatláčaním grafitových tyčí dovnútra a von, keď sa tok neutrónov menil. Prvá elektráreň bola postavená v Obninsku v roku 1954. Prvé reaktory okrem výroby energie pracovali aj na výrobe plutónia na zbrane.
Ako funguje jadrová elektráreň? V súčasnosti väčšina reaktorov pracuje na pomalých neutrónoch. Obohatený urán vo forme kovu, zliatiny ako je hliník alebo oxidu je umiestnený v dlhých valcoch nazývaných palivové články. Sú inštalované určitým spôsobom v reaktore a medzi ne sú vložené moderátorské tyče, ktoré riadia reťazovú reakciu. Postupom času sa reaktorové jedy hromadia v palivovom prvku – produktoch štiepenia uránu, ktoré sú schopné pohlcovať aj neutróny. Keď koncentrácia uránu-235 klesne pod kritickú úroveň, prvok sa vyradí z prevádzky. Obsahuje však veľa štiepnych úlomkov so silnou rádioaktivitou, ktorá v priebehu rokov klesá, čo spôsobuje, že prvky dlhodobo vydávajú značné množstvo tepla. Držia sa v chladiacich bazénoch a potom sa buď pochovávajú, alebo sa pokúšajú spracovať – získať nespálený urán-235, vyprodukované plutónium (používalo sa na výrobu atómových bômb) a ďalšie izotopy, ktoré sa dajú použiť. Nevyužitá časť sa posiela na pohrebiská.
V takzvaných rýchlych reaktoroch alebo množivých reaktoroch sú okolo prvkov inštalované reflektory vyrobené z uránu-238 alebo tória-232. Spomaľujú a posielajú späť do reakčnej zóny neutróny, ktoré sú príliš rýchle. Neutróny spomalené na rezonančnú rýchlosť absorbujú tieto izotopy a menia sa na plutónium-239 alebo urán-233, ktoré môžu slúžiť ako palivo pre jadrovú elektráreň. Keďže rýchle neutróny zle reagujú s uránom-235, jeho koncentrácia sa musí výrazne zvýšiť, čo sa však vypláca silnejším tokom neutrónov. Napriek tomu, že množivé reaktory sú považované za budúcnosť jadrovej energie, pretože produkujú viac jadrového paliva, ako spotrebujú, experimenty ukázali, že je ťažké ich riadiť. Teraz je na svete už len jeden takýto reaktor – na štvrtom bloku elektrárne Belojarsk.
Ako je jadrová energia kritizovaná? Ak nehovoríme o haváriách, tak hlavným bodom v argumentácii odporcov jadrovej energetiky je dnes návrh doplniť do výpočtu jej účinnosti náklady na ochranu životného prostredia po vyradení stanice z prevádzky a pri práci s palivom. V oboch prípadoch vzniká úloha spoľahlivého uloženia rádioaktívneho odpadu, pričom ide o náklady, ktoré znáša štát. Existuje názor, že ak ich prenesiete do nákladov na energiu, ich ekonomická príťažlivosť zmizne.
Odpor je aj medzi zástancami jadrovej energie. Jeho predstavitelia poukazujú na jedinečnosť uránu-235, ktorý nemá náhradu, pretože alternatívne izotopy štiepiteľné tepelnými neutrónmi - plutónium-239 a urán-233 - sa vzhľadom na ich polčasy rozpadu tisícky rokov v prírode nenachádzajú. A získavajú sa práve v dôsledku štiepenia uránu-235. Ak sa minie, úžasný prírodný zdroj neutrónov pre jadrovú reťazovú reakciu zmizne. V dôsledku takejto márnotratnosti ľudstvo v budúcnosti stratí možnosť zapojiť do energetického cyklu tórium-232, ktorého zásoby sú niekoľkonásobne väčšie ako urán.
Teoreticky môžu byť urýchľovače častíc použité na produkciu toku rýchlych neutrónov s megaelektronvoltovými energiami. Ak však hovoríme napríklad o medziplanetárnych letoch na jadrovom motore, potom bude implementácia schémy s objemným urýchľovačom veľmi náročná. Vyčerpanie uránu-235 ukončuje takéto projekty.
Čo je to urán na zbrane? Ide o vysoko obohatený urán-235. Jeho kritická hmotnosť – zodpovedá veľkosti kúska látky, v ktorej spontánne prebieha reťazová reakcia – je dostatočne malá na výrobu munície. Takýto urán sa dá použiť na výrobu atómovej bomby a tiež ako zápalnica pre termonukleárnu bombu.
Aké katastrofy sú spojené s používaním uránu? Energia uložená v jadrách štiepnych prvkov je obrovská. Ak sa prehliadnutím alebo úmyselne vymkne kontrole, môže táto energia spôsobiť veľa problémov. K dvom najhorším jadrovým katastrofám došlo 6. a 8. augusta 1945, keď americké letectvo zhodilo atómové bomby na Hirošimu a Nagasaki, pričom zahynuli a zranili státisíce civilistov. Katastrofy menšieho rozsahu sú spojené s nehodami v jadrových elektrárňach a podnikoch jadrového cyklu. K prvej veľkej havárii došlo v roku 1949 v ZSSR v závode Mayak pri Čeľabinsku, kde sa vyrábalo plutónium; Kvapalný rádioaktívny odpad skončil v rieke Techa. V septembri 1957 na ňom došlo k výbuchu, pri ktorom sa uvoľnilo veľké množstvo rádioaktívneho materiálu. O jedenásť dní neskôr vyhorel britský reaktor na výrobu plutónia vo Windscale a mrak s produktmi výbuchu sa rozptýlil nad západnou Európou. V roku 1979 vyhorel reaktor v jadrovej elektrárni Three Mail Island v Pensylvánii. Najrozšírenejšie následky mali havárie v jadrovej elektrárni Černobyľ (1986) a jadrovej elektrárni Fukušima (2011), keď boli žiareniu vystavené milióny ľudí. Prvé zasypali rozsiahle oblasti, z ktorých sa v dôsledku explózie, ktorá sa rozšírila po Európe, uvoľnilo 8 ton uránového paliva a produktov rozkladu. Druhý znečistil a tri roky po nehode naďalej znečisťuje Tichý oceán v rybolovných oblastiach. Odstraňovanie následkov týchto havárií bolo veľmi nákladné a ak by sa tieto náklady rozdelili na náklady na elektrickú energiu, výrazne by sa zvýšili.
Samostatnou otázkou sú dôsledky pre ľudské zdravie. Podľa oficiálnych štatistík veľa ľudí, ktorí prežili bombardovanie alebo žili v kontaminovaných oblastiach, profitovalo z radiácie – tí prví majú vyššiu priemernú dĺžku života, tí druhí menej rakoviny a odborníci pripisujú istý nárast úmrtnosti sociálnemu stresu. Počet ľudí, ktorí zomreli práve na následky nehôd alebo v dôsledku ich likvidácie, predstavuje stovky ľudí. Odporcovia jadrových elektrární upozorňujú, že havárie viedli k niekoľkým miliónom predčasných úmrtí na európskom kontinente, no v štatistickom kontexte sú jednoducho neviditeľné.
Odstránenie pôdy z oblasti nehôd človekom vedie k zaujímavému výsledku: stávajú sa akousi prírodnou rezerváciou, kde rastie biodiverzita. Je pravda, že niektoré zvieratá trpia chorobami súvisiacimi s ožiarením. Otvorenou ostáva otázka, ako rýchlo sa prispôsobia zvýšenému zázemiu. Existuje tiež názor, že dôsledkom chronického ožarovania je „selekcia pre bláznov“ (pozri „Chémia a život“, 2010, č. 5): aj v embryonálnom štádiu prežívajú primitívnejšie organizmy. Najmä vo vzťahu k ľuďom by to malo viesť k poklesu mentálnych schopností u generácie narodenej v kontaminovaných oblastiach krátko po nehode.
Čo je ochudobnený urán? Ide o urán-238, ktorý zostal po oddelení uránu-235 z neho. Objemy odpadu z výroby uránu a palivových článkov na zbrane sú veľké – len v Spojených štátoch sa nahromadilo 600 tisíc ton takéhoto hexafluoridu uránu (problémy s ním pozri Chémia a život, 2008, č. 5) . Obsah uránu-235 v ňom je 0,2%. Tento odpad treba buď uskladniť do lepších časov, keď vzniknú rýchle neutrónové reaktory a bude možné spracovať urán-238 na plutónium, alebo nejako využiť.
Našli pre to využitie. Urán, podobne ako iné prechodné prvky, sa používa ako katalyzátor. Napríklad autori článku v ACS Nano z 30. júna 2014 píšu, že katalyzátor vyrobený z uránu alebo tória s grafénom na redukciu kyslíka a peroxidu vodíka „má obrovský potenciál na využitie v energetickom sektore“. Keďže urán má vysokú hustotu, slúži ako záťaž pre lode a protizávažia pre lietadlá. Tento kov je vhodný aj na radiačnú ochranu v zdravotníckych zariadeniach so zdrojmi žiarenia.
Aké zbrane sa dajú vyrobiť z ochudobneného uránu? Guľky a jadrá pre pancierové projektily. Výpočet je tu nasledujúci. Čím je projektil ťažší, tým je jeho kinetická energia vyššia. Ale čím je projektil väčší, tým je jeho dopad menej koncentrovaný. To znamená, že sú potrebné ťažké kovy s vysokou hustotou. Guľky sú vyrobené z olova (uralskí lovci svojho času používali aj natívnu platinu, kým nezistili, že ide o drahý kov), zatiaľ čo jadrá plášťa sú vyrobené zo zliatiny volfrámu. Ekológovia upozorňujú, že olovo kontaminuje pôdu na miestach vojenských operácií alebo lovu a bolo by lepšie ho nahradiť niečím menej škodlivým, napríklad volfrámom. Volfrám však nie je lacný a urán, ktorý má podobnú hustotu, je škodlivý odpad. Zároveň je prípustná kontaminácia pôdy a vody uránom približne dvojnásobná ako u olova. Deje sa tak preto, lebo sa zanedbáva slabá rádioaktivita ochudobneného uránu (a je tiež o 40 % nižšia ako u prírodného uránu) a berie sa do úvahy skutočne nebezpečný chemický faktor: urán, ako si pamätáme, je jedovatý. Zároveň je jeho hustota 1,7-krát väčšia ako hustota olova, čo znamená, že veľkosť uránových guľôčok sa môže znížiť na polovicu; urán je oveľa žiaruvzdornejší a tvrdší ako olovo – pri streľbe sa menej vyparuje a pri dopade na cieľ produkuje menej mikročastíc. Vo všeobecnosti je uránová guľka menej znečisťujúca ako olovená guľka, hoci takéto použitie uránu nie je s určitosťou známe.
Je však známe, že dosky vyrobené z ochudobneného uránu sa používajú na spevnenie pancierovania amerických tankov (je to uľahčené jeho vysokou hustotou a teplotou topenia) a tiež namiesto zliatiny volfrámu v jadrách pre projektily prepichujúce pancier. Uránové jadro je tiež dobré, pretože urán je samozápalný: jeho horúce malé častice vytvorené pri dopade na pancier sa vznietia a zapália všetko okolo. Obe aplikácie sa považujú za bezpečné pre žiarenie. Výpočet teda ukázal, že aj po ročnom sedení v tanku s uránovým pancierom nabitým uránovou muníciou by posádka dostala len štvrtinu prípustnej dávky. A aby ste dostali ročnú prípustnú dávku, musíte takúto muníciu naskrutkovať na povrch kože 250 hodín.
Náboje s uránovými jadrami - pre 30 mm letecké kanóny alebo delostrelecké podkalibry - používali Američania v posledných vojnách, počnúc irackou kampaňou v roku 1991. V tom roku pršali na iracké obrnené jednotky v Kuvajte a pri ich ústupe bolo vypálených 300 ton ochudobneného uránu, z toho 250 ton, čiže 780 tisíc nábojov, bolo vypálených na letecké delá. V Bosne a Hercegovine sa pri bombardovaní armády neuznanej Republiky srbskej minulo 2,75 tony uránu a pri ostreľovaní juhoslovanskej armády v oblasti Kosova a Metohije - 8,5 tony, čiže 31 tisíc nábojov. Keďže WHO bola v tom čase znepokojená dôsledkami používania uránu, vykonalo sa monitorovanie. Ukázal, že jedna salva pozostávala z približne 300 nábojov, z ktorých 80 % obsahovalo ochudobnený urán. 10 % zasiahlo ciele a 82 % spadlo do vzdialenosti 100 metrov od nich. Zvyšok sa rozptýlil do vzdialenosti 1,85 km. Škrupina, ktorá zasiahla tank, zhorela a zmenila sa na aerosól; Na uránový prach by sa tak v Iraku mohlo zmeniť najviac jeden a pol tony nábojov. Podľa odborníkov z amerického strategického výskumného centra RAND Corporation sa viac, od 10 do 35 % použitého uránu, premenilo na aerosól. Chorvátsky aktivista proti uránovej munícii Asaf Durakovič, ktorý pracoval v rôznych organizáciách od nemocnice kráľa Faisala v Rijáde po Washingtonské centrum pre medicínsky výskum uránu, odhaduje, že len v južnom Iraku sa v roku 1991 vytvorilo 3 až 6 ton submikrónových častíc uránu, ktoré boli roztrúsené na širokom území , čiže kontaminácia uránom je tam porovnateľná s Černobyľom.
Obsah článku
URAN, U (urán), kovový chemický prvok z rodiny aktinidov, ktorý zahŕňa Ac, Th, Pa, U a transuránové prvky (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Urán sa dostal do popredia vďaka jeho použitiu v jadrových zbraniach a jadrovej energii. Oxidy uránu sa používajú aj na farbenie skla a keramiky.
Byť v prírode.
Obsah uránu v zemskej kôre je 0,003% a nachádza sa v povrchovej vrstve zeme vo forme štyroch druhov sedimentov. Po prvé, ide o žily uraninitu, alebo uránového smoly (oxid uránový UO 2), veľmi bohatý na urán, ale vzácny. Sú sprevádzané ložiskami rádia, pretože rádium je priamym produktom izotopového rozpadu uránu. Takéto žily sa nachádzajú v Zaire, Kanade (Veľké medvedie jazero), Českej republike a Francúzsku. Druhým zdrojom uránu sú konglomeráty tória a uránových rúd spolu s rudami iných dôležitých nerastov. Konglomeráty zvyčajne obsahujú dostatočné množstvo zlata a striebra na regeneráciu, pričom urán a tórium sú spojené prvky. Veľké ložiská týchto rúd sa nachádzajú v Kanade, Južnej Afrike, Rusku a Austrálii. Tretím zdrojom uránu sú sedimentárne horniny a pieskovce bohaté na minerál karnotit (draselný uranylvanadičnan), ktorý obsahuje okrem uránu aj značné množstvo vanádu a ďalších prvkov. Takéto rudy sa nachádzajú v západných štátoch Spojených štátov amerických. Železo-uránové bridlice a fosfátové rudy tvoria štvrtý zdroj sedimentov. Bohaté ložiská sa nachádzajú v bridliciach Švédska. Niektoré fosfátové rudy v Maroku a USA obsahujú značné množstvo uránu a ložiská fosfátov v Angole a Stredoafrickej republike sú na urán ešte bohatšie. Väčšina lignitov a niektoré uhlie zvyčajne obsahujú uránové nečistoty. Ložiská lignitu bohaté na urán sa našli v Severnej a Južnej Dakote (USA) a bitúmenové uhlie v Španielsku a Českej republike.
Otvorenie.
Urán objavil v roku 1789 nemecký chemik M. Klaproth, ktorý prvok pomenoval na počesť objavu planéty Urán o 8 rokov skôr. (Klaproth bol popredným chemikom svojej doby; objavil aj ďalšie prvky vrátane Ce, Ti a Zr.) V skutočnosti látka získaná Klaprothom nebol elementárny urán, ale jeho oxidovaná forma a elementárny urán bol prvýkrát získaný r. francúzsky chemik E. .Peligo v roku 1841. Od okamihu objavu až do 20. storočia. urán nemal taký význam, aký má dnes, aj keď mnohé z jeho fyzikálnych vlastností, ako aj atómová hmotnosť a hustota boli určené. V roku 1896 A. Becquerel zistil, že uránové soli majú žiarenie, ktoré osvetľuje fotografickú platňu v tme. Tento objav podnietil chemikov k výskumu v oblasti rádioaktivity av roku 1898 francúzski fyzici manželia P. Curie a M. Sklodowska-Curie izolovali soli rádioaktívnych prvkov polónia a rádia a E. Rutherford, F. Soddy, K. Fayans a ďalší vedci vyvinuli teóriu rádioaktívneho rozpadu, ktorá položila základy modernej jadrovej chémie a jadrovej energie.
Prvé použitia uránu.
Hoci rádioaktivita uránových solí bola známa, jeho rudy sa v prvej tretine tohto storočia využívali len na získavanie sprievodného rádia a urán bol považovaný za nežiaduci vedľajší produkt. Jeho využitie sa sústreďovalo najmä v keramickej technológii a hutníctve; Oxidy uránu boli široko používané na farbenie skla vo farbách od svetložltej po tmavozelenú, čo prispelo k rozvoju lacnej výroby skla. Dnes sú výrobky z týchto odvetví identifikované ako fluorescenčné pod ultrafialovým žiarením. Počas 1. svetovej vojny a krátko po nej sa urán vo forme karbidu používal pri výrobe nástrojových ocelí, podobne ako Mo a W; 4–8 % urán nahradil volfrám, ktorého výroba bola v tom čase obmedzená. Na získavanie nástrojových ocelí sa v rokoch 1914–1926 vyrábalo ročne niekoľko ton ferouránu s obsahom až 30 % (hmot.) U. Toto využitie uránu však nemalo dlhé trvanie.
Moderné využitie uránu.
Uránový priemysel sa začal formovať v roku 1939, keď sa uskutočnilo štiepenie izotopu uránu 235 U, čo viedlo k technickej realizácii riadených reťazových reakcií štiepenia uránu v decembri 1942. To bol zrod veku atómu , kedy urán prerástol z bezvýznamného prvku na jeden z najdôležitejších prvkov v živote spoločnosti. Vojenský význam uránu pre výrobu atómovej bomby a jeho využitie ako paliva v jadrových reaktoroch spôsobili astronomický nárast dopytu po uráne. Zaujímavá je chronológia rastu dopytu po uráne na základe histórie sedimentov v jazere Great Bear Lake (Kanada). V roku 1930 bola v tomto jazere objavená živicová zmes, zmes oxidov uránu a v roku 1932 bola v tejto oblasti zavedená technológia čistenia rádia. Z každej tony rudy (zmesi živíc) sa získal 1 g rádia a asi pol tony vedľajšieho produktu, uránového koncentrátu. Rádia však bolo málo a jeho ťažba bola zastavená. V rokoch 1940 až 1942 bol vývoj obnovený a uránová ruda sa začala expedovať do USA. V roku 1949 sa podobné čistenie uránu s určitými vylepšeniami použilo na výrobu čistého UO2. Táto produkcia sa rozrástla av súčasnosti je jedným z najväčších zariadení na výrobu uránu.
Vlastnosti.
Urán je jedným z najťažších prvkov v prírode. Čistý kov je veľmi hustý, tvárny, elektropozitívny s nízkou elektrickou vodivosťou a vysoko reaktívny.
Urán má tri alotropné modifikácie: a-urán (ortorombická kryštálová mriežka), existuje v rozmedzí od izbovej teploty do 668 °C; b-urán (komplexná kryštálová mriežka tetragonálneho typu), stabilný v rozmedzí 668–774°C; g-urán (kubická kryštálová mriežka so stredom tela), stabilný od 774°C do bodu topenia (1132°C). Pretože všetky izotopy uránu sú nestabilné, všetky jeho zlúčeniny vykazujú rádioaktivitu.
Izotopy uránu
238 U, 235 U, 234 U sa v prírode vyskytuje v pomere 99,3:0,7:0,0058 a 236 U sa vyskytuje v stopových množstvách. Všetky ostatné izotopy uránu od 226 U do 242 U sa získavajú umelo. Zvlášť dôležitý je izotop 235 U. Pod vplyvom pomalých (tepelných) neutrónov sa delí, pričom sa uvoľňuje obrovská energia. Úplné štiepenie 235 U má za následok uvoľnenie „ekvivalentu tepelnej energie“ 2H 10 7 kWh h/kg. Štiepenie 235 U možno využiť nielen na výrobu veľkého množstva energie, ale aj na syntézu ďalších dôležitých aktinidových prvkov. Prírodný izotop uránu sa môže použiť v jadrových reaktoroch na výrobu neutrónov produkovaných štiepením 235 U, zatiaľ čo nadbytočné neutróny, ktoré reťazová reakcia nevyžaduje, môžu byť zachytené iným prírodným izotopom, čo vedie k produkcii plutónia:
Keď je 238 U bombardované rýchlymi neutrónmi, dochádza k nasledujúcim reakciám:
Podľa tejto schémy sa najbežnejší izotop 238 U môže premeniť na plutónium-239, ktoré je rovnako ako 235 U schopné štiepenia pod vplyvom pomalých neutrónov.
V súčasnosti sa získalo veľké množstvo umelých izotopov uránu. Medzi nimi je 233 U obzvlášť pozoruhodný, pretože sa tiež štiepi pri interakcii s pomalými neutrónmi.
Niektoré ďalšie umelé izotopy uránu sa často používajú ako rádioaktívne indikátory v chemickom a fyzikálnom výskume; toto je v prvom rade b- emitor 237 U a a- žiarič 232 U.
Spojenia.
Urán, vysoko reaktívny kov, má oxidačné stavy od +3 do +6, v sérii aktivít je blízky berýliu, interaguje so všetkými nekovmi a vytvára intermetalické zlúčeniny s Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg Mg, Ni, Pb, Sn a Zn. Jemne drvený urán je obzvlášť reaktívny a pri teplotách nad 500 °C často vstupuje do reakcií charakteristických pre hydrid uránu. Kusový urán alebo hobliny jasne horia pri 700 – 1000 °C a uránové pary horia už pri 150 – 250 °C, urán reaguje s HF pri 200 – 400 °C, pričom vzniká UF 4 a H 2 . Urán sa pomaly rozpúšťa v koncentrovanom HF alebo H 2 SO 4 a 85 % H 3 PO 4 aj pri 90 ° C, ale ľahko reaguje s konc. HCl a menej aktívne s HBr alebo HI. Najaktívnejšie a najrýchlejšie reakcie uránu so zriedenou a koncentrovanou HNO 3 nastávajú pri tvorbe dusičnanu uranylu ( Pozri nižšie). V prítomnosti HCl sa urán rýchlo rozpúšťa v organických kyselinách a vytvára organické soli U4+. V závislosti od stupňa oxidácie tvorí urán niekoľko druhov solí (najdôležitejšie z nich sú s U 4+, jedna z nich UCl 4 je ľahko oxidovateľná zelená soľ); uranylové soli (radikál UO 2 2+) typu UO 2 (NO 3) 2 majú žltú farbu a fluoreskujú nazeleno. Uranylové soli vznikajú rozpustením amfotérneho oxidu UO 3 (žltá farba) v kyslom prostredí. V alkalickom prostredí UO3 tvorí uranáty, ako je Na2UO4 alebo Na2U207. Posledná uvedená zlúčenina („žltý uranyl“) sa používa na výrobu porcelánových glazúr a na výrobu fluorescenčných skiel.
Halogenidy uránu boli široko študované v rokoch 1940–1950, pretože sa používali na vývoj metód na separáciu izotopov uránu pre atómovú bombu alebo jadrový reaktor. Fluorid uraničitý UF 3 sa získal redukciou UF 4 vodíkom a fluorid uraničitý UF 4 sa získava rôznymi spôsobmi reakciami HF s oxidmi ako UO 3 alebo U 3 O 8 alebo elektrolytickou redukciou uranylových zlúčenín. Hexafluorid uránu UF 6 sa získava fluoráciou U alebo UF 4 elementárnym fluórom alebo pôsobením kyslíka na UF 4 . Hexafluorid tvorí priehľadné kryštály s vysokým indexom lomu pri 64 °C (1137 mm Hg); zlúčenina je prchavá (za normálneho tlaku sublimuje pri 56,54 °C). Oxohalogenidy uránu, napríklad oxofluoridy, majú zloženie UO2F2 (uranylfluorid), UOF2 (difluorid oxidu uránového).
Aplikácia
Hoci urán-238 nemožno použiť ako primárny štiepny materiál, vzhľadom na vysokú energiu neutrónov potrebných na jeho štiepenie má v jadrovom priemysle dôležité miesto.
S vysokou hustotou a atómovou hmotnosťou je U-238 vhodný na výrobu nábojových nábojov reflektorov vo fúznych a štiepnych zariadeniach. Skutočnosť, že je štiepená rýchlymi neutrónmi, zvyšuje energetický výdaj náboja: nepriamo, násobením odrazených neutrónov; priamo pri štiepení jadier obalov rýchlymi neutrónmi (pri fúzii). Približne 40 % neutrónov produkovaných štiepením a všetky fúzne neutróny majú dostatočnú energiu na štiepenie U-238.
U-238 má rýchlosť spontánneho štiepenia 35-krát vyššiu ako U-235, 5,51 štiepenia/s*kg. To znemožňuje jeho použitie ako plášťa pre reflektorovú nálož v kanónových bombách, pretože jeho vhodná hmotnosť (200-300 kg) vytvorí príliš vysoké neutrónové pozadie.
Čistý U-238 má špecifickú rádioaktivitu 0,333 mikrokurie/g.
Dôležitou aplikáciou tohto izotopu uránu je výroba plutónia-239. Plutónium sa tvorí prostredníctvom niekoľkých reakcií, ktoré začínajú po tom, čo atóm U-238 zachytí neutrón. Akékoľvek reaktorové palivo obsahujúce prírodný alebo čiastočne obohatený urán v 235. izotope obsahuje po skončení palivového cyklu určitý podiel plutónia.
Rozpadový reťazec uránu-238
Izotopom je urán-238, v prírodnom uráne je ho viac ako 99 %. Tento izotop je tiež najstabilnejší; jeho jadro sa nedá rozdeliť tepelnými neutrónmi. Na rozdelenie 238U potrebuje neutrón dodatočnú kinetickú energiu 1,4 MeV. Jadrový reaktor vyrobený z čistého uránu-238 nebude fungovať za žiadnych okolností.
Atóm uránu-238, v ktorého jadre sú protóny a neutróny sotva držané pohromade súdržnými silami. Z času na čas z neho vybuchne kompaktná skupina štyroch častíc: dva protóny a dva neutróny (b-častica). Urán-238 sa tak mení na tórium-234, ktorého jadro obsahuje 90 protónov a 144 neutrónov. Ale tórium-234 je tiež nestabilné. Jeho premena však prebieha inak ako v predchádzajúcom prípade: jeden z jeho neutrónov sa zmení na protón a tórium-234 na protaktínium-234, ktorého jadro obsahuje 91 protónov a 143 neutrónov. Táto metamorfóza, ku ktorej došlo v jadre, ovplyvňuje aj elektróny pohybujúce sa na ich obežných dráhach: jeden z nich sa stane nepárovým a vyletí z atómu. Protaktínium je veľmi nestabilné a jeho transformácia trvá veľmi málo času. Potom nasledujú ďalšie premeny sprevádzané žiarením a celý tento reťazec sa nakoniec končí stabilným nuklidom olova (pozri obrázok č. 7, príloha B).
Najdôležitejšou okolnosťou pre jadrovú energiu je, že najbežnejší izotop uránu, 238U, je tiež potenciálnym zdrojom jadrového paliva. Szilard aj Fermi mali pravdu, keď predpokladali, že absorpcia neutrónov uránom povedie k vytvoreniu nových prvkov. V skutočnosti sa pri zrážke s tepelným neutrónom urán-238 neštiepi, ale jadro pohltí neutrón. V priemere za 23,5 minúty sa jeden z neutrónov v jadre premení na protón (s emisiou elektrónu dochádza k rozpadu) a jadro uránu-239 sa stane jadrom neptúnia-239 (239Np). Po 2,4 dňoch nastáva druhý c - rozpad a vzniká plutónium-239 (239Pu).
V dôsledku sekvenčnej absorpcie neutrónov v jadrovom reaktore sa môžu vyrábať prvky ešte ťažšie ako plutónium.
V prírodných mineráloch a uránovej rude sa našli len stopové množstvá 239Pu, 244Pu a 237Np, takže transuránové prvky (ťažšie ako urán) sa v prírodnom prostredí prakticky nikdy nenachádzajú.
Izotopy uránu, ktoré existujú v prírode, nie sú úplne stabilné vzhľadom na b-rozpad a spontánne štiepenie, ale rozpadajú sa veľmi pomaly: polovičný život urán-238 je 4,5 miliardy rokov a urán-235 je 710 miliónov rokov. Vzhľadom na nízku frekvenciu jadrových reakcií nie sú takéto izotopy s dlhou životnosťou nebezpečnými zdrojmi žiarenia. Ingot prírodného uránu môžete držať v rukách bez ujmy na zdraví. Jeho špecifické činnosť rovná 0,67 mCi/kg (Ci - curie, extrasystémová jednotka aktivity rovnajúca sa 3,7 x 1010 rozpadov za sekundu).
Pri štúdiu fenoménu rádioaktivity sa každý vedec obracia na takú dôležitú charakteristiku, ako je jej polčas rozpadu. Ako viete, hovorí sa, že na svete sa rozkladá každý druhý atóm a kvantitatívne charakteristiky týchto procesov priamo súvisia s počtom prítomných atómov. Ak sa počas určitého časového obdobia rozpadne polovica z celkového počtu dostupných atómov, potom rozpad ½ zostávajúcich atómov bude vyžadovať rovnaký čas. Práve toto časové obdobie sa nazýva polčas rozpadu. Líši sa pre rôzne prvky – od tisícin milisekúnd až po miliardy rokov, ako napríklad v prípade polčasu rozpadu uránu.
Urán, ako najťažší zo všetkých prvkov vyskytujúcich sa v prirodzenom stave na Zemi, je vo všeobecnosti najlepším objektom na štúdium procesu rádioaktivity. Tento prvok objavil už v roku 1789 nemecký vedec M. Klaproth, ktorý ho pomenoval na počesť nedávno objavenej planéty Urán. To, že urán je rádioaktívny, zistil celkom náhodne koncom 19. storočia francúzsky chemik A. Becquerel.
Urán sa vypočíta podľa rovnakého vzorca ako podobné periódy iných rádioaktívnych prvkov:
T_(1/2) = au ln 2 = frac(ln 2) (lambda),
kde „au“ je priemerná životnosť atómu, „lambda“ je hlavná konštanta rozpadu. Keďže ln 2 je približne 0,7, polčas rozpadu je v priemere len o 30 % kratší ako celková životnosť atómu.
Napriek tomu, že dnes vedci poznajú 14 izotopov uránu, v prírode sa vyskytujú iba tri z nich: urán-234, urán-235 a urán-238. urán je iný: pre U-234 je to „len“ 270 tisíc rokov a polčas rozpadu uránu-238 presahuje 4,5 miliardy. Polčas rozpadu uránu-235 je v „zlatom priemere“ - 710 miliónov rokov.
Stojí za zmienku, že rádioaktivita uránu v prírodných podmienkach je pomerne vysoká a umožňuje napríklad osvetlenie fotografických platní v priebehu jednej hodiny. Zároveň je potrebné poznamenať, že zo všetkých izotopov uránu je na výrobu náplní vhodný iba U-235. Ide o to, že polčas rozpadu uránu-235 v priemyselných podmienkach je menej intenzívny ako jeho „bratia“. , preto je tu uvoľňovanie zbytočných neutrónov minimálne.
Polčas rozpadu uránu-238 výrazne presahuje 4 miliardy rokov, v súčasnosti sa však aktívne používa v jadrovom priemysle. Takže na spustenie reťazovej reakcie zahŕňajúcej štiepenie ťažkých jadier tohto prvku je potrebné značné množstvo energie neutrónov. Urán-238 sa používa ako ochrana v štiepnych a fúznych zariadeniach. Väčšina vyťaženého uránu-238 sa však používa na syntézu plutónia, používaného v jadrových zbraniach.
Vedci používajú polčas rozpadu uránu na výpočet veku jednotlivých minerálov a nebeských telies ako celku. Uránové hodiny sú pomerne univerzálnym mechanizmom pre tento druh výpočtu. Zároveň, aby sa vek dal vypočítať viac-menej presne, je potrebné poznať nielen množstvo uránu v určitých horninách, ale aj pomer uránu a olova ako finálneho produktu, do ktorého sú jadrá uránu. konvertoval.
Existuje ďalší spôsob výpočtu hornín a minerálov, ktorý je spojený s takzvaným spontánnym Ako je známe, v dôsledku spontánneho štiepenia uránu v prírodných podmienkach jeho častice bombardujú okolité látky kolosálnou silou a zanechávajú za sebou špeciálne stopy - stopy.
Podľa počtu týchto stôp, poznajúc polčas rozpadu uránu, vedci vyvodzujú záver o veku konkrétnej pevnej látky - či už ide o starú skalu alebo relatívne „mladú“ vázu. Ide o to, že vek objektu je priamo úmerný kvantitatívnym ukazovateľom atómov uránu, ktorých jadrá ho bombardovali.
Jadrové štiepenie je rozdelenie ťažkého atómu na dva fragmenty približne rovnakej hmotnosti, sprevádzané uvoľnením veľkého množstva energie.
Objav jadrového štiepenia začal novú éru - „atómový vek“. Potenciál jeho možného využitia a pomer rizika a prínosu jeho použitia priniesli nielen mnohé sociologické, politické, ekonomické a vedecké pokroky, ale aj vážne problémy. Aj z čisto vedeckého hľadiska proces jadrového štiepenia vytvoril veľké množstvo hádaniek a komplikácií a jeho úplné teoretické vysvetlenie je otázkou budúcnosti.
Zdieľanie je ziskové
Väzbové energie (na nukleón) sa pre rôzne jadrá líšia. Ťažšie majú nižšiu väzbovú energiu ako tie, ktoré sa nachádzajú v strede periodickej tabuľky.
To znamená, že ťažké jadrá s atómovým číslom vyšším ako 100 profitujú z rozdelenia na dva menšie fragmenty, čím sa uvoľní energia, ktorá sa premení na kinetickú energiu fragmentov. Tento proces sa nazýva štiepenie
Podľa krivky stability, ktorá ukazuje počet protónov verzus počet neutrónov pre stabilné nuklidy, ťažšie jadrá preferujú vyšší počet neutrónov (v pomere k počtu protónov) ako ľahšie jadrá. To naznačuje, že niektoré "náhradné" neutróny budú emitované spolu s procesom štiepenia. Okrem toho budú absorbovať aj časť uvoľnenej energie. Štúdia štiepenia jadra atómu uránu ukázala, že sa uvoľňujú 3-4 neutróny: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Atómové číslo (a atómová hmotnosť) fragmentu sa nerovná polovici atómovej hmotnosti rodiča. Rozdiel medzi hmotnosťami atómov vytvorených v dôsledku štiepenia je zvyčajne asi 50. Dôvod však zatiaľ nie je úplne jasný.
Väzbové energie 238 U, 145 La a 90 Br sú 1803, 1198 a 763 MeV. To znamená, že v dôsledku tejto reakcie sa uvoľní štiepna energia jadra uránu, ktorá sa rovná 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Spontánne štiepenie
Spontánne štiepne procesy sú v prírode známe, ale sú veľmi zriedkavé. Priemerná životnosť tohto procesu je približne 10 17 rokov a napríklad priemerná životnosť alfa rozpadu toho istého rádionuklidu je približne 10 11 rokov.
Dôvodom je to, že na to, aby sa jadro rozdelilo na dve časti, musí najprv prejsť deformáciou (roztiahnutím) do elipsoidného tvaru a potom, než sa definitívne rozdelí na dva fragmenty, vytvoriť v strede „krk“.
Potenciálna bariéra
V deformovanom stave pôsobia na jadro dve sily. Jedným je zvýšená povrchová energia (povrchové napätie kvapky kvapaliny vysvetľuje jej sférický tvar) a druhým je Coulombovo odpudzovanie medzi štiepnymi úlomkami. Spolu vytvárajú potenciálnu bariéru.
Rovnako ako v prípade rozpadu alfa, aby došlo k spontánnemu štiepeniu jadra atómu uránu, fragmenty musia prekonať túto bariéru pomocou kvantového tunelovania. Hodnota bariéry je asi 6 MeV, ako v prípade rozpadu alfa, ale pravdepodobnosť tunelovania častíc alfa je oveľa väčšia ako v prípade oveľa ťažšieho produktu štiepenia atómov.
Nútené štiepenie
Oveľa pravdepodobnejšie je indukované štiepenie jadra uránu. V tomto prípade je materské jadro ožiarené neutrónmi. Ak ho rodič absorbuje, spoja sa, čím sa uvoľní väzbová energia vo forme vibračnej energie, ktorá môže presiahnuť 6 MeV potrebných na prekonanie potenciálnej bariéry.
Ak energia dodatočného neutrónu nie je dostatočná na prekonanie potenciálnej bariéry, dopadajúci neutrón musí mať minimálnu kinetickú energiu, aby mohol vyvolať atómové štiepenie. V prípade 238 U chýba väzbová energia ďalších neutrónov asi o 1 MeV. To znamená, že štiepenie jadra uránu je vyvolané iba neutrónom s kinetickou energiou väčšou ako 1 MeV. Na druhej strane izotop 235 U má jeden nepárový neutrón. Keď jadro absorbuje ďalšie jadro, spáruje sa s ním a výsledkom tohto párovania je dodatočná väzbová energia. To stačí na uvoľnenie množstva energie potrebnej na to, aby jadro prekonalo potenciálnu bariéru a štiepenie izotopov nastane pri zrážke s akýmkoľvek neutrónom.
Beta rozpad
Aj keď štiepna reakcia produkuje tri alebo štyri neutróny, fragmenty stále obsahujú viac neutrónov ako ich stabilné izobary. To znamená, že štiepne fragmenty majú tendenciu byť nestabilné voči beta rozpadu.
Napríklad, keď dôjde k štiepeniu jadra uránu 238 U, stabilná izobara s A = 145 je neodým 145 Nd, čo znamená, že fragment lantánu 145 La sa rozpadá v troch stupňoch, pričom vždy emituje elektrón a antineutríno, kým vzniká stabilný nuklid. Stabilná izobara s A = 90 je zirkónium 90 Zr, takže štiepny fragment brómu 90 Br sa rozkladá v piatich štádiách β-rozpadového reťazca.
Tieto β-rozpadové reťazce uvoľňujú dodatočnú energiu, z ktorej takmer všetku odnášajú elektróny a antineutrína.
Jadrové reakcie: štiepenie jadier uránu
Priama emisia neutrónov z nuklidu s príliš veľkým počtom neutrónov na zabezpečenie jadrovej stability je nepravdepodobná. Ide o to, že nedochádza k Coulombovmu odpudzovaniu, takže povrchová energia má tendenciu udržiavať neutrón viazaný na rodiča. To sa však občas stáva. Napríklad štiepny fragment 90 Br v prvom štádiu beta rozpadu produkuje kryptón-90, ktorý môže byť v excitovanom stave s dostatočnou energiou na prekonanie povrchovej energie. V tomto prípade môže k emisii neutrónov dôjsť priamo pri tvorbe kryptónu-89. je stále nestabilný voči β rozpadu, kým sa nestane stabilným ytrium-89, takže kryptón-89 sa rozpadá v troch krokoch.
Štiepenie jadier uránu: reťazová reakcia
Neutróny emitované pri štiepnej reakcii môžu byť absorbované iným materským jadrom, ktoré potom samo podlieha indukovanému štiepeniu. V prípade uránu-238 vychádzajú tri vyrobené neutróny s energiou menšou ako 1 MeV (energia uvoľnená pri štiepení jadra uránu - 158 MeV - sa premieňa hlavne na kinetickú energiu štiepnych fragmentov ), takže nemôžu spôsobiť ďalšie štiepenie tohto nuklidu. Pri významnej koncentrácii vzácneho izotopu 235 U však môžu byť tieto voľné neutróny zachytené jadrami 235 U, čo môže skutočne spôsobiť štiepenie, keďže v tomto prípade neexistuje energetická hranica, pod ktorou by sa štiepenie neindukovalo.
Toto je princíp reťazovej reakcie.
Typy jadrových reakcií
Nech k je počet neutrónov produkovaných vo vzorke štiepneho materiálu v štádiu n tohto reťazca vydelený počtom neutrónov produkovaných v štádiu n - 1. Tento počet bude závisieť od toho, koľko neutrónov produkovaných v štádiu n - 1 bude absorbovaných jadrom, ktoré môže podstúpiť nútené delenie.
Ak k< 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.
Ak je k > 1, reťazová reakcia bude rásť, kým sa nespotrebuje všetok štiepny materiál. To sa dosiahne obohatením prírodnej rudy, aby sa získala dostatočne veľká koncentrácia uránu-235. Pre guľovú vzorku sa hodnota k zvyšuje so zvyšujúcou sa pravdepodobnosťou absorpcie neutrónov, ktorá závisí od polomeru gule. Preto musí hmotnosť U prekročiť určitú hodnotu, aby mohlo dôjsť k štiepeniu jadier uránu (reťazovej reakcii).
Ak k = 1, potom prebieha riadená reakcia. Toto sa používa v Proces je riadený distribúciou kadmiových alebo bórových tyčiniek medzi urán, ktoré absorbujú väčšinu neutrónov (tieto prvky majú schopnosť neutróny zachytávať). Štiepenie jadra uránu je riadené automaticky pohybom tyčí tak, aby hodnota k zostala rovná jednotke.
