Var kom uran ifrån? Troligtvis dyker det upp under supernovaexplosioner. Faktum är att för nukleosyntesen av element som är tyngre än järn måste det finnas ett kraftfullt flöde av neutroner, vilket inträffar just under en supernovaexplosion. Det verkar som att uran, efter att ha samlats i ett protoplanetärt moln och är mycket tungt, då, under kondensering från molnet av nya stjärnsystem som bildas av det, borde sjunka ner i planeternas djup. Men det är inte sant. Uran är ett radioaktivt grundämne och när det sönderfaller avger det värme. Beräkningar visar att om uran var jämnt fördelat över hela planetens tjocklek, åtminstone med samma koncentration som på ytan, skulle det avge för mycket värme. Dessutom bör dess flöde försvagas när uran förbrukas. Eftersom inget liknande har observerats tror geologer att minst en tredjedel av uranet, och kanske allt, är koncentrerat i jordskorpan, där dess innehåll är 2,5∙10–4%. Varför detta hände diskuteras inte.
Var bryts uran? Det finns inte så lite uran på jorden – det ligger på 38:e plats när det gäller överflöd. Och det mesta av detta element finns i sedimentära bergarter - kolhaltiga skiffer och fosforiter: upp till 8∙10 –3 respektive 2,5∙10 –2 %. Totalt innehåller jordskorpan 10 14 ton uran, men huvudproblemet är att det är mycket spritt och inte bildar kraftiga avlagringar. Cirka 15 uranmineraler är av industriell betydelse. Detta är uran tjära - dess bas är fyrvärd uranoxid, uran glimmer - olika silikater, fosfater och mer komplexa föreningar med vanadin eller titan baserat på sexvärt uran.
Vad är Becquerels strålar? Efter upptäckten av röntgenstrålar av Wolfgang Roentgen blev den franske fysikern Antoine-Henri Becquerel intresserad av uransaltets glöd, som uppstår under påverkan av solljus. Han ville förstå om det fanns röntgen här också. De var faktiskt närvarande - saltet lyste upp den fotografiska plattan genom det svarta papperet. I ett av experimenten var saltet dock inte upplyst, men den fotografiska plattan mörknade ändå. När ett metallföremål placerades mellan saltet och den fotografiska plattan var mörkningen undertill mindre. Därför uppstod inte nya strålar på grund av excitation av uran av ljus och passerade inte delvis genom metallen. De kallades från början "Becquerels strålar". Det upptäcktes senare att dessa huvudsakligen är alfastrålar med ett litet tillägg av beta-strålar: faktum är att de huvudsakliga isotoper av uran avger en alfapartikel under sönderfall, och dotterprodukterna upplever också betasönderfall.
Hur radioaktivt är uran? Uran har inga stabila isotoper, de är alla radioaktiva. Den längsta livslängden är uran-238 med en halveringstid på 4,4 miljarder år. Därefter kommer uran-235 - 0,7 miljarder år. De genomgår båda alfasönderfall och blir motsvarande isotoper av torium. Uran-238 utgör mer än 99% av allt naturligt uran. På grund av dess enorma halveringstid är radioaktiviteten för detta element låg, och dessutom kan alfapartiklar inte penetrera stratum corneum på människokroppens yta. De säger att efter att ha arbetat med uran torkade I.V Kurchatov helt enkelt sina händer med en näsduk och led inte av några sjukdomar i samband med radioaktivitet.
Forskare har upprepade gånger vänt sig till statistik över sjukdomar hos arbetare i urangruvor och bearbetningsanläggningar. Här är till exempel en ny artikel av kanadensiska och amerikanska specialister som analyserade hälsodata för mer än 17 tusen arbetare vid Eldoradogruvan i den kanadensiska provinsen Saskatchewan för åren 1950–1999 ( Miljöforskning, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). De utgick från det faktum att strålning har den starkaste effekten på snabbt förökande blodkroppar, vilket leder till motsvarande typer av cancer. Statistik har visat att gruvarbetare har en lägre förekomst av olika typer av blodcancer än den genomsnittliga kanadensiska befolkningen. I det här fallet anses inte den huvudsakliga strålkällan vara uran i sig, utan det gasformiga radonet som det genererar och dess sönderfallsprodukter, som kan komma in i kroppen genom lungorna.
Varför är uran skadligt?? Den är, liksom andra tungmetaller, mycket giftig och kan orsaka njur- och leversvikt. Å andra sidan är uran, som är ett dispergerat grundämne, oundvikligen närvarande i vatten, jord och, koncentrerat i näringskedjan, kommer det in i människokroppen. Det är rimligt att anta att levande varelser under evolutionsprocessen har lärt sig att neutralisera uran i naturliga koncentrationer. Uran är det farligaste i vatten, så WHO satte en gräns: från början var den 15 μg/l, men 2011 höjdes standarden till 30 μg/g. Som regel finns det mycket mindre uran i vatten: i USA i genomsnitt 6,7 µg/l, i Kina och Frankrike - 2,2 µg/l. Men det finns också starka avvikelser. Så i vissa områden i Kalifornien är det hundra gånger mer än standarden - 2,5 mg/l, och i södra Finland når det 7,8 mg/l. Forskare försöker förstå om WHO:s standard är för strikt genom att studera effekten av uran på djur. Här är ett typiskt jobb ( BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Franska forskare matade råttor med vatten i nio månader med tillsatser av utarmat uran, och i relativt höga koncentrationer - från 0,2 till 120 mg/l. Det lägre värdet är vatten nära gruvan, medan det övre värdet inte finns någonstans - den maximala koncentrationen av uran, uppmätt i Finland, är 20 mg/l. Till författarnas förvåning - artikeln heter: "Den oväntade frånvaron av en märkbar effekt av uran på fysiologiska system ..." - uran hade praktiskt taget ingen effekt på råttors hälsa. Djuren åt bra, gick upp ordentligt i vikt, klagade inte på sjukdom och dog inte av cancer. Uran, som sig bör, avsattes främst i njurar och ben och i hundra gånger mindre mängder i levern, och dess ansamling berodde troligen på innehållet i vattnet. Detta ledde dock inte till njursvikt eller ens det märkbara utseendet av några molekylära markörer för inflammation. Författarna föreslog att en översyn av WHO:s strikta riktlinjer borde påbörjas. Det finns dock en varning: effekten på hjärnan. Det fanns mindre uran i råttornas hjärnor än i levern, men innehållet var inte beroende av mängden i vattnet. Men uran påverkade funktionen hos hjärnans antioxidantsystem: aktiviteten av katalas ökade med 20 %, glutationperoxidas med 68–90 % och aktiviteten av superoxiddismutas minskade med 50 %, oavsett dos. Det betyder att uranet uppenbarligen orsakade oxidativ stress i hjärnan och kroppen reagerade på det. Denna effekt - den starka effekten av uran på hjärnan i frånvaro av dess ackumulering i den, förresten, såväl som i könsorganen - märktes tidigare. Dessutom vatten med uran i en koncentration av 75–150 mg/l, som forskare från University of Nebraska matade råttor i sex månader ( Neurotoxikologi och teratologi, 2005, 27, 1, 135-144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), påverkade beteendet hos djur, främst hanar, som släpptes ut på fältet: de korsade linjer, ställde sig upp på bakbenen och putsade sin päls annorlunda än kontrolldjuren. Det finns bevis för att uran också leder till minnesförsämring hos djur. Beteendeförändringar var korrelerade med nivåer av lipidoxidation i hjärnan. Det visar sig att uranvattnet gjorde råttorna friska, men ganska dumma. Dessa data kommer att vara användbara för oss i analysen av det så kallade Gulf War Syndrome.
Förorenar uran utvecklingsplatser för skiffergas? Det beror på hur mycket uran som finns i de gashaltiga bergarterna och hur det är förknippat med dem. Till exempel studerade docent Tracy Bank vid universitetet i Buffalo Marcellus Shale, som sträcker sig från västra New York genom Pennsylvania och Ohio till West Virginia. Det visade sig att uran är kemiskt relaterat just till källan till kolväten (kom ihåg att relaterade kolhaltiga skiffer har den högsta uranhalten). Experiment har visat att lösningen som används vid frakturering löser uran perfekt. ”När uranet i dessa vatten når ytan kan det orsaka förorening av det omgivande området. Detta utgör ingen strålningsrisk, men uran är ett giftigt element”, konstaterar Tracy Bank i ett pressmeddelande från universitetet daterat den 25 oktober 2010. Det har ännu inte tagits fram några detaljerade artiklar om risken för miljöförorening med uran eller torium vid skiffergasproduktion.
Varför behövs uran? Tidigare användes det som pigment för tillverkning av keramik och färgat glas. Nu är uran grunden för kärnenergi och atomvapen. I det här fallet används dess unika egenskap - kärnans förmåga att dela sig.
Vad är kärnklyvning? En kärnas sönderfall i två olika stora bitar. Det är på grund av denna egenskap som under nukleosyntes på grund av neutronbestrålning bildas kärnor som är tyngre än uran med stor svårighet. Kärnan i fenomenet är som följer. Om förhållandet mellan antalet neutroner och protoner i kärnan inte är optimalt blir det instabilt. Vanligtvis avger en sådan kärna antingen en alfapartikel - två protoner och två neutroner, eller en beta-partikel - en positron, som åtföljs av omvandlingen av en av neutronerna till en proton. I det första fallet erhålls ett element i det periodiska systemet, fördelat två celler bakåt, i det andra - en cell framåt. Men förutom att sända ut alfa- och beta-partiklar kan urankärnan klyvas - sönderfalla till kärnorna av två grundämnen i mitten av det periodiska systemet, till exempel barium och krypton, vilket den gör efter att ha fått en ny neutron. Detta fenomen upptäcktes kort efter upptäckten av radioaktivitet, när fysiker exponerade den nyupptäckta strålningen för allt de kunde. Så här skriver Otto Frisch, en deltagare i händelserna, om detta ("Advances in Physical Sciences", 1968, 96, 4). Efter upptäckten av berylliumstrålar - neutroner - bestrålade Enrico Fermi uran med dem, i synnerhet för att orsaka beta-sönderfall - hoppades han kunna använda det för att få nästa, 93:e grundämne, nu kallat neptunium. Det var han som upptäckte en ny typ av radioaktivitet i bestrålat uran, som han förknippade med uppkomsten av transuranelement. Samtidigt ökade bromsningen av neutronerna, för vilka berylliumkällan var täckt med ett lager av paraffin, denna inducerade radioaktivitet. Den amerikanske radiokemisten Aristide von Grosse föreslog att ett av dessa grundämnen var protactinium, men han hade fel. Men Otto Hahn, som då arbetade vid universitetet i Wien och ansåg att protactinium som upptäcktes 1917 var hans idé, bestämde sig för att han var skyldig att ta reda på vilka grundämnen som erhölls. Tillsammans med Lise Meitner föreslog Hahn i början av 1938, baserat på experimentella resultat, att hela kedjor av radioaktiva grundämnen bildas på grund av flera betasönderfall av de neutronabsorberande kärnorna av uran-238 och dess dotterelement. Snart tvingades Lise Meitner fly till Sverige, av rädsla för eventuella repressalier från nazisterna efter Österrikes Anschluss. Hahn, efter att ha fortsatt sina experiment med Fritz Strassmann, upptäckte att bland produkterna fanns även barium, grundämne nummer 56, som inte på något sätt kunde erhållas från uran: alla kedjor av alfasönderfall av uran slutar med mycket tyngre bly. Forskarna blev så förvånade över resultatet att de inte publicerade det att de bara skrev brev till vänner, i synnerhet till Lise Meitner i Göteborg. Där, julen 1938, besökte hennes brorson, Otto Frisch, henne, och när de gick i närheten av vinterstaden - han på skidor, tanten till fots - diskuterade de möjligheten av bariums uppkomst under bestrålningen av uran som ett resultat av kärnklyvning (för mer information om Lise Meitner, se "Kemi och liv", 2013, nr 4). När han återvände till Köpenhamn, fångade Frisch bokstavligen Niels Bohr på landgången på ett fartyg som avgick till USA och berättade för honom om idén med fission. Bohr slog sig själv i pannan och sa: "Åh, vilka dårar vi var! Vi borde ha märkt detta tidigare." I januari 1939 publicerade Frisch och Meitner en artikel om klyvning av urankärnor under inverkan av neutroner. Vid den tiden hade Otto Frisch redan genomfört ett kontrollexperiment, liksom många amerikanska grupper som fick beskedet från Bohr. De säger att fysiker började skingras till sina laboratorier precis under hans rapport den 26 januari 1939 i Washington vid den årliga konferensen om teoretisk fysik, när de fattade kärnan i idén. Efter upptäckten av fission reviderade Hahn och Strassmann sina experiment och fann, precis som sina kollegor, att radioaktiviteten hos bestrålat uran inte är förknippad med transuraner, utan med sönderfallet av radioaktiva grundämnen som bildas under fission från mitten av det periodiska systemet.
Hur uppstår en kedjereaktion i uran? Strax efter att möjligheten till klyvning av uran- och toriumkärnor bevisades experimentellt (och det finns inga andra klyvbara grundämnen på jorden i någon betydande mängd), Niels Bohr och John Wheeler, som arbetade på Princeton, samt, oberoende av dem, Den sovjetiska teoretiska fysikern Ya I. Frenkel och tyskarna Siegfried Flügge och Gottfried von Droste skapade teorin om kärnklyvning. Två mekanismer följde av det. En är associerad med tröskelabsorptionen av snabba neutroner. Enligt den, för att initiera fission, måste en neutron ha en ganska hög energi, mer än 1 MeV för kärnorna i huvudisotoperna - uran-238 och torium-232. Vid lägre energier har neutronabsorption av uran-238 en resonant karaktär. Således har en neutron med en energi på 25 eV en infångningstvärsnittsarea som är tusentals gånger större än med andra energier. I det här fallet blir det ingen klyvning: uran-238 kommer att bli uran-239, som med en halveringstid på 23,54 minuter förvandlas till neptunium-239, som med en halveringstid på 2,33 dagar blir långlivad plutonium-239. Thorium-232 kommer att bli uranium-233.
Den andra mekanismen är icke-tröskelabsorptionen av en neutron, den följs av den tredje mer eller mindre vanliga klyvbara isotopen - uran-235 (liksom plutonium-239 och uran-233, som inte finns i naturen): av absorberar alla neutroner, även långsamma, så kallade termiska, med energi som för molekyler som deltar i termisk rörelse - 0,025 eV, kommer en sådan kärna att delas. Och detta är mycket bra: termiska neutroner har en infångningstvärsnittsarea fyra gånger högre än snabba, megaelektronvoltsneutroner. Detta är betydelsen av uran-235 för hela efterföljande historia av kärnenergi: det är det som säkerställer multiplikationen av neutroner i naturligt uran. Efter att ha träffats av en neutron blir uran-235-kärnan instabil och delas snabbt i två ojämna delar. Längs vägen släpps flera (i genomsnitt 2,75) nya neutroner ut. Om de träffar kärnorna i samma uran kommer de att få neutroner att föröka sig exponentiellt - en kedjereaktion kommer att inträffa, vilket kommer att leda till en explosion på grund av den snabba frigöringen av en enorm mängd värme. Varken uranium-238 eller torium-232 kan fungera så: trots allt, under fission emitteras neutroner med en medelenergi på 1–3 MeV, det vill säga om det finns en energitröskel på 1 MeV, en betydande del av neutroner kommer säkerligen inte att kunna orsaka en reaktion, och det blir ingen reproduktion. Det betyder att dessa isotoper bör glömmas bort och neutronerna måste bromsas ner till termisk energi så att de interagerar så effektivt som möjligt med kärnorna i uran-235. Samtidigt kan deras resonansabsorption av uran-238 inte tillåtas: trots allt, i naturligt uran är denna isotop något mindre än 99,3% och neutroner kolliderar oftare med den, och inte med måluran-235. Och genom att fungera som moderator är det möjligt att upprätthålla multiplikationen av neutroner på en konstant nivå och förhindra en explosion - kontrollera kedjereaktionen.
En beräkning utförd av Ya B. Zeldovich och Yu B. Khariton under samma ödesdigra år 1939 visade att för detta är det nödvändigt att använda en neutronmoderator i form av tungt vatten eller grafit och anrika naturligt uran. 235 minst 1,83 gånger. Sedan föreföll denna idé för dem ren fantasi: "Det bör noteras att ungefär dubbelt så hög anrikning av de ganska betydande mängder uran som är nödvändiga för att utföra en kedjeexplosion,<...>är en extremt besvärlig uppgift, nära praktisk omöjlighet.” Nu har detta problem lösts, och kärnkraftsindustrin masstillverkar uran berikat med uran-235 till 3,5 % för kraftverk.
Vad är spontan kärnklyvning?År 1940 upptäckte G. N. Flerov och K. A. Petrzhak att klyvning av uran kan ske spontant, utan någon yttre påverkan, även om halveringstiden är mycket längre än med vanligt alfasönderfall. Eftersom sådan klyvning också producerar neutroner, om de inte tillåts fly från reaktionszonen, kommer de att fungera som initiatorer av kedjereaktionen. Det är detta fenomen som används vid skapandet av kärnreaktorer.
Varför behövs kärnkraft? Zeldovich och Khariton var bland de första att beräkna den ekonomiska effekten av kärnenergi (Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1940, 23, 4). ”... För närvarande är det fortfarande omöjligt att dra slutgiltiga slutsatser om möjligheten eller omöjligheten att genomföra en kärnklyvningsreaktion i uran med oändligt förgrenade kedjor. Om en sådan reaktion är genomförbar, justeras reaktionshastigheten automatiskt för att säkerställa dess smidiga framsteg, trots den enorma mängd energi som försöksledaren har till hands. Denna omständighet är extremt gynnsam för reaktionens energianvändning. Låt oss därför presentera - även om detta är en uppdelning av huden på en odöd björn - några siffror som kännetecknar möjligheterna med energianvändning av uran. Om klyvningsprocessen fortsätter med snabba neutroner, fångar reaktionen därför huvudisotopen av uran (U238), då<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>kostnaden för en kalori från huvudisotopen av uran visar sig vara ungefär 4000 gånger billigare än från kol (såvida inte processerna för "förbränning" och värmeavlägsnande visar sig vara mycket dyrare när det gäller uran än när det gäller kol). När det gäller långsamma neutroner kommer kostnaden för en "uran"-kalori (baserat på ovanstående siffror) att vara, med hänsyn till att mängden U235-isotop är 0,007, redan bara 30 gånger billigare än en "kol"-kalori, allt annat lika."
Den första kontrollerade kedjereaktionen utfördes 1942 av Enrico Fermi vid University of Chicago, och reaktorn styrdes manuellt - tryckte grafitstavar in och ut när neutronflödet förändrades. Det första kraftverket byggdes i Obninsk 1954. Förutom att generera energi arbetade de första reaktorerna även för att producera plutonium av vapenkvalitet.
Hur fungerar ett kärnkraftverk? Nuförtiden arbetar de flesta reaktorer på långsamma neutroner. Anrikat uran i form av en metall, en legering som aluminium eller en oxid placeras i långa cylindrar som kallas bränsleelement. De installeras på ett visst sätt i reaktorn, och mellan dem sätts moderatorstavar som styr kedjereaktionen. Med tiden ackumuleras reaktorgifter i bränsleelementet - uranklyvningsprodukter, som också kan absorbera neutroner. När koncentrationen av uran-235 faller under en kritisk nivå tas grundämnet ur drift. Den innehåller dock många klyvningsfragment med stark radioaktivitet, som minskar med åren, vilket gör att grundämnena avger en betydande mängd värme under lång tid. De förvaras i kylbassänger, och sedan antingen nedgrävda eller försökte bearbetas - för att utvinna oförbränt uran-235, producera plutonium (det användes för att göra atombomber) och andra isotoper som kan användas. Den oanvända delen skickas till gravfält.
I så kallade snabbreaktorer, eller förädlingsreaktorer, installeras reflektorer av uran-238 eller torium-232 runt elementen. De saktar ner och skickar tillbaka in i reaktionszonen neutroner som är för snabba. Neutroner som saktas ner till resonanshastigheter absorberar dessa isotoper och förvandlas till plutonium-239 respektive uranium-233, som kan tjäna som bränsle för ett kärnkraftverk. Eftersom snabba neutroner reagerar dåligt med uran-235 måste dess koncentration ökas avsevärt, men det lönar sig med ett starkare neutronflöde. Trots att förädlarreaktorer anses vara kärnenergins framtid eftersom de producerar mer kärnbränsle än de förbrukar, har experiment visat att de är svåra att hantera. Nu finns det bara en sådan reaktor kvar i världen - vid den fjärde kraftenheten i Beloyarsk NPP.
Hur kritiseras kärnenergi? Om vi inte pratar om olyckor, så är huvudpoängen i argumenten från motståndare till kärnenergi idag förslaget att lägga till beräkningen av dess effektivitet kostnaderna för att skydda miljön efter avveckling av stationen och när man arbetar med bränsle. I båda fallen uppstår uppgiften att tillförlitligt slutförvara radioaktivt avfall och det är kostnader som står för staten. Det finns en åsikt att om du överför dem till kostnaden för energi, kommer dess ekonomiska attraktionskraft att försvinna.
Det finns också motstånd bland anhängare av kärnenergi. Dess representanter pekar på det unika med uran-235, som inte har någon ersättning, eftersom alternativa isotoper som är klyvliga av termiska neutroner - plutonium-239 och uran-233 - på grund av deras halveringstider på tusentals år, inte finns i naturen. Och de erhålls just som ett resultat av klyvningen av uran-235. Om den tar slut kommer en underbar naturlig källa till neutroner för en kärnkedjereaktion att försvinna. Som ett resultat av ett sådant slöseri kommer mänskligheten att i framtiden förlora möjligheten att involvera torium-232, vars reserver är flera gånger större än uran, i energicykeln.
Teoretiskt kan partikelacceleratorer användas för att producera ett flöde av snabba neutroner med megaelektronvoltsenergier. Men om vi till exempel talar om interplanetära flygningar på en kärnmotor, kommer det att vara mycket svårt att implementera ett schema med en skrymmande accelerator. Utarmningen av uran-235 sätter stopp för sådana projekt.
Vad är vapenklassat uran? Detta är höganrikat uran-235. Dess kritiska massa - den motsvarar storleken på ett ämne där en kedjereaktion sker spontant - är tillräckligt liten för att producera ammunition. Sådant uran kan användas för att göra en atombomb, och även som en säkring för en termonukleär bomb.
Vilka katastrofer är förknippade med användningen av uran? Energin som lagras i kärnorna hos klyvbara grundämnen är enorm. Om den blir utom kontroll på grund av förbiseende eller avsiktligt, kan denna energi orsaka mycket problem. De två värsta kärnkraftskatastroferna inträffade den 6 och 8 augusti 1945, när det amerikanska flygvapnet släppte atombomber över Hiroshima och Nagasaki och dödade och skadade hundratusentals civila. Katastrofer i mindre skala är förknippade med olyckor i kärnkraftverk och kärnkraftsföretag. Den första stora olyckan inträffade 1949 i Sovjetunionen vid Mayak-fabriken nära Chelyabinsk, där plutonium tillverkades; Flytande radioaktivt avfall hamnade i Techafloden. I september 1957 inträffade en explosion på den och släppte en stor mängd radioaktivt material. Elva dagar senare brann den brittiska plutoniumproduktionsreaktorn vid Windscale ner och molnet med explosionsprodukterna spreds över Västeuropa. 1979 brann en reaktor vid Three Mail Islands kärnkraftverk i Pennsylvania ner. De mest utbredda konsekvenserna orsakades av olyckorna vid kärnkraftverket i Tjernobyl (1986) och kärnkraftverket i Fukushima (2011), då miljontals människor utsattes för strålning. De första skräpade ned stora områden och släppte ut 8 ton uranbränsle och sönderfallsprodukter som ett resultat av explosionen, som spred sig över Europa. Den andra förorenade och fortsätter, tre år efter olyckan, att förorena Stilla havet i fiskeområdena. Att eliminera konsekvenserna av dessa olyckor var mycket dyrt, och om dessa kostnader bröts upp i elkostnaden skulle de öka avsevärt.
En separat fråga är konsekvenserna för människors hälsa. Enligt officiell statistik har många människor som överlevt bombningen eller som bor i förorenade områden gynnats av strålning - de förra har en högre förväntad livslängd, de senare har mindre cancer, och experter tillskriver en viss ökning av dödligheten till social stress. Antalet människor som dog just av konsekvenserna av olyckor eller till följd av deras likvidation uppgår till hundratals människor. Kärnkraftsmotståndare påpekar att olyckorna har lett till flera miljoner förtida dödsfall på den europeiska kontinenten, men de är helt enkelt osynliga i det statistiska sammanhanget.
Att ta bort mark från mänsklig användning i olyckszoner leder till ett intressant resultat: de blir ett slags naturreservat där den biologiska mångfalden växer. Det är sant att vissa djur lider av strålningsrelaterade sjukdomar. Frågan om hur snabbt de kommer att anpassa sig till den ökade bakgrunden är fortfarande öppen. Det finns också en åsikt om att konsekvensen av kronisk bestrålning är "selektion för dårar" (se "Chemistry and Life", 2010, nr 5): även på embryonalstadiet överlever mer primitiva organismer. I synnerhet i förhållande till människor bör detta leda till en minskning av mentala förmågor hos den generation som föddes i förorenade områden strax efter olyckan.
Vad är utarmat uran? Detta är uran-238, som finns kvar efter separeringen av uran-235 från det. Volymerna av avfall från produktion av vapenklassat uran och bränsleelement är stora - bara i USA har 600 tusen ton sådan uranhexafluorid samlats (för problem med det, se Chemistry and Life, 2008, nr 5). . Innehållet av uran-235 i den är 0,2%. Detta avfall måste antingen lagras till bättre tider, då snabba neutronreaktorer kommer att skapas och det blir möjligt att bearbeta uran-238 till plutonium, eller användas på något sätt.
De hittade en användning för det. Uran, liksom andra övergångselement, används som katalysator. Till exempel författarna till artikeln i ACS Nano daterad 30 juni 2014 skriver de att en katalysator gjord av uran eller torium med grafen för reduktion av syre och väteperoxid "har en enorm potential för användning inom energisektorn." Eftersom uran har en hög densitet fungerar det som barlast för fartyg och motvikter för flygplan. Denna metall är även lämplig för strålskydd i medicinsk utrustning med strålkällor.
Vilka vapen kan tillverkas av utarmat uran? Kulor och kärnor för pansargenomträngande projektiler. Beräkningen här är som följer. Ju tyngre projektilen är, desto högre kinetisk energi. Men ju större projektilen är, desto mindre koncentrerad är dess inverkan. Det betyder att det behövs tungmetaller med hög densitet. Kulor är gjorda av bly (Uraljägare använde en gång också inhemsk platina, tills de insåg att det var en ädelmetall), medan skalets kärnor är gjorda av volframlegering. Miljövänner påpekar att bly förorenar marken på platser för militära operationer eller jakt och det skulle vara bättre att ersätta det med något mindre skadligt, till exempel volfram. Men volfram är inte billigt, och uran, liknande densitet, är ett skadligt avfall. Samtidigt är den tillåtna föroreningen av mark och vatten med uran ungefär dubbelt så hög som för bly. Detta beror på att den svaga radioaktiviteten hos utarmat uran (och den är också 40 % mindre än naturligt uran) försummas och en verkligt farlig kemisk faktor tas med i beräkningen: uran, som vi minns, är giftigt. Samtidigt är dess densitet 1,7 gånger större än blyets, vilket innebär att storleken på urankulor kan halveras; uran är mycket mer eldfast och hårt än bly - det avdunstar mindre när det avfyras, och när det träffar ett mål producerar det färre mikropartiklar. I allmänhet är en urankula mindre förorenande än en blykula, även om sådan användning av uran inte är känd med säkerhet.
Men det är känt att plattor gjorda av utarmat uran används för att stärka pansringen av amerikanska stridsvagnar (detta underlättas av dess höga densitet och smältpunkt), och även istället för volframlegering i kärnor för pansargenomträngande projektiler. Urankärnan är också bra eftersom uran är pyrofor: dess heta små partiklar som bildas vid kollisionen med pansaret blossar upp och sätter eld på allt runt omkring. Båda tillämpningarna anses vara strålningssäkra. Således visade beräkningen att även efter att ha suttit ett år i en stridsvagn med uranpansar laddad med uranammunition skulle besättningen bara få en fjärdedel av den tillåtna dosen. Och för att få den årliga tillåtna dosen måste du skruva sådan ammunition på hudens yta i 250 timmar.
Skal med urankärnor - för 30 mm flygplanskanoner eller artillerisubkalibrar - har använts av amerikanerna under de senaste krigen, med början i Irakkampanjen 1991. Det året regnade de ner över irakiska pansarförband i Kuwait och under deras reträtt avfyrades 300 ton utarmat uran, varav 250 ton, eller 780 tusen skott, mot flygvapen. I Bosnien och Hercegovina, under bombningen av armén i den okända Republika Srpska, spenderades 2,75 ton uran, och under beskjutningen av den jugoslaviska armén i regionen Kosovo och Metohija - 8,5 ton, eller 31 tusen skott. Eftersom WHO vid den tiden var oroad över konsekvenserna av användningen av uran genomfördes övervakning. Han visade att en salva bestod av cirka 300 skott, varav 80 % innehöll utarmat uran. 10 % träffade mål och 82 % föll inom 100 meter från dem. Resten skingrades inom 1,85 km. En granat som träffade en stridsvagn brann upp och förvandlades till en aerosol. Således kan högst ett och ett halvt ton granater förvandlas till uraniumdamm i Irak. Enligt experter från det amerikanska strategiska forskningscentret RAND Corporation förvandlades mer, från 10 till 35 % av det använda uranet till aerosol. Den kroatiske anti-uranammunitionsaktivisten Asaf Durakovic, som har arbetat i en mängd olika organisationer från Riyadhs King Faisal Hospital till Washington Uranium Medical Research Center, uppskattar att enbart i södra Irak 1991 bildades 3-6 ton submikrona uranpartiklar, som var utspridda över ett stort område , det vill säga uranförorening där är jämförbar med Tjernobyl.
Innehållet i artikeln
URANUS, U (uran), ett metallkemiskt element i aktinidfamiljen, som inkluderar Ac, Th, Pa, U och transuranelement (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Uran har vunnit framträdande plats på grund av dess användning i kärnvapen och kärnkraft. Uranoxider används också för att färga glas och keramik.
Att vara i naturen.
Uranhalten i jordskorpan är 0,003% den finns i jordens ytskikt i form av fyra typer av sediment. För det första är dessa vener av uraninit, eller uranbeck (urandioxid UO 2), mycket rik på uran, men sällsynt. De åtföljs av radiumavlagringar, eftersom radium är en direkt produkt av isotopens sönderfall av uran. Sådana vener finns i Zaire, Kanada (Great Bear Lake), Tjeckien och Frankrike. Den andra källan till uran är konglomerat av torium och uranmalmer tillsammans med malmer av andra viktiga mineraler. Konglomerat innehåller vanligtvis tillräckliga mängder guld och silver för att kunna återvinnas, med uran och torium som associerade grundämnen. Stora fyndigheter av dessa malmer finns i Kanada, Sydafrika, Ryssland och Australien. Den tredje källan till uran är sedimentära bergarter och sandstenar rika på mineralet karnotit (kaliumuranylvanadat), som förutom uran innehåller en betydande mängd vanadin och andra grundämnen. Sådana malmer finns i de västra delstaterna i USA. Järn-uranskiffer och fosfatmalmer utgör en fjärde källa till sediment. Rika fyndigheter finns i Sveriges skiffer. Vissa fosfatmalmer i Marocko och USA innehåller betydande mängder uran, och fosfatfyndigheter i Angola och Centralafrikanska republiken är ännu rikare på uran. De flesta brunkol och vissa kol innehåller vanligtvis uranföroreningar. Uranrika brunkolsfyndigheter har hittats i North och South Dakota (USA) och bituminösa kol i Spanien och Tjeckien.
Öppning.
Uranus upptäcktes 1789 av den tyske kemisten M. Klaproth, som namngav grundämnet för att hedra upptäckten av planeten Uranus 8 år tidigare. (Klaproth var sin tids ledande kemist; han upptäckte även andra grundämnen, inklusive Ce, Ti och Zr.) I själva verket var det ämne Klaproth erhöll inte elementärt uran, utan en oxiderad form av det, och elementärt uran erhölls först av den franske kemisten E. .Peligo 1841. Från upptäcktsögonblicket fram till 1900-talet. uran hade inte den betydelse det har idag, även om många av dess fysikaliska egenskaper, liksom dess atommassa och densitet, bestämdes. 1896 slog A. Becquerel fast att uransalter har strålning som lyser upp en fotografisk platta i mörker. Denna upptäckt aktiverade kemister till forskning inom radioaktivitetsområdet och 1898 isolerade de franska fysikerna makarna P. Curie och M. Sklodowska-Curie salter av de radioaktiva grundämnena polonium och radium, och E. Rutherford, F. Soddy, K. Fayans och andra forskare utvecklade teorin om radioaktivt sönderfall, som lade grunden till modern kärnkemi och kärnenergi.
Första användningen av uran.
Även om radioaktiviteten hos uransalter var känd, användes dess malmer under den första tredjedelen av detta århundrade endast för att erhålla medföljande radium, och uran ansågs vara en oönskad biprodukt. Dess användning koncentrerades främst till keramisk teknik och metallurgi; Uranoxider användes i stor utsträckning för att färga glas i färger från blekt gult till mörkgrönt, vilket bidrog till utvecklingen av billig glasproduktion. Idag identifieras produkter från dessa industrier som fluorescerande under ultravioletta strålar. Under första världskriget och kort därefter användes uran i form av karbid vid tillverkning av verktygsstål, liknande Mo och W; 4–8 % uran ersatte volfram, vars produktion var begränsad vid den tiden. För att få fram verktygsstål 1914–1926 producerades årligen flera ton ferrouan som innehöll upp till 30 % (massa) U. Denna användning av uran varade inte länge.
Modern användning av uran.
Uranindustrin började ta form 1939, då klyvningen av uranisotopen 235 U genomfördes, vilket ledde till den tekniska implementeringen av kontrollerade kedjereaktioner av uranklyvning i december 1942. Detta var födelsen av atomåldern , när uran växte från ett obetydligt grundämne till ett av de viktigaste elementen i livssamhället. Uranets militära betydelse för produktionen av atombomben och dess användning som bränsle i kärnreaktorer fick efterfrågan på uran att öka astronomiskt. Kronologin för tillväxten i efterfrågan på uran baserat på historien om sediment i Great Bear Lake (Kanada) är intressant. 1930 upptäcktes hartsblandning, en blandning av uranoxider, i denna sjö, och 1932 etablerades radiumreningsteknik i detta område. Från varje ton malm (resin blende) erhölls 1 g radium och cirka ett halvt ton biprodukt, urankoncentrat. Det fanns dock lite radium och dess brytning stoppades. Från 1940 till 1942 återupptogs utvecklingen och uranmalm började fraktas till USA. 1949 användes liknande uranrening, med vissa förbättringar, för att producera ren UO 2 . Denna produktion har vuxit och är nu en av de största uranproduktionsanläggningarna.
Egenskaper.
Uran är ett av de tyngsta grundämnena som finns i naturen. Ren metall är mycket tät, formbar, elektropositiv med låg elektrisk ledningsförmåga och mycket reaktiv.
Uran har tre allotropa modifieringar: a-uran (ortorombiskt kristallgitter), finns i intervallet från rumstemperatur till 668 ° C; b-uran (komplext kristallgitter av tetragonal typ), stabilt i intervallet 668–774°C; g-uran (kroppscentrerat kubiskt kristallgitter), stabil från 774°C upp till smältpunkten (1132°C). Eftersom alla isotoper av uran är instabila uppvisar alla dess föreningar radioaktivitet.
Isotoper av uran
238 U, 235 U, 234 U förekommer i naturen i ett förhållande av 99,3:0,7:0,0058 och 236 U förekommer i spårmängder. Alla andra isotoper av uran från 226 U till 242 U erhålls på konstgjord väg. Isotopen 235 U är särskilt viktig. Under påverkan av långsamma (termiska) neutroner delar den sig och frigör enorm energi. Fullständig klyvning av 235 U resulterar i frigöring av en "termisk energiekvivalent" på 2H 10 7 kWh h/kg. Klyvningen av 235 U kan användas inte bara för att producera stora mängder energi, utan också för att syntetisera andra viktiga aktinidelement. Naturligt isotopuran kan användas i kärnreaktorer för att producera neutroner som produceras genom klyvning av 235 U, medan överskott av neutroner som inte krävs av kedjereaktionen kan fångas upp av en annan naturlig isotop, vilket resulterar i produktion av plutonium:
När 238 U bombarderas med snabba neutroner inträffar följande reaktioner:
Enligt detta schema kan den vanligaste isotopen 238 U omvandlas till plutonium-239, som, liksom 235 U, också kan klyvas under påverkan av långsamma neutroner.
För närvarande har ett stort antal artificiella isotoper av uran erhållits. Bland dem är 233 U särskilt anmärkningsvärt eftersom det också klyvs när det interagerar med långsamma neutroner.
Vissa andra artificiella isotoper av uran används ofta som radioaktiva spårämnen i kemisk och fysikalisk forskning; detta är först och främst b- sändare 237 U och a- sändare 232 U.
Anslutningar.
Uran, en mycket reaktiv metall, har oxidationstillstånd från +3 till +6, är nära beryllium i aktivitetsserien, interagerar med alla icke-metaller och bildar intermetalliska föreningar med Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg Mg, Ni, Pb, Sn och Zn. Finkrossat uran är särskilt reaktivt och vid temperaturer över 500 ° C går det ofta in i reaktioner som är karakteristiska för uranhydrid. Klumpuran eller spån brinner starkt vid 700–1000°C, och uranånga brinner redan vid 150–250°C, reagerar med HF vid 200–400°C och bildar UF 4 och H 2 . Uran löses långsamt i koncentrerad HF eller H 2 SO 4 och 85 % H 3 PO 4 även vid 90 ° C, men reagerar lätt med konc. HCl och mindre aktiv med HBr eller HI. De mest aktiva och snabba reaktionerna av uran med utspädd och koncentrerad HNO 3 sker med bildning av uranylnitrat ( se nedan). I närvaro av HCl löses uran snabbt i organiska syror och bildar organiska U4+-salter. Beroende på graden av oxidation bildar uran flera typer av salter (de viktigaste bland dem är med U 4+, en av dem UCl 4 är ett lätt oxiderat grönt salt); uranylsalter (radikal UO 2 2+) av typen UO 2 (NO 3) 2 är gula till färgen och fluorescerar grönt. Uranylsalter bildas genom att lösa den amfotera oxiden UO 3 (gul färg) i ett surt medium. I en alkalisk miljö bildar UO 3 uranater som Na 2 UO 4 eller Na 2 U 2 O 7. Den sistnämnda föreningen (”gul uranyl”) används för tillverkning av porslinsglasyrer och vid tillverkning av fluorescerande glas.
Uranhalogenider studerades omfattande 1940–1950, eftersom de användes för att utveckla metoder för att separera uranisotoper för atombomben eller kärnreaktorn. Urantrifluorid UF 3 erhölls genom reduktion av UF 4 med väte, och urantetrafluorid UF 4 erhålls på olika sätt genom reaktioner av HF med oxider såsom UO 3 eller U 3 O 8 eller genom elektrolytisk reduktion av uranylföreningar. Uranhexafluorid UF 6 erhålls genom fluorering av U eller UF 4 med elementärt fluor eller genom inverkan av syre på UF 4 . Hexafluorid bildar transparenta kristaller med ett högt brytningsindex vid 64 ° C (1137 mm Hg); föreningen är flyktig (under normalt tryck sublimeras den vid 56,54 ° C). Uranoxohalider, till exempel oxofluorider, har sammansättningen UO 2 F 2 (uranylfluorid), UOF 2 (uranoxiddifluorid).
Ansökan
Även om uran-238 inte kan användas som ett primärt klyvbart material, på grund av de högenergineutroner som krävs för dess klyvning, har det en viktig plats i kärnkraftsindustrin.
Med hög densitet och atomvikt är U-238 lämplig för att tillverka reflektorladdningsskal i fusions- och fissionsanordningar. Det faktum att den klyvs av snabba neutroner ökar energiuttaget från laddningen: indirekt, genom multiplikationen av reflekterade neutroner; direkt under klyvningen av skalkärnor av snabba neutroner (under fusion). Ungefär 40 % av neutronerna som produceras av fission och alla fusionsneutroner har tillräcklig energi för att klyva U-238.
U-238 har en spontan fissionshastighet 35 gånger högre än U-235, 5,51 fissions/s*kg. Detta gör det omöjligt att använda det som ett skal för en reflektorladdning i kanonbomber, eftersom dess lämpliga massa (200-300 kg) kommer att skapa en för hög neutronbakgrund.
Pure U-238 har en specifik radioaktivitet på 0,333 mikrocurie/g.
En viktig tillämpning av denna uranisotop är produktionen av plutonium-239. Plutonium bildas genom flera reaktioner som börjar efter att U-238-atomen fångar en neutron. Varje reaktorbränsle som innehåller naturligt eller delvis anrikat uran i den 235:e isotopen innehåller en viss andel plutonium efter slutet av bränslecykeln.
Sönderfallskedja av uran-238
Isotopen är uran-238, det är mer än 99% i naturligt uran. Denna isotop är också den mest stabila dess kärna kan inte delas av termiska neutroner. För att dela 238U behöver en neutron ytterligare kinetisk energi på 1,4 MeV. En kärnreaktor gjord av rent uran-238 kommer inte att fungera under några omständigheter.
En atom av uran-238, i vars kärna protoner och neutroner knappt hålls samman av kohesiva krafter. Då och då bryter en kompakt grupp av fyra partiklar ut ur den: två protoner och två neutroner (b-partikel). Uran-238 förvandlas alltså till torium-234, vars kärna innehåller 90 protoner och 144 neutroner. Men torium-234 är också instabilt. Dess omvandling sker dock annorlunda än i föregående fall: en av dess neutroner förvandlas till en proton och torium-234 förvandlas till protactinium-234, vars kärna innehåller 91 protoner och 143 neutroner. Denna metamorfos som inträffade i kärnan påverkar också elektronerna som rör sig i deras banor: en av dem blir oparad och flyger ut ur atomen. Protactinium är mycket instabilt och tar mycket kort tid att omvandla. Detta följs av andra transformationer, åtföljda av strålning, och hela denna kedja slutar i slutändan med en stabil blynuklid (se figur nr 7, bilaga B).
Den viktigaste omständigheten för kärnenergi är att den vanligaste isotopen av uran, 238U, också är en potentiell källa till kärnbränsle. Både Szilard och Fermi hade rätt när de antog att absorptionen av neutroner av uran skulle leda till bildandet av nya grundämnen. I själva verket, när den kolliderar med en termisk neutron, klyvs inte uran-238 istället, kärnan absorberar neutronen. I genomsnitt, på 23,5 minuter, förvandlas en av neutronerna i kärnan till en proton (med emission av en elektron är reaktionen sönderfall), och uran-239-kärnan blir neptunium-239-kärnan (239Np). Efter 2,4 dagar inträffar det andra c - sönderfallet och plutonium-239 (239Pu) bildas.
Som ett resultat av den sekventiella absorptionen av neutroner i en kärnreaktor kan element som är ännu tyngre än plutonium produceras.
Endast spårmängder av 239Pu, 244Pu och 237Np hittades i naturliga mineraler och uranmalm, så transuranelement (tyngre än uran) finns praktiskt taget aldrig i den naturliga miljön.
Isotoper av uran som finns i naturen är inte helt stabila med avseende på b-sönderfall och spontan fission, men de sönderfaller mycket långsamt: halva livet uran-238 är 4,5 miljarder år och uran-235 är 710 miljoner år. På grund av den låga frekvensen av kärnreaktioner är sådana långlivade isotoper inte farliga strålningskällor. Ett göt av naturligt uran kan hållas i dina händer utan att skada hälsan. Hans specifika aktivitet lika med 0,67 mCi/kg (Ci - curie, en extrasystemisk aktivitetsenhet lika med 3,7 * 1010 sönderfall per sekund).
När man studerar fenomenet radioaktivitet vänder sig varje forskare till en så viktig egenskap som dess halveringstid. Som ni vet står det att varje sekund i världen sönderfaller atomer, och de kvantitativa egenskaperna hos dessa processer är direkt relaterade till antalet närvarande atomer. Om, under en viss tidsperiod, hälften av det totala antalet tillgängliga atomer sönderfaller, kommer sönderfallet av ½ av de återstående atomerna att kräva samma tid. Det är denna tidsperiod som kallas halveringstiden. Det varierar för olika grundämnen - från tusendels millisekund till miljarder år, som till exempel i fallet med uranets halveringstid.
Uran, som det tyngsta av alla grundämnen som finns i ett naturligt tillstånd på jorden, är i allmänhet det mest utmärkta föremålet för att studera radioaktivitetsprocessen. Detta element upptäcktes redan 1789 av den tyske forskaren M. Klaproth, som gav det namnet för att hedra den nyligen upptäckta planeten Uranus. Att uran är radioaktivt upptäcktes helt av misstag i slutet av 1800-talet av den franske kemisten A. Becquerel.
Uran beräknas med samma formel som liknande perioder för andra radioaktiva grundämnen:
T_(1/2) = au ln 2 = frac(ln 2)(lambda),
där "au" är medellivslängden för en atom, "lambda" är den huvudsakliga sönderfallskonstanten. Eftersom ln 2 är ungefär 0,7 är halveringstiden endast 30 % kortare i genomsnitt än atomens totala livslängd.
Trots det faktum att forskare idag känner till 14 isotoper av uran förekommer bara tre av dem i naturen: uran-234, uran-235 och uran-238. uran är annorlunda: för U-234 är det "bara" 270 tusen år, och halveringstiden för uran-238 överstiger 4,5 miljarder. Halveringstiden för uran-235 är i den "gyllene medelvägen" - 710 miljoner år.
Det är värt att notera att radioaktiviteten hos uran under naturliga förhållanden är ganska hög och gör att till exempel fotografiska plattor kan belysas inom bara en timme. Samtidigt är det värt att notera att av alla isotoper av uran är endast U-235 lämplig för att göra fyllningar. Saken är att halveringstiden för uran-235 under industriella förhållanden är mindre intensiv än dess "bröder". , vilket är anledningen till att frisättningen av onödiga neutroner här är minimal.
Halveringstiden för uran-238 överstiger avsevärt 4 miljarder år, men det används nu aktivt inom kärnkraftsindustrin. Så för att starta en kedjereaktion som involverar klyvning av tunga kärnor av detta element, behövs en betydande mängd neutronenergi. Uran-238 används som skydd i fissions- och fusionsapparater. Men det mesta av det utvunna uran-238 används för att syntetisera plutonium, som används i kärnvapen.
Forskare använder halveringstiden för uran för att beräkna åldern på enskilda mineraler och himlakroppar som helhet. Uran klockor är en ganska universell mekanism för denna typ av beräkning. Samtidigt, för att åldern ska kunna beräknas mer eller mindre exakt, är det nödvändigt att känna till inte bara mängden uran i vissa bergarter, utan också förhållandet mellan uran och bly som den slutliga produkten i vilken urankärnor finns konverterad.
Det finns ett annat sätt att beräkna bergarter och mineraler, det är förknippat med det så kallade spontana Som känt, som ett resultat av den spontana klyvningen av uran under naturliga förhållanden, bombarderar dess partiklar närliggande ämnen med kolossal kraft och lämnar efter sig speciella spår - spår.
Det är genom antalet av dessa spår, med kännedom om halveringstiden för uran, som forskarna drar en slutsats om åldern på ett visst fast ämne - vare sig det är en gammal sten eller en relativt "ung" vas. Saken är den att ett objekts ålder är direkt proportionell mot den kvantitativa indikatorn för de uranatomer vars kärnor bombarderade det.
Kärnklyvning är uppdelningen av en tung atom i två fragment med ungefär samma massa, åtföljd av frigörandet av en stor mängd energi.
Upptäckten av kärnklyvning började en ny era - "atomåldern". Potentialen för dess möjliga användning och förhållandet mellan risk och nytta av dess användning har inte bara genererat många sociologiska, politiska, ekonomiska och vetenskapliga framsteg, utan också allvarliga problem. Även ur en rent vetenskaplig synvinkel har kärnklyvningsprocessen skapat ett stort antal pussel och komplikationer, och dess fullständiga teoretiska förklaring är en framtidsfråga.
Att dela är lönsamt
Bindningsenergier (per nukleon) skiljer sig åt för olika kärnor. De tyngre har lägre bindningsenergi än de som finns i mitten av det periodiska systemet.
Det betyder att tunga kärnor med ett atomnummer större än 100 tjänar på att delas upp i två mindre fragment och därigenom frigöra energi som omvandlas till kinetisk energi hos fragmenten. Denna process kallas splittring
Enligt stabilitetskurvan, som visar antalet protoner kontra antalet neutroner för stabila nuklider, föredrar tyngre kärnor ett högre antal neutroner (i förhållande till antalet protoner) än lättare kärnor. Detta tyder på att några "reserv" neutroner kommer att emitteras tillsammans med fissionsprocessen. Dessutom kommer de också att absorbera en del av den frigjorda energin. En studie av klyvningen av kärnan i en uranatom visade att 3-4 neutroner frigörs: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Atomnumret (och atommassan) för fragmentet är inte lika med hälften av förälderns atommassa. Skillnaden mellan massorna av atomer som bildas till följd av splittring är vanligtvis cirka 50. Orsaken till detta är dock ännu inte helt klarlagd.
Bindningsenergierna för 238 U, 145 La och 90 Br är 1803, 1198 respektive 763 MeV. Detta innebär att som ett resultat av denna reaktion frigörs klyvningsenergin i urankärnan, lika med 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Spontan fission
Spontana fissionsprocesser är kända i naturen, men de är mycket sällsynta. Den genomsnittliga livslängden för denna process är cirka 10 17 år, och till exempel är den genomsnittliga livslängden för alfasönderfall för samma radionuklid cirka 10 11 år.
Anledningen till detta är att för att delas i två delar måste kärnan först genomgå deformation (sträckas) till en ellipsoid form och sedan, innan den slutligen delas i två fragment, bilda en "hals" i mitten.
Potentiell barriär
I ett deformerat tillstånd verkar två krafter på kärnan. Den ena är ökad ytenergi (ytspänningen hos en vätskedroppe förklarar dess sfäriska form), och den andra är Coulomb-repulsion mellan fissionsfragment. Tillsammans skapar de en potentiell barriär.
Liksom i fallet med alfasönderfall, för att spontan klyvning av kärnan i en uranatom ska inträffa, måste fragmenten övervinna denna barriär med hjälp av kvanttunneling. Barriärvärdet är cirka 6 MeV, som i fallet med alfasönderfall, men sannolikheten för en alfapartikeltunnel är mycket större än för den mycket tyngre atomklyvningsprodukten.
Tvingad klyvning
Mycket mer sannolikt är den inducerade klyvningen av urankärnan. I detta fall bestrålas moderkärnan med neutroner. Om föräldern absorberar det binder de sig och frigör bindningsenergi i form av vibrationsenergi som kan överstiga de 6 MeV som krävs för att övervinna den potentiella barriären.
Om energin hos den ytterligare neutronen inte är tillräcklig för att övervinna den potentiella barriären, måste den infallande neutronen ha en minimal kinetisk energi för att kunna inducera atomklyvning. I fallet med 238 U saknas bindningsenergin för ytterligare neutroner med cirka 1 MeV. Det betyder att klyvningen av en urankärna endast induceras av en neutron med en kinetisk energi större än 1 MeV. Å andra sidan har 235 U-isotopen en oparad neutron. När en kärna absorberar ytterligare en, paras den med den, och denna sammankoppling resulterar i ytterligare bindningsenergi. Detta är tillräckligt för att frigöra den mängd energi som krävs för att kärnan ska övervinna den potentiella barriären och isotopklyvningen inträffar vid kollision med valfri neutron.
Beta-förfall
Även om fissionsreaktionen producerar tre eller fyra neutroner, innehåller fragmenten fortfarande fler neutroner än deras stabila isobarer. Detta innebär att klyvningsfragment tenderar att vara instabila mot betasönderfall.
Till exempel, när klyvningen av urankärnan 238 U inträffar är den stabila isobaren med A = 145 neodym 145 Nd, vilket innebär att lantan 145 La-fragmentet sönderfaller i tre steg, varje gång avger en elektron och en antineutrino, tills en stabil nuklid bildas. En stabil isobar med A = 90 är zirkonium 90 Zr, så klyvningsfragmentet av brom 90 Br sönderfaller i fem stadier av β-sönderfallskedjan.
Dessa β-sönderfallskedjor frigör ytterligare energi, som nästan all förs bort av elektroner och antineutriner.
Kärnreaktioner: klyvning av urankärnor
Direkt neutronemission från en nuklid med för många neutroner för att säkerställa nukleär stabilitet är osannolik. Poängen här är att det inte finns någon Coulomb-repulsion och därför tenderar ytenergin att hålla neutronen bunden till föräldern. Detta händer dock ibland. Till exempel producerar fissionsfragmentet av 90 Br i det första steget av beta-sönderfall krypton-90, som kan vara i ett exciterat tillstånd med tillräckligt med energi för att övervinna ytenergin. I detta fall kan neutronemission ske direkt med bildandet av krypton-89. är fortfarande instabil för β-sönderfall tills den blir stabil yttrium-89, så krypton-89 sönderfaller i tre steg.
Klyvning av urankärnor: kedjereaktion
Neutroner som emitteras i fissionsreaktionen kan absorberas av en annan moderkärna, som sedan själv genomgår inducerad fission. När det gäller uran-238 kommer de tre neutronerna som produceras ut med en energi på mindre än 1 MeV (energin som frigörs under klyvningen av en urankärna - 158 MeV - omvandlas huvudsakligen till klyvningsfragmentens kinetiska energi ), så de kan inte orsaka ytterligare klyvning av denna nuklid. Men vid en betydande koncentration av den sällsynta isotopen 235 U kan dessa fria neutroner fångas upp av 235 U kärnor, vilket faktiskt kan orsaka fission, eftersom det i detta fall inte finns någon energitröskel under vilken fission inte induceras.
Detta är principen för en kedjereaktion.
Typer av kärnreaktioner
Låt k vara antalet neutroner som produceras i ett prov av klyvbart material i steg n i denna kedja, dividerat med antalet neutroner som produceras i steg n - 1. Detta antal kommer att bero på hur många neutroner som produceras i steg n - 1 som absorberas av kärnan som kan genomgå tvångsdelning.
Om 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.
Om k > 1 kommer kedjereaktionen att växa tills allt klyvbart material är förbrukat. Detta uppnås genom att anrika naturlig malm för att få en tillräckligt stor koncentration av uran-235. För ett sfäriskt prov ökar värdet på k med ökande sannolikhet för neutronabsorption, vilket beror på sfärens radie. Därför måste massan U överstiga en viss mängd så att klyvning av urankärnor (kedjereaktion) kan ske.
Om k = 1 sker en kontrollerad reaktion. Detta används i Processen styrs av fördelningen av kadmium eller borstavar bland uranet, som absorberar de flesta neutronerna (dessa grundämnen har förmågan att fånga neutroner). Klyvningen av urankärnan kontrolleras automatiskt genom att röra stavarna så att värdet på k förblir lika med enhet.
