Uranas, elementas numeris 92, yra sunkiausias gamtoje randamas elementas. Jis buvo naudojamas mūsų eros pradžioje tarp Pompėjos ir Herkulaniumo griuvėsių rasta keramikos fragmentų su geltona glazūra (kuriame yra daugiau nei 1% urano oksido).

Uraną 1789 m. urano dervoje atrado vokiečių chemikas Martonas Heinrichas Klaprothas, pavadinęs jį 1781 m. atrastos urano planetos vardu. Metalinį uraną pirmą kartą gavo prancūzų chemikas Eugene'as Peligot 1841 m., redukuodamas bevandenį urano tetrachloridą kaliu. 1896 m. Antoine'as-Henri Becquerel atrado urano radioaktyvumo reiškinį, netyčia paveikęs fotografijos plokštes jonizuojančia spinduliuote iš netoliese esančio urano druskos gabalo.

Fizinės ir cheminės savybės

Uranas yra labai sunkus, sidabriškai baltas, blizgus metalas. Gryna forma jis yra šiek tiek minkštesnis už plieną, kalus, lankstus ir turi nedideles paramagnetines savybes. Uranas turi tris alotropines formas: alfa (prizminė, stabili iki 667,7 °C), beta (tetragoninė, stabili nuo 667,7 iki 774,8 °C), gama (su kūno centre esančia kubine struktūra, esanti nuo 774,8 °C iki lydymosi temperatūros). ), kuriame uranas yra kaliiausias ir lengvai apdirbamas. Alfa fazė yra labai išskirtinis prizminės struktūros tipas, susidedantis iš banguotų atomų sluoksnių itin asimetriškoje prizminėje gardelėje. Dėl šios anizotropinės struktūros sunku legiruoti uraną su kitais metalais. Tik molibdenas ir niobis gali sukurti kietųjų fazių lydinius su uranu. Tiesa, urano metalas gali sąveikauti su daugeliu lydinių, sudarydamas intermetalinius junginius.

Pagrindinės fizinės urano savybės:
lydymosi temperatūra 1132,2 °C (+/- 0,8);
virimo temperatūra 3818 °C;
tankis 18,95 (alfa fazėje);
savitoji šiluminė talpa 6,65 cal/mol/°C (25 C);
tempiamasis stipris 450 MPa.

Chemiškai uranas yra labai aktyvus metalas. Greitai oksiduodamasis ore, pasidengia vaivorykštine oksido plėvele. Smulkūs urano milteliai savaime užsiliepsnoja 150–175 °C temperatūroje, sudarydami U 3 O 8 . 1000 °C temperatūroje uranas jungiasi su azotu ir susidaro geltonasis urano nitridas. Vanduo gali ėsdinti metalą lėtai esant žemai temperatūrai ir greitai aukštai. Uranas tirpsta druskos, azoto ir kitose rūgštyse, sudarydamas keturvalentes druskas, bet nesąveikauja su šarmais. Uranas išstumia vandenilį iš neorganinės rūgštys ir metalų, tokių kaip gyvsidabris, sidabras, varis, alavas, platina ir auksas, druskos tirpalai. Energingai purtant, metalinės urano dalelės pradeda švytėti.
Uranas turi keturias oksidacijos būsenas – III-VI. Šešiavalentys junginiai yra uranilo trioksidas UO 3 ir urano urano chloridas UO 2 Cl 2 . Urano tetrachlorido UCl 4 ir urano dioksidas UO 2 - keturiavalenčio urano pavyzdžiai. Medžiagos, kuriose yra keturiavalenčio urano, paprastai yra nestabilios ir ilgą laiką veikiamos ore virsta šešiavalenčiu uranu. Uranilo druskos, tokios kaip uranilo chloridas, suyra esant ryškiai šviesai arba organinėms medžiagoms.

Uranas stabilūs izotopai neturi, tačiau žinomi 33 jo radioaktyvieji izotopai. Gamtinį uraną sudaro trys radioaktyvūs izotopai: 238 U (99,2739%, T = 4,47⋅10 9 metų, α skleidėjas, radioaktyviosios serijos protėvis (4n+2)), 235 U (0,7205%, T = 7,04⋅10 9 metų, radioaktyviosios serijos (4n+3) protėvis) ir 234 U (0,0056%, T = 2,48⋅10 5 metų, α spinduliuotė). Paskutinis izotopas yra ne pirminis, bet radiogeninis, jis yra radioaktyviosios serijos dalis 238 U. Gamtinio urano atominė masė yra 238,0289+0,0001.

Gamtinio urano radioaktyvumą daugiausia lemia izotopai 238 U ir 234 U, pusiausvyroje jų specifinė veikla yra lygi. Gamtinio urano savitasis radioaktyvumas yra 0,67 mikrokiuri/g, padalytas beveik per pusę 234 U ir 238 U; 235 235 U daro nedidelį indėlį (specifinis izotopo aktyvumas 238 U gamtiniame urane yra 21 kartą mažiau aktyvus U). Natūralus uranas yra pakankamai radioaktyvus, kad fotografinė plokštelė būtų eksponuojama maždaug per valandą. Šiluminio neutronų gaudymo skerspjūvis 233 U 4,6 10 -27 m2, 235 U 9,8 10 -27 m2, 238 U 2,7 10 -28 m2; dalijimosi skerspjūvis 233 U 5,27 10 -26 m2, 235 U 5,84 10 -26 m2, natūralus izotopų mišinys 4,2 10

-28 m2. Urano izotopai paprastai yra α skleidėjai. Vidutinė energijaα-spinduliuotė 230 U, 231 U, 232 U, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 -4 U yra atitinkamai lygus 5,97; 3,05⋅10; 5,414; 4,909; 4,859; 4,679; 4,572; 4,270 MeV. Tuo pačiu metu tokie izotopai kaip 233 U, 238 U ir 239

Iš požiūrio taško praktiniai pritaikymai svarbu, kad natūralūs izotopai 233 U ir 235 U dalijimasis veikiant tiek šiluminiams, tiek greitiesiems neutronams ( 235 U gali savaime skilti), o branduoliai 238 U gali dalytis tik tada, kai užfiksuoja neutronus, kurių energija didesnė nei 1 MeV. Fiksuojant neutronus su mažesne branduoline energija 238 Jūs pirmiausia virstate branduoliais 239 U, kurie vėliau patiria β-skilimą ir pirmiausia virsta 239 Np, o tada - 239 pu, branduolinės savybės kurios yra artimos 235 U. Branduolių šiluminių neutronų efektyvieji gaudymo skerspjūviai 234 U, 235 U ir 238 U yra lygūs 98⋅10 -28, 683⋅10 -28 ir 2,7⋅10 -28 m2 atitinkamai. Pilnas padalijimas 235 U lemia „šilumos energijos ekvivalento“ 2⋅10 išsiskyrimą 7 kWh/kg.

Technogeniniai urano izotopai

Šiuolaikiniai branduoliniai reaktoriai gamina 11 dirbtinių radioaktyviųjų izotopų, kurių masės skaičius nuo 227 iki 240, iš kurių ilgiausiai gyvena 233 U (T = 1,62 10 5 metų); jis gaunamas torį apšvitinant neutronais. Urano izotopai, kurių masės skaičius didesnis nei 240, nespėja susidaryti reaktoriuose. Urano-240 tarnavimo laikas yra per trumpas ir jis suyra, kol gali užfiksuoti neutroną. Tačiau itin galinguose neutronų srautuose termobranduolinis sprogimas urano branduolys per milijoninę sekundės dalį sugeba užfiksuoti iki 19 neutronų. Šiuo atveju gimsta urano izotopai, kurių masės skaičius yra nuo 239 iki 257. Apie jų egzistavimą buvo sužinota iš tolimųjų transurano elementų - sunkiųjų urano izotopų palikuonių - termobranduolinio sprogimo. Patys „genties įkūrėjai“ yra per daug nestabilūs, kad galėtų skilti β ir pereiti į aukštesnius elementus dar gerokai anksčiau nei branduolinių reakcijų produktai išgaunami iš sprogimo sumaišytų uolienų.

Šiluminiuose neutroniniuose reaktoriuose izotopai naudojami kaip branduolinis kuras 235 U ir 233 U, ir greitųjų neutronų reaktoriuose 238 U, t.y. izotopų, galinčių palaikyti dalijimosi grandininę reakciją.

U-232

232 U – technogeninis nuklidas, gamtoje nerastas, α-spinduliuotojas, T=68,9 metų, pirminiai izotopai 236 Pu(α), 232 Np(β+) ir 232 Pa(β-), dukterinis nuklidas 228 Th. Geba spontaniškai pasidalyti. 232 U savaiminio dalijimosi greitis yra 0,47 padalijimo/s⋅kg. Branduolinėje pramonėje 232 U susidaro kaip šalutinis produktas daliojo (ginklo) nuklido 233U sintezės metu torio kuro cikle. Kai švitinamas 232 Pagrindinė reakcija vyksta:

232 Th + n → 233 Th → (22,2 min, β-skilimas) → 233 Pa → (27,0 dienos, β-skilimas) → 233U

ir dviejų pakopų šalutinė reakcija:

232 Th + n → 231 Th + 2n, 231 Th → (25,5 h, β) → 231 Pa + n → 232 Pa → (1,31 dienos, β) → 232 U.

Veikimo laikas 232 U dviejų pakopų reakcijos metu priklauso nuo greitųjų neutronų buvimo (reikia neutronų, kurių energija ne mažesnė kaip 6 MeV), nes pirmosios reakcijos skerspjūvis yra mažas šiluminiams greičiams. Nedidelis dalijimosi neutronų skaičius yra didesnis nei 6 MeV, o jei torio veisimosi zona yra reaktoriaus dalyje, kur ji yra apšvitinama vidutiniškai greitais neutronais (~ 500 keV), tada ši reakcija gali būti praktiškai atmesta. Jei į originali medžiaga esančios 230 Th, tada švietimas 232 U papildytas reakcija: 230 Th + n → 231 Th ir toliau, kaip nurodyta aukščiau. Ši reakcija taip pat gerai veikia su šiluminiais neutronais. Todėl švietimo slopinimas 232 U (ir tai būtina dėl toliau nurodytų priežasčių) reikalauja įkrauti torio su minimalia koncentracija 230 tūkst.

Izotopas, pagamintas galios reaktoriuje 232 U kelia sveikatos ir saugos problemą, nes ji suskaidoma į 212 Bi ir 208 Te, kurios išskiria didelės energijos γ-kvantus. Todėl preparatai, kuriuose yra daug šio izotopo, turi būti apdorojami karštoje kameroje. Prieinamumas 232 U apšvitintame urane taip pat pavojinga tvarkant atominius ginklus.

Kaupimas 232 U neišvengiama gamyboje 233 U torio energijos cikle, kuris trukdo jam patekti į energetikos sektorių. Neįprasta yra tolygus izotopas 232 U turi didelį dalijimosi skerspjūvį veikiant neutronams (terminiams neutronams 75 barnai, rezonanso integralas 380), taip pat didelį neutronų gaudymo skerspjūvį – 73 barnus (rezonansinis integralas 280).

Taip pat yra naudos iš 232 U: Jis dažnai naudojamas radiotracer metodu atliekant cheminius ir fizinius tyrimus.

U-233

233 U atrado Seaborg, Hoffmann ir Stoughton. Uranas-233 – α skleidėjas, T=1,585⋅105 metai, pirminiai nuklidai 237 Pu(α) 233 Np(β+) 233 Pa(β-), dukterinis nuklidas 229 Th. Uranas-233 gaminamas branduoliniuose reaktoriuose iš torio: 232Th pagauna neutroną ir virsta 233 Th, kuri suyra į 233 Ra, o paskui 233 U. Branduoliai 233 U (nelyginis izotopas) gali spontaniškai dalytis ir dalytis veikiant bet kokios energijos neutronams, todėl jis tinkamas gaminti kaip atominiai ginklai, ir reaktoriaus kurą (galima išplėsti branduolinio kuro atgaminimą). Uranas-233 taip pat yra perspektyviausias kuras dujų fazės branduoliniams raketų varikliams. Efektyvus greitųjų neutronų dalijimosi skerspjūvis yra 533 barnai, pusinės eliminacijos laikas yra 1 585 000 metų ir gamtoje nebūna. Kritinė masė 233 U yra tris kartus mažesnė už kritinę masę 235 U (apie 16 kg). U savaiminio dalijimosi greitis yra 720 skilimų/s⋅kg. 235U galima gauti iš 232th apšvitinant neutronais:

232 Th + n → 233 Th → (22,2 min, β-skilimas) → 233 Pa → (27,0 dienos, β-skilimas) → 233U

Kai neutronas absorbuojamas, branduolys 233 U paprastai dalijasi, bet kartais užfiksuoja neutroną, tapdamas 234 U, nors neskilimo procesų dalis yra mažesnė nei kituose skiliajame kure ( 235 U, 239 Pu, 241 Pu) jis išlieka mažas esant visoms neutronų energijoms. Atkreipkite dėmesį, kad yra išlydytos druskos reaktoriaus konstrukcija, kurioje protaktinas yra fiziškai izoliuotas, kol jis turi galimybę sugerti neutroną. Nors 233 U, sugėręs neutroną, dažniausiai dalijasi, tačiau kartais išlaiko neutroną, virsdamas 234 U (šis procesas yra žymiai mažiau tikėtinas nei dalijimasis).

Veikimo laikas 233 U iš torio pramonės žaliavų yra ilgalaikė Indijos branduolinės pramonės, turinčios nemažas torio atsargas, plėtros strategija. Veisimas gali būti atliekamas greituose arba šiluminiuose reaktoriuose. Už Indijos ribų nėra didelio susidomėjimo torio pagrindu pagamintu kuro ciklu, nors pasaulio torio atsargos yra tris kartus didesnės nei urano atsargos Be kuro branduoliniuose reaktoriuose, jis gali būti naudojamas 233 U ginklo užtaise. Nors dabar jie tai daro retai. 1955 metais JAV išbandė ginklų kokybę 233 U susprogdinęs bombą pagal ją operacijos „Arbatinukas“ metu. Ginklų požiūriu 233 U, palyginti su 239 Pu: jo radioaktyvumas yra 1/7 (T = 159 200 metų, palyginti su 24 100 plutonio metų), jo kritinė masė yra 60% didesnė (16 kg, palyginti su 10 kg), o savaiminio dalijimosi greitis yra 20 kartų didesnis (6⋅10).-9 prieš 3⋅10 -10 ). Tačiau, kadangi jo specifinis radioaktyvumas yra mažesnis, neutronų tankis 233 U yra tris kartus didesnis už tai 239 Pu. Branduolinio krūvio sukūrimas remiantis 233 U reikalauja daugiau pastangų nei plutoniui, tačiau technologinės pastangos yra maždaug tokios pačios.

Pagrindinis skirtumas yra buvimas viduje 233 U priemaišos 232 U, todėl sunku dirbti 233 U ir leidžia lengvai atrasti baigtus ginklus.

232 U turinys 233 laipsnio ginkluose U neturi viršyti 5 ppm (0,0005%). Komercinio branduolinio kuro cikle buvimas 232 U nėra didelis trūkumas, netgi pageidautinas, nes sumažina urano platinimo ginklų tikslais galimybę. Norėdami sutaupyti degalų, po perdirbimo ir pakartotinio panaudojimo 232 U siekia 0,1-0,2%. Specialiai sukurtose sistemose šis izotopas kaupiasi 0,5-1 % koncentracijomis.

Per pirmuosius dvejus metus po pagaminimo 233 U, kuriuose yra 232 U, 228 Th išlieka pastoviame lygyje, būdamas pusiausvyroje su savo skilimu. Per šį laikotarpį nustatoma ir stabilizuojama foninė γ spinduliuotės vertė. Todėl pirmuosius kelerius metus masinė gamyba 233 U skleidžia reikšmingą γ spinduliuotę. Dešimties kilogramų sfera 233 U klasės ginklai (5 ppm 232U) sukuria 11 miliremų per valandą foną 1 m atstumu 1 mėnesį po pagaminimo, 110

miliremų/val. po metų, 200 miliremų/val. po 2 metų. Metinė 5 rem dozės riba viršijama jau po 25 valandų darbo su tokia medžiaga. Net šviežias 233 U (1 mėnuo nuo pagaminimo datos) riboja surinkimo laiką iki dešimties valandų per savaitę. Visiškai surinktame ginkle radiacijos lygis sumažėja, kai kūnas sugeria krūvį. Šiuolaikiniuose lengvuose įrenginiuose sumažinimas neviršija 10 kartų, todėl kyla saugos problemų. Sunkesniuose krūviuose sugertis stipresnė – 100 – 1000 kartų. Berilio reflektorius padidina neutronų fono lygį: 9Be + γ-kvantas → 8Be + n. γ spinduliai 232 U sudaro būdingą parašą, juos galima aptikti ir sekti jų judesius bei buvimą atominis krūvis. Pagaminta naudojant torio ciklą, specialiai denatūruota 233 U (0,5–1,0 % 232 U), sukuria dar didesnį pavojų. Iš tokios medžiagos pagaminta 10 kilogramų sfera 1 m atstumu po 1 mėnesio sukuria 11 rem/val., po metų – 110 rem/val., o po 2 metų – 200 rem/val. Kontaktas su tokia atomine bomba, net ir 1000 kartų sumažinus radiaciją, ribojamas iki 25 valandų per metus. Pastebimos dalies buvimas 232 Skilimoje medžiagoje esantis U daro jį itin nepatogiu kariniam naudojimui.

Natūralūs urano izotopai

U-234

Uranas-234 (uranas II) yra natūralaus urano dalis (0,0055%), T = 2,445⋅10 5 metų, α-spinduliuotojas, pirminiai radionuklidai: 238 Pu(α), 234 Pa(β-), 234 Np(β+), dukterinis izotopas in 230 tūkst. Turinys 234 U rūdoje yra labai mažas dėl palyginti trumpo pusinės eliminacijos periodo. 234 U susidaro vykstant reakcijoms:

238 U → (4,51 milijardo metų, alfa skilimas) → 234 Th

234 Th → (24,1 dienos, beta skilimas) → 234 Pa

234 Pa → (6,75 valandos, beta skilimas) → 234U

Paprastai 234 U yra pusiausvyroje su 238 U, yrantis ir besiformuojantis tuo pačiu greičiu. Tačiau yrantys atomai 238 U egzistuoja tam tikrą laiką torio ir protaktino pavidalu, todėl juos galima chemiškai arba fiziškai atskirti nuo rūdos (išplauti požeminis vanduo). Nes 234 U turi santykinai trumpą pusinės eliminacijos laiką; visas šis rūdoje randamas izotopas susidarė per pastaruosius kelis milijonus metų. Maždaug pusė natūralaus urano radioaktyvumo gaunama iš 234 U.

Koncentracija 234 Labai prisodrintame urane U yra gana didelis dėl lengvatinio sodrinimo lengvaisiais izotopais. Nes 234 U yra stiprus γ skleidėjas, jo koncentracija urane, skirtame perdirbti į kurą, yra ribota. Iš principo padidintas lygis 234 U yra priimtinas šiuolaikiniams reaktoriams, tačiau perdirbtame panaudotame kure šio izotopo kiekis yra nepriimtinas.

Absorbcijos skerspjūvis 234 Šiluminių neutronų U yra 100 barnų, o rezonanso integralo vidurkis įvairiems tarpiniams neutronams yra 700 barnų. Todėl reaktoriuose prie

šiluminių neutronų jis paverčiamas skiliaisiais 235 U greičiau nei daug didesnis kiekis 238 U (su skerspjūvis 2,7 tvartas) pertvarkytas į 239 Pu. Dėl to panaudotame branduoliniame kure yra mažiau 234 U, nei šviežesnis.

U-235

Uranas-235 (aktinouranas) yra izotopas, galintis sukelti greitai augančią dalijimosi grandininę reakciją. Atrado Arthur Jeffrey Dempster 1935 m.

Tai pirmasis izotopas, kuriame buvo aptikta priverstinio branduolio dalijimosi reakcija veikiant neutronams. Sugeriantis neutroną 235 U pereina į 236 U, kuris skyla į dvi dalis, išskirdamas energiją ir išspinduliuodamas kelis neutronus. Bet kokios energijos neutronais dalijamas izotopas, galintis savaime dalytis 235 U yra natūralaus urano dalis (0,72%), α skleidėjas (energija 4,679 MeV), T = 7,038⋅10 8 metų, tėvų nuklidai 235 Pa, 235 Np ir 239 Pu, dukra - 231 Th. Savaiminio dalijimosi intensyvumas 235 U 0,16 padalos/s⋅kg. Kai vienas branduolys dalijasi 235 U išleista 200 MeV energija = 3,2⋅10 -11 J, t.y. 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Tačiau 5% šios energijos nuneša praktiškai neaptinkami neutronai. Šiluminių neutronų branduolinis skerspjūvis yra apie 1000 barnų, o greitųjų neutronų - apie 1 barnas.

Grynoji masė 60kg 235 U sukuria tik 9,6 dalijimosi per sekundę, todėl yra pakankamai paprasta pagaminti atominę bombą naudojant patrankos konstrukciją. 238 U sukuria 35 kartus daugiau neutronų viename kilograme, todėl net ir nedidelė šio izotopo dalis kelis kartus padidina šį skaičių. 234 U sukuria 22 kartus daugiau neutronų ir yra panašus į 238 Nepageidaujamas veiksmas. Konkreti veikla 235 U yra tik 2,1 mikrokiurio/g; jo užterštumas yra 0,8 proc. 234 U padidinkite iki 51 mikrokiurio/g. Ginklinio urano kritinė masė. (93,5 proc. 235 U) vandeniniuose tirpaluose yra mažesnis nei 1 kg, atviram kamuoliui - apie 50 kg, rutuliui su atšvaitu - 15 - 23 kg.

Gamtiniame urane tik vienas, palyginti retas, izotopas yra tinkamas atominės bombos šerdies gamybai arba reakcijai palaikyti galios reaktoriuje. Sodrinimo laipsnis pagal 235 Atominių elektrinių branduoliniame kure U svyruoja nuo 2 iki 4,5%, ginklų naudojimui - mažiausiai 80%, o geriau - 90%. JAV 235 Ginklų klasės U yra praturtintas iki 93,5% (pramonė gali pagaminti 97,65%). Toks uranas naudojamas kariniam jūrų laivynui skirtuose reaktoriuose.

komentuoti. Uranas su turiniu 235 U daugiau nei 85% yra vadinamas ginklo uranu, kurio kiekis yra didesnis nei 20% ir mažesnis nei 85% - uranas, tinkamas naudoti ginklams, nes iš jo galima pagaminti „blogą“ (neveiksmingą bombą). Bet iš jo taip pat galite padaryti „gerą“ bombą, jei naudosite sprogimą, neutronų atšvaitus ir kai kuriuos pažangius triukus. Laimei, tokias gudrybes praktiškai įgyvendinti gali tik 2-3 pasaulio šalys. Šiais laikais bombų iš urano, matyt, niekur negamina (plutonis pakeitė uraną branduoliniuose ginkluose), tačiau urano-235 perspektyvos išlieka dėl urano bombos patrankos konstrukcijos paprastumo ir galimybės išplėsti tokių bombų gamybą, jei staiga atsiranda poreikis.

Būdamas lengvesnis 234 U yra proporcingai praturtintas net didesniu mastu nei 235 U visuose gamtinių urano izotopų atskyrimo procesuose, pagrįstuose masės skirtumais, o tai kelia tam tikrą problemą gaminant atominės bombos užtaisus. Labai praturtintas 235 U paprastai yra 1,5–2,0 % 234 U.

235 skyrius U naudojamas atominiuose ginkluose, energijos gamybai ir svarbių aktinidų sintezei. Uranas natūrali kompozicija naudojamas branduoliniuose reaktoriuose neutronams gaminti. Grandininę reakciją palaiko skilimo metu susidarančių neutronų perteklius 235 U, tuo pačiu metu grandininės reakcijos nepareikalautas neutronų perteklius sugaunamas kitu natūralus izotopas, 238 U, dėl kurio susidaro plutonis, kuris taip pat gali dalytis veikiamas neutronų.

U-236

Gamtoje randama priemaišų kiekiais, α skleidėjas, T=2,3415⋅10 7 metų, suskyla į 232 Th. Susidarė bombarduojant neutronais 235 Tada U skyla į bario izotopą ir kriptono izotopą, išskirdamas du neutronus, gama spindulius ir energiją.

Mažais kiekiais jis yra šviežio kuro dalis; kaupiasi, kai uranas apšvitinamas neutronais reaktoriuje, todėl naudojamas kaip panaudoto urano branduolinio kuro „signalizacijos įtaisas“. 236 U susidaro kaip šalutinis produktas atskiriant izotopus dujų difuzijos būdu regeneruojant panaudotą branduolinį kurą. Šis izotopas turi tam tikrą reikšmę kaip tikslinė medžiaga branduoliniuose reaktoriuose. Kai branduoliniame reaktoriuje naudojamas perdirbtas (apdorotas) uranas, svarbus skirtumas palyginti su natūralaus urano naudojimu. Iš panaudoto kuro išskirtame urane yra izotopas 236 U (0,5%), kuris naudojamas šviežiame kure skatina izotopo gamybą 238 Pu. Dėl to pablogėja energetinio plutonio kokybė, tačiau tai gali būti teigiamas veiksnys sprendžiant branduolinio ginklo neplatinimo problemą.

Susidaro galios reaktoriuje 236 U yra neutroninis nuodas, jo buvimas branduoliniame kure turi būti kompensuojamas didesniu sodrinimo lygiu 235 U.

U-238

Uranas-238 (uranas I) – dalijasi didelės energijos neutronais (daugiau nei 1 MeV), galintis savaime dalytis, sudaro gamtinio urano (99,27%) pagrindą, α-spinduliuotojas, T = 4,468⋅10 9 metų, tiesiogiai suskaidoma į 234 Th, susidaro nemažai genetiškai giminingų radionuklidų, o per 18 produktų virsta 206 Pb. Nuolatinis serijos skilimo greitis leidžia naudoti pradinio nuklido ir dukters koncentracijų santykį atliekant radiometrinius duomenis. Urano-238 pusinės eliminacijos laikas savaiminio dalijimosi būdu nėra tiksliai nustatytas, tačiau jis labai ilgas – apie 10 16 metų, todėl skilimo tikimybė pagrindinio proceso – alfa dalelės emisijos – atžvilgiu yra tik 10 -7 . Vienas kilogramas urano sukuria tik 10 savaiminio dalijimosi per sekundę, o per tą patį laiką α dalelės išskiria 20 milijonų branduolių. Motininiai nuklidai: 242 Pu(α), 238 Pa(β-) 234 Th, dukra - 234 Th.

Nors uranas-238 negali būti naudojamas kaip pirminė skilioji medžiaga, dėl didelės neutronų energijos, reikalingos jo dalijimui, jis užima svarbią vietą branduolinėje pramonėje. Turėdamas didelį tankį ir atominį svorį, 238 U tinka gaminti įkroviklius/atšvaitus atominėse ir vandenilinėse bombose. Tai, kad jis yra dalijamas greitųjų neutronų, padidina krūvio energijos išeigą: netiesiogiai, dauginantis atspindėtiems neutronams arba tiesiogiai dalijantis krūvio apvalkalo branduoliams greitaisiais neutronais (sintezės metu). Maždaug 40% neutronų, susidarančių dalijimosi ir visų sintezės neutronų, pakanka dalijimuisi 238 U energijos. 238 235 U savaiminio dalijimosi greitis yra 35 kartus didesnis nei 238 U, 5,51 padalos/s⋅kg. Tai neleidžia jo naudoti kaip užtaiso/atšvaito sviedinio patrankos tipo bombose, nes jo tinkama masė (200-300 kg) sukurs per aukštą neutronų foną. Švarus 239 U savitasis radioaktyvumas yra 0,333 mikrokiurie/g. Svarbi šio urano izotopo taikymo sritis yra gamyba 238 Pu. Plutonis susidaro per kelias reakcijas, kurios prasideda po to, kai jį užfiksuoja atomas

U neutronas. Bet kuriame reaktoriaus kure, kurio 235-ajame izotope yra natūralaus arba iš dalies prisodrinto urano, pasibaigus kuro ciklui yra tam tikra plutonio dalis.

Nusodrintasis uranas 235 Po ekstrahavimo 235 U iš natūralaus urano, likusi medžiaga vadinama „nusodrintu uranu“, nes jis išsekęs izotopais 234 U ir 234 U. Sumažintas turinys 235 U (apie 0,001%) sumažina radioaktyvumą beveik perpus, palyginti su gamtiniu uranu, tuo pačiu sumažinant kiekį

U praktiškai neturi įtakos nusodrintojo urano radioaktyvumui. 234 Beveik visas nusodrintasis uranas pasaulyje yra saugomas heksafluorido pavidalu. Jungtinėse Valstijose trijose dujų difuzijos sodrinimo gamyklose yra 560 000 tonų nusodrintojo urano heksafluorido (UF6), o Rusijoje – šimtai tūkstančių tonų. Nusodrintasis uranas yra perpus radioaktyvesnis nei natūralus uranas, daugiausia dėl jo pašalinimo

U. Dėl to, kad pagrindinis urano panaudojimas yra energijos gamyba, branduoliniuose reaktoriuose su šiluminiais neutronais nuskurdintas uranas yra nenaudingas ir mažos ekonominės vertės produktas. Saugos požiūriu yra visuotinai priimta nusodrintojo urano heksafluorido dujas paversti urano oksidu, kuris yra kietas

Sprendimas, kaip šalinti urano oksidą, priklauso nuo to, kaip šalis vertina nusodrintą uraną: kaip radioaktyviąsias atliekas, kurias reikia pašalinti, ar kaip medžiagą, tinkamą tolesniam naudojimui. Pavyzdžiui, JAV dar visai neseniai nusodrintas uranas buvo laikomas žaliava tolesniam naudojimui. Tačiau nuo 2005 m. šis požiūris pradėjo keistis ir dabar Jungtinėse Valstijose galima palaidoti nusodrintą urano oksidą. Prancūzijoje nusodrintas uranas nelaikomas radioaktyviosiomis atliekomis, bet turėtų būti saugomas urano oksido pavidalu. Rusijoje vadovybė Federalinė agentūra Autorius atominė energija mano, kad urano heksafluorido atliekos yra vertinga medžiaga, kuri nėra laidojama. Pradėtas kurti pramoninis įrenginys, skirtas urano heksafluorido atliekas paversti urano oksidu. Manoma, kad susidarę urano oksidai bus saugomi ilgą laiką tolesniam jų naudojimui greitųjų neutronų reaktoriuose arba papildomam jo sodrinimui 235 U seka deginimas šiluminiuose reaktoriuose.

Nusodrintojo urano panaudojimo būdų paieška yra didelis iššūkis sodrinimo įmonėms. Jo naudojimas daugiausia susijęs su didelio tankio uranas ir jo santykinai maža kaina. Du svarbiausi nusodrintojo urano panaudojimo būdai yra apsauga nuo spinduliuotės ir kaip balastas kosminėje erdvėje, pavyzdžiui, valdymo paviršiuose. lėktuvas. Kiekviename Boeing 747 lėktuve yra 1500 kg nusodrintojo urano, skirto šiems tikslams. Nusodrintasis uranas daugiausia naudojamas naftos gręžiniuose smūginių strypų pavidalu (laidinio gręžimo atveju), jo svoris įsuka įrankį į gręžinius, užpildytus gręžimo skysčiu. Ši medžiaga naudojama greitaeigiuose giroskopų rotoriuose, dideliuose smagračiuose, kaip balastas kosminiuose nusileidimo įrenginiuose ir lenktyninėse jachtose.

Tačiau labiausiai žinomas urano panaudojimas yra šarvus pradurtų sviedinių šerdys. Tam tikru lydiniu su kitais metalais ir terminiu apdorojimu (lydymas 2% Mo arba 0,75% Ti, greitas metalo gesinimas, įkaitintas iki 850° vandenyje arba aliejuje, toliau palaikant 450° temperatūroje 5 valandas), urano metalas tampa kietesnis ir stipresnis už plieną (stiprumas esant tarpui > 1600 MPa). Kartu su dideliu tankiu sukietintas uranas itin efektyviai prasiskverbia į šarvus, savo efektyvumu panašų į žymiai brangesnį monokristalinį volframą. Šarvų naikinimo procesą lydi pagrindinės urano dalies susmulkinimas į dulkes, dulkių prasiskverbimas į saugomą objektą ir ten jos užsidegimas. 300 tonų nusodrintojo urano liko mūšio lauke per Dykumos audrą (daugiausia sviedinių liekanos iš A-10 atakos lėktuvo 30 mm GAU-8 pabūklo, kiekviename korpuse yra 272 g urano lydinio). Nusodrintas uranas naudojamas tankų šarvuose, pavyzdžiui, tanke M-1 Abrams (JAV). -4 % masės (2-4 ppm priklausomai nuo regiono), rūgštinėse magminėse uolienose 3,5 10 -4 %, molyje ir skalūnuose 3,2 10 -4 %, bazinėse uolienose 5·10 -5 %, ultramafinėse mantijos uolienose 3·10 -7 %. Urano kiekis 20 km storio litosferos sluoksnyje yra 1,3⋅10 14 Tai yra visų žemės plutą sudarančių uolienų dalis, taip pat yra natūralūs vandenys ir gyvi organizmai. Jis nesudaro storų nuosėdų. Didžioji urano dalis yra rūgštinėse uolienose, kuriose yra daug silicio. Mažiausia urano koncentracija būna ultramafinėse uolienose, didžiausia – nuosėdinėse uolienose (fosforituose ir anglies skalūnuose). Vandenynuose yra 10 10 t urano. Urano koncentracija dirvožemyje svyruoja nuo 0,7 iki 11 ppm (15 ppm žemės ūkio paskirties dirvožemyje, tręšiamoje fosforo trąšomis), jūros vanduo 0,003 ppm.

Urano žemėje nėra laisvos formos. Yra žinoma 100 urano mineralų, kurių U kiekis yra didesnis nei 1%. Maždaug trečdalyje šių mineralų uranas yra keturiavalentis, o likusioje – šešiavalentis. 15 iš šių urano mineralų yra paprasti oksidai arba hidroksilai, 20 yra sudėtingi titanatai ir niobatai, 14 yra silikatai, 17 yra fosfatai, 10 yra karbonatai, 6 yra sulfatai, 8 yra vanadatai, 8 yra arsenatai. Neapibrėžtos urano junginių formos pasitaiko kai kuriuose jūrinės kilmės anglies skalūnuose, lignite ir akmens anglyse, taip pat magminių uolienų tarpkristalinėse plėvelėse. 15 urano mineralų yra pramoninės svarbos.

Pagrindinius urano mineralus dideliuose rūdos telkiniuose sudaro oksidai (urano pikis, uraninitas, koffinitas), vanadatai (karnotitas ir tiuyamunitas) ir sudėtingi titanatai (branneritas ir daviditas). Titanatai taip pat yra pramoninės reikšmės, pavyzdžiui, branneritas UTi 2 O 6 , silikatai – kofinitas U 1-x (OH) 4x , tantalono batai ir hidratuoti fosfatai bei uranilo arsenatai – urano žėručiai. Uranas nėra gamtoje kaip natūralus elementas. Dėl to, kad uranas gali egzistuoti keliais oksidacijos etapais, jis randamas labai įvairioje geologinėje aplinkoje.

Urano panaudojimas

Išsivysčiusiose šalyse urano gavyba daugiausia skirta daliųjų nuklidų gamybai. 235 U ir 233 U, 239 Pu) - pramoninių reaktorių kuras, skirtas tiek ginklų nuklidams, tiek branduolinių ginklų komponentams gaminti (atominės bombos ir sviediniai strateginiams ir taktiniams tikslams, neutroninės bombos, paleidikliai vandenilinės bombos ir tt). Atominėje bomboje koncentracija 235 U viršija 75%. Likusioje pasaulio dalyje urano metalas arba jo junginiai naudojami kaip branduolinis kuras energetikos ir mokslinių tyrimų branduoliniuose reaktoriuose. Stacionariuose atominių elektrinių reaktoriuose naudojamas natūralus arba mažai prisodrintas urano izotopų mišinys, produktas aukštas laipsnis sodrinimas - atominėse elektrinėse (šilumos, elektros ir mechaninės energijos, spinduliuotės ar šviesos šaltiniai) arba reaktoriuose, kuriuose veikia greitieji neutronai. Reaktoriuose dažnai naudojamas legiruotas ir nelegiruotas uranas. Tačiau kai kurių tipų reaktoriuose kuras naudoja kietų junginių pavidalu (pavyzdžiui, UO 2 ), taip pat vandeniniai urano junginiai arba skystas urano lydinys su kitu metalu.

Pagrindinis urano panaudojimas yra branduolinio kuro gamyba atominėms elektrinėms. Slėginio vandens branduoliniam reaktoriui, kurio instaliuota galia yra 1400 MW, reikia 225 tonų gamtinio urano per metus, kad būtų pagaminta 50 naujų kuro elementai, kurie keičiami į atitinkamą panaudotų kuro strypų skaičių. Norint pakrauti šį reaktorių, reikia apie 130 tonų SWU (atskyrimo darbo vieneto) ir 40 mln. USD išlaidų per metus. Urano-235 koncentracija branduolinio reaktoriaus kure yra 2–5%.

Urano rūdos vis dar yra įdomios iš jų išgaunant radį (kurio yra maždaug 1 g 3 tonose rūdos) ir kai kuriuos kitus natūralius radionuklidus. Urano junginiai naudojamas stiklo pramonėje akiniams dažyti raudonai arba žaliai arba suteikti jiems gražų žalsvai gelsvą atspalvį. Jie taip pat naudojami fluorescencinių stiklų gamyboje: nedidelis urano priedas suteikia stiklui gražią geltonai žalią fluorescenciją.

Iki devintojo dešimtmečio odontologai plačiai naudojo natūralų uraną, įskaitant keramiką, o tai leido jiems pasiekti natūralią spalvą ir sukelti originalią fluorescenciją protezuose ir vainikuose. (Urano žandikaulis padaro jūsų šypseną šviesesnę!) Originaliame 1942 m. patente rekomenduojamas 0,1 % urano kiekis. Vėliau natūralus uranas buvo pakeistas nusodrintu uranu. Tai turėjo du privalumus – pigiau ir mažiau radioaktyvaus. Uranas taip pat buvo naudojamas lempų gijose, taip pat odos ir medienos pramonėje kaip dažiklių komponentas. Urano druskos naudojamos vilnai ir odai skirtuose kandikliuose ir beicavimo tirpaluose. Uranilo acetatas ir uranilo formiatas naudojami kaip elektronus sugeriančios dekoratyvinės medžiagos transmisijos elektronų mikroskopijoje, siekiant padidinti plonų biologinių objektų pjūvių kontrastą, nudažyti virusus, ląsteles ir makromolekules.

Na 2 U 2 O 7 tipo uranatai („geltonasis uranilas“) naudojami kaip pigmentai keraminėms glazūroms ir emaliams (gelsvos, žalios ir juodos spalvos, priklausomai nuo oksidacijos laipsnio). Na 2 U 2 O 7 taip pat naudojami kaip geltoni dažai tapyboje. Kai kurie urano junginiai yra jautrūs šviesai. Dvidešimtojo amžiaus pradžioje uranilo nitratas buvo plačiai naudojamas kaip vibruojanti medžiaga negatyvams sustiprinti ir atspalvinti fotografijos atspaudams (pozityvus nuspalvinti ruda arba ruda). Uranilo acetatas UO 2 (H 3 COOH) 2 naudojamas analitinėje chemijoje – susidaro netirpi druska su natriu. Fosforo trąšose yra gana daug urano. Metalas uranas naudojamas kaip taikinys rentgeno vamzdeliuose, skirtuose didelės energijos rentgeno spinduliams generuoti.

Kai kurios urano druskos naudojamos kaip katalizatoriai cheminėse reakcijose, tokiose kaip aromatinių angliavandenilių oksidacija, augalinio aliejaus dehidratacija ir kt. Karbidas 235 U lydinyje su niobio karbidu ir cirkonio karbidu naudojamas kaip kuras branduoliniams reaktyviniams varikliams (darbinis skystis – vandenilis + heksanas). Geležies ir nusodrintojo urano lydiniai ( 238 U) yra naudojamos kaip galingos magnetostrikcinės medžiagos.

Šalies ūkyje nusodrintasis uranas naudojamas orlaivių atsvarų ir medicininės radioterapijos įrangos antiradiacinių ekranų gamyboje. Iš nusodrinto urano gaminami transportavimo konteineriai, skirti vežti radioaktyviuosius krovinius ir branduolines atliekas, taip pat produktai, skirti patikimai biologinei apsaugai (pavyzdžiui, apsauginiai ekranai). Kalbant apie γ spinduliuotės sugertį, uranas yra penkis kartus efektyvesnis už šviną, o tai leidžia žymiai sumažinti apsauginių ekranų storį ir sumažinti radionuklidams transportuoti skirtų konteinerių tūrį. Betonas nusodrintojo urano oksido pagrindu naudojamas vietoj žvyro kuriant sausas radioaktyviųjų atliekų saugyklas.

Nusodrintasis uranas yra perpus radioaktyvesnis nei natūralus uranas, daugiausia dėl jo pašalinimo 234 U. Jis naudojamas šarvuotajam plienui legiruoti, ypač siekiant pagerinti sviedinių šarvus pramušimo savybes. Legiruojant su 2% Mo arba 0,75% Ti ir termiškai apdorojant (greitas metalo gesinimas, įkaitintas iki 850°C vandenyje arba aliejuje, toliau išlaikant 450° temperatūroje 5 valandas), urano metalas tampa kietesnis ir stipresnis už plieną (tempiamasis stipris didesnis). nei 1600 MPa, nepaisant to, kad gryno urano atveju jis yra 450 MPa). Kartu su dideliu tankiu sukietėjusio urano luitas tampa ypač ryškus veiksmingomis priemonėmis skvarbiems šarvams, savo efektyvumu panašaus į brangesnį volframą. Sunkusis urano antgalis taip pat keičia sviedinio masės pasiskirstymą, pagerindamas jo aerodinaminį stabilumą. Tokiam sviediniui (pavyzdžiui, urano lydiniui su titanu) pataikius į šarvus, jis nelūžta, o tarsi paaštrina, o tai pasiekia didesnį įsiskverbimą. Šarvų sunaikinimo procesą lydi urano kiaulės susmulkinimas į dulkes ir užsiliepsnojimo ore bako viduje. Nusodrintas uranas naudojamas šiuolaikiniuose tankų šarvuose.

Pridėjus nedidelį urano kiekį į plieną, padidėja jo kietumas, nepadaromas trapus ir padidėja atsparumas rūgštims. Ypatingai atsparus rūgštims, net ir vandens regio atžvilgiu, yra urano ir nikelio lydinys (66 % urano ir 33 % nikelio), kurio lydymosi temperatūra yra 1200 O . Nusodrintas uranas taip pat naudojamas kaip balastas aviacijos ir kosmoso srityse, pavyzdžiui, orlaivių valdymo paviršiuose. Ši medžiaga naudojama greitaeigiuose giroskopų rotoriuose, dideliuose smagračiuose, kaip balastas kosminiuose tūpimo įrenginiuose ir lenktyninėse jachtose bei naftos gręžiniuose.

Kaip jau minėta, urano atominės bombos mūsų laikais nėra gaminamos. Tačiau šiuolaikinėse plutonio bombose 238 U (įskaitant nusodrintą uraną) vis dar naudojamas. Jis sudaro krūvio apvalkalą, atspindintį neutronus ir pridedant inerciją plutonio krūviui suspausti sprogdinimo schemoje. Tai žymiai padidina ginklo efektyvumą ir sumažina kritinę masę (t. y. sumažina plutonio kiekį, reikalingą skilimo grandininei reakcijai sukurti). Nusodrintas uranas taip pat naudojamas vandenilinėse bombose, supakuojant jį į termobranduolinį krūvį, nukreipiant stiprų itin greitų neutronų srautą į branduolio dalijimąsi ir taip padidinant ginklo energijos išeigą. Tokia bomba garbei vadinama dalijimosi-sintezės-skilimo ginklu trys etapai sprogimas. Dauguma energijos išeiga kai toks ginklas sprogsta, jis patenka būtent į padalijimą 238 U, gaminantis didelį kiekį radioaktyvių produktų. Pavyzdžiui, 77% energijos per vandenilinės bombos sprogimą Ivy Mike bandymo metu (1952 m.), kurios galia buvo 10,4 megatonos, buvo gauta iš skilimo procesų urano apvalkale. Kadangi nusodrintas uranas neturi kritinės masės, jo galima dėti į bombą neribotais kiekiais. Sovietų vandenilinėje bomboje (caro Bomba - Kuzkinos motina), kuri 1961 m. sprogo Novaja Zemlijoje, kurios išeiga buvo „tik“ 50 megatonų, 90% derliaus buvo dėl reakcijos. termobranduolinė sintezė, nes apvalkalas pagamintas iš 238 Paskutiniame sprogimo etape U buvo pakeistas švinu. Jei apvalkalas būtų pagamintas (kaip buvo surinktas pradžioje) iš 238 U, tada sprogimo galia viršijo 100 megatonų, o radioaktyvūs krituliai sudarė 1/3 visų pasaulio branduolinio ginklo bandymų.

Natūralūs urano izotopai buvo naudojami geochronologijoje absoliučiam uolienų ir mineralų amžiui matuoti. Dar 1904 metais Ernestas Rutherfordas atkreipė dėmesį į tai, kad Žemės ir seniausių mineralų amžius yra tokio paties dydžio kaip urano pusinės eliminacijos laikas. Tuo pačiu metu jis pasiūlė nustatyti jo amžių pagal helio ir urano kiekį, esantį tankioje uolienoje. Tačiau netrukus paaiškėjo metodo trūkumas: itin judrūs helio atomai lengvai difunduoja net tankiose uolienose. Jie prasiskverbia į aplinkinius mineralus, o šalia pirminio urano branduolių helio lieka žymiai mažiau nei turėtų būti pagal įstatymus. radioaktyvus skilimas. Todėl uolienų amžius apskaičiuojamas pagal urano ir radiogeninio švino – galutinio urano branduolių skilimo produkto – santykį. Kai kurių objektų, pavyzdžiui, žėručio, amžių nustatyti dar lengviau: medžiagos amžius proporcingas joje suyrančių urano atomų skaičiui, kurį nulemia pėdsakų – pėdsakų, paliktų medžiagoje fragmentų. . Remiantis urano koncentracijos ir takelio koncentracijos santykiu, galima apskaičiuoti bet kurio senovinio lobio (vazų, papuošalų ir kt.) amžių. Geologijoje netgi buvo išrastas specialus terminas „urano laikrodis“. Urano laikrodis yra labai universalus instrumentas. Urano izotopų yra daugelyje uolienų. Urano koncentracija žemės pluta vidurkis – trys milijoninės dalys. To pakanka išmatuoti urano ir švino santykį, o tada, naudojant radioaktyvaus skilimo formules, apskaičiuoti laiką, kuris praėjo nuo mineralo kristalizacijos. Urano-švino metodu buvo galima išmatuoti seniausių mineralų amžių, o naudojant meteoritų amžių, jie nustatė Žemės planetos gimimo datą. Taip pat žinomas amžius mėnulio dirvožemis. Jauniausi mėnulio dirvožemio gabalai yra senesni už seniausius sausumos mineralus.

Branduolinė energija kariniams tikslams Smith Henry Dewolf

GRANDINĖS REAKCIJOS PROBLEMA

GRANDINĖS REAKCIJOS PROBLEMA

2.3. Atominių bombų ar urano dalijimąsi naudojančios elektrinės veikimo principas yra gana paprastas. Jei vienas neutronas sukelia skilimą, išskiriantį kelis naujus neutronus, skilimų skaičius gali padidėti itin greitai ir išsiskirti milžiniški energijos kiekiai (3 pav.). Nustatyta tokio padidėjimo galimybė santykinė tikimybė daug procesų. Skilimo metu išsiskiriantys neutronai gali būti išmesti iš erdvės, kurią užima uranas, gali būti užfiksuoti urano procese, vedančioje į dalijimąsi, arba gali būti užfiksuoti pašalinių priemaišų. Taigi klausimas, ar grandininė reakcija išsivystys, ar ne, priklauso nuo keturių procesų konkurencijos rezultato:

(1) neutronų išmetimas iš urano, (2) neutronų gaudymas uranu be dalijimosi, (3) neutronų gaudymas priemaišomis (4) neutronų surinkimas uranu su dalijimu.

Jei neutronų praradimas per pirmuosius tris procesus yra mažesnis nei neutronų, išsiskiriančių ketvirtajame, įvyksta grandininė reakcija; kitaip tai neįmanoma. Akivaizdu, kad bet kuris iš pirmųjų trijų procesų tam tikrame susitarime gali turėti tokią didelę tikimybę, kad dalijimosi metu išsiskiriančių neutronų perteklius negali užtikrinti reakcijos tęstinumo. Pavyzdžiui, tuo atveju, kai procesas (2) - urano surinkimas be dalijimosi - turi daug didesnę tikimybę nei gaudymas su dalijimu, grandininė reakcija neįmanoma.

2.4. Papildomas sunkumas yra tas, kad natūralų uraną sudaro trys izotopai: U-234, U-235 ir U-238, kurių yra atitinkamai maždaug 0,006, 0,7 ir 99,3%. Jau matėme, kad (2) ir (4) procesų tikimybės skirtingiems izotopams yra skirtingos. Taip pat matėme, kad šios tikimybės skiriasi neutronams, turintiems skirtingą energiją.

Ryžiai. 3. Grandininės dalijimosi reakcijos schema, neatsižvelgiant į neutronų greičių įtaką. Sprogstamosios reakcijos metu neutronų skaičius didėja neribotai. IN kontroliuojama reakcija neutronų skaičius padidėja iki tam tikro lygio ir tada išlieka pastovus.

Ryžiai. 4. Grandininės dalijimosi reakcijos, naudojant moderatorių, lėtinant neutronus iki greičio, kuriuo jie gali sukelti dalijimąsi, schema.

2.5. Dabar panagrinėkime pirmųjų trijų procesų keliamus apribojimus ir priemones, kuriomis galima sumažinti jų įtaką.

NEUTRONŲ EMISIJA IŠ URANO; KRITINĖS MATMENYS

2.6. Santykinį neutronų, išeinančių iš urano, skaičių galima sumažinti keičiant dydį ir formą. Sferoje paviršiaus efektai yra proporcingi kvadratui, o tūriniai – spindulio kubui. Neutronų emisija iš urano yra paviršiaus efektas, priklausantis nuo paviršiaus dydžio; skilimo gaudymas vyksta visame medžiagos užimamame tūryje, todėl tai yra tūrinis efektas. Kuo didesnis urano kiekis, tuo mažesnė tikimybė, kad neutronų emisija iš urano tūrio nusvers skilimo gaudykles ir trukdys grandininei reakcijai. Neutronų praradimas fiksuojant neskilimą yra tūrio efektas, panašus į neutronų išsiskyrimą fiksuojant dalijimąsi, todėl padidinus dydį, santykinė jų svarba nekeičiama.

2.7. Įtaiso, kuriame yra urano, kritinius matmenis galima apibrėžti kaip matmenis, kuriems esant dalijimosi metu išsiskiriančių neutronų skaičius yra tiksliai lygus jų praradimui dėl pabėgimo ir gaudymo be dalijimosi. Kitaip tariant, jei matmenys yra mažesni nei kritiniai, tada pagal apibrėžimą grandininė reakcija negali išsivystyti. Iš esmės jau 1940 metais buvo galima nustatyti kritinius matmenis, tačiau netikslumas nustatant konstantas, būtinas skaičiavimui, buvo beveik toks didelis, kad skirtingi jų įverčiai skyrėsi vienas nuo kito labai plačiose ribose. Negalima atmesti galimybės, kad kritiniai matmenys gali būti per dideli praktiniais tikslais. Net ir dabar numatomų įrenginių įvertinimai kartkartėmis keičiasi tam tikrose ribose, kai atsiranda naujų duomenų.

NAUDOJANT GREIŠKĮ, KAD SUMAŽINTI GRIEBUČIŲ SKAIČIŲ NEDARYTI

2.8. I skyriuje konstatavome, kad šiluminiai neutronai turi didžiausią U-235 dalijimosi tikimybę ir kad dalijimosi metu išsiskiriantys neutronai turi didelį greitį.

Žinoma, būtų per daug supaprastinta sakyti, kad grandininė reakcija gali tęstis, kai dalijimasis išskiria daugiau neutronų nei yra absorbuojama. Iš tiesų, surinkimo dalijimosi ir gaudymo be dalijimosi tikimybė priklauso nuo neutronų greičių. Deja, greitis, kuriuo užfiksuotas be dalijimosi, greičiausiai yra tarp dalijimosi metu išmetamų neutronų greičio ir greičio, kuriuo greičiausiai užfiksuotas dalijimasis.

2.9. Keletą metų iki dalijimosi atradimo visuotinai priimtas būdas sulėtinti neutronus buvo priversti juos prasiskverbti per mažos atominės masės medžiagą, pavyzdžiui, medžiagą, kurioje yra vandenilio. Lėtėjimo procesas – tai elastingo dalelės susidūrimo su dideliu greičiu ir praktiškai ramybės būsenos dalelės procesas. Kuo neutrono masė arčiau masės paveikta dalelė, tuo didesnę savo kinetinės energijos dalį praranda neutronas. Todėl lengvieji elementai yra veiksmingiausi kaip „moderatoriai“, tai yra medžiagos, mažinančios neutronų greitį.

2.10. Daugelis fizikų manė, kad būtų įmanoma sumaišyti uraną su moderatoriumi, kad greitieji neutronai per laiką nuo jų išsiskyrimo iš urano dalijimosi iki susidūrimo su urano branduoliais galėtų sumažinti savo greitį iki vertės, mažesnės už greitį, kuriam esant yra tikimybė. gaudymas be dalijimosi yra labai didelis. Geras moderatorius turi turėti mažą atominį svorį ir neturėti tendencijos sugerti neutronus. Litis ir boras netenkina antrojo reikalavimo. Helį sunku naudoti, nes jis yra dujos ir nesudaro jokių junginių. Todėl norint pasirinkti moderatorių, likusios parinktys yra vandenilis, deuteris, berilis ir anglis. Net ir dabar negalima atmesti nė vienos iš šių medžiagų. Pasiūlymą naudoti grafitą kaip moderatorių pateikė E. Fermi ir L. Szilard.

TINKLELIO NAUDOJIMAS GRIEBULIŲ SKAIČIUI SUMAŽINTI BE DALYJIMO

2.11. Bendra moderatoriaus, sumaišyto su uranu, naudojimo schema yra gana akivaizdi. Specialų moderatoriaus naudojimo būdą pirmą kartą pasiūlė JAV, kiek mums žinoma, Fermi ir Szilard. Idėja buvo panaudoti urano gabalėlius reikšmingas dydis, įtrauktas į moderatoriaus medžiagą erdvinės gardelės pavidalu. Tokia sistema turi didelių pranašumų vienalytis mišinys. Tiksliau nustačius konstantas, tapo įmanoma teoriškai apskaičiuoti efektyviausią gardelės tipą.

SUMAŽINIMAS UŽGAVIMŲ SKAIČIUS NESKAITANT IZOTOPŲ ATSkyrimo

2.12. I skyriuje buvo nustatyta, kad neutronams tam tikrame greičio diapazone (atitinka kelių elektronų voltų energijas) U-238 turi didelį gaudymo skerspjūvį U-239 susidarymui, bet ne dalijimuisi. Taip pat yra didelė neelastingų (t. y. neužfiksuojamų) greitųjų neutronų susidūrimų su U-238 branduoliais tikimybė. Taigi U-238 buvimas sumažina greitųjų neutronų greitį ir neutronų absorbciją esant vidutiniam greičiui. Nors gali pasitaikyti ir U-235 gaudymo be dalijimosi atvejų, vis tiek aišku, kad jei galėtume atskirti U-235 nuo U-238 ir atsikratyti U-238, galėtume sumažinti gaudymų be dalijimosi skaičių. , kad išsivystytų grandininė reakcija. Greitųjų neutronų U-235 dalijimosi tikimybė gali būti pakankamai didelė, kad pašalinus U-238 nebereikėtų naudoti moderatoriaus.

Deja, gamtiniame urane U-235 yra tik maždaug 1:140 santykiu, o palyginti mažas masių skirtumas tarp dviejų izotopų apsunkina atskyrimą. 1940 m. dideliu mastu izotopų atskyrimas buvo atliktas tik vandeniliui, kurio dviejų izotopų masių santykis yra 1:2. Tačiau galimybė U-235 atskirti nuo paprasto urano buvo pripažinta labai svarbia nuo pat pradžių, o urano izotopų atskyrimas tapo viena iš dviejų pagrindinių pastangų per ateinančius penkerius metus.

MEDŽIAGŲ GAMYBA IR VALYMAS

2.13. Aukščiau buvo nustatyta, kad skirtingų medžiagų neutronų gaudymo skerspjūvis skiriasi labai plačiu diapazonu.

Kai kuriems jis yra labai didelis, palyginti su didžiausiu urano skerspjūviu. Norint atlikti grandininę reakciją, būtina sumažinti neutronų gaudymą priemaišomis iki tokios vertės, kad ji negalėtų turėti reikšmingo poveikio. Tam reikia labai kruopščiai išvalyti urano metalą ir moderatorių. Skaičiavimai rodo, kad didžiausios leistinos daugelio mikroelementų koncentracijos yra kelios milijoninės dalys ir uranui, ir moderatoriui. Jei prisiminsime, kad iki 1940 m. visa urano metalo gamyba JAV siekė ne daugiau kaip kelis gramus abejotino grynumo medžiagos, kad visas JAV iškasamo berilio metalo kiekis siekė tik kelis svarus, kad visa koncentruoto deuterio gamyba siekė ne daugiau kaip kelis svarus, o anglis niekada nepasiekė Tai nebuvo pagaminta tokiais kiekiais ir tokiu grynumo laipsniu, kokio reikia moderatoriui - paaiškės, kad gamybos ir valymo problema medžiagos buvo labai svarbios.

GRANDINĖS REAKCIJOS KONTROLĖ

2.14. Visos aukščiau aptartos problemos yra susijusios tik su grandininės reakcijos įgyvendinimu. Jei norima rasti tinkamą tokios reakcijos panaudojimą, reikia mokėti ją kontroliuoti. Valdymo problema keliama skirtingai, priklausomai nuo to, ko norime pasiekti: laipsniško energijos išsiskyrimo ar sprogimo. Nepertraukiamai atominei energijai gaminti reikalinga lėta neutronų grandininė reakcija urano ir moderatoriaus mišinyje, o atominei bombai reikalinga greita neutronų grandininė reakcija, kuri vyksta U-235 arba Pu?239, nors gali įvykti abiejų tipų dalijimasis. Net 1940 m. atrodė tikėtina, kad naudojant medžiagas, kurios sugeria neutronus, bus galima suvaldyti grandininę reakciją. Taip pat atrodė visiškai aišku, nors ir ne visiškai aišku, kad tokia grandininė reakcija turėtų būti savaime ribojama dėl mažesnės sugavimo tikimybės, po kurios įvyksta skilimas, kai pasiekiama aukšta temperatūra. Tačiau buvo įmanoma, kad grandininė reakcija taps nekontroliuojama, todėl atrodė būtina atlikti grandininės reakcijos eksperimentus negyvenamose vietose.

PRAKTINIS GRANDINĖS REAKCIJOS TAIKYMAS

2.15. Iki šiol nagrinėjome, kaip galima sukurti ir valdyti branduolinę grandininę reakciją, nepaliečiant, kaip ją panaudoti. Technologinis atotrūkis tarp kontroliuojamos grandininės reakcijos sukūrimo ir jos panaudojimo kaip galingo energijos šaltinio arba sprogstamasis panašus į atotrūkį, kuris egzistavo tarp gaisro atradimo ir garvežių gamybos.

2.16. Nepaisant to, kad energijos gamyba niekada nebuvo pagrindinis šių darbų tikslas, pakankamai dėmesio buvo skirta pagrindiniam sunkumui – darbo režimo aukštoje temperatūroje nustatymui – išaiškinti. Veiksmingas šilumos variklis turi būti ne tik šilumos šaltinis, bet ir jį plėtoti esant aukštai temperatūrai. Vykdant grandininę reakciją aukštoje temperatūroje ir paverčiant šilumą į naudingo darbo daug sunkiau nei atlikti grandininę reakciją žemoje temperatūroje.

2.17. Nepakanka įrodyti, kad gali įvykti grandininė reakcija, kad branduolinė energija būtų veiksminga bombose. Kad būtų sukurtas efektyvus sprogimas, grandininė reakcija turi išsivystyti itin greitai; kitu atveju tik nedidelė suma branduolinė energija bus panaudotas prieš sprogstant bombai ir sustojus reakcijai. Taip pat būtina užkirsti kelią priešlaikiniam sprogimui. Ši visiško „detonavimo“ problema buvo ir tebėra viena iš labiausiai paplitusių sunkių problemų kai sukuriama itin efektyvi atominė bomba.

PLUTONIO NAUDOJIMO GALIMYBĖS

2.18. Iki šiol buvo svarstomos tik paties urano panaudojimo galimybės. Jau minėjome pasiūlymą, kad elementas, kurio atominis skaičius 94 ir masė 239, paprastai vadinamas plutoniu, galėtų būti labai efektyvus. Iš tiesų, dabar žinoma, kad jo vertė yra artima gryno U-235. Minėjome U-235 atskyrimo nuo įprastesnio izotopo U-238 sunkumus. Šie du izotopai yra chemiškai, žinoma, yra identiški. Tačiau plutonis, nors ir pagamintas iš U-238, yra chemiškai skirtingas elementas. Todėl, jei U-238 pavertimo plutoniu procesas yra įmanomas, cheminis plutonio atskyrimas nuo urano gali būti praktiškesnis nei izotopų U-235 ir U-238 atskyrimas.

2.19. Tarkime, kad mums pavyko sukurti valdomą grandininę reakciją paprasto urano ir moderatoriaus, pavyzdžiui, anglies grafito, gardelėje. Tada, vykstant grandininei reakcijai, U-235 dalijimasis išskiria neutronus, ir daugelį jų U-238 sugeria. Dėl to susidaro U-239, kurio kiekvienas atomas spinduliuoja ? -dalelė, virsta neptūnu (93 Np 239). Neptūnas savo ruožtu skleidžia ? - dalelė, virsta plutoniu (94 Pu 239); šis paskutinis po ? -skilimas vėl virsta U-235, bet taip lėtai, kad praktiškai gali būti laikomas stabiliu elementu (žr. 1 pav.). Jei po ilgos reakcijos bus išskirtas metalų mišinys, plutonį bus galima išskirti cheminiais metodais ir, išvalius, panaudoti sprogstamojoje dalijimosi grandininėje reakcijoje.

TURTINGI KATILAI

2.20. Kalbėjome apie tris būdus, kaip padidinti grandininės reakcijos galimybę: naudojant moderatorių, gauti didelio grynumo medžiagas, naudojant specialias medžiagas, tokias kaip U-235 arba Pu?239. Šie trys metodai vienas kito nepaneigia, todėl buvo pasiūlyta daug schemų, naudojant nedidelius izoliuoto U-235 arba Pu239 kiekius grotelėse, kurias daugiausia sudaro paprastas uranas arba urano oksidas ir moderatorius arba du skirtingi moderatoriai. Šie įrenginiai dažniausiai vadinami „turtingais katilais“.

autorius Dmitrijevas Aleksejus Nikolajevičius

Iš knygos Fizinė chemija: paskaitų konspektai autorius Berezovčiukas A. V

2. Cheminės reakcijos izotermos lygtis Jei reakcija vyksta grįžtamai, tai G = 0. Jei reakcija vyksta negrįžtamai? 0 ir pokytį galima apskaičiuoti?G. Kur? – reakcijos diapazonas – reikšmė, parodanti, kiek molių pasikeitė reakcijos metu. I sp – charakterizuoja

Iš knygos „Naujausia faktų knyga“. 3 tomas [Fizika, chemija ir technologijos. Istorija ir archeologija. Įvairūs] autorius Kondrašovas Anatolijus Pavlovičius

3. Izochorų lygtys, cheminės reakcijos izobarai K priklausomybė nuo temperatūros Izobarų lygtis: Izochorų lygtis: Pagal jas galima spręsti apie tekėjimo kryptį

Iš knygos Neutrino – vaiduokliška atomo dalelė pateikė Isaacas Asimovas

2. Veiksniai, turintys įtakos cheminės reakcijos greičiui: 1) reagentų koncentracija 3) katalizatorius: 1) reagentų tiekimo į sąsają greitis; ) kvadratas

Iš knygos Penkios neišspręstos mokslo problemos pateikė Wiggins Arthur

Iš knygos Branduolinė energija kariniams tikslams autorius Smithas Henris Dewolfas

Branduolinės reakcijos ir elektros krūvis Kai 1990-aisiais fizikai pradėjo aiškiau suprasti atomo sandarą, jie išsiaiškino, kad bent kai kurios jo dalys turi elektros krūvį. Pavyzdžiui, elektronai, užpildantys išorines atomo sritis

Iš knygos Fizikos istorijos kursas autorius Stepanovičius Kudrjavcevas Pavelas

Masės kilmės problema, žinoma kaip Higso lauko problema 1964 m. škotų fizikas Peteris HIGGSas ir kiti, remdamiesi grynai matematiniais samprotavimais, padarė prielaidą, kad egzistuoja visur esantis laukas, vėliau vadinamas Higso lauku. Visi bendraujantys su lauku

Iš knygos 50 metų sovietinė fizika autorius Leshkovcevas Vladimiras Aleksejevičius

3 skyrius. Chemija. Kokios cheminės reakcijos paskatino atomus susiformuoti pirmiesiems gyviems dalykams? Dabar kalbėti apie gyvybės kilmę yra visiška nesąmonė; su tokia pat sėkme būtų galima kalbėti apie materijos kilmę Iš C. Darwino laiško J. D. Hookeriui kovo 29 d

Iš knygos The King's New Mind [Apie kompiuterius, mąstymą ir fizikos dėsnius] pateikė Penrose Roger

Iš knygos Kam užkrito obuolys autorius Keselmanas Vladimiras Samuilovičius

BRANDUOLINĖS REAKCIJOS BRANDUOLINIO BOMBARDAVIMO METODAI1.40. Cockroft ir Walton gavo pakankamai protonų puiki energija jonizuojant vandenilio dujas ir vėliau jonus pagreitinant aukštos įtampos įrenginiu su transformatoriumi ir lygintuvu. Panašus metodas gali būti

Iš autorės knygos

REAKCIJOS PRODUKTAI IR ATSKYRIMO PROBLEMA 8.16. Hanfordo gamykloje plutonio gamybos procesas yra padalintas į dvi pagrindines dalis: faktinis jo gamyba katile ir atskyrimas nuo urano blokų, kuriuose jis susidaro. Pereikime prie antrosios proceso dalies.

Iš autorės knygos

4 priedas. Pirmasis katilas su savaeige grandinine reakcija VI skyriuje buvo trumpai aprašyta pirmojo katilo su savaime sklindančia grandinine reakcija konstrukcija ir veikimas. Nors dėl slaptumo kol kas turime susilaikyti nuo detalių pateikimo, toliau

Iš autorės knygos

Branduolio dalijimosi grandininės reakcijos įgyvendinimas Dabar visa jėga iškilo dalijimosi grandininės reakcijos ir galimybės gauti destruktyvios sprogstamosios dalijimosi energijos klausimas. Ši problema lemtingai susipynė su rugsėjo 1-ąją nacistinės Vokietijos pradėtu pasauliniu karu

Iš autorės knygos

KONTROLIUOJAMOS TERMONBRUODULINĖS REAKCIJOS Nekontroliuojamos termobranduolinės reakcijos vyksta sprogstant vandenilinėms bomboms. Dėl jų išsiskiria didžiulis branduolinės energijos kiekis, lydimas itin destruktyvaus sprogimo. Dabar mokslininkų užduotis – ieškoti būdų

Iš autorės knygos

Iš autorės knygos

Skilimo reakcijos labirintuose 1938 metais vokiečių mokslininkai Otto Hahnas ir Fritzas Strassmannas (1902–1980) padarė nuostabų atradimą. Jie atrado, kad bombarduojant uraną neutronais kartais susidaro branduoliai, kurie buvo maždaug dvigubai lengvesni už pradinį urano branduolį. Toliau

1934 metais E. Fermis nusprendė gauti transurano elementus apšvitindamas 238 U neutronais. E. Fermio idėja buvo tokia, kad dėl izotopo 239 U skilimo β - susidaro cheminis elementas, kurio atominis skaičius Z = 93. Tačiau 93-iojo elemento susidarymo nustatyti nepavyko. Vietoj to, O. Hahn ir F. Strassmann atliktos radioaktyviųjų elementų radiocheminės analizės rezultatai parodė, kad vienas iš urano švitinimo neutronais produktų yra baris (Z = 56) – vidutinės atominės masės cheminis elementas. , o pagal Fermi teorijos prielaidą turėjo būti gauti transurano elementai.
L. Meitneris ir O. Frischas pasiūlė, kad urano branduoliui užfiksavus neutroną, sudėtinis branduolys subyra į dvi dalis.

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Urano dalijimosi procesą lydi antrinių neutronų atsiradimas (x > 1), galinčių sukelti kitų urano branduolių dalijimąsi, o tai atveria galimybę įvykti dalijimosi grandininei reakcijai – vienas neutronas gali sukelti šakotą urano branduolių dalijimosi grandinė. Tokiu atveju suskilusių branduolių skaičius turėtų padidėti eksponentiškai. N. Bohr ir J. Wheeler apskaičiavo kritinę energiją, reikalingą 236 U branduoliui, susidariusiam dėl neutronų gaudymo 235 U izotopu, suskilti. Ši vertė yra 6,2 MeV, o tai yra mažesnė už 235 U šiluminio neutrono gaudymo metu susidariusio 236 U izotopo sužadinimo energiją labiausiai paplitęs izotopas 238 U, kritinė energija yra 5,9 MeV, o užfiksavus šiluminį neutroną, gauto 239 U branduolio sužadinimo energija yra tik 5,2 MeV. Todėl gamtoje labiausiai paplitusio izotopo 238 U skilimo grandininė reakcija, veikiant šiluminiams neutronams, pasirodo neįmanoma. Vieno dalijimosi metu išsiskiria ≈ 200 MeV energija (palyginimui, cheminių degimo reakcijų metu per vieną reakcijos įvykį išsiskiria ≈ 10 eV energija). Galimybė sudaryti sąlygas dalijimosi grandininei reakcijai atvėrė perspektyvas panaudoti grandininės reakcijos energiją kuriant atominius reaktorius ir atominius ginklus. Pirmąjį atominį reaktorių 1942 m. pastatė E. Fermis JAV. SSRS pirmasis branduolinis reaktorius, vadovaujant I. Kurchatovui, buvo paleistas 1946 m. ​​1954 m. Obninske pradėjo veikti pirmoji pasaulyje atominė elektrinė. Šiuo metu elektros energija gaminama maždaug 440 branduolinių reaktorių 30 šalių.
1940 metais G. Flerovas ir K. Petržakas atrado savaiminį urano skilimą. Eksperimento sudėtingumą liudija šie skaičiai. Dalinis pusinės eliminacijos laikas, palyginti su savaiminiu 238 U izotopo skilimu, yra 10 16 – 10 17 metų, o 238 U izotopo skilimo laikotarpis yra 4,5∙10 9 metai. Pagrindinis 238 U izotopo skilimo kanalas yra α skilimas. Norint stebėti 238 U izotopo savaiminį skilimą, reikėjo užregistruoti vieną dalijimosi įvykį 10 7 –10 8 α skilimo įvykių fone.
Savaiminio dalijimosi tikimybę daugiausia lemia dalijimosi barjero pralaidumas. Savaiminio dalijimosi tikimybė didėja didėjant branduolio krūviui, nes šiuo atveju padalijimo parametras Z 2 /A didėja. Izotopuose Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, vyrauja simetriškas skilimas, kai susidaro vienodos masės fragmentai. Didėjant branduolio krūviui, didėja savaiminio dalijimosi dalis, palyginti su α-skilimu.

Izotopas	Pusė gyvenimas	Skilimo kanalai
235U	7.04·10 8 metai	α (100 %), SF (7,10 -9 %)
238 U	4,47 10 9 metai	α (100 %), SF (5,5,10 -5 %)
240 Pu	6,56·10 3 metai	α (100 %), SF (5,7,10 -6 %)
242 Pu	3,75 10 5 metai	α (100 %), SF (5,5,10 -4 %)
246 cm	4,76·10 3 metai	α (99,97 %), SF (0,03 %)
252 Plg	2,64 metų	α (96,91 %), SF (3,09 %)
254 Plg	60,5 metų	α (0,31 %), SF (99,69 %)
256 Plg	12,3 metų	α (7,04 · 10 -8 %), SF (100 %)

Branduolio dalijimasis. Istorija

1934 m– E. Fermi, apšvitindamas uraną terminiais neutronais, tarp reakcijos produktų aptiko radioaktyvių branduolių, kurių pobūdžio nustatyti nepavyko.
L. Szilardas iškėlė branduolinės grandininės reakcijos idėją.

1939 m− O. Hahnas ir F. Strassmannas tarp reakcijos produktų atrado barį.
L. Meitneris ir O. Frischas pirmieji paskelbė, kad veikiamas neutronų uranas buvo padalintas į du panašios masės fragmentus.
N. Bohr ir J. Wheeler kiekybiškai interpretavo branduolio dalijimąsi, įvesdami dalijimosi parametrą.
Ya Frenkelis sukūrė branduolio dalijimosi lėtais neutronais teoriją.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Y. Zeldovich, Y. Khariton pagrindė branduolinės dalijimosi grandininės reakcijos, vykstančios urane, galimybę.

1940 m− G. Flerovas ir K. Pietrzakas atrado savaiminio urano U branduolių dalijimosi fenomeną.

1942 m− E. Fermis pirmajame atominiame reaktoriuje atliko valdomą skilimo grandininę reakciją.

1945 m− Pirmasis branduolinio ginklo bandymas (Nevada, JAV). Amerikos kariai numetė atomines bombas ant Japonijos miestų Hirosimos (rugpjūčio 6 d.) ir Nagasakio (rugpjūčio 9 d.).

1946 m− Vadovaujant I.V. buvo paleistas pirmasis Europoje Kurchatovo reaktorius.

1954 m− Paleista pirmoji pasaulyje atominė elektrinė (Obninskas, SSRS).

Branduolio dalijimasis.Nuo 1934 metų E. Fermi pradėjo naudoti neutronus atomams bombarduoti. Nuo tada dirbtinio transformavimo būdu gautų stabilių arba radioaktyvių branduolių skaičius išaugo iki šimtų ir beveik visose vietose. periodinė lentelė užpildytas izotopais.
Atomai, atsirandantys visose šiose branduolinėse reakcijose, periodinėje lentelėje užėmė tą pačią vietą, kaip ir bombarduojamas atomas, arba gretimas vietas. Todėl Hahno ir Strassmanno 1938 m. įrodymas, kad paskutiniame periodinės lentelės elemente bombarduojamas neutronais, sukėlė didelę sensaciją.−uranas−skilimas vyksta į elementus, esančius vidurinėse periodinės lentelės dalyse. Jie čia koncertuoja įvairių tipų irimas. Susidarę atomai dažniausiai yra nestabilūs ir iš karto suyra toliau; kai kurių pusinės eliminacijos laikas matuojamas sekundėmis, todėl Hahnas turėjo panaudoti Curie analitinį metodą, kad prailgintų tokį greitą procesą. Svarbu pažymėti, kad prieš srovę esantys urano, protaktino ir torio elementai taip pat turi panašų skilimą, kai juos veikia neutronai, nors skilimui reikia didesnės neutronų energijos nei urano atveju. Be to, 1940 m. G. N. Flerovas ir K. A. Petržakas atrado spontanišką urano branduolio skilimą, kurio pusinės eliminacijos laikas buvo didžiausias iki tol.· 10 15 metų; šis faktas paaiškėja dėl šio proceso metu išsiskiriančių neutronų. Tai leido suprasti, kodėl „natūrali“ periodinė sistema baigiasi trimis įvardintais elementais. Transurano elementai dabar tapo žinomi, tačiau jie yra tokie nestabilūs, kad greitai suyra.
Urano dalijimasis neutronais dabar leidžia panaudoti atominę energiją, kurią daugelis jau įsivaizdavo kaip „Žiulio Verno svajonę“.

M. Laue, „Fizikos istorija“

1939 O. Hahn ir F. Strassmann, apšvitindami urano druskas terminiais neutronais, tarp reakcijos produktų atrado barį (Z = 56)

Otto Gannas (1879 – 1968)

Branduolio dalijimasis – tai branduolio padalijimas į du (rečiau tris) panašios masės branduolius, kurie vadinami dalijimosi fragmentais. Skilimo metu atsiranda ir kitų dalelių – neutronų, elektronų, α-dalelių. Dėl dalijimosi išsiskiria ~200 MeV energija. Dalijimasis gali būti spontaniškas arba priverstinis, veikiamas kitų dalelių, dažniausiai neutronų.
Būdingas dalijimosi bruožas yra tas, kad dalijimosi fragmentai, kaip taisyklė, labai skiriasi savo mase, t.y. vyrauja asimetrinis dalijimasis. Taigi, labiausiai tikėtino urano izotopo 236 U dalijimosi atveju, fragmentų masių santykis yra 1,46. Sunkiojo fragmento masės skaičius yra 139 (ksenonas), o lengvojo - 95 (stroncio). Atsižvelgiant į dviejų greitųjų neutronų emisiją, nagrinėjama dalijimosi reakcija turi tokią formą

Nobelio chemijos premija
1944 – O. Gan.
Už urano branduolių dalijimosi neutronais reakcijos atradimą.

Skilimo fragmentai

Lengvųjų ir sunkiųjų fragmentų grupių vidutinių masių priklausomybė nuo skiliojo branduolio masės.

Branduolio dalijimosi atradimas. 1939 m

Atvykau į Švediją, kur Lise Meitner kentėjo nuo vienatvės, ir aš, kaip atsidavęs sūnėnas, nusprendžiau ją aplankyti Kalėdų proga. Ji gyveno nedideliame viešbutyje Kungälv netoli Geteborgo. Radau ją per pusryčius. Ji pagalvojo apie laišką, kurį ką tik gavo iš Gano. Labai skeptiškai žiūrėjau į laiško turinį, kuriame buvo pranešta apie bario susidarymą, kai uranas buvo apšvitintas neutronais. Tačiau tokia galimybė ją patraukė. Mes vaikščiojome sniege, ji pėsčiomis, aš – slidėmis (ji sakė, kad gali taip nuvažiuoti neatsilikdama nuo manęs, ir tai įrodė). Pasivaikščiojimo pabaigoje jau galėjome suformuluoti kai kurias išvadas; šerdis neskilo ir nuo jos neskrido gabalai, tačiau tai buvo procesas, kuris labiau priminė Bohro branduolio lašelių modelį; kaip lašas branduolys galėtų pailgėti ir dalytis. Tada ištyriau, kaip mažėja nukleonų elektros krūvis paviršiaus įtempimas, kuris, kaip man pavyko nustatyti, nukrenta iki nulio esant Z = 100 ir tikriausiai yra gana mažas uranui. Lise Meitner stengėsi nustatyti energiją, išsiskiriančią kiekvieno skilimo metu dėl masės defekto. Ji labai aiškiai išdėstė masinio defekto kreivę. Paaiškėjo, kad dėl elektrostatinės atstūmimo dalijimosi elementai įgaus apie 200 MeV energiją, ir tai tiksliai atitiko energiją, susijusią su masės defektu. Todėl procesas galėtų vykti grynai klasikiniu būdu, neįtraukiant perėjimo per potencialų barjerą koncepcijos, kuri, žinoma, čia būtų nenaudinga.
Per Kalėdas kartu praleidome dvi ar tris dienas. Tada grįžau į Kopenhagą ir vos spėjau informuoti Bohrą apie mūsų idėją tą pačią akimirką, kai jis jau lipo į laivą, išplaukiantį į JAV. Prisimenu, kaip jis pliaukštelėjo į kaktą, kai tik aš pradėjau kalbėti, ir sušuko: „O, kokie mes kvailiai! Turėjome tai pastebėti anksčiau“. Bet jis nepastebėjo ir niekas nepastebėjo.
Lise Meitner ir aš parašėme straipsnį. Tuo pat metu nuolat palaikėme ryšį tarpmiestiniu telefonu iš Kopenhagos į Stokholmą.

O. Frisch, Atsiminimai. UFN. 1968. T. 96, 4 leidimas, p. 697.

Savaiminis branduolio dalijimasis

Toliau aprašytuose eksperimentuose panaudojome Frisch pirmą kartą pasiūlytą metodą branduolio dalijimosi procesams registruoti. Jonizacijos kamera su plokštelėmis, padengtomis urano oksido sluoksniu, yra prijungta prie linijinio stiprintuvo, sukonfigūruoto taip, kad sistema neaptiktų iš urano išmetamų α dalelių; fragmentų impulsai, daug didesni nei α dalelių impulsai, atrakina išėjimo tiratroną ir yra laikomi mechanine rele.
Jonizacijos kamera buvo specialiai sukurta daugiasluoksnės formos plokščias kondensatorius Su bendro ploto 15 plokščių 1000 cm Plokštės, esančios 3 mm atstumu viena nuo kitos, buvo padengtos 10-20 mg/cm urano oksido sluoksniu. 2 .
Pirmuosiuose eksperimentuose su stiprintuvu, sukonfigūruotu skaičiuoti fragmentus, buvo galima stebėti spontaniškus (nesant neutronų šaltinio) impulsus ant relės ir osciloskopo. Šių impulsų skaičius buvo nedidelis (6 per 1 valandą), todėl suprantama, kad šio reiškinio nepavyko stebėti su įprasto tipo kameromis...
Mes linkę taip manyti poveikis, kurį pastebėjome, turėtų būti priskirtas fragmentams, susidariusiems dėl savaiminio urano dalijimosi...

Savaiminis skilimas turėtų būti priskirtas vienam iš nesužadintų U izotopų, kurių pusinės eliminacijos laikas gautas įvertinus mūsų rezultatus:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 metų,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 metų,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 metų.

Izotopų skilimas 238 U

Savaiminis branduolio dalijimasis

Spontaniškai skiliųjų izotopų pusamžis Z = 92 - 100

Pirmoji eksperimentinė sistema su urano-grafito gardelėmis buvo pastatyta 1941 m., vadovaujant E. Fermi. Tai buvo grafito kubas su 2,5 m ilgio briauna, kuriame buvo apie 7 tonas urano oksido, uždarytas geležiniuose induose, kurie buvo įstatyti į kubą vienodais atstumais vienas nuo kito. RaBe neutronų šaltinis buvo patalpintas urano-grafito gardelės apačioje. Reprodukcijos koeficientas tokioje sistemoje buvo ≈ 0,7. Urano okside buvo nuo 2 iki 5% priemaišų. Toliau buvo stengiamasi gauti grynesnių medžiagų ir iki 1942 m. gegužės mėn. buvo gautas urano oksidas, kuriame priemaišų buvo mažiau nei 1%. Norint užtikrinti dalijimosi grandininę reakciją, reikėjo naudoti didelius grafito ir urano kiekius – apie kelias tonas. Priemaišų turėjo būti mažiau nei kelios milijoninės dalys. Reaktorius, kurį 1942 m. pabaigoje surinko Fermi Čikagos universitete, turėjo nepilno sferoido formą, nupjautą iš viršaus. Jame buvo 40 tonų urano ir 385 tonos grafito. 1942 m. gruodžio 2 d. vakare, pašalinus neutronų sugėrimo strypus, buvo nustatyta, kad reaktoriaus viduje vyksta grandininė reakcija. branduolinė reakcija. Išmatuotas koeficientas buvo 1,0006. Iš pradžių reaktorius veikė 0,5 W galios lygiu. Iki gruodžio 12 dienos jo galia buvo padidinta iki 200 vatų. Vėliau reaktorius buvo perkeltas į daugiau saugi vieta, o jo galia padidinta iki kelių kW. Tuo pačiu metu reaktorius sunaudojo 0,002 g urano-235 per dieną.

Pirmasis branduolinis reaktorius SSRS

Pirmojo SSRS branduolinių tyrimų reaktoriaus F-1 pastatas buvo paruoštas 1946 m. ​​birželio mėn.
Atlikus visus reikiamus eksperimentus, sukurta reaktoriaus valdymo ir apsaugos sistema, nustatyti reaktoriaus matmenys ir visi būtini eksperimentai su reaktorių modeliais keliuose modeliuose buvo nustatytas neutronų tankis, gauti grafito blokai (vadinamojo branduolinio grynumo) ir (po neutronų fizikinio bandymo) urano blokai, o 1946 metų lapkritį pradėtas statyti F-1 reaktorius.
Bendras reaktoriaus spindulys buvo 3,8 m. Tam reikėjo 400 tonų grafito ir 45 tonų urano. Reaktorius buvo surenkamas sluoksniais ir 1946 m. ​​gruodžio 25 d. 15:00 buvo sumontuotas paskutinis, 62-asis sluoksnis. Nuėmus vadinamuosius avarinius strypus, valdymo strypas buvo pakeltas, pradėtas skaičiuoti neutronų tankis ir 1946 m. ​​gruodžio 25 d. 18:00 pirmasis SSRS reaktorius atgijo ir pradėjo veikti. Tai buvo jaudinanti pergalė mokslininkams, sukūrusiems branduolinį reaktorių, ir visai sovietų žmonėms. O po pusantrų metų, 1948 metų birželio 10 dieną, pramoninis reaktorius su vandeniu kanaluose pasiekė kritinę būseną ir netrukus prasidėjo pramoninė naujos rūšies branduolinio kuro – plutonio – gamyba.

1 puslapis

Plutonio gamyba vykdoma naudojant kontroliuojamą grandininę reakciją. Pavyzdžiui, veikiamas atsitiktinis neutronas kosminiai spinduliai, susidūręs su vienu iš šių atomų, jis suskaido ir išskiria tam tikrą skaičių neutronų. Šie neutronai sukelia tolesnis kursas reakcijos; tačiau grandininė reakcija nevyksta mažame urano gabalėlyje, nes dalis neutronų išbėga arba juos sugeria urano metale esančios priemaišos, pavyzdžiui, kadmis, kurio branduoliai labai lengvai susijungia su neutronais.  

Plutonis gaminamas branduoliniuose reaktoriuose. Vykstant savaime išsilaikančios urano-235 branduolių dalijimosi reakcijai, kai kuriuos neutronus pagauna neskilūs urano-238 branduoliai. Dėl tokio gaudymo ir radioaktyvių virsmų urane proceso, kurį jis inicijuoja, kartu su urano-235 skilimu (sudegimu), plutonis palaipsniui kaupiasi iki 50–80% sudegusio urano kiekio. Vėliau plutonio ir nepanaudoto urano-235 gavyba iš apšvitinto urano strypų atliekama specialiose radiocheminėse gamyklose.  

Plutonio gamyba vykdoma naudojant kontroliuojamą grandininę reakciją. Atsitiktinis neutronas, susidūręs su vienu iš šių atomų, sukelia jo skilimą, kartu išskiriant tam tikrą neutronų skaičių. Tačiau mažame urano gabale grandininė reakcija nevyksta, nes dalis neutronų patenka į išorinę aplinką arba yra absorbuojamas urano metalo priemaišų, tokių kaip kadmis, kurio branduoliai labai lengvai susijungia su neutronais.  

Dabar jau įvaldyta plutonio gamyba urano-grafito katile. 1949 metais Jūsų sprendimu planuojama pastatyti ir paleisti didesnės galios AB katilą, kuris padidins plutonio akumuliacijos greitį 1950 metais 3 - 4 kartus lyginant su 1948 metų pabaiga.  

Plutonio gamyba Prancūzijoje vyksta Marcoule mieste.  

Plutonio gamyba vykdoma naudojant kontroliuojamą grandininę reakciją. Atsitiktinis neutronas, susidūręs su vienu iš šių atomų, sukelia jo skilimą, kartu išskiriant tam tikrą neutronų skaičių. Tačiau mažame urano gabale grandininė reakcija nevyksta, nes kai kurie neutronai patenka į išorinę aplinką arba juos sugeria urano metale esančios priemaišos, pavyzdžiui, kadmis, kurio branduoliai labai lengvai susijungia su neutronais.  

Norint gaminti plutonį dideliu mastu, ekstrahavimas organiniais tirpikliais buvo pasirinktas iš kelių galimų atskyrimo būdų [58; 101; 174, pp. Plačiai naudojami du ekstrahavimo būdai – purekso ir redokso procesai, taip pat įvairios jų variacijos. Urano kuras ištirpsta azoto rūgštis susidarant tirpalui, kuriame yra urano, plutonio ir skilimo produktų. Ekstrahavimo metodai yra pagrįsti šių komponentų tirpumo skirtumais organiniame skystyje, kuris praktiškai netirpsta vandenyje.  

Radiocheminėje plutonio ir neptūnio gamyboje sorbcijos procesai plačiausiai naudojami rafinavimo (galutinio gryninimo) ir elementų koncentravimo stadijoje. Šiuo atveju sorbcijos procesai turi pranašumą prieš tokius procesus kaip garinimas ir nusodinimas, nes jie yra patogesni dideliems tirpalų kiekiams, pašalina sunkumus, susijusius su įrangos korozija, ir daugeliu atvejų suteikia papildomą valymą nuo korozinių priemaišų ir skilimo produktų. Jonų mainų procesų įgyvendinimas yra gana paprastas, o tai būtina dirbant su radioaktyvieji izotopai gamyklinėmis ir laboratorinėmis sąlygomis.  

Duomenys apie plutonio gamybą skelbiami tik Prancūzijoje.  

Duomenys apie plutonio gamybą skelbiami tik Prancūzijoje. Didžiojoje Britanijoje iki šiol plutonio gamyba buvo sutelkta Weedscale gamyklose95] Kamberlande. Molyje (Belgija) dvylikos narių Europos ekonominės bendrijos organizacija siūlo pastatyti plutonio atskyrimo gamyklą, kuri kainuotų 12 mln.  

Kad būtų išvengta galimybės gaminti ginklams tinkamo plutonio ir gauti gilesnį neigiamą tuštumų reaktyvumo efektą aplink BREST-300 šerdį, vietoj tradicinių balistinių raketų urano uždangalų buvo sukurtas švino atšvaitas.  

XX amžiaus cheminiai pavojai.

Branduolinė avarija plutonio gamyboje, Windskay / i (JK) NVS ugnies kamuolys, Meldrin (vnt.  

Reaktoriuose, pastatytuose plutoniui gaminti, naudojamas natūralus uranas, nes derlingasis U238 taip pat yra neutronų taikinys. Be prisodrinto urano, reaktoriai kaip taikiniai naudoja kitas medžiagas, tokias kaip toris U233 gamybai arba kobaltas radiacijos šaltiniams gaminti.  

Kaip jau minėta, norint pagaminti plutonį arba uraną-235, reikia gauti itin gryną produktą. Iššūkis – apdoroti šimtus tonų urano koncentratų, kad būtų išskirtas išskirtinai grynas produktas, kuriame priemaišų kiekis neturėtų viršyti milijoninių dalių. Tuo pačiu metu ypatingas dėmesys Pagrindinis dėmesys skiriamas elementų, tokių kaip boras, kadmis, indis ir kai kurie retųjų žemių elementai, kurie aistringai sugeria lėtus neutronus, pašalinimui.  

Uranas yra vienas nuostabiausių metalų, kurio galimybes žmonija suvokė ne iš karto. Mažai kas žino, kad uranas žmonėms buvo žinomas nuo seniausių laikų. Būtent dėl ​​jo savybių XIX ir XX amžių sandūroje įvyko radikalus fizikos pokytis, o vėliau XX amžiaus viduryje pasikeitė. bendra pažanga istorija ir pati pasaulio tvarka. Šiandien žemiškoji civilizacija Nebeįsivaizduojama be urano ir jo šerdyje slypinčios energijos.

Prieš du tūkstančius metų, kai žmonės dar nežinojo, kad reikia bijoti urano (tačiau jis dar nebuvo vadinamas uranu), kaip dažus drąsiai naudojo natūralų urano oksidą. Šis oksidas davė gražus geltona glazūra, naudojama keramikos gaminiams padengti. Pompėjos griuvėsių vietoje archeologai aptiko krūvą šių geltonų šukių. Kai keraminės amforos tapo praeitimi, dažai dažymui ant porceliano pradėti gaminti iš urano oksido. Menininkai taip pat padengė savo drobes geltonu pigmentu, kuris buvo ne kas kitas, o natrio uranatas. Atsiradus stiklo pramonei, urano oksidas buvo pradėtas dažyti linksmai žalias stiklo Kaip matote, nieko baisaus ar paslaptingo.
Urano kiekis žemės plutoje yra 0,0003%. Paviršiniame žemės sluoksnyje yra keturių tipų urano turinčių telkinių. Pirma, yra uranito arba urano pikio (urano dioksido UO2) gyslų, kuriose yra labai daug urano, bet retai. Juos lydi radžio nuosėdos, nes radis yra tiesioginis urano izotopinio skilimo produktas. Tokios venos aptinkamos Zaire, Kanadoje (Didysis lokių ežeras), Čekijoje ir Prancūzijoje. Antrasis urano šaltinis yra torio konglomeratai ir urano rūda kartu su kitų svarbių mineralų rūdomis. Konglomeratuose paprastai yra pakankamai aukso ir sidabro, kuriuos reikia išgauti, o uranas ir toris yra susiję elementai. Dideli šių rūdų telkiniai yra Kanadoje, Pietų Afrikoje, Rusijoje ir Australijoje. Trečiasis urano šaltinis yra nuosėdinės uolienos ir smiltainiai, kuriuose gausu mineralinio karnotito (kalio uranilo vanadato), kuriame, be urano, yra nemažai vanadžio ir kitų elementų. Tokios rūdos randamos vakarų valstijos JAV. Ketvirtasis nuosėdų šaltinis yra geležies-urano skalūnai ir fosfato rūdos. Švedijos skalūnuose randama turtingų telkinių. Kai kuriose Maroko ir JAV fosfatų rūdose yra daug urano, kaip ir fosfatų telkiniuose Angoloje ir Centrinėje Afrikos Respublikoje, kuriuose yra dar daugiau urano. Daug lignito (švelniai karbonizuotos rudos fosilinės medienos, kuri išliko anatominė struktūra augalų audiniai) ir kai kuriose anglies taip pat yra urano priemaišų. Šiaurės ir Pietų Dakotoje (JAV) aptikta daug urano turinčių lignito telkinių, o Ispanijoje ir Čekijoje – bituminės anglies. Rusija užima trečią vietą pasaulyje pagal urano atsargas (po Australijos ir Kazachstano).
Viduramžiais dailininkams ir stiklininkams mažai rūpėjo klausimas, kas tiksliai yra jų dažuose – juk jie dar nieko nežinojo apie uraną. Pirmąjį urano atradimo ir tyrimo žingsnį 1789 metais žengė vokiečių chemikas Martinas Heinrichas Klaprothas. Jam pavyko iš dervos rūdos gauti į juodąjį metalą panašią medžiagą ir pavadino ją uranu neseniai atrastos planetos garbei. Vėliau paaiškėjo, kad tai ne pats uranas, o jo oksidas. Metalas uranas pirmą kartą buvo gautas prancūzų chemiko Eugene'o Peligot laboratorijoje tik praėjus 50 metų po Klaprotho atradimo. Ir tai buvo ne į metalą panaši medžiaga, o sunkus plieno pilkumo metalas, kalus ir lankstus.
Kitas urano tyrimo etapas įvyko XIX amžiaus pabaigoje ir jis siejamas su prancūzų fiziko Henri Becquerel vardu. Jis ilgą laiką tyrė įvairias fluorescencines medžiagas, kurios, veikiamos saulės spindulių, pradeda skleisti savo šviesą, būdingą kiekvienai tokiai medžiagai. Atrodytų, ką su juo turi uranas? Čia reikia padaryti nedidelį nukrypimą. Faktas yra tas, kad 1895 metais Vilhelmas Konradas Rentgenas atrado paslaptingus rentgeno spindulius. Jie atsirado evakuuotame sandariame stikliniame vamzdelyje su elektrodais galuose, kai aukštos įtampos. Šie spinduliai, dabar žinomi kaip rentgeno spinduliai, prasiskverbė per daugumą medžiagų ir apšvietė fotografines plokšteles, suvyniotas į nepermatomą juodą popierių. Tuomet mokslininkai, žinoma, dar nežinojo, kad elektronai išbėga iš neigiamo elektrodo (katodo), yra greitinami elektrinio lauko, bombarduoja anodą ir dėl to iš anodo gali sklisti rentgeno spinduliai. Tačiau, nepaisant vidinio reiškinio mechanizmo nesuvokimo, iškart buvo pastebėta, kad nematomų rentgeno spindulių atsiradimą lydi gelsvai žalsvas stiklo švytėjimas, primenantis fluorescencinių medžiagų šviesą. Netgi buvo teigiama, kad rentgeno spinduliai yra būtent fluorescencijos produktas, tai yra, jie egzistuoja visada, kai yra fluorescencija. Dabar, atsižvelgiant į mūsų žinias apie atomo sandarą ir rentgeno spindulių prigimtį, ši mintis atrodo absurdiška, tačiau tuo metu, kai šių spindulių prigimtis nebuvo žinoma, tokia prielaida atrodė gana natūrali.
Taigi Henri Becquerel nusprendė išbandyti, ar liuminescencinė medžiaga, „įkraunama“ ne katodo spinduliuote, o įprasta saulės šviesa, gali skleisti rentgeno spindulius. Becquerel paėmė fotografavimo lėkštę, suvyniojo ją į juodą popierių ir padėjo ant viršaus mažas kiekis liuminescencinė medžiaga. Žinoma, galima sakyti, kad Bekereliui pasisekė. Laimei, palikuonims (o gal deja), iš visų galimų šviečiančių junginių Becquerel pasirinko vieną iš urano druskų – kalio uranilo sulfatą. Fizikas išnešė savo dizainą į saulės šviesą ir keletą valandų laikė ten.
Grįžęs į laboratoriją, Becquerel išlankstė popierių ir su pasitenkinimu pastebėjo, kad fotografinė plokštelė buvo per daug eksponuota. Tariamas rentgeno spindulių buvimas buvo akivaizdus. Nusprendęs atlikti išsamų tyrimą, Becquerel paruošė kelias identiškas fotografines plokšteles, suvyniotas į juodą popierių. Tik dabar kiekvienai plokštelei jis paėmė skirtingus liuminescencinius preparatus. Tačiau tarp jų buvo tas pats kalio uranilo sulfatas. Sudėjęs visas paruoštas medžiagas į tamsų naktinį staliuką, Bekerelis ėmė vieną po kito nešti plokšteles į gatvę. Deja, kad ir kaip gerai preparatai švytėtų veikiami saulės spindulių, fotoplokštelėse neatsirado nė menkiausio rentgeno spinduliuotės pėdsako. Truputį pagalvojęs, fizikas grįžo į laboratoriją, iš tamsaus naktinio staliuko ištraukė sparnuose laukiančią lėkštę su urano druska ir išvystė neiškeldamas į šviesą. Plokštė pasirodė per daug eksponuota. Becquerel pradėjo eksperimentuoti su įvairiais urano junginiais ir absoliučiai nustatė, kad vaisto spinduliuotės stiprumas tiesiogiai priklauso nuo jame esančio urano kiekio (grynas uranas išsiskiria keturis kartus stipriau nei jo druska), o urano spinduliuotės intensyvumas. su laiku nesumažės. Taigi Becquerel, pirma, tai įrodė rentgeno spinduliuotė neturi nieko bendra su liuminescencija, antra, jis atrado naują spinduliuotės tipą, kuriam buvo suteiktas neoriginalus Bekerelio spindulių pavadinimas. Po kelerių metų radiacija gavo naują pavadinimą – „radioaktyvumas“, kurį sugalvojo lenkų kilmės prancūzė Marie Skłodowska-Curie.

Uranas yra labiausiai sunkus elementas, randamas gamtoje. Grynas metalas yra labai tankus, plastiškas, mažas elektros laidumas ir didelis reaktyvumas. Uranas turi tris alotropinės modifikacijos: α-uranas (ortorombinis kristalinė gardelė) egzistuoja nuo kambario temperatūros iki 668°C; β-uranas (sudėtinga tetragoninio tipo kristalinė gardelė), stabili 668–774°C temperatūroje; γ-uranas (kūno centre kubinė kristalinė gardelė), stabili nuo 774°C iki lydymosi temperatūros (1132°C). Kadangi visi urano izotopai yra nestabilūs, visi jo junginiai pasižymi radioaktyvumu.

Marie Curie labai susidomėjo nauja spinduliuote ir bandė nustatyti, ar yra kitų elementų, išskyrus uraną, turinčių radioaktyviųjų savybių. Patvirtinta torio ir urano dervos mišinio spinduliuotė. Be to, mišinio spinduliuotė buvo keturis kartus stipresnė nei gryno urano. Visiškai teisingai padarę išvadą, kad mišinyje yra naujas, dar nežinomas radioaktyvus elementas, Maria ir jos vyras Pierre'as pradėjo darbą, kurio metu buvo atrastas polonis ir radis.

Radis, urano skilimo produktas, fizikus domino daug labiau nei jo pirmtakas. Nors urano druskų radioaktyvumas buvo žinomas, jo rūdos XX amžiaus pirmajame trečdalyje buvo naudojamos tik lydinčiam radžiui gauti, o pats uranas buvo laikomas nepageidaujamu šalutiniu produktu. Jis daugiausia buvo naudojamas keramikos technologijoje ir metalurgijoje, o urano oksidai buvo plačiai naudojami stiklui dažyti nuo šviesiai geltonos iki tamsiai žalios spalvos, o tai prisidėjo prie nebrangios stiklo gamybos plėtros (šių pramonės šakų produktai fluorescuoja ultravioletiniais spinduliais). Šiuo metu urano stiklas praktiškai negaminamas ir yra antikvarinės bei kolekcinės vertės. Pirmojo pasaulinio karo metu ir netrukus po to uranas karbido pavidalu buvo naudojamas įrankių plieno, panašių į molibdeną ir volframą, gamyboje; 4–8% urano pakeitė brangų volframą, kurio gamyba tuo metu buvo ribota. Norint gauti įrankių plieną 1914–1926 m., kasmet buvo pagaminama kelios tonos ferourano (urano ir geležies lydinio), turinčio iki 30 % (masės) urano. Tačiau toks urano naudojimas truko neilgai.

Praėjusio amžiaus 30-ųjų pradžioje fizikai atliko įvairių cheminių elementų bombardavimo neutronais eksperimentus. Buvo nustatyta, kad bombarduojant uraną susidaro nežinomos medžiagos radioaktyviosios medžiagos. Iš karto kilo prielaida, kad šios medžiagos yra transurano elementai. Bet buvo ir kita nuomonė. Taigi vokiečių radiochemikas Ida Noddak manė, kad urano branduoliai, veikiami neutronų, gali suskilti į keletą fragmentų - jau žinomų elementų izotopų. Tačiau fizikai nelabai tikėjo branduolio dalijimusi – transurano teorija atrodė įtikinamesnė. Tačiau 1939 m. pasirodė fizikų Lise Meitner ir Otto Fischer straipsnis, kuriame jie įtikinamai įrodė urano branduolio skilimą į dvi dalis veikiant neutronams, ir pirmą kartą pasirodė posakis „branduolio dalijimasis“. Tais pačiais metais mokslininkų išvados buvo patvirtintos prancūzų fizikas Fredericas Joliot-Curie. Jis padarė „taikinį“ iš plono urano sluoksnio, nusodinto ant folijos, ir įdėjo į kamerą su dujomis. Kai į taikinį buvo atneštas neutronų šaltinis, dujos buvo jonizuotos urano branduolių fragmentais. Apskaičiavęs fragmentų energiją pagal jonizacijos laipsnį, prancūzas nustebo – vieno urano atomo dalijimasis išskirdavo neįtikėtinai daug energijos, lygiavertę tai, kuri išsiskiria oksiduojant kelis milijonus anglies atomų. Tais pačiais metais pasitvirtino itin svarbi prielaida, kad urano atomo dalijimasis išskiria papildomų neutronų, kurie taip pat gali suskaldyti atomus. Tai reiškė, kad branduolinė reakcija gali išsilaikyti savaime.
1939 m., kai buvo atliktas urano izotopo 235U skilimas, urano pramonė pradėjo formuotis. Tai paskatino techniškai įgyvendinti kontroliuojamą urano dalijimosi grandininę reakciją 1942 m. gruodžio mėn. Taip prasidėjo atomo era, kai uranas tapo nereikšmingas cheminis elementas tapo vienu iš svarbiausių visuomenės gyvenimo elementų. Dėl karinės urano svarbos atominės bombos gamybai, taip pat jo kaip branduolinių reaktorių kuro panaudojimo sparčiai išaugo urano paklausa.

Įdomi yra urano paklausos augimo chronologija, pagrįsta nuosėdų istorija Didžiojo Bear ežere (Kanada). 1930 metais šiame ežere buvo aptiktas dervos mišinys – urano oksidų mišinys, o 1932 metais šioje vietoje buvo įdiegta radžio valymo technologija. Iš kiekvienos tonos rūdos (dervos mišinio) buvo gauta po 1 g radžio ir apie pusę tonos šalutinio produkto – urano koncentrato. Tačiau radžio trūko ir jo kasyba buvo sustabdyta. Nuo 1940 iki 1942 m. plėtra buvo atnaujinta ir urano rūda pradėta gabenti į JAV. 1949 m. panašus urano gryninimas su tam tikrais patobulinimais buvo naudojamas grynam UO2 gaminti. Ši gamyba išaugo ir dabar yra viena didžiausių urano gamybos įrenginių.

Pasaulyje sparčiai artėjo atominių bombų ir branduolinės energijos era. Dėl kontroliuojamos branduolinės grandininės reakcijos palaipsniui išsiskiria energija, kuri naudojama elektros energijai gaminti atominėse elektrinėse. Nekontroliuojama branduolinė grandininė reakcija veda į laviną panašų branduolių dalijimąsi ir akimirksniu išsiskiria didžiulis energijos kiekis - branduolinis sprogimas. Principas abiem atvejais yra tas pats: skylant urano branduoliui, jis išskiria neutronus, kurie suskaldo gretimus branduolius, kurie taip pat išskiria neutronus. Procesas iš esmės gali tęstis tol, kol bus sunaudota visa medžiaga. Pagrindinė problema yra tai, kad savaime išsilaikanti branduolinė reakcija negali vykti jokiame urane. Gamtiniame urane yra trys izotopai – U234, U235 ir U238. Didžioji natūralaus urano dalis yra U238, o branduolio dalijimosi grandininę reakciją gali palaikyti tik U235 izotopas, kurio gamtiniame urane yra tik 0,7%. Todėl būtina sodrinti natūralų uraną, tai yra padidinti jame norimo izotopo (U235) procentą. Kuro urane yra apie 4% U235, o ginklams skirto urano sodrinimo lygis svyruoja nuo 80 iki 90%. Be to, kuo didesnė izotopo koncentracija, tuo didesnės medžiagos ginklo savybės.
Iš urano išgavus U235 izotopą, lieka vadinamasis nusodrintasis uranas (izotopo U234 kiekis gamtiniame urane yra tik kelios tūkstantosios procento dalys, o. praktinis pritaikymasšis izotopas nerastas). Kadangi pagrindinė urano paskirtis yra energijos gamyba, nusodrintasis uranas, kuriame U235 yra mažesnis nei 0,7 %, yra praktiškai nenaudingas. Tačiau pasaulyje sukauptas didžiulis nusodrintojo urano kiekis, kurio masė siekia šimtus tūkstančių tonų. Viena iš mūsų laikų pasaulinių problemų – rasti tinkamą nusodrintojo urano panaudojimą. Dabar jį keičia kiti didelio tankio metalai. Jis dažniausiai naudojamas kaip balastas instrumentuose ir kosminėse transporto priemonėse.
Nusodrintas uranas taip pat naudojamas kariniams tikslams, bet ne kaip bombų ir raketų kovinė galvutė, o kaip subkalibrinių šarvus pradurtų sviedinių branduoliai. Yra žinoma, kad urano milteliai gali savaime užsidegti ore, kai įkaista iki 150° C. Urano šerdis, prasiskverbusi į tanko šarvus, patenka į kovos mašinos šarvuotą erdvę, išėjusi iš šarvuočio sunaikinama, virsta dulkėmis. ir užsidega, paversdamas baką tikru vikšrų krematoriumu. Urano keramika, kurioje yra U238, yra kai kurių amerikietiško Abrams tanko modifikacijų daugiasluoksnių šarvų dalis.
U238 izotopas negali būti naudojamas tiesiogiai kaip branduolinis kuras, nes jam suskaidyti reikalinga neutronų energija yra per didelė, tačiau greitųjų neutronų reaktoriuose jis naudojamas kaip skydai, atspindintys iš šerdies išbėgančius neutronus ir grąžinantys juos atgal. Šiuo atveju U238 atomai užfiksuoja kai kuriuos neutronus, virsdami U239. Uranas-239 yra labai nestabilus ir virsta neptūnu-239, pirmuoju transurano elementu, kurio taip atkakliai ieškota pabaigos XIX amžiaus. O Neptūnas-239, taip pat nestabilus elementas, virsta Plutoniu-239, kurio oksidai, sumaišyti su urano oksidais, gali būti naudojami kaip kuras lengvojo vandens reaktoriuose arba greitųjų neutronų reaktoriuose (MOX kuras).

Tekstas: Retos žemės