Де добувають уран? Урану на Землі не так уже й мало - за поширеністю він на 38-му місці. А найбільше цього елемента в осадових породах - вуглистих сланцях і фосфоритах: до 8 # 8729; 10 -3 і 2,5 10 -2% відповідно. Всього в земній корі міститься 10 14 тонн урану, але головна проблема в тому, що він дуже неуважний і не утворює потужних родовищ. Промислове значення мають приблизно 15 мінералів урану. Це уранова смілка - її основою служить оксид чотирьохвалентного урану, уранова слюдка - різні силікати, фосфати і більш складні з'єднання з ванадієм або титаном на основі шестивалентного урану.
Що таке промені Беккереля? Після відкриття Вольфгангом Рентгеном Х-променів французький фізик Антуан-Анрі Беккерель зацікавився світінням солей урану, яке виникає під дією сонячного світла. Він хотів зрозуміти, чи немає і тут Х-променів. Дійсно, вони були присутні - сіль засвічувала фотопластинку крізь чорну папір. В одному з дослідів, проте, сіль не стали висвітлювати, а фотопластинка все одно потемніла. Коли ж між сіллю і фотопластинкою поклали металевий предмет, то під ним потемніння було менше. Стало бути, нові промені виникали аж ніяк не через порушення урану світлом і через метал частково не проходили. Їх і назвали спочатку «променями Беккереля». Згодом було виявлено, що це головним чином альфа-промені з невеликою добавкою бета-променів: справа в тому, що основні ізотопи урану при розпаді викидають альфа-частинку, а дочірні продукти відчувають і бета-розпад.
Наскільки велика радіоактивність урану? У урану немає стабільних ізотопів, всі вони радіоактивні. Самий долгоживущий - уран-238 з періодом напіврозпаду 4,4 млрд. Років. Наступним йде уран-235 - 0,7 млрд. Років. Обидва вони зазнають альфа-розпад і стають відповідними ізотопами торію. Уран-238 становить понад 99% всього природного урану. З-за його величезного періоду напіврозпаду радіоактивність цього елемента мала, а крім того, альфа-частинки не здатні подолати ороговілий шар шкіри на поверхні людського тіла. Розповідають, що И.В.Курчатов після роботи з ураном просто витирав руки носовою хусткою і ніякими хворобами, пов'язаними з радіоактивністю, не страждав.
Навіщо потрібен уран? Раніше його застосовували як пігмент для виготовлення кераміки і кольорового скла. Тепер же уран - основа атомної енергетики і атомної зброї. При цьому використовується його унікальну властивість - здатність ядра ділитися.
Як проходить ланцюгова реакція в урані? Незабаром після того, як була експериментально доведена можливість поділу ядер урану і торію (а інших елементів, що діляться на Землі в скільки-небудь значній кількості немає), що працювали в Прінстоні Нільс Бор і Джон Уїллер, а також незалежно від них радянський фізик-теоретик Я. І.Френкель і німці Зігфрід Флюгге і Готфрід фон Дросте створили теорію поділу ядра. З неї слідували два механізми. Один - пов'язаний з пороговим поглинанням швидких нейтронів. Згідно з ним, для ініціації поділу нейтрон повинен володіти досить великою енергією, більше 1 МеВ для ядер основних ізотопів - урану-238 і торію-232. При меншій енергії поглинання нейтрона ураном-238 має резонансний характер. Так, нейтрон з енергією 25 еВ має в тисячі разів більшу площу перетину захоплення, ніж з іншими енергіями. При цьому ніякого розподілу не буде: уран-238 стане ураном-239, який з періодом напіврозпаду 23,54 хвилини перетвориться в нептуній-239, той, з періодом напіврозпаду 2,33 дня, - в долгоживущий плутоній-239. Торій-232 стане ураном-233.
Завантаження ТВЕЛу в реактор на четвертому блоці Калінінської АЕС. Фото: ВАТ Росатом, www.rosatom.ru
Другий механізм - безпорогове поглинання нейтрона, йому слід третій більш-менш поширений ділиться ізотоп - уран-235 (а так само і відсутні в природі плутоній-239 і уран-233): поглинувши будь нейтрон, навіть повільний, так званий теплової, з енергією як у молекул, що беруть участь в тепловому русі, - 0,025 еВ, таке ядро розділиться. І це дуже добре: у теплових нейтронів площа перетину захоплення в чотири рази вище, ніж у швидких, мегаелектронвольтних. У цьому значимість урану-235 для всієї подальшої історії атомної енергетики: саме він забезпечує розмноження нейтронів в природному урані. Після потрапляння нейтрона ядро урану-235 стає нестабільним і швидко ділиться на дві нерівні частини. Попутно вилітає кілька (в середньому 2,75) нових нейтронів. Якщо вони потраплять в ядра того ж урану, то викличуть розмноження нейтронів в геометричній прогресії - піде ланцюгова реакція, що призведе до вибуху через швидке виділення великої кількості тепла. Ні уран-238, ні торій-232 так працювати не можуть: адже при розподілі вилітають нейтрони з середньою енергією 1-3 МеВ, тобто при наявності енергетичного порога в 1 МеВ значна частина нейтронів свідомо не зможе викликати реакцію, і розмноження не буде. А значить, про ці ізотопи слід забути і доведеться сповільнювати нейтрони до теплової енергії, щоб вони максимально ефективно взаємодіяли з ядрами урану-235. При цьому не можна допустити їх резонансного поглинання ураном-238: все-таки в природному урані цей ізотоп становить трохи менше 99,3% і нейтрони частіше стикаються саме з ним, а не з цільовим ураном-235. А діючи сповільнювачем, можна підтримувати розмноження нейтронів на постійному рівні і вибуху не допустити - управляти ланцюговою реакцією.
Розрахунок, проведений Я.Б.Зельдовича і Ю.Б.Харитон в тому ж доленосному 1939 році, показав, що для цього потрібно застосувати сповільнювач нейтронів у вигляді важкої води або графіту і збагатити ураном-235 природний уран щонайменше в 1,83 рази. Тоді ця ідея здалася їм чистою фантазією: «Слід зазначити, що приблизно подвійне збагачення тих досить значних кількостей урану, які необхідні для здійснення ланцюгового вибуху, <…> є надзвичайно громіздку, близьку до практичної нездійсненності завдання ». Зараз ця задача вирішена, і атомна промисловість серійно випускає для електростанцій уран, збагачений ураном-235 до 3,5%.
Що таке спонтанне ділення ядер? У 1940 році Г.Н.Флеров і К.А.Петржак виявили, що розподіл урану може відбуватися спонтанно, без будь-якого зовнішнього впливу, правда, період напіврозпаду набагато більше, ніж при звичайному альфа-розпаді. Оскільки при такому розподілі теж виходять нейтрони, якщо не дати їм полетіти із зони реакції, вони-то і послужать ініціаторами ланцюгової реакції. Саме це явище використовують при створенні атомних реакторів.
Смоленська АЕС. Фото: ВАТ Росатом, www.rosatom.ru
Навіщо потрібна атомна енергетика? Зельдович і Харитон були в числі перших, хто порахував економічний ефект атомної енергетики ( «Успіхи фізичних наук», 1940, 23, 4). «. На даний момент ще не можна зробити остаточних висновків про можливість або неможливість здійснення в урані ядерної реакції поділу з нескінченно розгалужуються ланцюгами. Якщо така реакція може стати реальністю, то автоматично здійснюється регулювання швидкості реакції, що забезпечує спокійне її протікання, незважаючи на величезну кількість доступної експериментатора енергії. Ця обставина виключно сприятливо для енергетичного використання реакції. Наведемо тому - хоча це і є поділом шкури невбитого ведмедя - деякі числа, що характеризують можливості енергетичного використання урану. Якщо процес ділення йде на швидких нейтронах, отже, реакція захоплює основний ізотоп урану (U238), то <исходя из соот- ношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран> вартість калорії з основного ізотопу урану виявляється приблизно в 4000 разів дешевше, ніж з вугілля (якщо, звичайно, процеси "спалювання" і теплос'ема не опиняться в разі урану значно дорожче, ніж в разі вугілля). У разі повільних нейтронів вартість "уранової" калорії (якщо виходити з вищенаведених цифр) буде, беручи до уваги, що поширеність ізотопу U235 дорівнює 0,007, вже лише в 30 разів дешевше "вугільної" калорії при інших рівних умовах ».
Першу керовану ланцюгову реакцію провів в 1942 році Енріко Фермі в Чиказькому університеті, причому управляли реактором вручну - задовго і висуваючи графітові стрижні при зміні потоку нейтронів. Перша електростанція була побудована в Обнінську в 1954 році. Крім вироблення енергії перші реактори працювали ще й на виробництво збройового плутонію.
Як функціонує атомна станція? Зараз більшість реакторів працюють на повільних нейтронах. Збагачений уран у вигляді металу, сплаву, наприклад з алюмінієм, або у вигляді оксиду складають в довгі циліндри - тепловиділяючі елементи. Їх певним чином встановлюють в реакторі, а між ними вводять стержні з сповільнювач, які і керують ланцюговою реакцією. Згодом в тепловиділяючі елементи накопичуються реакторні отрути - продукти поділу урану, також здатні поглинати нейтронів. Коли концентрація урану-235 падає нижче критичної, елемент виводять з експлуатації. Однак в ньому багато уламків поділу з сильною радіоактивністю, яка зменшується роками, чому елементи ще довго виділяють значну кількість тепла. Їх витримують у охолоджуючих басейнах, а потім або ховають, або намагаються переробити - витягти незгорілий уран-235, напрацьований плутоній (він йшов на виготовлення атомних бомб) і інші ізотопи, яким можна знайти застосування. Невикористану частину відправляють в могильники.
Корпус авіаційної атомної бомби з Музею ядерної зброї Російський федеральний ядерний центр у Сарові. Фото: ВАТ Росатом, www.rosatom.ru
У так званих реакторах на швидких нейтронах, або реакторах, навколо елементів встановлюють відбивачі з урану-238 або торію-232. Вони сповільнюють і відправляють назад в зону реакції занадто швидкі нейтрони. Уповільнені ж до резонансних швидкостей нейтрони поглинають названі ізотопи, перетворюючись відповідно в плутоній-239 або уран-233, які можуть використовуватися як для атомної станції. Так як швидкі нейтрони погано реагують з ураном-235, потрібно значно збільшувати його концентрацію, але це виправдовується більш сильним потоком нейтронів. Незважаючи на те що реактори-розмножувачі вважаються майбутнім атомної енергетики, оскільки дають більше ядерного палива, ніж витрачають, - досліди показали: управляти ними важко. Зараз в світі залишився лише один такий реактор - на четвертому енергоблоці Белоярской АЕС.
Як критикують атомну енергетику? Якщо не говорити про аварії, то основним пунктом в міркуваннях противників атомної енергетики сьогодні стала пропозиція додати до розрахунку її ефективності витрати по захисту навколишнього середовища після виведення станції з експлуатації та при роботі з паливом. В обох випадках виникають завдання надійного захоронення радіоактивних відходів, а це витрати, які несе держава. Є думка, що якщо перекласти їх на собівартість енергії, то її економічна привабливість пропаде.
Існує опозиція і серед прихильників атомної енергетики. Її представники вказують на унікальність урану-235, заміни якому немає, тому що альтернативні діляться тепловими нейтронами ізотопи - плутоній-239 і уран-233 - через періоду напіврозпаду в тисячі років в природі відсутні. А отримують їх як раз внаслідок поділу урану-235. Якщо він закінчиться, зникне прекрасний природний джерело нейтронів для ланцюгової ядерної реакції. В результаті такого марнотратства людство втратить можливість в майбутньому залучити до енергетичний цикл торій-232, запаси якого в кілька разів більше, ніж урану.
Теоретично для отримання потоку швидких нейтронів з мегаелектронвольтнимі енергіями можна використовувати прискорювачі часток. Однак якщо мова йде, наприклад, про міжпланетні польоти на атомному двигуні, то реалізувати схему з громіздким прискорювачем буде дуже непросто. Вичерпання урану-235 ставить хрест на таких проектах.
Що таке збройовий уран? Це високозбагачений уран-235. Його критична маса - вона відповідає розміру шматка речовини, в якому мимоволі йде ланцюгова реакція, - досить мала для того, щоб виготовити боєприпас. Такий уран може служити для виготовлення атомної бомби, а також як детонатор для термоядерної бомби.
Ампули з ізотопами, виділеними з опроміненого матеріалу в НІІЯР ВАТ Росатом. Фото: ВАТ Росатом, www.rosatom.ru
Яка зброя можна робити зі збідненого урану? Кулі і сердечники для бронебійних снарядів. Розрахунок тут такий. Чим важче снаряд, тим вище його кінетична енергія. Але чим більше розмір снаряда, тим менш концентрований його удар. Значить, потрібні важкі метали, що володіють високою щільністю. Кулі роблять зі свинцю (уральські мисливці один час використовували і самородную платину, поки не зрозуміли, що це дорогоцінний метал), сердечники ж снарядів - з вольфрамового сплаву. Захисники природи вказують, що свинець забруднює ґрунт в місцях бойових дій або полювання і краще б замінити його на щось менш шкідливе, наприклад на той же вольфрам. Але вольфрам недешевий, а схожий з ним по щільності уран - ось він, шкідливий відхід. При цьому допустиме забруднення грунту і води ураном приблизно в два рази більше, ніж для свинцю. Так виходить тому, що слабкою радіоактивністю збідненого урану (а вона ще й на 40% менше, ніж у природного) нехтують і враховують дійсно небезпечний хімічний фактор: уран, як ми пам'ятаємо, отруйний. У той же час його щільність в 1,7 рази більше, ніж у свинцю, а значить, розмір уранових куль можна зменшити в два рази; уран набагато більш тугоплавкий і твердий, ніж свинець, - при пострілі він менше випаровується, а при ударі в ціль дає менше мікрочастинок. Загалом, уранова куля менше забруднює навколишнє середовище, ніж свинцева, правда, достовірно про таке використання урану невідомо.
Зате відомо, що пластини зі збідненого урану застосовують для зміцнення броні американських танків (цьому сприяють його високі щільність і температура плавлення), а також замість вольфрамового сплаву в сердечниках для бронебійних снарядів. Урановий сердечник гарний ще й тим, що уран пірофорен: його гарячі дрібні частинки, що утворилися при ударі об броню, спалахують і підпалюють все навколо. Обидва застосування вважаються радіаційно безпечними. Так, розрахунок показав, що, навіть просидівши безвилазно рік в танку з уранової бронею, завантаженому уранових боєкомплектом, екіпаж отримає лише чверть допустимої дози. А щоб отримати річну допустиму дозу, треба на 250 годин прикрутити до поверхні шкіри такий боєприпас.