Unde extrag uraniul? Uraniul de pe Pământ nu este atât de mic - în ceea ce privește prevalența, el se află pe locul 38. Și majoritatea acestui element în roci sedimentare - șisturi cărbunoase și fosforitele: 8 # 8729; 10 până la 10 -3 -2 și, respectiv, 2,5%. În total, crusta pământului conține 10-14 tone de uraniu, dar principala problemă este că este foarte împrăștiată și nu formează depuneri puternice. Aproximativ 15 minerale de uraniu sunt de importanță industrială. Acest pehblendă - servește ca bază pentru sale tetravalent oxid de uraniu, autunit - diverse silicați, fosfați și compuși mai complecși cu titan sau vanadiu pe bază de uraniu hexavalent.
Care sunt razele lui Becquerel? După descoperirea de către radiograful Wolfgang Röntgen, fizicianul francez Antoine-Henri Becquerel a devenit interesat de luminescența sărurilor de uraniu, care apare sub influența soarelui. Voia să înțeleagă dacă există raze X. Într-adevăr, au fost prezenți - sarea a luminat placa fotografică prin hârtia neagră. Într-unul dintre experimente, cu toate acestea, sarea nu a început să lumineze, și placa fotografică încă întunecată. Când un obiect metalic era plasat între sare și placa fotografică, sub ea era mai puțin întunecată. În consecință, noile raze nu au fost datorate excitării uraniului de lumină și parțial nu au trecut prin metal. Ei au fost numiți la început "raze Becquerel". Ulterior, sa constatat că este în principal raze alfa, cu o cantitate mică de beta raze: faptul că principalii izotopi de uraniu din dezintegrarea emit o particulă alfa și testul descendenței și dezintegrarea beta.
Cât de mare este radioactivitatea uraniului? Uraniul nu are izotopi stabili, toți sunt radioactivi. Cea mai lungă viață este uraniul-238, cu un timp de înjumătățire de 4,4 miliarde de ani. Următorul este Uraniul-235 - 0,7 miliarde de ani. Ambii suferă o degradare alfa și devin izotopi corespunzători ai toriului. Uraniul-238 reprezintă mai mult de 99% din uraniul natural total. Datorită timpului de înjumătățire uriaș, radioactivitatea acestui element este mică și, în plus, particulele alfa nu sunt în măsură să depășească stratul excitat al pielii pe suprafața corpului uman. Se spune că IV Kurchatov, după ce a lucrat cu uraniu, și-a șters mâinile cu o batistă și nu a suferit niciun fel de boli legate de radioactivitate.
De ce avem nevoie de uraniu? Anterior, a fost folosit ca un pigment pentru fabricarea de ceramică și sticlă colorată. Acum, uraniul este baza energiei atomice și a armelor atomice. Utilizează proprietatea sa unică - capacitatea nucleului de a împărtăși.
Cum este reacția în lanț în uraniu? Curând după aceea, așa cum a fost demonstrat experimental posibilitatea de fisiune nucleară de uraniu și toriu (și alte elemente de divizare în lume, în orice cantitate semnificativă de nici), care lucrează la Princeton, Niels Bohr și John Wheeler, și indiferent de lor fizician sovietic J. I. Frenkel și germanii Siegfried Flügge și Gottfried von Droste au creat teoria fisiunii nucleare. Au urmat două mecanisme. Una este legată de absorbția pragului de neutroni rapizi. Potrivit lui, de a iniția neutroni de fisiune ar trebui să aibă destul de multă energie, mai mult de 1 MeV izotopi principale nucleare - uraniu-238 și toriu-232. La o energie mai mică, absorbția unui neutron de către uraniul-238 are un caracter rezonant. Astfel, un neutron cu o energie de 25 eV are o mie de ori suprafata sectiunii de capturare decat cu alte energii. În acest caz, nici o diviziune va fi: uraniu-238 si uraniu-239 va fi că, odată cu perioada de înjumătățire de 23,54 minute se transformă în neptuniu-239, cel cu un timp de înjumătățire de 2,33 zile - într-o viață lungă plutoniu-239. Thorium-232 va deveni uraniu-233.
Încărcarea TVEL în reactor la al patrulea bloc al centralei Kalinin. Foto: OJSC Rosatom, www.rosatom.ru
Al doilea mecanism - doorsteps absorbția unui neutron, ar trebui treime mai mult sau mai puțin frecvente izotop fisionabil - U235 (și, de asemenea, absentă în natura plutoniu-239 și uraniul 233) care absoarbe orice neutroni, chiar, asa-numita energie termică lentă, cu o energie ca și pentru moleculele care participă la mișcarea termică, 0,025 eV, un astfel de nucleu va fi împărțit. Și acest lucru este foarte bun: pentru neutronii termici, zona secțiunii de captare este de patru ori mai mare decât cea a fasciculului cu fascicule mega-electronice. Aceasta este semnificația uraniului-235 pentru întreaga istorie ulterioară a energiei nucleare: este cel care asigură multiplicarea neutronilor în uraniul natural. După loviturile de neutroni, nucleul uraniului-235 devine instabil și este rapid împărțit în două părți inegale. Pe parcurs, mai multe (în medie 2,75) noi neutroni se aruncă afară. Dacă vor ajunge la miezul de uraniu, aceasta va duce la multiplicarea de neutroni într-o progresie geometrică - va merge o reacție în lanț, care va duce la o explozie din cauza eliberării rapide a cantități uriașe de căldură. Nici 238 sau toriu-232, astfel nu poate funcționa: la urma urmei, neutronilor de fisiune sunt emise cu o energie medie de 1-3 MeV, adică, în cazul în care există un prag de energie de 1 neutroni MeV parte semnificativă cu siguranță nu va provoca o reacție, și de reproducere nu. Deci, despre acești izotopi ar trebui să fie uitate și va trebui să încetinească neutronilor la energia termică cât mai eficient posibil, astfel încât aceștia interacționează cu nucleele de uraniu-235. Acest lucru nu este de a le permite absorbția de rezonanță de uraniu-238: încă în izotop de uraniu natural, care este puțin mai mică de 99,3% și neutroni se confruntă adesea cu ea, mai degrabă decât obiectivul de uraniu-235. Și acționând ca moderator, este posibil să se mențină multiplicarea neutronilor la un nivel constant și să se prevină o explozie - să se controleze reacția în lanț.
Calculul efectuat Zeldovich și Yu.B. Khariton în același funest 1939, a arătat că trebuie să folosească un moderator de neutroni sub formă de apă grea sau grafit și uraniu 235 îmbogățit uraniu natural este de cel puțin 1.83 ori. Apoi, ideea le-a lovit fantezie pură: „Trebuie remarcat faptul că aproximativ dublu îmbogățire cantități destul de semnificative de uraniu necesar pentru o explozie în lanț, <…> este o sarcină extrem de greoaie, aproape de imposibilitatea practică. " Acum, această sarcină a fost realizată, iar industria nucleară produce în serie pentru centralele electrice de uraniu îmbogățit uraniu-235 la 3,5%.
Ce este fisiunea spontană a nucleelor? În anul 1940, GN Flerov și KA Petrzhak au descoperit că fisiunea uraniului poate să apară spontan, fără influență externă, deși timpul de înjumătățire este mult mai lung decât în cazul decalajului obișnuit alfa. Din moment ce în această diviziune sunt produse și neutroni, dacă nu li se permite să zboare departe de zona de reacție, ei vor servi drept inițiatori ai reacției în lanț. Acest fenomen este utilizat în construcția reactoarelor nucleare.
Smolensk NPP. Foto: OJSC Rosatom, www.rosatom.ru
De ce avem nevoie de energie nucleară? Zeldovich și Khariton au fost printre primii care au luat în considerare efectul economic al energiei nucleare ( „Avansuri de Stiinte Fizice,“ 1940, 23, 4). “. Este încă imposibil să se facă concluzii definitive cu privire la posibilitatea sau imposibilitatea reacției uraniului de fisiune cu un lanțuri infinit de ramificare. Dacă această reacție este posibil, se va ajusta automat viteza de reacție este efectuată, acesta oferă un flux liniștit, în ciuda cantității mai mare de energie la dispoziția experimentatorului. Această circumstanță este extrem de favorabilă pentru utilizarea energetică a reacției. Să ne cităm deci - deși aceasta este împărțirea pielii unui urs nebiționat - unele numere care caracterizează posibilitățile de utilizare a uraniului de către energie. Dacă procesul de fisiune are loc pe neutronii rapizi, prin urmare, reacția captează principalul izotop al uraniului (U238), apoi <исходя из соот- ношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран> Valoarea izotopului principal de calorii uraniu este de aproximativ 4000 de ori mai mică decât cea a cărbunelui (în cazul în care, desigur, procesele de „ardere“ de îndepărtare a căldurii și nu vor apărea în cazul uraniului semnificativ mai scumpe decât în cazul cărbunelui). În cazul neutronilor lente costa „uraniu“ calorii (presupunând că cifrele de mai sus) va fi, având în vedere faptul că prevalența izotopul U235 este egal cu 0.007, deja doar de 30 de ori mai ieftin decât calorii „cărbune“ alte lucruri fiind egale ".
Prima reacție în lanț controlată a fost efectuată în 1942 de către Enrico Fermi de la Universitatea din Chicago, iar reactorul a fost controlat manual prin alunecarea și împingerea tijelor de grafit în timp ce schimbarea fluxului de neutroni. Prima centrală a fost construită în Obninsk în 1954. Pe lângă generarea de energie, primele reactoare au lucrat și la producerea plutoniului de arme.
Cum funcționează centrala nucleară? Acum cele mai multe reactoare lucrează pe neutronii lenți. uraniu îmbogățit în forma unui aliaj metalic, de exemplu aluminiu, sau sub formă de oxid este pliat în cilindri lungi - elementele combustibile. Acestea sunt instalate într-un mod particular în reactor și între ele sunt introduse tije moderatoare, care controlează reacția în lanț. Cu timpul, gazele din reactor se acumulează în elementul combustibil - produse de fisiune de uraniu, capabile să absoarbă și neutronii. Când concentrația de uraniu-235 scade sub critică, elementul este scos din uz. Cu toate acestea, aceasta conține multe fragmente de fisiune cu radioactivitate puternică, care scade de ani de zile, determinând elementele să emită o cantitate considerabilă de căldură pentru o lungă perioadă de timp. Ele sunt păstrate într-un iaz de răcire, și apoi fie eliminate sau încercarea de a recicla - îndepărta nearse uraniu-235, plutoniu produs (era pentru fabricarea bombelor atomice) și alți izotopi care pot fi aplicate. Partea neutilizată este trimisă la cimitire.
Construirea bombei nucleare aviatice din Muzeul Armelor Nucleare din cadrul RFNC-VNIIEF. Foto: OJSC Rosatom, www.rosatom.ru
În așa-numitele reactoare cu neutroni rapizi sau reactoare de reproducere, în jurul elementelor sunt instalate reflectoare de uraniu-238 sau toriu-232. Ei încetinesc și trimit neutronii prea repede înapoi în zona de reacție. viteze de rezonanta aceleasi intarziate pentru a absorbi neutroni izotopii menționați, respectiv, transformându-se în plutoniu-239 sau uraniu-233, care pot servi drept combustibil pentru instalația. Deoarece neutronii rapizi reacționează prost cu uraniul-235, este necesar să se mărească considerabil concentrația, dar acest lucru se reduce cu un flux neutron mai puternic. În ciuda faptului că reactoarele de reproducere sunt considerate a fi viitorul energiei nucleare, deoarece produc mai mult combustibil nuclear decât deșeurile, experimentele au arătat că este dificil să le gestionăm. Acum, în lume, există doar un astfel de reactor - la a patra unitate de putere a centralei nucleare Beloyarsk.
Cum critică puterea nucleară? Dacă nu discutăm despre accidente, principalul punct de discuție al adversarilor energiei nucleare de astăzi a fost propunerea de a adăuga la calculul eficacității costurile de protecție a mediului după dezafectarea instalației și în timpul lucrului cu combustibil. În ambele cazuri, există sarcini de eliminare fiabilă a deșeurilor radioactive, iar acestea sunt costurile suportate de stat. Există opinia că, dacă le vom transfera la prețul de cost al energiei, atunci atractivitatea economică va fi pierdută.
Există opoziție între susținătorii energiei nucleare. Reprezentanții săi indică unicitatea uraniu-235, care nu are nici o înlocuire, deoarece izotopii alternative de fisiune cu neutroni termici - plutoniu-239 și uraniu-233 - din cauza timpului de înjumătățire a mii de ani în natură sunt absente. Iar ei îi obțin doar datorită împărțirii uraniului-235. Dacă este terminat, o excelentă sursă naturală de neutroni pentru o reacție nucleară în lanț va dispărea. Ca urmare a unei astfel omenirea extravaganta va pierde oportunitatea, în viitor, să se angajeze în energie toriu-232 serie, rezervele de care este de câteva ori mai mare decât cea a uraniului.
Teoretic, acceleratoarele de particule pot fi folosite pentru a produce un flux rapid de neutroni cu energii megaelectron-voltaice. Cu toate acestea, dacă vorbim, de exemplu, despre zborurile interplanetare pe un motor atomic, atunci va fi foarte dificil să se pună în aplicare o schemă cu un accelerator greoi. Epuizarea uraniului-235 pune capăt acestor proiecte.
Ce este uraniul de arme? Acesta este uraniu-235 foarte îmbogățit. Masa sa critică - corespunde dimensiunii unei bucăți de materie în care apare spontan o reacție în lanț - este suficient de mică pentru a face o muniție. Un astfel de uraniu poate servi la fabricarea unei bombe atomice și, de asemenea, ca o fuză pentru o bombă termonucleară.
Ampule cu izotopi izolați din material iradiat în NIYaR de la Rosatom. Foto: OJSC Rosatom, www.rosatom.ru
Ce fel de arme pot fi făcute din uraniu sărăcit? Gloanțe și miezuri pentru cochilii de străpungere a armelor. Calculul de aici este după cum urmează. Cu cât proiectilul este mai greu, cu atât este mai mare energia lui cinetică. Dar cu cât mărimea proiectilului este mai mare, cu atât impactul său este mai puțin concentrat. Prin urmare, sunt necesare metale grele care au o densitate mare. Gloanțele sunt realizate din plumb (vânători Ural la un moment folosit si platina nativ, până când am realizat că este un metal prețios), cojile de bază - din aliaj de tungsten. Ecologistii subliniază faptul că plumb polueaza solul în locurile de luptă sau de vânătoare, și ar fi mai bine să-l înlocuiască cu ceva mai puțin nocive, cum ar fi același tungsten. Dar tungsten nu este ieftin, și similar în densitatea sa de uraniu - asta este, o deviere dăunătoare. În același timp, contaminarea permisă a solului și a apei cu uraniul este de aproximativ două ori mai mare decât cea pentru plumb. După cum se dovedește, din cauza radioactivitate slabă a uraniului sărăcit (și este încă 40% mai puțin decât natural) neglijate și ia în considerare factorul chimic foarte periculos: uraniu, după cum ne amintim, este otrăvitoare. În același timp, densitatea sa este de 1,7 ori mai mare decât cea de plumb, și astfel dimensiunea de gloanțe de uraniu poate fi redus la jumătate; uraniu mult mai refractar și greu decât plumbul - atunci când ardere se evaporă mai puțin, și o țintă asupra impactului oferă mai puțin microparticule. În general, uraniu glonț mai puțin poluante decât plumbul, uraniul cu toate acestea, în mod semnificativ la o astfel de utilizare nu este cunoscută.
Dar se știe că plăcile de uraniu sărăcit sunt folosite pentru a întări armura tancurilor americane (acest lucru este facilitat de densitatea ridicată și de punctul de topire) și, de asemenea, în loc de un aliaj de tungsten în miezurile pentru mucegaiuri de perforare a armurilor. Miezul uraniului este, de asemenea, bun pentru că uraniul este piroforic: amorțurile sale fierbinți, formate prin impactul asupra armurii, izbucnesc și pun totul pe foc. Ambele aplicații sunt considerate ca fiind radiative. Așadar, calculul a arătat că, chiar și după ce a stat un ralanti timp de un an într-un tanc cu armă de uraniu încărcată cu muniție de uraniu, echipajul va primi doar un sfert din doza admisă. Și pentru a obține doza admisă anuală, este necesar să fixați o astfel de muniție pe suprafața pielii timp de 250 de ore.
Articole similare
-
Un tuber de probleme sau unele fapte curioase din viață - un măr sângeros
-
James Rothschild biografie, poveste de viață și fapte interesante
Trimiteți-le prietenilor: