Уран — это естественно встречающийся в природе элемент, находящий применение,среди прочего, в ядерной энергетике. Природный уран состоит в основном из смеси трех изотопов: 238U, 235U и 234U.
Обедненный уран (ОУ) — это побочный продукт процесса обогащения урана (т. е. повышения содержания в нем расщепляющегося изотопа 235U) в ядерной энергетике; из него практически полностью удален радиоактивный изотоп 234U и на две трети — 235U. Таким образом, ОУ состоит почти полностью из 238U, а его радиоактивность составляет около 60% от радиоактивности природного урана. В ОУ может присутствовать также микроколичество других радиоактивных изотопов, привнесенных в ходе обработки. Химически, физически и токсически ОУ ведет себя так же, как и природный уран в металлическом состоянии. Мелкие частицы обоих металлов легко возгораются, образуя окислы.
Применение обедненного урана. В мирных целях ОУ используется, в частности, при изготовлении самолетных противовесов и противорадиационных экранов медицинской радиотерапевтической аппаратуры, при транспортировке радиоактивных изотопов. Из-за своей высокой плотности и тугоплавкости, а также доступности ОУ используется в тяжелой танковой броне, противотанковых боеприпасах, ракетах и снарядах. Оружие, в котором присутствует ОУ, считается обычным оружием и свободно применяется вооруженными силами.
История — Редкий изотоп урана
Вопросы, порождаемые применением обедненного урана. Из выстреленного боеприпаса обедненный уран высвобождается в виде мелких частиц или пыли, которые могут попадать в организм при вдыхании или проглатывании либо оставаться в окружающей среде. Есть вероятность того, что применение оружия с ОУ сказывается на здоровье людей, проживающих в районах конфликтов в Персидском заливе и на Балканах. Некоторые считают, что «синдром войны в Персидском заливе» связан с облучением обедненным ураном, однако причинная зависимость пока не установлена. ОУ попадал в окружающую среду в результате авиакатастроф (например: Амстердам, Нидерланды, 1992 г.; Станстед, Соединенное Королевство, январь 2000 г.), вызывая озабоченность правительств и неправительственных организаций.
Обедненный уран и здоровье человека. Воздействие ОУ на здоровье человека является разным в зависимости от химической формы, в которой он попадает в организм, и может вызываться как химическими, так и радиологическими механизмами. Информации о том, как уран сказывается на здоровье людей и окружающей среде, немного.
Вместе с тем, поскольку уран и ОУ — это, в сущности, одно и то же, за исключением состава радиоактивных компонентов, научные исследования по природному урану применимы и к ОУ. Что касается радиационного воздействия ОУ, то картина дополнительно осложняется тем, что большинство данных относится к воздействию на человеческий организм природного и обогащенного урана. Воздействие на здоровье зависит от того, каким образом произошло облучение и какова его степень (через дыхательные пути, при проглатывании, при контакте или через рану), и от характеристик ОУ (размер частиц и растворимость). Вероятность обнаружения возможного воздействия зависит от обстановки (армия, гражданская жизнь, производственная среда).
Плутоний — САМЫЙ СЕКРЕТНЫЙ МЕТАЛЛ НА ЗЕМЛЕ!
Типы облучения. При нормальном потреблении человеческим организмом пищи, воздуха и воды в нем присутствует в среднем примерно 90 микрограммов (мкг) урана: примерно 66% в скелете, 16% в печени, 8% в почках и 10% в других тканях.
Наружное облучение происходит при близости к металлическому ОУ (например, при работе на складе боеприпасов или при нахождении в машине с боеприпасами или броней, в которых присутствует ОУ) либо при контакте с пылью или осколками, образовавшимися после взрыва или падения. Облучение, полученное только снаружи (т. е. не при проглатывании, не через дыхательные пути и не через кожу), приводит к последствиям исключительно радиологического свойства. Внутреннее облучение происходит в результате попадания ОУ в организм при проглатывании или вдыхании. В армии облучение происходит еще и через раны, образовавшиеся при контакте со снарядами или броней, в которых присутствует ОУ.
Поглощение урана в организме. Большая часть (свыше 95%) урана, попадающего в организм, не поглощается, а удаляется с калом. Из той части урана, которая поглощается кровью, примерно 67% будет в течение суток отфильтровано почками и удалено с мочой. Уран переносится в почки, костную ткань и печень. Подсчитано, что выведение половины этого урана с мочой занимает от 180 до 360 дней.
Опасность для здоровья:
Химическая токсичность: уран вызывает повреждение почек у подопытных животных, и некоторые исследования указывают на то, что долговременное облучение может приводить к нарушению почечной функции у людей. Наблюдавшиеся типы нарушений: узелковые образования на поверхности почки, поражение трубчатого эпителия и повышение содержания глюкозы и белка в моче.
Радиологическая токсичность: распад ОУ происходит главным образом путем испускания альфа-частиц, которые не проникают через внешние слои кожи, но могут влиять на внутренние клетки организма (более подверженные ионизирующему воздействию альфа — излучения), когда ОУ попадает в организм при проглатывании или вдыхании. Поэтому альфа — и бета-облучение при вдыхании нерастворимых частиц ОУ может приводить к повреждению легочных тканей и повышать риск рака легких. Аналогичным образом, предполагается, что поглощение ОУ кровью и его накопление в других органах, в частности в скелете, создает дополнительный риск рака этих органов, зависящий от степени радиационного облучения. Считается, однако, что при низкой степени облучения риск раковых заболеваний весьма низок.
В рамках выполненных на сегодняшний день ограниченных эпидемиологических исследований, посвященных изучению внутреннего облучения в результате попадания частиц ОУ при проглатывании, при вдыхании либо через повреждения кожи или раны, а также в рамках обследования людей, которым по роду занятий приходится сталкиваться с природным или обогащенным ураном, каких-либо негативных последствий для здоровья не обнаружено.
Обедненный уран в окружающей среде. В засушливых регионах большая часть ОУ остается на поверхности в виде пыли. В более дождливых местностях ОУ легче проникает в почву. Возделывание зараженной почвы и потребление зараженной воды и пищи могут создавать опасность для здоровья, однако она будет, скорее всего, невелика.
Основным фактором опасности для здоровья будет, скорее, химическая токсичность, а не облучение. Риск облучения обедненным ураном в результате потребления зараженной пищи и воды при возвращении к нормальной жизни в зоне военного конфликта, видимо, более велик для детей, чем для взрослых, поскольку в силу своего любопытства дети склонны тянуть все с рук в рот, а это может привести к попаданию в организм большого количества ОУ с зараженной почвы.
Стандарты. У ВОЗ имеются нормативы в отношении урана, которые применимы и к ОУ. В настоящее время такими нормативами являются:
«Руководство по контролю качества питьевой воды»: 2 мкг/л — показатель, который считается безопасным исходя из данных о субклинических почечных изменениях, приводимых в эпидемиологических исследованиях (ВОЗ, 1998 г.);
допустимая суточная доза (ДСД) для попадания урана через рот: 0,6 мкг на килограмм веса в сутки (ВОЗ, 1998 г.);
предельные нормы ионизирующего облучения: 1 мЗв за год для населения вообще и 20 мЗв в среднем за год на протяжении пяти лет для лиц, работающих в радиационной обстановке (Основные нормы безопасности, 1996 г.).
Нуклиды 235U и 238U являются родоначальниками радиоактивных рядов — ряда актиния и ряда радия соответственно. Нуклид 235U используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии (благодаря тому, что в нём возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция). Нуклид 238U используется для производства плутония-239, который также имеет чрезвычайно большое значение как в качестве топлива для ядерных реакторов, так и в производстве ядерного оружия. Характеристики изотопов урана приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Характеристики изотопов урана
Источник: studfile.net
Изотопы урана
Уран ( 92 U) — это природный радиоактивный элемент, не имеющий стабильного изотопа. Он имеет два первичных изотопа, уран-238 и уран-235, которые имеют длительный период полураспада и в заметном количестве обнаружены в земной коре. Продукт распада урана-234 также найден. Другие изотопы, такие как уран-233, производятся в реакторах-размножителях.
Помимо изотопов, встречающихся в природе или ядерных реакторах, было произведено множество изотопов с гораздо более короткими периодами полураспада, от 214 U до 242 U (за исключением 220 U и 241 U). Стандартный атомный вес из природного урана является238.028 91 (3).
Уран-238 — это альфа-излучатель, распадающийся через 18- членный ряд урана до свинца-206. Серия распада урана-235 (исторически называемого актиноураном) состоит из 15 членов и заканчивается свинцом-207. Постоянные скорости распада в этих сериях делают сравнение соотношений родительских и дочерних элементов полезным для радиометрического датирования. Уран-233 выполнен из тория-232 с помощью нейтронной бомбардировки.
Уран-235 важен как для ядерных реакторов, так и для ядерного оружия, потому что это единственный изотоп, существующий в природе в какой-либо заметной степени, который расщепляется в ответ на тепловые нейтроны. Уран-238 важен еще и потому, что он плодороден : он поглощает нейтроны, образуя радиоактивный изотоп, который впоследствии распадается на изотоп плутоний-239, который также является делящимся.
Список изотопов
Актиниды против продуктов деления
Никакие продукты деления не имеют период полураспада в диапазоне 100–210 тыс. Лет.
. не более 15,7 млн лет
Легенда для верхнего индекса символов ₡ имеет тепловой захват нейтронов поперечного сечение в диапазоне 8-50 барн ƒ делящегося м метастабильного изомер № прежде всего в природе радиоактивных материалов (NORM) þ нейтронных яда (захват тепловых нейтронов поперечного сечения больше, чем 3k барн) † диапазон 4–97 a: Средноживущий продукт деления ‡ более 200 тыс. Лет назад: Долгоживущий продукт деления
Уран-214
Уран-214 — самый легкий из известных изотопов урана. Он был обнаружен в 2021 году на Спектрометре тяжелых атомов и ядерной структуры (SHANS) в Центре исследований тяжелых ионов в Ланьчжоу, Китай, в 2021 году. Он был получен путем сжигания аргона-36 на вольфраме-182. Он подвергается альфа-распаду с периодом полураспада0,5 мс.
Уран-232
Основная статья: Уран-232
Уран-232 имеет период полураспада 68,9 года и является побочным продуктом ториевого цикла. Он был назван препятствием для распространения ядерного оружия с использованием 233 U в качестве делящегося материала, поскольку интенсивное гамма-излучение, испускаемое 208 Tl (дочерним элементом 232 U, производимого относительно быстро), затрудняет обращение с загрязненным им 233 U. Уран-232 — редкий пример четно-четного изотопа, который расщепляется как тепловыми, так и быстрыми нейтронами.
Уран-233
Основная статья: Уран-233
Уран-233 — это делящийся изотоп урана, который получают из тория-232 в рамках ториевого топливного цикла. Уран-233 исследовался на предмет использования в ядерном оружии и в качестве реакторного топлива; однако он никогда не использовался в ядерном оружии и не использовался в коммерческих целях в качестве ядерного топлива. Он успешно использовался в экспериментальных ядерных реакторах и был предложен для гораздо более широкого использования в качестве ядерного топлива. Период полураспада1.592 × 10 5 лет.
Уран-233 получают нейтронным облучением тория-232. Когда торий-232 поглощает нейтрон, он становится торием-233, период полураспада которого составляет всего 22 минуты. Торий-233 распадается на протактиний-233 посредством бета-распада. Протактиний-233 имеет период полураспада 27 дней, и бета-распад превращается в уран-233; Некоторые предлагаемые конструкции реакторов на расплаве солей пытаются физически изолировать протактиний от дальнейшего захвата нейтронов до того, как может произойти бета-распад.
Уран-233 обычно делится при поглощении нейтронов, но иногда сохраняет нейтрон, превращаясь в уран-234. Отношение захвата к делению меньше, чем у двух других основных делящихся топлив урана-235 и плутония-239 ; он также ниже, чем у короткоживущего плутония-241, но уступает нептунию-236, который очень трудно производить.
Уран-234
Основная статья: Уран-234
Уран-234 — изотоп урана. В природном уране и в урановой руде 234 U встречается как косвенный продукт распада урана-238, но он составляет всего 0,0055% (55 частей на миллион ) сырого урана, поскольку его период полураспада, составляющий всего 245 500 лет, составляет всего около 1 / 18,000 до тех пор, как у 238 U. Путь образования 234 U в результате ядерного распада следующий: ядра 238 U испускают альфа-частицу, превращаясь в торий-234. Затем, с коротким периодом полураспада, ядро 234 Th испускает бета-частицу, которая становится протактинием-234. Наконец, каждое из ядер 234 Па испускает еще одну бета-частицу, превращаясь в ядра 234 U.
Ядра 234 U обычно существуют в течение сотен тысяч лет, но затем они распадаются посредством альфа-излучения до тория-230, за исключением небольшого процента ядер, которые подвергаются спонтанному делению.
Извлечение довольно небольших количеств 234 U из природного урана было бы осуществимо с использованием разделения изотопов, аналогичного тому, которое используется для обычного обогащения урана. Однако в химии, физике или технике нет реальной потребности в выделении 234 U. Очень маленькие чистые образцы 234 U могут быть извлечены с помощью процесса химического ионного обмена — из образцов плутония-238, которые были несколько состарены, чтобы позволить некоторый распад до 234 U через альфа-излучение.
234 U имеет сечение захвата нейтронов около 100 барн для тепловых нейтронов и около 700 барн для его резонансного интеграла — среднее значение по нейтронам, имеющим различные промежуточные энергии. В ядерном реакторе неделящиеся изотопы захватывают нейтроны, воспроизводящие делящиеся изотопы. 234 U превращается в 235 U более легко и, следовательно, со скоростью, большей, чем уран-238 является плутоний-239 (через нептуния-239 ), так как 238 U имеет гораздо меньший захвата нейтронов сечение составляет всего 2,7 сараев.
Уран-235
Основная статья: Уран-235
Уран-235 — изотоп урана, составляющий около 0,72% природного урана. В отличие от преобладающего изотопа урана-238, он делящийся, то есть может выдерживать цепную реакцию деления. Это единственный делящийся изотоп, который является первичным нуклидом или обнаружен в значительном количестве в природе.
Период полураспада урана-235 составляет 703,8 миллиона лет. Он был открыт в 1935 году Артуром Джеффри Демпстером. Его ядерное сечение (деления) для медленных тепловых нейтронов составляет около 504,81 барн. Для быстрых нейтронов это порядка 1 амбара. На уровнях тепловой энергии около 5 из 6 поглощений нейтронов приводят к делению, а 1 из 6 — к захвату нейтронов с образованием урана-236.
Отношение деления к захвату улучшается для более быстрых нейтронов.
Уран-236
Основная статья: Уран-236
Уран-236 является изотопом из урана, который не является ни делящимся тепловыми нейтронами, ни очень хорошим плодородным материалом, но, как правило, считается помехой и долгоживущими радиоактивными отходами. Он содержится в отработавшем ядерном топливе и в переработанном уране, полученном из отработавшего ядерного топлива.
Уран-237
Уран-237 — изотоп урана. Его период полураспада составляет около 6,75 (1) дней. Он распадается на нептуний-237 в результате бета-распада.
Уран-238
Основная статья: Уран-238
Уран-238 ( 238 U или U-238) является наиболее распространенным изотопом из урана в природе. Он не делящийся, но является плодородным материалом : он может захватывать медленный нейтрон и после двух бета-распадов превращаться в делящийся плутоний-239. Уран-238 расщепляется быстрыми нейтронами, но не может поддерживать цепную реакцию, потому что неупругое рассеяние снижает энергию нейтронов ниже диапазона, в котором вероятно быстрое деление одного или нескольких ядер следующего поколения. Доплеровское расширение резонансов поглощения нейтронов 238 U, увеличивающее поглощение при повышении температуры топлива, также является важным механизмом отрицательной обратной связи для управления реактором.
Около 99,284% природного урана составляет уран-238, период полураспада которого составляет 1,41 × 10 17 секунд (4,468 × 10 9 лет, или 4,468 миллиарда лет). В обедненном уране содержится еще более высокая концентрация изотопа 238 U, и даже в низкообогащенном уране (НОУ), несмотря на более высокую долю изотопа урана-235 (по сравнению с обедненным ураном), по-прежнему в основном содержится 238 U. Переработанный уран также состоит в основном из 238 U, с примерно таким же количеством урана-235, как у природного урана, сравнимой долей урана-236 и гораздо меньшими количествами других изотопов урана, таких как уран-234, уран-233 и уран-232.
Уран-239
Уран-239 — изотоп урана. Это, как правило, производится путем воздействия 238 U для нейтронного излучения в ядерном реакторе. 239 U имеет период полураспада около 23,45 минут и распадается на нептуний-239 посредством бета-распада с общей энергией распада около 1,29 МэВ. Наиболее распространенный гамма-распад на 74,660 кэВ объясняет разницу в двух основных каналах энергии бета-излучения: 1,28 и 1,21 МэВ.
239 Np далее распадается до плутония-239 также в результате бета-распада ( 239 Np имеет период полураспада около 2,356 дня), на втором важном этапе, который в конечном итоге производит расщепляющийся 239 Pu (используемый в оружии и для ядерной энергетики) из 238 U в реакторах.
Источник: alphapedia.ru
Изотопы урана
Ученые считают, что уран появился вследствие взрывов сверхновых. Как известно, для нуклеосинтеза элементов, которые обладают массой больше железа, необходим мощный поток нейтронов, а он формируется исключительно в процессе взрыва сверхновой. Далее, конденсировавшись из образованного ею облака новых звездных систем, уран, находясь в протопланетном облаке и имея существенную массу, должен бы тонуть в глубинах планет. Однако, все совсем по-другому.
Уран является радиоактивным элементом. Процесс его распада сопряжен с выделением большого количества тепла. Ученые подсчитали, что если бы уран равномерно находится по всей толще планеты, даже с той незначительной концентрацией как на поверхности, то он выделял бы довольно много тепла. Кроме этого, его поток в процессе расходования урана должен угасать. Так как, данного явления не наблюдается, геологи уверенны, что как минимум 30% всего урана, а может быть, и весь он находится в земной коре, где его количество достигает 2,5∙10–4 %. Причины такого явление не известны.
Где добывают уран?
Месторождений урана на нашей планете довольно много. Наибольшее количество этого элемента сосредоточено в осадочных породах — углистых сланцах и фосфоритах: до 8∙10–3 и 2,5∙10–2 % соответственно. Вся земная кора вмещает в себя 1014 тонн урана, однако главной проблемой является его рассеянность и отсутствие крупных месторождений. Промышленным значением отличаются 15 минералов урана.
Распад изотопа урана
Согласно теории деления ядра, существует два механизма его деления. Первый связан с пороговым поглощением быстрых нейтронов. Для инициации деления у нейтрона должно быть большое количество энергии, свыше 1 МэВ для ядра главных изотопов — урана-238 и тория-232. Если энергии меньше, то поглощение нейтрона ураном-238 будет носить резонансный характер.
Ведь у нейтрона с энергией 25 эВ в тысячи раз больше площадь сечения захвата. Таким образом, деления происходить не будет: уран-238 превратится в изотоп урана-239, имеющий период полураспада 23,54 минуты, после чего он станет нептунием-239. Последний в свою очередь, имея период полураспада 2,33 дня, станет долгоживущим плутонием-239, а торий-232 превратится в уран-233.
Ядро изотопа урана распадается тремя способами:
- альфа-распад становится причиной выделения атома гелия, который состоит из пары протонов и пары нейтронов, — его называют альфа-частицей. Каким становится изотоп урана? Альфа-распад сопряжен с понижением количества положительно заряженных протонов в атоме на два. Таким образом, ядро, испустившее альфа-частицу, становится ядром элемента, отстоящего на две позиции ниже от нее в периодической системе Менделеева
- бета-распад изотопа урана приводит к испусканию электрона. Следовательно, элемент передвигается на одну позицию вперед по периодической таблице. Фактически нейтрон становится протоном, излучая этот самый электрон
- гамма-распад. При этом изотопы урана распадаются, излучая фотоны высоких энергий, которые называют гамма-лучами. Во время этого процесса ядро теряет часть энергии, однако химический элемент не видоизменяется.
Изотоп урана- 235
В составе природного урана присутствует лишь один изотоп, подходящий для изготовления ядра атомной бомбы или поддержания реакции в энергетическом реакторе. Объем обогащения по 235U в ядерном топливе для АЭС находится на уровне 2-4.5%, для оружейного применения – не менее 80%, а лучше 90%. На территории США 235U оружейного качества обогащают до 93.5%, но максимальный уровень обогащения такого урана составляет 97.65%. Его применяют в реакторах для нужд военно-морского флота.
Высокообогащенный 235U имеет в своем составе 1.5-2.0% 234U. Показатель интенсивности спонтанного деления 235U составляет 0.16 делений/с*кг. Чистая масса 235U весом 60 килограмм выдает лишь 9.6 делений/с. Таким образом, пушечная схема является довольно простой в исполнении.
Показатель удельной активности 235U составляет 2.1 микрокюри/г.
Изотоп урана 238
Несмотря на то, что уран-238 нельзя применять в качестве первичного делящегося материала, вследствие высокой энергии его нейтронов, он все же занимает не последнее место в ядерной отрасли. Обладая высоким уровнем плотности и атомным весом, 238U подходит для создания из него оболочек заряда/рефлектора в устройствах синтеза и деления.
Его способность делится быстрыми нейтронами, повышает энерговыход заряда: в какой-то мере, вследствие размножения отраженных нейтронов; прямо в процессе деления ядер оболочки быстрыми нейтронами (при синтезе). Около 40% нейтронов, полученных в процессе деления, а также все нейтроны синтеза имеют достаточную для деления 238U энергию.
238U обладает в 35 раз более высокой интенсивностью спонтанного деления, в сравнении с 235U, 5.51 делений/с*кг. По этой причине его нельзя использовать как оболочку заряда/рефлектора в пушечных бомбах, ибо подходящий вес на уровне 200-300 кг, создает крайне высокий нейтронный фон.
Чистый 238U обладает удельной радиоактивностью 0.333 микрокюри/г. Довольно важной сферой использования данного изотопа можно назвать создание 239Pu. Радиоактивный изотоп урана превращается в плутоний вследствие нескольких реакций, которые начинаются после захвата атомом 238U нейтрона. Любой вид реакторного топлива, в составе которого содержится природный или частично обогащенный по 235-му изотопу уран, по окончанию топливного цикла имеет в своем составе небольшое количество плутония.
Источник: mining-prom.ru