Если природный уран никому не нужен, то как получить обогащенный?

Разрушение и распад

236 U при поглощении теплового нейтрона не подвергается делению, а превращается в 237 U, который быстро бета распадается до 237 Np . Тем не менее, захват нейтронов сечение из 236 U является низким, и этот процесс не быстро не происходит в тепловом реакторе . Отработанное ядерное топливо обычно содержит около 0,4% 236 U. Обладая гораздо большим поперечным сечением , 237 Np может в конечном итоге поглотить другой нейтрон , превратившись в 238 Np (который быстро бета-распад до плутония-238 ) или деление ( 237 Np расщепляется).

236 U и большинство других актинидов могут расщепляться быстрыми нейтронами в ядерной бомбе или реакторе на быстрых нейтронах . Небольшое количество реакторов на быстрых нейтронах использовалось в исследовательских целях в течение десятилетий, но их широкое использование для производства энергии еще предстоит.

Уран-236 альфа-распад с периодом полураспада 23,420 миллиона лет до тория-232 . Он дольше, чем любые другие искусственные актиниды или продукты деления, производимые в ядерном топливном цикле . ( Плутоний-244 с периодом полураспада 80 миллионов лет не производится в значительных количествах в ядерном топливном цикле , а более долгоживущие уран-235 , уран-238 и торий-232 встречаются в природе.)

Ядерное оружие

Самый современный ядерное оружие использовать 238U как «тамперный» материал (см. конструкция ядерного оружия). Тампер, который окружает делящийся актив, работает на отражать нейтроны и добавить инерция к сжатию 239Пу заряд. Таким образом, он увеличивает эффективность оружия и снижает критическая масса требуется. В случае термоядерное оружие, 238U можно использовать для защиты термоядерного топлива, сильного потока очень энергичных нейтроны из полученного слияние причины реакции 238Ядра U расщепляются и добавляют больше энергии к «мощности» оружия. Такое оружие именуется деление-синтез-деление оружие после порядка, в котором происходит каждая реакция. Пример такого оружия — Замок Браво.

Большая часть общего выхода взрывчатого вещества в этой конструкции приходится на заключительную стадию деления, питаемую 238U, производящий огромное количество радиоактивных продукты деления. Например, примерно 77% из 10,4-мегатонна доходность Айви Майк термоядерное испытание в 1952 году произошло из-за быстрого деления обедненного урана . Поскольку обедненный уран не имеет критической массы, его можно добавлять в термоядерные бомбы практически в неограниченном количестве. В Советский союзиспытание Царь Бомба в 1961 г. произвел «всего» 50 мегатонн взрывной мощности, более 90% которой пришло от деления, вызванного нейтронами, полученными от термоядерного синтеза, потому что 238Финальная ступень U заменена свинцовой. Имел 238Вместо этого использовался U, мощность Царь-бомбы могла быть намного выше 100 мегатонн, и она произвела бы радиоактивные осадки что эквивалентно одной трети общемирового производства, произведенного к тому времени.

Период — полураспад — уран

Период полураспада урана измеряется миллиардами лет, в то время как у радона он составляет 3 82 дня. Ядра некоторых радиоактивных элементов настолько неустойчивы, что их период полураспада измеряется микросекундами.

Период полураспада урана определяется в 4 5 — 10 лет.

Период полураспада урана ( точнее, основного изотопа урана с атомным весом 238), измеренный по а-активности, составляет 4 5 миллиарда ( 4 5 — 109) лет. Даже по геологической шкале времени распад урана происходит весьма медленно.

Период полураспада урана ( точнее, основного изотопа урана с атомной массой 238), измеренный по а-актнвности, составляет 4 5 миллиарда ( 4 5 — 10) лет. Даже по геологической шкале времени распад урана происходит весьма медленно.

Период полураспада урана ( точнее, основного изотопа урана с атомным весом 238), измеренный по ос-активности, составляет 4 5 миллиарда ( 4 5 — Ю9) лет. Даже по геологической шкале времени распад урана происходит весьма медленно.

Период полураспада урана ( точнее, основного изотопа урана с атомной массой 238), измеренный по ос-активности, составляет 4 5 миллиарда ( 4 5 — 109) лет. Даже по геологической шкале времени распад урана происходит весьма медленно.

Радиоактивное семейство урана. А — массовое число ядра. Z — порядковый номер. О — радиоактивные изотопы. Q — устойчивый изотоп. жирные наклонные стрелки — а-распад, тонкие вертикальные стрелки.

Период полураспада урана ( точнее, основного изотопа урана с атомным весом 238), измеренный по а-активности, составляет 4 5 миллиарда ( 4 5 — 109) лет. Даже по геологической шкале времени распад урана происходит весьма медленно.

Схема спинтарископа.

Период полураспада урана составляет 4 5 млрд. лет, радия — 1590 лет, радона — 3 82 дня.

Период полураспада урана Y ( UY) равен 1 066 дня.

Следовательно, период полураспада урана равен Т 4, 5 — 10е лет.

Принимая, что весь свинец происходит из урана ( период полураспада урана равен 4 5 — 109 лет), вычислите примерный возраст образца урановой руды.

Если содержание свинца в урановых рудах в среднем 20 %, а период полураспада урана равен 4 5 миллиарда лет, то, следовательно, 20 % свинца в урановой руде могло образоваться приблизительно за 1 5 миллиарда лет. Эта 1щфра и показывает примерный возраст земной коры.

Самопроизвольное, спонтанное деление урана впервые наблюдали советские ученые К. А. Петржак и Г. А. Флеров в 1940 г. Вероятность процесса очень мала, период полураспада урана составляет 4 — 10 16 лет ( для обычного а-рас-пада 4 5 109 лет), но процесс этот вполне реален и объясняет, например, обогащение урановых руд ксеноном.

Уран-239 [ править ]

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 делящийся 239 Pu (используемый в оружии и для ядерной энергетики) из 238 U в реакторах.

Что такое уран

Уран — это химический элемент, имеющий атомный номер 92 и символ U, Это слабо радиоактивно. Внешний вид урана серебристо-серый. Атомная масса урана составляет около 238,03 млн. Единиц для самого распространенного изотопа урана. Он расположен в блоке f периодической таблицы и относится к серии актинидов. Электронная конфигурация 5f36d17s2, При комнатной температуре и давлении это твердый металл.

Температура плавления урана была найдена как 1132оC. Температура кипения урана составляет около 4131оC. Металлический уран пластичный и парамагнитный. (Пластичный — может быть вытянут в тонкие проволочные нити. Парамагнитный — притягивается к магнитным полям.).

Рисунок 2: Бисквит из металлического урана

Существует несколько изотопов урана. 238U является наиболее распространенным изотопом (изобилие около 99%) среди них.234U и 235Вы также можете найти в значительных количествах. Эти изотопы урана имеют очень высокий период полураспада. Поэтому уран считается слаборадиоактивным элементом. 235U особенный, потому что это делящийся элемент.

Планки многих степеней окисления урана растворимы в воде. Наиболее распространенными формами являются U+3и ты+4, Кроме того, уран может образовывать оксиды и карбонаты, которые являются твердыми соединениями. При соблюдении надлежащих условий уран может образовывать фториды урана, такие как UF4 и ст.6, Основное использование урана включает ядерные реакторы и ядерное оружие.

Разница между плутонием и ураном

Определение

Плутоний: Плутоний — это искусственный химический элемент с атомным номером 94 и символом Pu.

Уран: Уран — это химический элемент с атомным номером 92 и символом U.

Плутоний: Плутоний является трансурановым элементом.

Уран: Уран не является трансурановым элементом.

Плутоний: Плутоний очень радиоактивен.

Уран: Уран является слабо радиоактивным элементом.

Плутоний: Встречаемость плутония в природе незначительна.

Уран: Уран является естественным элементом.

Плутоний: Плутоний имеет шесть электронов.

Уран: У урана три электронных электрона.

Период полураспада

Плутоний: Период полураспада плутония сравнительно очень низок.

Уран: Период полураспада урана сравнительно очень высок.

Плутоний: Точка кипения плутония составляет 3228оC.

Уран: Температура кипения урана составляет около 4131оC.

Заключение

Плутоний и Уран являются элементами, которые находятся в серии актинидов периодической таблицы. Они отличаются друг от друга в нескольких свойствах, как обсуждалось в этой статье выше. Основное различие между плутонием и ураном заключается в том, что плутоний высоко радиоактивен, тогда как уран слабо радиоактивен.

Рекомендации:

1. «Плутоний — информация об элементах, свойства и использование | Периодическая таблица ». Королевское химическое общество — совершенствование химических наук,

Радиоактивное датирование [ править ]

Содержание 238 U и его распад на дочерние изотопы включает несколько методов «датирования урана» и является одним из наиболее распространенных радиоактивных изотопов, используемых при радиометрическом датировании . Самый распространенный метод датирования — это датирование ураном и свинцом , которое используется для датировки горных пород старше 1 миллиона лет и позволяет определить возраст самых старых горных пород на Земле в 4,4 миллиарда лет.

Связь между 238 U и 234 U указывает на возраст отложений и морской воды от 100 000 до 1 200 000 лет.

238 U дочернего продукт, 206 Pb, является составной частью ведущих отведений знакомства , который является самым известным для определения возраста Земли .

Космические аппараты программы « Вояджер» несут небольшие количества изначально чистого 238 U на обложках своих золотых записей, чтобы таким же образом облегчить датировку.

Вынужденное деление

Кривая выхода продуктов деления урана-235 для различных энергий делящих нейтронов

В начале 1930-х годах Энрико Ферми проводил облучение урана нейтронами, преследуя цель получить таким образом трансурановые элементы. Но в 1939 году О. Ган и Ф. Штрассман смогли показать, что при поглощении нейтрона ядром урана происходит вынужденная реакция деления. Как правило, ядро делится на два осколка, при этом высвобождается 2—3 нейтрона (см. схему).

В продуктах деления урана-235 было обнаружено около 300 изотопов различных элементов: от Z = 30 (цинк) до Z = 64 (гадолиний). Кривая зависимости относительного выхода изотопов, образующихся при облучении урана-235 медленными нейтронами, от массового числа — симметрична и по форме напоминает букву «M». Два выраженных максимума этой кривой соответствуют массовым числам 95 и 134, а минимум приходится на диапазон массовых чисел от 110 до 125. Таким образом, деление урана на осколки равной массы (с массовыми числами 115—119) происходит с меньшей вероятностью, чем асимметричное деление, такая тенденция наблюдается у всех делящихся изотопов и не связана с какими-то индивидуальными свойствами ядер или частиц, а присуща самому механизму деления ядра. Однако асимметрия уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра, и при энергии нейтрона более 100 МэВ распределение осколков деления по массам имеет один максимум, соответствующий симметричному делению ядра.


Один из вариантов вынужденного деления урана-235 после поглощения нейтрона (схема)

Осколки, образующиеся при делении ядра урана, в свою очередь являются радиоактивными, и подвергаются цепочке β−-распадов, при которых постепенно в течение длительного времени выделяется дополнительная энергия. Средняя энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра урана-235 с учётом распада осколков, составляет приблизительно 202,5 МэВ = 3,244⋅10−11 Дж, или 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг.

Деление ядер — лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора.

Цепная ядерная реакция

При распаде одного ядра 235U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем – 2,416) свободных нейтронов. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра 235U, при условии взаимодействия с другим ядром 235U, может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной реакцией деления ядра.

Гипотетически, число нейтронов второго поколения (после второго этапа распада ядер) может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом реакции деления количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. В реальных условиях свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата 235U, или будучи захваченными как самим изотопом 235U с превращением его в 236U, так и иными материалами (например, 238U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как 149Sm или 135Xe).

Если в среднем каждый акт деления порождает ещё один новый акт деления, то реакция становится самоподдерживающейся; это состояние называется критическим (см. также Коэффициент размножения нейтронов).

В реальных условиях достичь критического состояния урана не так просто, поскольку на протекание реакции влияет ряд факторов. Например, природный уран лишь на 0,72 % состоит из 235U, 99,2745 % составляет 238U, который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер 235U. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция деления очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию деления можно несколькими основными путями:

  • увеличить объём образца (для выделенного из руды урана возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
  • осуществить разделение изотопов, повысив концентрацию 235U в образце;
  • уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
  • использовать вещество — замедлитель нейтронов для повышения концентрации тепловых нейтронов.

Термоядерный синтез

Помните, как мы с вами «кормили» ядро водорода нейтронами? Так вот, если попытаться подобным образом соединить между собой два протона, ничего не выйдет. Протоны не удержатся вместе из-за кулоновских сил отталкивания. Либо они разлетятся, либо произойдет бета-распад и один из протонов станет нейтроном. А вот гелий-3 существует. Благодаря одному-единственному нейтрону, который делает протоны более уживчивыми друг с другом.

В принципе, на основании состава ядра гелия-3 можно сделать вывод, что из ядер протия и дейтерия можно вполне собрать одно ядро гелия-3. Теоретически это так, но такая реакция может идти только в недрах больших и горячих звезд. Более того, в недрах звезд даже из одних протонов можно собрать гелий, превращая часть их в нейтроны. Но это уже вопросы астрофизики, а достижимый для нас вариант — это слить два ядра дейтерия или дейтерий и тритий.

Для слияния ядер необходимо одно очень специфическое условие. Это очень высокая (109 К) температура. Только при средней кинетической энергии ядер в 100 килоэлектронвольт они способны сблизиться на расстояние, при котором сильное взаимодействие начинает преодолевать кулоновское.

Вполне законный вопрос — зачем городить этот огород? Дело в том, что при синтезе легких ядер выделяется энергия порядка 20 МэВ. Разумеется, при вынужденном делении ядра урана эта энергия в 10 раз больше, но есть один нюанс — при самых больших ухищрениях урановый заряд мощностью даже в 1 мегатонну невозможен. Даже для более совершенной плутониевой бомбы достижимый выход энергии — не более чем 7-8 килотонн с одного килограмма плутония (при теоретическом максимуме 18 килотонн). И не забывайте о том, что ядро урана почти в 60 раз тяжелее двух ядер дейтерия. Если считать удельный выход энергии, то термоядерный синтез заметно впереди.

И еще — для термоядерного заряда не существует никаких ограничений по критической массе. У него попросту ее нет. Есть, правда, другие ограничения, но о них — ниже.

В принципе, запустить термоядерную реакцию как источник нейтронов достаточно несложно. Гораздо труднее запустить ее как источник энергии. Здесь мы сталкиваемся с так называемым критерием Лоусона, который определяет энергетическую выгодность термоядерной реакции. Если произведение плотности реагирующих ядер и времени их удержания на расстоянии слияния больше, чем 1014 сек/см3, энергия, даваемая синтезом, превысит энергию, вводимую в систему.

Именно достижению этого критерия и были посвящены все термоядерные программы.

А что сегодня?

«Ядерный клуб»

Инфографика мировых ядерных запасов. Данные взяты с журнала «Бюллетень ученых-атомщиков«, основа для картинки с этого сайта.Советская ядерная торпеда Т-5. Источник — topwar.ruссылкеРасположение российских МБР. Данные взяты из отчета о ядерном оружии в России за 2021 год. Около каждого отмеченного города находится несколько пусковых установок, вплоть до 6, как в Татищево.

«Ядерная триада»

ракетными подводными крейсерами стратегического назначенияотсутствиеБоевой железнодорожный ракетный комплекс в музее Октябрьской железной дороги, Санкт-Петербург. Источник — Википедия.

Методы противодействия

Кратчайшая траектория между Россией и США проходит через северный полюс

  • Система ПРО не может обеспечить защиту со 100% вероятностью;
  • Система наиболее эффективна против малого количества ракет;
  • Стране-обладательнице системы ПРО выгодно нанести удар первой и вывести из строя максимальное количество ракет противника;
  • Страна без ПРО знает о наличии таких систем у противника, и понимает, что ему выгодно нанести удар первым;
  • Страна без ПРО также имеет стимул нанести удар первой.

Титульный лист договора. Источник — liders.rusarchives.ru/Перехват во время взлётаВзлёт межконтинентальной баллистической ракеты 15Ж65 Тополь-М. Источник — missilery.infoПерехват за пределами атмосферы
militaryarms.ruПерехват во время входа в атмосферу
Современные системы ПРОПередвижной противоракетный комплекс THAAD. Источник — ferra.ruСистема ПРО А-135. Источник — riafan.ru

Тугоплавкие соединения

Хорошим ядерным топливом считаются некоторые тугоплавкие соединения урана: карбиды, окислы и интерметаллические соединения. Наиболее распространенным из них является диоксид урана (керамика). Его температура плавления составляет 2800°С, а плотность – 10,2 г/см3.

Так как у этого материала нет фазовых переходов, он менее подвержен распуханию, нежели сплавы урана. Благодаря этой особенности температуру выгорания можно повысить на несколько процентов. На высоких температурах керамика не взаимодействует с ниобием, цирконием, нержавеющей сталью и прочими материалами. Ее главный недостаток заключается в низкой теплопроводности – 4,5 кДж (м*К), ограничивающей удельную мощность реактора. Кроме того, горячая керамика склонна к растрескиванию.

Уран-235 [ править ]

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.

Популярная механика взрыва

Суть любого взрыва — это стремительное высвобождение энергии, ранее находившейся в несвободном, связанном состоянии. Освободившаяся энергия рассеивается, преимущественно переходя в тепло (кинетическую энергию неупорядоченного движения молекул), ударную волну (тут тоже движение, но уже упорядоченное, по направлению от центра взрыва) и излучение — от мягкого инфракрасного до жестких коротковолновых квантов.

При химическом взрыве все относительно просто. Происходит энергетически-выгодная реакция, когда между собой взаимодействуют некие вещества. В реакции участвуют только верхние электронные слои некоторых атомов, а глубже взаимодействие не идет. Несложно догадаться, что скрытой энергии в любом веществе гораздо больше. Но каковы бы ни были условия опыта, сколь бы удачные реагенты мы ни подобрали, как бы ни выверяли пропорции — глубже в атом химия нас не пустит. Химический взрыв — явление примитивное, малоэффективное и, с точки зрения физики, до неприличия слабое.

Ядерная цепная реакция позволяет копнуть чуть глубже, включая в игру не только электроны, но и ядра. По-настоящему весомо это звучит, пожалуй, только для физика, а остальным приведу простую аналогию. Представьте себе гигантскую гирю, вокруг которой на расстоянии нескольких километров порхают наэлектризованные пылинки. Это атом, «гиря» — ядро, а «пылинки» — электроны. Что с этими пылинками ни делай, они не дадут и сотой доли той энергии, которую можно получить от увесистой гири. Особенно если в силу каких-то причин она расколется, и массивные обломки на огромной скорости разлетятся в разные стороны.

Ядерный взрыв задействует потенциал связи тяжелых частиц, из которых состоит ядро. Но это еще далеко не предел: скрытой энергии в веществе гораздо больше. И имя этой энергии — масса. Опять же, для не-физика это звучит немного непривычно, но масса — это энергия, только предельно сконцентрированная. Каждая частица: электрон, протон, нейтрон — все это мизерные сгустки невероятно плотной энергии, до поры до времени пребывающей в покое. Вы наверняка знаете формулу E=mc2, которую так полюбили авторы анекдотов, редакторы стенгазет и оформители школьных кабинетов. Она именно об этом, и именно она постулирует массу как не более чем одну из форм энергии. И она же дает ответ на вопрос, сколько энергии можно получить из вещества по максимуму.

Процесс полного перехода массы, то есть энергии связанной, в энергию свободную, называетсяаннигиляцией. По латинскому корню «nihil» несложно догадаться о ее сути — это превращение в «ничто», вернее — в излучение. Для ясности — немного цифр.

Взрыв Тротиловый эквивалент Энергия (Дж)

Граната Ф-1 60 грамм 2,50*105

Бомба, сброшенная на Хиросиму 16 килотонн 6,70*1013

Аннигиляция одного грамма материи 21,5 килотонн 8,99*1013

Один грамм любой материи (важна только масса) при аннигиляции даст больше энергии, чем небольшая ядерная бомба. По сравнению с такой отдачей смешными кажутся и упражнения физиков над расщеплением ядра, и уж тем более опыты химиков с активными реагентами.

Для аннигиляции нужны соответствующие условия, а именно — контакт материи с антиматерией. И, в отличие от «красной ртути» или «философского камня», антиматерия более чем реальна — для известных нам частиц существуют и исследованы аналогичные античастицы, а эксперименты по аннигиляции пар «электрон + позитрон» неоднократно проводились на практике. Но чтобы создать аннигиляционное оружие, необходимо собрать воедино некоторый весомый объем античастиц, а также ограничить их от контакта с любой материей вплоть до, собственно, боевого применения. Это, тьфу-тьфу, еще далекая перспектива.

Крупнейшие месторождения по добыче урана в мире – страны лидеры

Добыча урановой руды в шахте

Мировым лидером по добыче урана считается Австралия. В этом государстве сконцентрировано более 30% всех мировых запасов. Наиболее крупными австралийскими месторождениями являются Олимпик Дам, Биверли, Рейнджер и Хонемун.

Главным конкурентом Австралии считается Казахстан, на территории которого содержится практически 12% мировых запасов топлива. На территории Канады и ЮАР сконцентрировано по 11% мировых запасов урана, в Намибия – 8%, Бразилии – 7%. Россия замыкает семерку лидеров с 5%. В список лидеров также входят такие страны, как Намибия, Украина и Китай.

Крупнейшими мировыми урановыми месторождениями являются:

Месторождение Страна Начало обработки
Олимпик-Дэм Австралия 1988
Россинг Намибия 1976
МакАртур-Ривер Канада 1999
Инкай Казахстан 2007
Доминион ЮАР 2007
Рейнджер Австралия 1980
Харасан Казахстан 2008