К марту 1939 года группы ученых, работавших во Франции и в Америке, доказали, что для самоподдерживающейся цепной реакции достаточно выделения в среднем двухчетырех свободных нейтронов при каждом делении уранового ядра. Растущие было опасения о возможности создания атомной бомбы, однако, быстро развеялись.
Бор решил не терять времени. Физика деления, как и любое другое новое направление в науке, несомненно, предоставляла неохватное поле для деятельности. И, поскольку в Принстоне работать можно было с не меньшим успехом, чем в Копенгагене, Бор обратился к Уилеру с предложением сотрудничества. Они занялись дальнейшей разработкой теории деления ядер, опираясь на новые экспериментальные данные. Эксперименты они проводили с аппаратом, собранным на скорую руку тут же, в Принстоне, на чердаке Палмеровской лаборатории. Полученные результаты были поначалу весьма озадачивающими.
Упомянутый выше аппарат нужен был, чтобы изучить изменения в интенсивности деления ядра урана под воздействием нейтронов, несущих каждый раз различные объемы энергии . Было установлено, что чем больше эта энергия, тем интенсивнее происходит деление, а с ее уменьшением интенсивность деления, соответственно, также снижается. Такие данные были вполне ожидаемы. Однако вскоре выяснилось, что при достаточном уменьшении энергии нейтронов интенсивность деления ядра снова возрастает.
Плачек, который ранее заставил работавшего в Копенгагене Фриша искать достоверное подтверждение ядерного расщепления, весьма неожиданно оказался в Принстоне. «Что это еще за чертовщина: почему отклик одинаковый и на быстрое и на медленное воздействие?!» - возмущался он, сидя за завтраком вместе с Розенфельдом и Бором.
Возвращаясь вскоре в свой кабинет, Нильс Бор уже знал ответ на этот вопрос. Судя по всему, причина высокой интенсивности деления ядра при малой энергии воздействующих нейтронов - редкий изотоп уран-235 (U 235), который составляет ничтожно малый процент от общего количества этого элемента, встречающегося в природе. Бор и Уилер приступили теперь к детальной разработке данной гипотезы. И в новой теории были установлены два основополагающих фактора.
В изотопе U 235 баланс между отталкивающей силой протонов в ядре атома и силой поверхностного натяжения, удерживающей ядро от распада, гораздо более хрупкий, чем в изотопе U 238 . Три дополнительных нейтрона урана-238 стабилизируют ядро и увеличивают энергетический барьер, который необходимо преодолеть, чтобы запустить реакцию распада. Следовательно, для расщепления такого ядра необходимы более быстрые нейтроны с большей энергией.
Вторым из упомянутых факторов стал непосредственно сложный состав ядра. Для него более благоприятно равное число протонов и нейтронов, что объясняется квантовой природой их субатомных составляющих. Приняв дополнительный нейтрон, U 235 превращается в U 236 , в ядре которого 92 протона и 144 нейтрона, то есть четное число обоих нуклонов. Когда U 238 принимает добавочный нейтрон, то образуется изотоп U 239 с нечетным числом нейтронов в ядре. Уран-235 «ассимилирует» дополнительный нейтрон и вступает с ним в реакцию намного проще, чем уран-238.
Совокупность двух вышеописанных факторов в достаточной степени объясняет существенное различие в поведении двух изотопов урана. Для расщепления устойчивого ядра U 238 требуются быстрые нейтроны, а гораздо менее стабильное ядро U 235 разделить можно медленными. Таким образом, если изготовить бомбу, состоящую из смеси U 235 и U 238 , действие которой будет основано на расщеплении урана-235 под воздействием медленных нейтронов, то и цепная реакция в ней будет происходить медленно. Затем она затухнет, а бомба так и не взорвется.
Теперь шансы на создание бомбы в ближайшем будущем хотя и не исчезли совсем, но значительно снизились. Конечно, нельзя забывать и о словах Бора, неоднократно повторяемых им в ходе дискуссий с коллегами в апреле 1939 года: тогда он заявил, что изготовить бомбу можно при условии, что она будет сделана на основе чистого урана-235. Однако U 235 - редкий изотоп и его доля по отношению к природному урану составляет 1:140, то есть ничтожные 0,7 %. К тому же U 235 и U 238 по химическим свойствам идентичны, и поэтому с помощью химической реакции их разделить нельзя. Это возможно только с применением специальных физических методов, позволяющих отделить изотопы друг от друга, используя практически незаметную разницу в их массе. При этом подобные работы в масштабах, необходимых для создания атомной бомбы, требовали неоправданно больших усилий - на тогдашнем уровне разработок для нее требовалось несколько тонн урана-235.
Основным способом извлечения урана-235 из природного урана стал газодиффузионный способ. Советские ученые Кикоин, Соболев и Смородинский разработали теорию газодиффузионного процесса. Метод газовой диффузии основан на небольшом различии в скорости перемещения тяжелых ядер урана-238 и менее тяжелых ядер урана-235 при прохождении газообразного соединения урана через специальные пористые перегородки. При однократном прохождении газа, можно повысить содержание изотопа урана-235 всего на 0,2 %. Чтобы обогатить уран изотопом 235 до 90–94 процентов, а именно такой требуется для боевого заряда, необходимо прокачать газ через диффузионную ступень с пористой перегородкой несколько тысяч раз.
Очень сложной проблемой оказалась разработка и изготовление пористых перегородок, от их качества зависели как выход готовой продукции, так и расход электроэнергии на перекачку газа. Непросто было сконструировать и изготовить надежные и простые компрессоры для перекачки газа с высокой степенью герметичности, чтобы токсичный газовый продукт не попадал в производственные помещения.
Газодиффузионный завод начали строить в 1946 году. В начале строительства здесь также применялся ручной труд и конная тяга, лишь в 1948 году сюда прибыл первый экскаватор. Работы велись круглосуточно. Проект завода и его установок был чрезвычайно сложен. Главный корпус завода имел площадь более 100 тысяч квадратных метров. Во время наладки систем происходили многочисленные остановки. Поставщик компрессоров весьма оперативно производил реконструкцию и даже замену оборудования, эти работы находились под личным наблюдением Берии и Сталина. После реконструкции на заводе было установлено несколько тысяч диффузионных машин четырех модификаций.
Несмотря на все трудности дело продвигалось и в 1948 году получен уран-235 с обогащением 75 %. Этого было недостаточно. Тогда приняли промежуточное решение. Уран-235 стали отправлять для дальнейшего обогащения электромагнитным методом, до 90 и более процентов.
В 1950 году газодиффузионный завод повысил обогащение до 90 % и вышел на проектную производительность, в 1951 году обогащение урана превысило 90 %.
Основой завода по электромагнитному разделению изотопов была огромная электромагнитная установка, снабженная специальными камерами из дефицитной латуни. Установку долго налаживали, а в 1949 году она выдала уран с обогащением более 90 %. В дальнейшем завод расширялся.
Таким образом, была решена проблема производства двух видов ядерных взрывчатых веществ: плутония и урана-235 в достаточных количествах для изготовления советского ядерного оружия.
Сосредоточение усилий на производстве плутония дало мощный успех, но то, что Берия не успевал уделить достаточно личного внимания получению урана-235, сказывалось – дело на этом направлении шло плохо. Очень плохо!
Стоял сентябрь 1949 года, еще и месяца не прошло после успешного испытания первой советской атомной бомбы, а Берия в своем кремлевском кабинете выслушивал доклад сотрудника, вернувшегося из командировки на уральский комбинат – тот самый, который был построен для разделения изотопов урана.
– Я считаю, что положение на комбинате 813 уже нельзя назвать кризисным, – докладывал сотрудник. – Они почти год не могут ввести в эксплуатацию завод диффузионного разделения урана. Там многие работники, в том числе и руководители, просто отчаялись, работают механически, не веря в успех. Это не кризис, это напоминает агонию.
Берия долго и задумчиво молчал, потом снял телефонную трубку и дал команду.
– К вечеру подготовьте мне вагон, я выезжаю на Урал.
Берия прошелся по заводу Д-1 комбината 813 – по заводу, на котором в специальных машинах путем диффузии гексафторида изотопов урана должен был выделяться из смеси изотопов изотоп урана-235.
Затем собрал совещание, на котором присутствовало около сотни специалистов, как самого комбината, так и поставщиков оборудования, и представителей науки.
Когда подчиненные паникуют, руководитель обязан оставаться спокойным. И чем больше паникуют подчиненные, тем более спокойным должен быть руководитель, иначе любая его горячность будет воспринята подчиненными и за его панику, и тогда их собственная паника и отчаяние будут неконтролируемы. Всем своим спокойным и даже несколько безразличным видом руководитель должен пока зывать, что «мы и из худших выбирались передряг», и что нужно лишь немного усилить нажим, еще чуть-чуть пошевелить мозгами, и дело будет сделано.
– В целом я знаком с проблемами вашего завода, – спокойно начал Берия, – но хотел бы сейчас услышать их из ваших уст. Давайте начнем с самого младшего по должности, а закончим директором завода.
Сначала, как водится, народ стесняется начальства, особенно большого, но такая обязанность говорить – начиная с младшего, – снимает стеснительность, и люди выкладывают все, что знают.
То, что Берия услышал на совещании, наряду с увиденным в цехах, в сумме дало достаточно безрадостную картину.
На газоразделительном заводе Д-1 сразу же после пус¬ коналадочных работ на первых введенных в эксплуатацию каскадах, состоящих в основном из диффузионных машин ЛБ-7, начались массовые выходы из строя машин, работающих на рабочем газе (гексафториде урана). В дальнейшем это повторилось и на машинах ЛБ-8 и ЛБ-9. Причины аварий – заедание шариковых подшипников электропривода компрессора, приводящее либо сразу к его остановке, либо к быстрому износу подшипников, сопровождаемому недопустимой вибрацией компрессора. А ведь это были специальные, высокооборотные подшипники, которые должны были служить десятки тысяч часов, но реально они выходили из строя через несколько сотен часов работы, а некоторые нормально вращались только несколько десятков часов.
И на заводе Д-1 за сутки выходило из строя до 50 компрессоров, а это было больше, чем можно было смонтировать новых машин. Это была мучительная работа, не прерывавшаяся ни днем, ни ночью – замена вышедших из строя многотонных компрессоров новыми или отремонтированными машинами! Ведь все машины до их аварийной остановки были заполнены рабочим газом – химически агрессивным радиоактивным гексафторидом урана, уже успевшим получить некоторое изменение в своем изотопном составе.
Было непонятно, почему изготовленные по первому классу точности шариковые подшипники, прошедшие специальный отбор, выходят из строя? При заводских и комиссионных приемных испытаниях ведь все было в порядке.
Стали искать причину в недостатках сборки, в отклонениях требований к механической обработке, а выход из строя подшипников с вводом в эксплуатацию новых и новых каскадов нарастал и нарастал.
Ремонт машин был очень трудным. Из-за одного вышедшего из строя компрессора приходилось останавливать и отключать от каскада целый блок из 12 машин, откачивать из него рабочий газ, снимать с места и транспортировать в цех ревизии аварийную машину, обнажая при этом весьма чувствительные к влаге и коррозии пакеты пористых пластин, установленных в баке-делителе. Вместо изъятых машин монтировались новые или уже отремонтированные машины, повторяя весь цикл монтажа снова и снова (откачка, проверка на вакуумную плотность, наполнение газом и т.п.). И опять без уверенности, что замененная машина долго проработает. Эта трудоемкая изнурительная работа полностью дезорганизовала пуск завода Д-1 и была настоящим бедствием, что вызвало у некоторых руководителей неверие в успех промышленного освоения диффузионного метода.
Была и вторая беда, еще более тяжкая – был обнаружен недопустимо высокий уровень коррозии (разложения) рабочего газа (гексафторида урана) в машинах. Это приводило к тому, что поток высокообогащенного газа конечных каскадов практически не достигал, так как гексафторид урана разлагался, значительная часть его потока превращалась в порошок (тетрафторид урана) и осаждалась на внутренних стенках машин.
Процессы коррозии особенно сильно ускорял влажный воздух, засасываемый из атмосферы в вакуумный объем машин и коммуникаций. Он проникал в машины при недостаточной герметичности фланцевых разъемов, которых было на заводе несколько десятков тысяч. А поскольку для ремонта аварийных машин надо было останавливать и вскрывать блоки или каскады, то избавиться от напуска влажного воздуха практически было невозможно.
К проблемам добавлялись сомнения в достаточной герметичности многочисленных тонкостенных труб разъемных газовых коммуникаций, имевших приварные фланцы. Общая протяженность их на заводе Д-1 достигала несколько километров.
Берия записывал ключевые вопросы в блокнот, пытаясь отобрать из них наиглавнейшие и отсеять мелочь, которая будет решена и без него.
Особенно не понравилось ему итоговые выступления главного инженера и директора. Дело в том, что вначале на эти должности были назначены молодые инженеры, но перед пуском Берия, опасаясь, что молодые завалят его вопросами, заменил их на опытных. И ошибся! Эти опытные специалисты потеряли необходимый энтузиазм и теперь скорее имитировали привычную работу, а не штурмовали проблемы.
Оба они закончили свои выступления примерно одинаково:
«Мы считаем, что с таким составом оборудования завод работать не будет», – а ведь знали, что другого оборудования просто не существует!
– Хорошо, – сказал Берия, никак не прореагировав на выводы руководителей завода. – Теперь прошу высказаться о том, как ликвидировать недостатки. Представители Горь¬ ковского машзавода. Ваши машины ЛБ не работают. Начинайте с подшипников. Нашли причины их заклинивания?
– Это нашли, – сообщил горьковчанин. – Мы же артиллеристы, поэтому стремились к точности. Поставили очень точные подшипники, сделали очень точные посадки.
В результате роторы не имели люфтов. А при работе возникает неравномерный нагрев и неравномерное термическое расширение. Подшипник перекашивает и заклинивает.
– М-да. Всю жизнь нас, русских, критиковали за отсутствие точности, теперь мы точности добились, и снова нехорошо!
Продолжайте.
– Как это устранить – понятно. Прослабим подшипники и посадки, добьемся люфта. С коррозией гексафтори¬ да урана дело сложнее…
И так, выслушивая специалиста за специалистом, Берия выяснял, какие пути решения проблем уже найдены, а какие проблемы остаются без решения.
– Да, – вспомнил он в конце, – у нас еще есть выездная бригада ученых-физиков из Москвы. Что вы скажете?
– Товарищ Берия! – бодро начал физик. – Сначала я скажу в принципе, а потом зачту список наших предложений.
Дело в том, что из-за низкой, так сказать, научной и культурной подготовленности персонала завода, из-за низкой его дисциплины предлагаемые нами научные рекомендации не исполняются. Вот они…
– Читать список не надо, ситуация понятна и слушать эти рекомендации нет необходимости, оборвал выступающего Берия, поняв, что наука, как обычно, старается держаться отдельно от заводчан и, следовательно от их проблем.
– Давайте переходить к решениям, – Берия немного помолчал в задумчивости. – Начнем с директора. Преступно поручать бой командиру, который не верит в победу. Товарищ Кизима, вам с главным инженером мы найдем должности полегче. Директором завода снова назначаю товарища Чурина, а главным инженером – товарища Родионова.
Товарищ Алявдин работает в самом тяжелом цехе, а паники в его докладе я не уловил. Товарищ Алявдин назначается начальником производства.
Наука нам заявила, что штат завода не способен внедрить научные рекомендации…
– Я не это хотел сказать, – запротестовал физик, привыкший, что в «интеллигентной среде» не называют вещи своими именами.
– Но сказали. Поэтому всех командированных ученых из Москвы я включаю в штат завода и поручаю им исполнить их же рекомендации заводу.
– Мы не заслуживаем такого наказания! – вновь запротестовал физик.
– Вы считаете внедрение собственных научных идей наказанием?!
– Я не это хотел сказать… – растерялся ученый.
– Зато я сказал, что хотел сказать! – произнес Берия неожиданно ледяным тоном, и все вспомнили, кто он такой.
– Теперь. Большой проблемой является коррозия элементов машин ЛБ. У нас в СССР есть толковый металлофизик?
– Профессор Якутович из Свердловска, – послышался голос с места.
– Запишите фамилию, назначим его заместителем научного руководителя завода. Нужны химики-аналитики. Кто знает толковых? – продолжил Берия поиск решения проблем из своего списка.
Вечером, когда совещание уже изрядно устало и задымило воздух помещения до состояния лондонского смога, Берия согласовывал сроки исполнения с представителями Горьковского машиностроительного завода.
– Нам нужно шесть месяцев, чтобы реконструировать машины ЛБ, – утверждал горьковчанин.
– Вы что – спать на ходу собираетесь? – язвительно поинтересовался Берия.
– Но их шесть тысяч!
– Ничего, ваш директор Елян в войну и не такие задачи решал, – четыре месяца и ни днем больше! Кстати, вы Горьковский машиностроительный, а марка ваших машин начинается с буквы «Л», как будто машины ленинградские.
И вообще, что обозначает это «ЛБ»?
Все затихли и удивленно уставились на Берию.
– Товарищ Берия, – наконец ответил удивленный горьковчанин.
– «ЛБ» – это «Лаврентий Берия».
– Что?! – Берия откинулся на спинку стула. Это эпидемия какая-то… Партия поручила мне создать вокруг Москвы пояс противовоздушной обороны, оснащенный… скажем так, новым видом оружия. Конструкторы назвали его «Беркут». Ну, беркут и беркут – стремительная птица, и это оружие тоже стремительное. И вот мне сообщают, что «Беркут» – это в честь Берии. – снова придвигается к столу.
– Значит так. Передайте товарищу Еляну, что у него голова не тем занята! И чтобы все машины были готовы через три месяца!!
Справка: После убийства Л.П.Берии, диффузионные машины Горьковского машиностроительного завода были переименованы с ЛБ в ОК (отдельная конструкция), а система ПВО «Беркут » в С-25.
В 1950 году после комплектования завода машинами ЛБ-6 и замены всех двигателей ТД (двигатель-трансформатор) на машинах ЛБ-7 и ЛБ-8, а также после проведения пассивирующей обработки внутренних поверхностей машин и пористых фильтров всех машин, после полного ввода в эксплуатацию холодильной станции для подачи охлаждающей воды низкой (8-10°С) температуры, после постройки цеха сухого воздуха, наконец была налажена нормальная эксплуатация завода Д-1 и выпуск в проектном количестве урана235, вначале 75%-ного, а затем 90%-ного обогащения.
Специфические производственные и технические сложности и особенности всего комплекса диффузионной технологии оказались столь велики и неприступны, что этой технологией в мире могли овладеть после США (1945 г.) только три индустриально развитые страны: СССР в 1949 г. (завод Д-1), Великобритания в 1956 г. (завод в Кейпенхерсте) и Франция в 1967 г. (завод в Пьерлате).
А в СССР, вслед за заводом Д-1, в последующие годы уверенно вошли в строй заводы Д-3, Д-4, Д-5 и другие.
()
239 Pu ()
В отличие от другого, наиболее распространенного изотопа урана 238 U , в 235 U возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция . Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах , а также в ядерном оружии .
Образование и распад
Уран-235 образуется в результате следующих распадов:
texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{235}_{91}Pa} \rightarrow \mathrm{^{235}_{92}U} + e^- + \bar{\nu}_e;
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{235}_{93}Np} + e^- \rightarrow \mathrm{^{235}_{92}U} + \bar{\nu}_e;
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{239}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm{^{235}_{92}U} + \mathrm{^{4}_{2}He}.
Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файлtexvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{231}_{90}Th} + \mathrm{^{4}_{2}He};
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{215}_{82}Pb} + \mathrm{^{20}_{10}Ne};
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{210}_{82}Pb} + \mathrm{^{25}_{10}Ne};
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{207}_{80}Hg} + \mathrm{^{28}_{12}Mg}.
Вынужденное деление
Ошибка создания миниатюры: Файл не найден
Кривая выхода продуктов деления урана-235 для различных энергий делящих нейтронов.
В продуктах деления урана-235 было обнаружено около 300 изотопов различных элементов : от =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.
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 235 U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем - 2.416) свободных нейтрона. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра 235 U, при условии взаимодействия с другим ядром 235 U, 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 235 U, или будучи захваченными как самим изотопом 235 U с превращением его в 236 U, так и иными материалами (например, 238 U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как 149 Sm или 135 Xe).
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 235 U, 99,2745 % составляет 238 U , который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер 235 U. 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 235 U в образце;
- Уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
- Использовать вещество - замедлитель нейтронов для повышения концентрации тепловых нейтронов .
Изомеры
- Избыток массы: 40 920,6(1,8) кэВ
- Энергия возбуждения: 76,5(4) эВ
- Период полураспада: 26 мин
- Спин и чётность ядра: 1/2 +
Распад изомерного состояния осуществляется путём изомерного перехода в основное состояние.
Применение
- Уран-235 используется в качестве топлива для ядерных реакторов , в которых осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления;
- Уран с высокой степенью обогащения применяется для создания ядерного оружия . В этом случае для высвобождения большого количества энергии (взрыва) используется неуправляемая цепная ядерная реакция.
См. также
Напишите отзыв о статье "Уран-235"
Примечания
- G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «». Nuclear Physics A 729 : 337-676. DOI :. Bibcode : .
- G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «». Nuclear Physics A 729 : 3–128. DOI :. Bibcode : .
- Гофман К. - 2-е изд. стер. - Л. : Химия, 1987. - С. 130. - 232 с. - 50 000 экз.
- Фиалков Ю. Я. Применение изотопов в химии и химической промышленности. - Киев: Техніка, 1975. - С. 87. - 240 с. - 2 000 экз.
- . Kaye & Laby Online. .
- Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. - М .: Энергоатомиздат, 1982. - С. 512.
Отрывок, характеризующий Уран-235
Кристалл был материальным. И в то же время истинно волшебным. Он был вырезан из очень красивого камня, похожего на удивительно прозрачный изумруд. Но Магдалина чувствовала – это было что-то намного сложнее, чем простой драгоценный камень, пусть даже самый чистый. Он был ромбовидным и удлинённым, величиной с ладонь Радомира. Каждый срез кристалла был полностью покрыт незнакомыми рунами, видимо, даже более древними, чем те, которые знала Магдалина...– О чём он «говорит», радость моя?.. И почему мне не знакомы эти руны? Они чуточку другие, чем те, которым нас учили Волхвы. Да и откуда он у тебя?!
– Его принесли на Землю когда-то наши мудрые Предки, наши Боги, чтобы сотворить здесь Храм Вечного Знания, – задумчиво смотря на кристалл, начал Радомир. – Дабы помогал он обретать Свет и Истину достойным Детям Земли. Это ОН родил на земле касту Волхвов, Ведунов, Ведуний, Даринь и остальных просветлённых. И это из него они черпали свои ЗНАНИЯ и ПОНИМАНИЕ, и по нему когда-то создали Мэтэору. Позже, уходя навсегда, Боги оставили этот Храм людям, завещая хранить и беречь его, как берегли бы они саму Землю. А Ключ от Храма отдали Волхвам, дабы не попал он случайно к «тёмномыслящим» и не погибла бы Земля от их злой руки. Так с тех пор, и хранится это чудо веками у Волхвов, а они передают его время от времени достойному, чтобы не предал случайный «хранитель» наказ и веру, оставленную нашими Богами.
– Неужели это и есть Грааль, Север? – не удержавшись, просила я.
– Нет, Изидора. Грааль никогда не был тем, чем есть этот удивительный Умный Кристалл. Просто люди «приписали» своё желаемое Радомиру... как и всё остальное, «чужое». Радомир же, всю свою сознательную жизнь был Хранителем Ключа Богов. Но люди, естественно, этого знать не могли, и поэтому не успокаивались. Сперва они искали якобы «принадлежавшую» Радомиру Чашу. А иногда Граалем называли его детей или саму Магдалину. И всё это происходило лишь потому, что «истинно верующим» очень хотелось иметь какое-то доказательство правдивости того, во что они верят… Что-то материальное, что-то «святое», что возможно было бы потрогать... (что, к великому сожалению, происходит даже сейчас, через долгие сотни лет). Вот «тёмные» и придумали для них красивую в то время историю, чтобы зажечь ею чувствительные «верующие» сердца... К сожалению, людям всегда были нужны реликвии, Изидора, и если их не было, кто-то их просто придумывал. Радомир же никогда не имел подобной чаши, ибо не было у него и самой «тайной вечери»... на которой он якобы из неё пил. Чаша же «тайной вечери» была у пророка Джошуа, но не у Радомира.
И Иосиф Аримафейский вправду когда-то собрал туда несколько капель крови пророка. Но эта знаменитая «Граальская Чаша» по-настоящему была всего лишь самой простой глиняной чашечкой, из какой обычно пили в то время все евреи, и которую не так-то просто было после найти. Золотой же, или серебряной чаши, сплошь усыпанной драгоценными камнями (как любят изображать её священники) никогда в реальности не существовало ни во времена иудейского пророка Джошуа, ни уж тем более во времена Радомира.
Но это уже другая, хоть и интереснейшая история.
У тебя не так уж много времени, Изидора. И я думаю, ты захочешь узнать совершенно другое, что близко тебе по сердцу, и что, возможно, поможет тебе найти в себе побольше сил, чтобы выстоять. Ну, а этот, слишком тесно «тёмными» силами запутанный клубок двух чужих друг другу жизней (Радомира и Джошуа), в любом случае, так скоро не расплести. Как я уже сказал, у тебя просто не хватит на это времени, мой друг. Ты уж прости...
Я лишь кивнула ему в ответ, стараясь не показать, как сильно меня занимала вся эта настоящая правдивая История! И как же хотелось мне узнать, пусть даже умирая, всё невероятное количество лжи, обрушенной церковью на наши доверчивые земные головы... Но я оставляла Северу решать, что именно ему хотелось мне поведать. Это была его свободная воля – говорить или не говорить мне то или иное. Я и так была ему несказанно благодарна за его драгоценное время, и за его искреннее желание скрасить наши печальные оставшиеся дни.
Мы снова оказались в тёмном ночном саду, «подслушивая» последние часы Радомира и Магдалины...
– Где же находится этот Великий Храм, Радомир? – удивлённо спросила Магдалина.
– В дивной далёкой стране... На самой «вершине» мира... (имеется в виду Северный Полюс, бывшая страна Гиперборея – Даария), – тихо, будто уйдя в бесконечно далёкое прошлое, прошептал Радомир. – Там стоит святая гора рукотворная, которую не в силах разрушить ни природа, ни время, ни люди. Ибо гора эта – вечна... Это и есть Храм Вечного Знания. Храм наших старых Богов, Мария...
Когда-то, давным-давно, сверкал на вершине святой горы их Ключ – этот зелёный кристалл, дававший Земле защиту, открывавший души, и учивший достойных. Только вот ушли наши Боги. И с тех пор Земля погрузилась во мрак, который пока что не в силах разрушить сам человек. Слишком много в нём пока ещё зависти и злобы. Да и лени тоже...
– Люди должны прозреть, Мария. – Немного помолчав, произнёс Радомир. – И именно ТЫ поможешь им! – И будто не заметив её протестующего жеста, спокойно продолжил. – ТЫ научишь их ЗНАНИЮ и ПОНИМАНИЮ. И дашь им настоящую ВЕРУ. Ты станешь их Путеводной Звездой, что бы со мной ни случилось. Обещай мне!.. Мне некому больше доверить то, что должен был выполнить я сам. Обещай мне, светлая моя.
Радомир бережно взял её лицо в ладони, внимательно всматриваясь в лучистые голубые глаза и... неожиданно улыбнулся... Сколько бесконечной любви светилось в этих дивных, знакомых глазах!.. И сколько же было в них глубочайшей боли... Он знал, как ей было страшно и одиноко. Знал, как сильно она хотела его спасти! И несмотря на всё это, Радомир не мог удержаться от улыбки – даже в такое страшное для неё время, Магдалина каким-то образом оставалась всё такой же удивительно светлой и ещё более красивой!.. Будто чистый родник с животворной прозрачной водой...
Встряхнувшись, он как можно спокойнее продолжил.
– Смотри, я покажу тебе, как открывается этот древний Ключ...
На раскрытой ладони Радомира полыхнуло изумрудное пламя... Каждая малейшая руна начала раскрываться в целый пласт незнакомых пространств, расширяясь и открываясь миллионами образов, плавно протекавших друг через друга. Дивное прозрачное «строение» росло и кружилось, открывая всё новые и новые этажи Знаний, никогда не виданных сегодняшним человеком. Оно было ошеломляющим и бескрайним!.. И Магдалина, будучи не в силах отвести от всего этого волшебства глаз, погружалась с головой в глубину неизведанного, каждой фиброй своей души испытывая жгучую, испепеляющую жажду!.. Она вбирала в себя мудрость веков, чувствуя, как мощной волной, заполняя каждую её клеточку, течёт по ней незнакомая Древняя Магия! Знание Предков затопляло, оно было по-настоящему необъятным – с жизни малейшей букашки оно переносилось в жизнь вселенных, перетекало миллионами лет в жизни чужих планет, и снова, мощной лавиной возвращалось на Землю...
Широко распахнув глаза, Магдалина внимала дивному Знанию Древнего мира... Её лёгкое тело, свободное от земных «оков», песчинкой купалась в океане далёких звёзд, наслаждаясь величием и тишиной вселенского покоя...
Вдруг прямо перед ней развернулся сказочный Звёздный Мост. Протянувшись, казалось, в самую бесконечность, он сверкал и искрился нескончаемыми скоплениями больших и маленьких звёзд, расстилаясь у её ног в серебряную дорогу. Вдали, на самой середине той же дороги, весь окутанный золотым сиянием, Магдалину ждал Человек... Он был очень высоким и выглядел очень сильным. Подойдя ближе, Магдалина узрела, что не всё в этом невиданном существе было таким уж «человеческим»... Больше всего поражали его глаза – огромные и искристые, будто вырезаны из драгоценного камня, они сверкали холодными гранями, как настоящий бриллиант. Но так же, как бриллиант, были бесчувственными и отчуждёнными... Мужественные черты лица незнакомца удивляли резкостью и неподвижностью, будто перед Магдалиной стояла статуя... Очень длинные, пышные волосы искрились и переливались серебром, словно на них кто-то нечаянно рассыпал звёзды... «Человек» и, правда, был очень необычным... Но даже при всей его «ледяной» холодности, Магдалина явно чувствовала, как шёл от странного незнакомца чудесный, обволакивающий душу покой и тёплое, искреннее добро. Только она почему-то знала наверняка – не всегда и не ко всем это добро было одинаковым.
«Человек» приветственно поднял развёрнутую к ней ладонь и ласково произнёс:
– Остановись, Звёздная... Твой Путь не закончен ещё. Ты не можешь идти Домой. Возвращайся в Мидгард, Мария... И береги Ключ Богов. Да сохранит тебя Вечность.
И тут, мощная фигура незнакомца начала вдруг медленно колебаться, становясь совершенно прозрачной, будто собираясь исчезнуть.
Уран - химический элемент семейства актиноидов с атомным номером 92. Является важнейшим ядерным топливом. Его концентрация в земной коре составляет около 2 частей на миллион. К важным урановым минералам относятся окись урана (U 3 O 8), уранинит (UO 2), карнотит (уранил-ванадат калия), отенит (уранил-фосфат калия) и торбернит (водный фосфат меди и уранила). Эти и другие урановые руды являются источниками ядерного топлива и содержат во много раз больше энергии, чем все известные извлекаемые месторождения ископаемого топлива. 1 кг урана 92 U дает столько же энергии, сколько 3 млн кг угля.
История открытия
Химический элемент уран - плотный, твердый металл серебристо-белого цвета. Он пластичный, ковкий и поддается полировке. В воздухе метал окисляется и в измельченном состоянии загорается. Относительно плохо проводит электричество. Электронная формула урана - 7s2 6d1 5f3.
Хотя элемент был обнаружен в 1789 г. немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом, который назвал его в честь недавно открытой планеты Уран, сам металл был изолирован в 1841 г. французским химиком Эженом-Мельхиором Пелиго путем восстановления из тетрахлорида урана (UCl 4) калием.
Радиоактивность
Создание периодической системы российским химиком Дмитрием Менделеевым в 1869 году сосредоточило внимание на уране как на самом тяжелом из известных элементов, которым он оставался до открытия нептуния в 1940 г. В 1896-м французский физик Анри Беккерель обнаружил в нем явление радиоактивности. Это свойство позже было найдено во многих других веществах. Теперь известно, что радиоактивный во всех его изотопах уран состоит из смеси 238 U (99,27 %, период полураспада - 4 510 000 000 лет), 235 U (0,72 %, период полураспада - 713 000 000 лет) и 234 U (0,006 %, период полураспада - 247 000 лет). Это позволяет, например, определять возраст горных пород и минералов для изучения геологических процессов и возраста Земли. Для этого в них измеряется количество свинца, который является конечным продуктом радиоактивного распада урана. При этом 238 U является исходным элементом, а 234 U - один из продуктов. 235 U порождает ряд распада актиния.
Открытие цепной реакции
Химический элемент уран стал предметом широкого интереса и интенсивного изучения после того, как немецкие химики Отто Хан и Фриц Штрассман в конце 1938 г. при его бомбардировке медленными нейтронами обнаружили в нем ядерное деление. В начале 1939 г. американский физик итальянского происхождения Энрико Ферми предположил, что среди продуктов расщепления атома могут быть элементарные частицы, способные породить цепную реакцию. В 1939 г. американские физики Лео Сциллард и Герберт Андерсон, а также французский химик Фредерик Жолио-Кюри и их коллеги подтвердили это предсказание. Последующие исследования показали, что в среднем при делении атома высвобождается 2,5 нейтрона. Эти открытия привели к первой самоподдерживающейся цепной ядерной реакции (02.12.1942), первой атомной бомбе (16.07.1945), первому ее использованию в ходе военных действий (06.08.1945), первой атомной подводной лодке (1955) и первой полномасштабной атомной электростанции (1957).
Состояния окисления
Химический элемент уран, являясь сильным электроположительным металлом, реагирует с водой. Он растворяется в кислотах, но не в щелочах. Важными состояниями окисления являются +4 (как в оксиде UO 2 , тетрагалогенидах, таких как UCl 4 , и зеленом водном ионе U 4+) и +6 (как в оксиде UO 3 , гексафториде UF 6 и ионе уранила UO 2 2+). В водном растворе уран наиболее устойчив в составе иона уранила, обладающего линейной структурой [О = U = О] 2+ . Элемент также имеет состояния +3 и +5, но они неустойчивы. Красный U 3+ медленно окисляется в воде, которая не содержит кислорода. Цвет иона UO 2 + неизвестен, поскольку он претерпевает диспропорционирование (UO 2 + одновременно сводится к U 4+ и окисляется до UO 2 2+) даже в очень разбавленных растворах.
Ядерное топливо
При воздействии медленных нейтронов деление атома урана происходит в относительно редком изотопе 235 U. Это единственный природный расщепляющийся материал, и он должен быть отделен от изотопа 238 U. Вместе с тем после поглощения и отрицательного бета-распада уран-238 превращается в синтетический элемент плутоний, который расщепляется под действием медленных нейтронов. Поэтому природный уран можно использовать в реакторах-преобразователях и размножителях, в которых деление поддерживается редким 235 U и одновременно с трансмутацией 238 U производится плутоний. Из широко распространенного в природе изотопа тория-232 может быть синтезирован делящийся 233 U для использования в качестве ядерного топлива. Уран также важен как первичный материал, из которого получают синтетические трансурановые элементы.
Другие применения урана
Соединения химического элемента ранее использовались в качестве красителей для керамики. Гексафторид (UF 6) представляет собой твердое вещество с необычно высоким давлением паров (0,15 атм = 15 300 Па) при 25 °C. UF 6 химически очень реактивный, но, несмотря на его коррозионную природу в парообразном состоянии, UF 6 широко используется в газодиффузионных и газоцентрифужных методах получения обогащенного урана.
Металлоорганические соединения представляют собой интересную и важную группу соединений, в которых связи металл-углерод соединяют металл с органическими группами. Ураноцен является органоураническим соединением U(С 8 Н 8) 2 , в котором атом урана зажат между двумя слоями органических колец, связанными с циклооктатетраеном C 8 H 8 . Его открытие в 1968 г. открыло новую область металлоорганической химии.
Обедненный природный уран применяется в качестве средства радиационной защиты, балласта, в бронебойных снарядах и танковой броне.
Переработка
Химический элемент, хотя и очень плотный (19,1 г/см 3), является относительно слабым, невоспламеняющимся веществом. Действительно, металлические свойства урана, по-видимому, позиционируют его где-то между серебром и другими истинными металлами и неметаллами, поэтому его не используют в качестве конструкционного материала. Основная ценность урана заключается в радиоактивных свойствах его изотопов и их способности делиться. В природе почти весь (99,27 %) металл состоит из 238 U. Остальную часть составляют 235 U (0,72 %) и 234 U (0,006 %). Из этих естественных изотопов только 235 U непосредственно расщепляется нейтронным облучением. Однако при его поглощении 238 U образует 239 U, который в конечном итоге распадается на 239 Pu - делящийся материал, имеющий большое значение для атомной энергетики и ядерного оружия. Другой делящийся изотоп, 233 U, может образоваться нейтронным облучением 232 Th.
Кристаллические формы
Характеристики урана обусловливают его реакцию с кислородом и азотом даже в нормальных условиях. При более высоких температурах он вступает в реакцию с широким спектром легирующих металлов, образуя интерметаллические соединения. Образование твердых растворов с другими металлами происходит редко из-за особых кристаллических структур, образованных атомами элемента. Между комнатной температурой и температурой плавления 1132 °C металлический уран существует в 3 кристаллических формах, известных как альфа (α), бета (β) и гамма (γ). Трансформация из α- в β-состояние происходит при 668 °C и от β до γ - при 775 °C. γ-уран имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую структуру, а β - тетрагональную. α-фаза состоит из слоев атомов в высокосимметричной орторомбической структуре. Эта анизотропная искаженная структура препятствует атомам легирующих металлов заменять атомы урана или занимать пространство между ними в кристаллической решетке. Обнаружено, что твердые растворы образуют только молибден и ниобий.
Руды
Земная кора содержит около 2 частей урана на миллион, что говорит о его широком распространении в природе. По оценкам, океаны содержат 4,5 × 10 9 т этого химического элемента. Уран является важной составляющей более чем 150 различных минералов и второстепенным компонентом еще 50. Первичные минералы, обнаруженные в магматических гидротермальных жилах и в пегматитах, включают уранинит и его разновидность настуран. В этих рудах элемент встречается в форме диоксида, который вследствие окисления может варьироваться от UO 2 до UO 2,67 . Другой экономически значимой продукцией урановых рудников являются аутунит (гидратированный уранилфосфат кальция), тобернит (гидратированный уранилфосфат меди), коффинит (черный гидратированный силикат урана) и карнотит (гидратированный уранил-ванадат калия).
По оценкам, более 90 % известных недорогих запасов урана приходится на Австралию, Казахстан, Канаду, Россию, Южную Африку, Нигер, Намибию, Бразилию, КНР, Монголию и Узбекистан. Большие месторождения находятся в конгломератных скальных образованиях озера Эллиот, расположенного к северу от озера Гурон в Онтарио, Канада, и в южноафриканском золотом прииске Витватерсранде. Песчаные образования на плато Колорадо и в Вайомингском бассейне западной части США также содержатся значительные запасы урана.
Добыча
Урановые руды встречаются как в приповерхностных, так и глубоких (300-1200 м) отложениях. Под землей мощность пласта достигает 30 м. Как и в случае с рудами других металлов, добыча урана на поверхности производится крупным землеройным оборудованием, а разработка глубоких отложений - традиционными методами вертикальных и наклонных шахт. Мировое производство уранового концентрата в 2013 г. составило 70 тыс. т. Наиболее продуктивные урановые рудники расположены в Казахстане (32 % всей добычи), Канаде, Австралии, Нигере, Намибии, Узбекистане и России.
Урановые руды обычно включают лишь небольшое количество ураносодержащих минералов, и они не поддаются плавке прямыми пирометаллургическими методами. Вместо этого для извлечения и очистки урана должны использоваться гидрометаллургические процедуры. Повышение концентрации значительно снижает нагрузку на контуры обработки, но ни один из обычных способов обогащения, обычно используемых для переработки полезных ископаемых, например гравитационный, флотация, электростатический и даже ручная сортировка, неприменимы. За немногими исключениями эти методы приводят к значительной потере урана.
Обжиг
Гидрометаллургической обработке урановых руд часто предшествует высокотемпературная стадия кальцинирования. Обжиг обезвоживает глину, удаляет углеродистые материалы, окисляет соединения серы до безобидных сульфатов и окисляет любые другие восстановители, которые могут мешать последующей обработке.
Выщелачивание
Из обожженных руд уран извлекается как кислотными, так и щелочными водными растворами. Для успешного функционирования всех систем выщелачивания химический элемент должен либо первоначально присутствовать в более стабильной 6-валентной форме, либо окисляться до этого состояния в процессе обработки.
Кислотное выщелачивание обычно проводят путем перемешивания смеси руды и выщелачивателя в течение 4-48 ч при температуре окружающей среды. За исключением особых обстоятельств используется серная кислота. Ее подают в количествах, достаточных для получения конечного щелока при рН 1,5. Схемы выщелачивания серной кислоты обычно используют либо диоксид марганца, либо хлорат для окисления четырехвалентного U 4+ до 6-валентного уранила (UO 2 2+). Как правило, для окисления U 4+ достаточно примерно 5 кг двуокиси марганца или 1,5 кг хлората натрия на тонну. В любом случае окисленный уран реагирует с серной кислотой с образованием уранилсульфатного комплексного аниона 4- .
Руда, содержащая значительное количество основных минералов, таких как кальцит или доломит, выщелачивается 0,5-1-молярным раствором карбоната натрия. Хотя были изучены и протестированы различные реагенты, основным окислителем урана является кислород. Обычно руда выщелачиваются на воздухе при атмосферном давлении и при температуре 75-80 °C в течение периода времени, который зависит от конкретного химического состава. Щелочь реагирует с ураном с образованием легкорастворимого комплексного иона 4- .
Перед дальнейшей обработкой растворы, образующиеся в результате кислотного или карбонатного выщелачивания, должны быть осветлены. Крупномасштабное разделение глин и других рудных шламов осуществляется за счет использования эффективных хлопьеобразующих агентов, в том числе полиакриламидов, гуаровой смолы и животного клея.
Экстракция
Сложные ионы 4- и 4- могут быть сорбированы из их соответствующих выщелачивающих растворов ионообменных смол. Эти специальные смолы, характеризующиеся кинетикой их сорбции и элюирования, размером частиц, стабильностью и гидравлическими свойствами, могут использоваться в различных технологиях обработки, например в неподвижном и подвижном слое, методом ионообменной смолы в пульпе корзинного и непрерывного типа. Обычно для элюирования сорбированного урана используют растворы хлорида натрия и аммиака или нитратов.
Уран можно выделить из кислых рудных щелоков путем экстракции растворителем. В промышленности используются алкилфосфорные кислоты, а также вторичные и третичные алкиламины. Как правило, экстракция растворителем предпочтительна по сравнению с ионообменными методами для кислотных фильтратов, содержащих более 1 г/л урана. Однако этот метод не применяется при карбонатном выщелачивании.
Затем уран очищают, растворяя в азотной кислоте с образованием уранилнитрата, экстрагируют, кристаллизуют и прокаливают с образованием трехокиси UO 3 . Восстановленный диоксид UO2 реагирует с фтористым водородом с образованием тетафторида UF4, из которого металлический уран восстанавливается магнием или кальцием при температуре 1300 °C.
Тетрафторид можно фторировать при температуре 350 °C до образования гексафторида UF 6 , используемого для отделения обогащенного урана-235 методом газовой диффузии, газового центрифугирования или жидкой термодиффузии.
