Производство ядерного топлива. Ядерный реактор


Уран
Атомный номер92
Внешний вид простого вещества
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)238,0289 а. е. м. (/моль)
Радиус атома138
Энергия ионизации (первый электрон)686,4(7,11) кДж/моль ()
Электронная конфигурация[Rn] 5f3 6d1 7s2
Химические свойства
Ковалентный радиус142
Радиус иона(+6e) 80 (+4e) 97
Электроотрицательность (по Полингу)1,38
Электродный потенциалU←U4+ -1,38В U←U3+ -1,66В U←U2+ -0,1В
Степени окисления6, 5, 4, 3
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность19,05 /³
Молярная теплоёмкость27,67[1]/(·моль)
Теплопроводность27,5 /(·)
Температура плавления1405,5
Теплота плавления12,6 кДж/моль
Температура кипения4018
Теплота испарения417 кДж/моль
Молярный объём12,5 ³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решёткиорторомбическая
Параметры решётки2,850
Отношение c/an/a
Температура Дебаяn/a
U92
238,0289
5f36d17s2
Уран

Уран

(старое название
Ураний
) — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, атомная масса 238,029; обозначается символом U (
Uranium
), относится к семейству актиноидов.

История

Ещё в древнейшие времена (I век до нашей эры) природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики. Исследования урана развивались, подобно порождаемой им цепной реакции. Вначале сведения о его свойствах, как и первые импульсы цепной реакции, поступали с большими перерывами, от случая к случаю. Первая важная дата в истории урана — 1789 год, когда немецкий натурфилософ и химик Мартин Генрих Клапрот восстановил извлечённую из саксонской смоляной руды золотисто-жёлтую «землю» до чёрного металлоподобного вещества. В честь самой далёкой из известных тогда планет (открытой Гершелем восемью годами раньше) Клапрот, считая новое вещество элементом, назвал его ураном.

Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом. Только в 1841 г. Эжен Мелькиор Пелиго — французский химик (1811—1890)] доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а окисел UO2

. В 1840 г. Пелиго удалось получить настоящий уран — тяжёлый металл серо-стального цвета и определить его атомный вес. Следующий важный шаг в изучении урана сделал в 1874 г. Д. И. Менделеев. Опираясь на разработанную им периодическую систему, он поместил уран в самой дальней клетке своей таблицы. Прежде атомный вес урана считали равным 120. Великий химик удвоил это значение. Через 12 лет предвидение Менделеева было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана.

Изучение урана началось с 1896: французский химик Антуан Анри Беккерель случайно открыл Лучи Беккереля, которые позже Мария Кюри переименовала в радиоактивность. В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ получения чистого металлического урана. В 1899 г. Резерфорд обнаружил, что излучение урановых препаратов неоднородно, что есть два вида излучения — альфа- и бета-лучи. Они несут различный электрический заряд; далеко не одинаковы их пробег в веществе и ионизирующая способность. Чуть позже, в мае 1900 г., Поль Вийар открыл третий вид излучения — гамма-лучи.

Эрнест Резерфорд провёл в 1907 г. первые опыты по определению возраста минералов при изучения радиоактивных урана и тория на основе созданной им совместно с Фредериком Содди (Soddy, Frederick, 1877—1956; Нобелевская премия по химии, 1921) теории радиоактивности. В 1913 г. Ф. Содди ввёл понятие об изотопах

(от греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место»), а в 1920 г.предсказал, что изотопы можно использовать для определения геологического возраста горных пород. В 1928 г. Ниггот реализовал, а в 1939 г. A.O.К.Нир (Nier,Alfred Otto Carl,1911 — 1994) создал первые уравнения для расчёта возраста и применил масс-спектрометр для разделения изотопов.

В 1939 Фредерик Жолио-Кюри и немецкие физики Отто Фриш и Лиза Мейтнер открыли неизвестное явление, происходящем с ядром урана при облучении его нейтронами. Происходило взрывное разрушения этого ядра с образованием новых элементов намного более лёгких, чем уран. Это разрушение носило взрывообразный характер, осколки продуктов разлетались в разные стороны с громадными скоростями. Таким образом было открыто явление, названное ядерной реакцией.

В 1939—1940 гг. Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович впервые теоретически показали, что при небольшом обогащении природного урана ураном-235 можно создать условия для непрерывного деления атомных ядер, то есть придать процессу цепной характер.

Ретроградный Уран в Весах

Люди этого периода отличаются эксцентричностью и внутренней нестандартностью. Но им не так просто открыто выражать все, что они ощущают внутри себя. Хочется быть живым воплощением свободы и независимости, но рамки, созданные обществом, не дают в это время жить полной жизнью и пользоваться всеми прелестями, которые дарует текущий транзит.

Неудивительно, что во время данного транзита в человеческих отношениях происходит полнейший беспорядок.

Непредсказуемость и переменчивость уранических Весов в период ретроградности не позволяют людям достигать той гармонии в отношениях и порядка в делах, к которым они стремятся.

В этот период важно понимать, что стараясь угодить людям с разными позициями и взглядами на жизнь, очень сложно сохранить гармонию и равновесие внутри себя. А ведь это именно те качества, которые даруют людям этого поколения возможность самовыражения и ощущение внутренней свободы.

Нахождение в природе

Уранинитовая руда
Уран широко распространён в природе. Кларк урана составляет 1·10-3% (вес.). Количество урана в слое литосферы толщиной 20 км оценивается в 1,3·1014 т.

Основная масса урана находится в кислых породах с высоким содержанием кремния

. Значительная масса урана сконцентрирована в осадочных породах, особенно обогащённых органикой. В больших количествах как примесь уран присутствует в ториевых и редкоземельных минералах (ортит, сфен CaTiO3[SiO4], монацит (La,Ce}PO4, циркон ZrSiO4, ксенотим YPO4 и др.). Важнейшими урановыми рудами являются настуран (урановая смолка), уранинит и карнотит. Основными минералами — спутниками урана являются молибденит MoS2, галенит PbS, кварц SiO2, кальцит CaCO3, гидромусковит и др.

МинералОсновной состав минералаСодержание урана, %
УранинитUO2, UO3 + ThO2, CeO265-74
КарнотитK2(UO2)2(VO4)2·2H2O~50
КазолитPbO2·UO3·SiO2·H2O~40
Самарскит(Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th)·(Nb, Ta, Ti, Sn)2O63.15-14
Браннерит(U, Ca, Fe, Y, Th)3Ti5O1540
ТюямунитCaO·2UO3·V2O5·nH2O50-60
ЦейнеритCu(UO2)2(AsO4)2·nH2O50-53
ОтенитCa(UO2)2(PO4)2·nH2O~50
ШрекингеритCa3NaUO2(CO3)3SO4(OH)·9H2O25
УранофанCaO·UO2·2SiO2·6H2O~57
Фергюсонит(Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O40.2-8
ТорбернитCu(UO2)2(PO4)2·nH2O~50
КоффинитU(SiO4)1-x(OH)4x~50

Основными формами нахождений урана в природе являются уранинит, настуран (урановая смолка) и урановые черни. Они отличаются только формами нахождения; имеется возрастная зависимость: уранинит присутствует преимущественно в древних (докембрийских породах), настуран — вулканогенный и гидротермальный — преимущественно в палеозойских и более молодых высоко- и среднетемпературных образованиях; урановые черни — в основном в молодых — кайнозойских и моложе образованиях — преимущественно в низкотемпературных осадочных породах.

Содержание урана в земной коре составляет 0,003 %, он встречается в поверхностном слое земли в виде четырех видов отложений. Во-первых, это жилы уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO2), очень богатые ураном, но редко встречающиеся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий

является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие жилы встречаются в Заире, Канаде (Большое Медвежье озеро),
Чехии
и
Франции
. Вторым источником урана являются конгломераты ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов. Конгломераты обычно содержат достаточные для извлечения количества
золота
и
серебра
, а сопутствующими элементами становятся уран и торий. Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и
Австралии.
Третьим источником урана являются осадочные породы и песчаники, богатые минералом карнотитом (уранил-ванадат калия), который содержит, кроме урана, значительное количество
ванадия
и других элементов. Такие руды встречаются в западных штатах
США
. Железоурановые сланцы и фосфатные руды составляют четвертый источник отложений. Богатые отложения обнаружены в глинистых сланцах
Швеции
. Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, а фосфатные залежи в
Анголе
и Центральноафриканской Республике еще более богаты ураном. Большинство лигнитов и некоторые угли обычно содержат примеси урана. Богатые ураном отложения лигнитов обнаружены в Северной и Южной Дакоте (США) и битумных углях
Испании
и
Чехии

Изотопы урана

Природный уран состоит из смеси трёх изотопов

: 238U — 99,2739 % (период полураспада
T
1/2 = 4,468×109 лет), 235U — 0,7024 % (
T
1/2 = 7,038×108 лет) и 234U — 0,0057 % (
T
1/2 = 2,455×105 лет). Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда 238U.

Радиоактивность природного урана обусловлена в основном изотопами 238U и 234U, в равновесии их удельные активности равны. Удельная активность изотопа 235U в природном уране в 21 раз меньше активности 238U.

Известно 11 искусственных радиоактивных изотопов урана с массовыми числами от 227 до 240. Наиболее долгоживущий из них — 233U (T

1/2 = 1,62×105лет) получается при облучении тория нейтронами и способен к спонтанному делению тепловыми нейтронами.

Изотопы урана 238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов. Конечными элементами этих рядов являются изотопы свинца

206Pb и 207Pb.

В природных условиях распространены в основном изотопы 234U

:
235U
:
238U
= 0,0054 : 0,711 : 99,283. Половина радиоактивности природного урана обусловлена изотопом
234U
. Изотоп
234U
образуется за счёт распада
238U
. Для двух последних в отличие от других пар изотопов и независимо от высокой миграционной способности урана характерно географическое постоянство отношения . Величина этого отношения зависит о возраста урана. Многочисленные натурные измерения показали его незначительные колебания. Так в роллах величина этого отношения относительно эталона изменяется в пределах 0,9959 −1,0042, в солях — 0,996 — 1,005. В урансодержащих минералах (настуран, урановая чернь, циртолит, редкоземельные руды) величина этого отношения колеблется в пределах 137,30 — 138,51; причём различие между формами UIV и UVI не установлено; в сфене — 138,4. В отдельных метеоритах выявлен недостаток изотопа
235U
. Наименьшая его концентрация в земных условиях найдена в 1972 г. французским исследователем Бужигесом в местечке Окло в Африке(месторождение в Габоне). Так в нормальном уране содержится 0,7025 % урана 235U, тогда как в Окло оно уменьшаются до 0,557 %. Это послужило подтверждением гипотезы о наличии природного ядерного реактора, ведущего к выгоранию изотопа, предсказанной Джордж Ветрилл (George W. Wetherill) из Калифорнийского университета в Лос­Анджелесе и Марк Ингрэмом (Mark G. Inghram) из Чикагского университета и Полом Курода (Paul K. Kuroda), химиком из Университета Арканзаса, ещё в 1956 г. описавшим процесс. Кроме этого, в этих же округах найдены природные ядерные реакторы: Окелобондо, Бангомбе (Bangombe) и др. В настоящее время известно около 17 природных ядерных реакторов.

Любовь

Как для человека, рожденного с Ураном в Весах, для вас важна картинка — то впечатление, которое производит ваша пара на окружающих. Вы можете отвергнуть ухажёра просто потому, что он выглядит недостаточно презентабельно или ниже вас ростом. Для того чтобы обрести гармоничные отношения, вам нужно больше обращать внимание на внутреннее их содержание. Вы умеете красиво выражать свою любовь, но можете забывать о ежедневной заботе о партнере. Помните: ваше внимание нужно ему не только по праздникам!

Получение

Самая первая стадия уранового производства — концентрирование. Породу дробят и смешивают с водой. Тяжёлые компоненты взвеси осаждаются быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они осаждаются быстро: это тяжёлые минералы. Вторичные минералы урана легче, в этом случае раньше оседает тяжёлая пустая порода. (Впрочем, далеко не всегда она действительно пустая; в ней могут быть многие полезные элементы, в том числе и уран).

Следующая стадия — выщелачивание концентратов, перевод урана в раствор. Применяют кислотное и щелочное выщелачивание. Первое — дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке

, уран находится в четырёхвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырёхвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. В этом случае нужно либо прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Не применяют кислотное выщелачивание и в тех случаях, если урановый концентрат содержит доломит или магнезит, реагирующие с серной кислотой. В этих случаях пользуются едким натром (гидроксидом натрия

).

Проблему выщелачивания урана из руд решает кислородная продувка. В нагретую до 150 °C смесь урановой руды с сульфидными минералами подают поток кислорода. При этом из сернистых минералов образуется серная кислота, которая и вымывает уран.

На следующем этапе из полученного раствора нужно избирательно выделить уран. Современные методы — экстракция и ионный обмен — позволяют решить эту проблему.

Раствор содержит не только уран, но и другие катионы. Некоторые из них в определённых условиях ведут себя так же, как уран: экстрагируются теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. Поэтому для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, чтобы на каждой стадии избавляться от того или иного нежелательного попутчика. На современных ионообменных смолах уран выделяется весьма селективно.

Методы ионного обмена и экстракции

хороши ещё и тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов (содержание урана — десятые доли грамма на литр).

После этих операций уран переводят в твёрдое состояние — в один из оксидов или в тетрафторид UF4. Но этот уран ещё надо очистить от примесей с большим сечением захвата тепловых нейтронов — бора,
кадмия
, гафния. Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Для удаления этих примесей технически чистое соединение урана растворяют в азотной кислоте. При этом образуется уранилнитрат UO2(NO3)2, который при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций. Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO4·2H2O) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трёхокись урана UO3, которую восстанавливают водородом до UO2.

На диоксид урана UO2 при температуре от 430 до 600 °C воздействуют сухим фтористым водородом для получения тетрафторида UF4. Из этого соединения восстанавливают металлический уран с помощью кальция

или
магния
.

Что ожидать от Урана в Весах

Свободолюбия и отказа от обязательств

Находясь в постоянном поиске идеала, люди поколения уранических Весов склонны к поспешному вступлению в брак и к такому же быстрому его расторжению. Для них необычайно важна полная свобода и доверие в отношениях. А постоянная тяга к независимости и крайний индивидуализм редко позволяет им надолго сохранить семейные отношения.

Объединения в группы по интересам

В период транзита Урана в Весах люди склонны отождествлять себя с большими группами себе подобных людей. Умение работать в команде дарит им возможность вносить существенный вклад в деятельность своей группы.

Тяги к творчеству и креативу

Кроме того, коллективная работа позволяет поколению уранических Весов проявить свои творческие и изобретательские таланты, а также представить обществу новые идеи и проекты, которые нередко оказываются ценными и эффективными.

Физические свойства

Уран — очень тяжёлый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667,7 °C), бета (четырёхугольная, стабильна от 667,7 °C до 774,8 °C), гамма (с объёмно центрированной кубической структурой, существующей от 774,8 °C до точки плавления).

Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана (выделены природные изотопы):

Массовое числоПериод полураспадаТип распада
2342,45·105 летα
2357,13·108 летα
2362,39·107 летα
2376,75 сут.β-
2384,49·109 летα
23923,54 мин.β-
24014 час.β-

Химические свойства

Уран может проявлять степени окисления от +III до +VI. Соединения урана(III) образуют неустойчивые растворы красного цвета и являются сильными восстановителями:

4UCl3 + 2H2O → 3UCl4 + UO2 + H2↑

Соединения урана(IV) являются наиболее устойчивыми и образуют водные растворы зелёного цвета.

Соединения урана(V) неустойчивы и легко диспропорционируют в водном растворе:

2UO2Cl → UO2Cl2 + UO2

Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150—175 °C, образуя U3O8. При 1000 °C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана. Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя четырёхвалентные соли, зато не взаимодействует с щелочами. Уран вытесняет водород

из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов, как
ртуть,серебро,медь,олово,платинаизолото
. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться. Уран имеет четыре степени окисления — III—VI. Шестивалентные соединения включают в себя триокись урана (окись уранила) UO3 и уранилхлорид урана UO2Cl2. Тетрахлорид урана UCl4 и диоксид урана UO2 — примеры четырёхвалентного урана. Вещества, содержащие четырёхвалентный уран, обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные при длительном пребывании на воздухе. Ураниловые соли, такие как уранилхлорид, распадаются в присутствии яркого света или органики.

Применение

Ядерное топливо

Наибольшее применение имеет изотоп

урана 235U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Выделение изотопа U235 из природного урана — сложная технологическая проблема, (см. разделение изотопов).

Изотоп U238 способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией).

В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом 238U может превращаться в 239Pu, который затем используется как ядерное топливо.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), может в будущем стать распространённым ядерным топливом для атомных электростанций (уже сейчас существуют реакторы, использующие этот нуклид в качестве топлива, например KAMINI в Индии) и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).

Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Геология

Основная отрасль использования урана — определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимаются Геохронология и Теоретическая геохронология. Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках вещества.

В основе решения задачи лежат уравнения радиоактивного распада, описываемых уравнениями.

где 238Uo

,
235Uo
— современные концентрации изотопов урана; ; —
постоянные распада
атомов соответственно урана
238U
и
235U
.

Весьма важным является их комбинация:

.

Здесь

В связи с тем, что горные породы содержат различные концентрации урана, они обладают различной радиоактивностью. Это свойство используется при выделении горных пород геофизическими методами. Наиболее широко этот метод применяется в нефтяной геологии при геофизических исследованиях скважин, в этот комплекс входит, в частности, γ — каротаж или нейтронный гамма-каротаж, гамма-гамма-каротаж и т. д. С их помощью происходт выделение коллекторов и флюидоупоров.

Другие сферы применения

Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу (Урановое стекло).

Уранат натрия Na2U2O7 использовался как жёлтый пигмент в живописи.

Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).

Некоторые соединения урана светочувствительны.

В начале XX века уранилнитрат

широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.

Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело — водород + гексан).

Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.

Обеднённый уран

Обеднённый уран

После извлечения 235U и 234U из природного урана, оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. По некоторым данным, в США хранится около 560 000 тонн обеднённого гексафторида урана (UF6).

Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него 234U. Из-за того, что основное использование урана — производство энергии, обеднённый уран — малополезный продукт с низкой экономической ценностью.

В основном его использование связано с большой плотностью урана и относительно низкой его стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты (как это ни странно) и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолёте «Боинг-747» содержится 1500 кг обеднённого урана для этих целей. Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.

Сердечники бронебойных снарядов

Наконечник (вкладыш) снаряда калибра 30 мм (пушки GAU-8 самолёта A-10) диаметром около 20 мм из обеднённого урана.
Самое известное применение обеднённого урана — в качестве сердечников для бронебойных снарядов. При сплавлении с 2 % Mo или 0,75 % Ti и термической обработке (быстрая закалка разогретого до 850 °C металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450 °C 5 часов) металлический уран становится твёрже и прочнее стали (прочность на разрыв больше 1600 МПа, при том, что у чистого урана она равна 450 МПа). В сочетании с большой плотностью, это делает закалённую урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому вольфраму. Тяжёлый урановый наконечник также изменяет распределение масс в снаряде, улучшая его аэродинамическую устойчивость.

Подобные сплавы типа «Стабилла» применяются в стреловидных оперенных снарядах танковых и противотанковых артиллерийских орудий.

Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль урановой болванки и воспламенением её на воздухе с другой стороны брони (см. Пирофорность). Около 300 тонн обеднённого урана остались на поле боя во время операции «Буря в Пустыне» (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолётов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава).

Такие снаряды были использованы войсками НАТО в боевых действиях на территории Югославии. После их применения обсуждалась экологическая проблема радиационного загрязнения территории страны.

Впервые уран в качестве сердечника для снарядов был применен в Третьем рейхе.

Обеднённый уран используется в современной танковой броне, например, танка M-1 «Абрамс».

Урановые подземелья: Уран — зачем он нужен и где его взять

Давайте вспомним кое-какие цифры – они понадобятся, чтобы лучше понимать, какое значение имеет урановая руда для атомного проекта.

Сколько руды требуется, чтобы получить низко обогащенный уран как топливо для АЭС? Принято считать, что топливный уран – это уран, содержание изотопа уран-235 в котором доведено до 4%. В природной руде этого изотопа всего 0,7%, то есть требуется увеличить его концентрация в 6 раз.
Напомню, что Европа и США до 80-х годов обогащали уран только на «сеточках», расходуя на эту работу гигантское количество электричества. Технологический момент, но, как говорится, с большими последствиями. Гексафторид природного урана можно «высасывать» по 235-му изотопу до упора – так, чтобы в «хвостах» его оставалось минимальное количество. Но что это значит в случае диффузионного метода? Большее количество «сеточек», большее количество емкостей под исходный гексафторид и, разумеется, большее количество затрат на электроэнергию. А это все увеличивает себестоимость, портит экономические показатели, снижая прибыль. Не интересно, в общем. Поэтому в западных «хвостах» урана-235 – 0,3%, а в дальнейшую работу уходит 0,4%. При таких «хвостах» картинка получается следующая: на 1 кг НОУ требуется 8 кг руды + 4,5 ЕРР (единиц разделительной работы).

У ватников картинка была и остается несколько иной – ведь работа наших «иголок» намного менее затратна. Помните – «игле» требуется в 20-30 раз меньше электроэнергии на 1 ЕРР. Экономить разделительную работу особого смысла не было, исходный гексфторид урана «выжимался» тщательнее: в наших «хвостах» остается 0,2% урана-235, в дальнейшую работу по обогащению уходило 0,5%. Казалось бы – разница всего 0,1%, зачем обращать внимание на такую мелочь? Да не все так просто: на наших «иголках» для получения 1 кг НОУ требуется 6,7 кг руды + 5,7 ЕРР. На 1,3 кг руды меньше – то есть мы к своим недрам относились значительно рачительнее, нежели демократы.

Но и это еще не все. 1 ЕРР на наших центрифугах стоит около 20 долларов, на «сеточках» 1 ЕРР стоила от 70 до 80. Значит, для Запада месторождение урана, в котором себестоимость руды, допустим, 100 долларов – очень дорого. Давайте на калькуляторе 1 кг НОУ посчитаем, чтобы понятно было.

1 кг НОУ = 8 кг руды + 4,5 ЕРР, то есть

1 кг НОУ = 8 х 100 + 4,5 х 70 = 1 115 долларов.

А теперь ставим наши цифры и получаем:

1 кг НОУ = 6,7 кг руды + 5,7 ЕРР

1 кг НОУ = 6,7 х 100 + 5,7 х 20 = 784 долларов

Значит, месторождение урана, которое для цивилизованного Запада было слишком дорогим для нас – самое то. Грубо – для нашей технологии урана на Земле БОЛЬШЕ, чем для западной. С того момента, когда Европа освоила центрифуги Циппе, запасы урана в мировой статистике резко увеличились, хотя братья-геологи для этого палец о палец не ударили: уже открытые ранее месторождения стали признавать коммерчески выгодными, вот и все. Но URENCO включила свои центрифуги в 80-е, а АЭС в Европе и в Штатах появились намного раньше, так ведь? Значит, с конца 40-х годов минувшего века месторождения урана эксплуатировались крайне размашисто, без экономии на природных рудах. Грубо говоря, Запад «убивал» одно месторождение за другим, перескакивая на новые. А жутко неэкономный Мордор никуда не торопился: нашли месторождение и высасывали его до донышка, без суеты и без спешки. При этом нельзя забывать о том, что все годы холодной войны ядерные страны очень активно наращивали запасы урана оружейного, высокообогащенного, а для этого уходит куда больше природной урановой руды. Грубо – на 1 кг ВОУ уходит 275 кг руды, а счет ВОУ в странах ядерного клуба шел на сотни тонн. А ВОУ это еще и не только оружие – на нем работают реакторы подлодок, на нем работает множество исследовательских реакторов. В общем, расходовало человечество свои урановые руды весьма и весьма интенсивно, и все, что мы с вами можем сказать в свое оправдание – не мы первыми начали.

Есть еще один момент, про который нужно знать. Когда нам говорят: «добыто столько-то тонн урановой руды», важно понимать, что речь идет не о горах каких-то там камушков или металлических слитках. В урановой промышленности все запасы руды традиционно пересчитывают в концентрат урана – если точнее, то U3 О8, закись-окись. Традиционно это был порошок желтого цвета и называли его «желтым кэком», но теперь это уже немножко устарело. В процессе обогащения руды применяется целый цикл ее обработки, одна из составных частей которого – обжиг. В последние годы на разных заводах применяют разные температуры, потому цвет концентрата урана получается самым разным – от темно-зеленого до черного. Но процедура обработки руды – отдельная тема, достаточно большая, а мы пока пробуем разобраться с месторождениями и добычей. Отложим, но запомним: все разговоры об урановой руде – это разговоры о концентрате урана. И это правильно – уж очень разными бывают эти руды, слишком разное количество урана в них имеется, так что без такой вот «стандартизации» было не обойтись.

Когда люди открыли этот вот металл и почему он, собственно говоря, называется «уран»? История давняя, но занимательная. Это сейчас мы с вами знаем, что такое радиация и вполне справедливо терпеть ее не можем и побаиваемся. А в раньшие времена человеки про радиацию знать ничего не знали – может, потому и не страдали от нее?.. Среди руд и минералов в серебряных шахтах средневековые горняки частенько находили черный тяжелый минерал – так называемую смоляную обманку. Точно известно, что обманку знали уже с 1565 года – тогда ее обнаружили в Рудных горах Саксонии, но какого-то особого применения для нее не придумали. В 1789 году этим минералом заинтересовался немецкий химик-аналитик Мартин Клапрот и решил ее как следует химически проанализировать. Руду в его лабораторию привезли из шахты Яхимово, что в нынешней Чехии. На минералах из того же Яхимиво делали позже свои открытия Беккерель и Кюри, так что предлагаю так и записать:

«родина» урана – Чехия.

Мартин Клапрот

Клапрот химичил весьма старательно: плавил минералы при разных температурах, с воздухом и без оного, поливал всякими кислотами и царской водкой, пока, в конце концов, не получил спекшуюся массу с отчетливо видимыми крупинками металла. Дело было в 1789 году – через 8 лет после того, как астрономы открыли неизвестную до того планету, названную ими Уран. Вот что писал по этому поводу сам Клапрот: «Ранее признавалось существование лишь 7 планет, соответствовавших 7 металлам, которые и носили названия планет. В связи с этим целесообразно, следуя традиции, назвать новый металл именем вновь открытой планеты. Слово «уран» происходит от греческого – «небо», и, таким образом, может обозначать небесный металл». С первооткрывателями не спорят – вот и имеем мы теперь дело с этим самым «небесным металлом».

Самому Клапроту, впрочем, получить чистый уран не удалось, этого добился только в 1840 году Э.М. Пелиго. В 1896 году Беккерель обнаружил, что соединения урана засвечивают фотобумагу – так начиналось исследование радиоактивности. К самому грозному и страшному оружию, к самому большому «запаснику энергии» человечество двигалось неторопливо…

Урановая руда

Урановой руды с точки зрения геологов на Земле – не просто много, а очень много. Но не всякий урановый минерал получает гордое название «руда»: минералы, в которых урана очень мало, а пустой породы очень много, рудами не считаются. Хорошими рудами считаются минералы, в которых урана больше 0,1% (1 кг на 1000 кг породы), но и тут есть исключения. Например, в Южной Африке, на месторождении Витватерсланда, уран добывают из руды, в которой его концентрация составляет всего 0,01%, причем добывают в промышленных масштабах. Как так? Да непрост этот небесный металл – нередко он содержится в тех же породах, где имеется золото. Раз уж из этой породы «выковыривают» золотишко, чего бы до кучи и уран не «наковырять» — вот такая логика. Золото как основная цель переработки руды, уран – как побочная. «Нередко» имеет и числовое значение: 12% добываемого в мире урана – побочный продукт на золотых и прочих приисках. В США, к примеру, уран получают из пород с концентрацией вообще в 0,008% — из фосфоритов Флориды. Основная добыча – фосфор, уран – до кучи… Ну, а если не касаться такой экзотики, то урановые руды по содержанию делят на 4 вида-сорта: богатые – с содержанием урана более 1%; рядовые – от 0,1 до 1,0%; бедные – от 0,03 до 0,1% и убогие – менее 0,03%.

А еще урановые руды подразделяют на 5 классов в зависимости от того, при помощи какой именно технологии добывается и перерабатывается небесный металл. Грубо – какие именно перерабатывающие заводы нужно создавать рядом с месторождениями. Это тоже такая традиция: поскольку концентрация урана всегда маленькая, миллионы тонн породы никто никуда возить и не думает. Шахта, рудник, карьер и впритык – все, что нужно для переработки.

Однако и это еще не все виды классификации урановых руд: с той поры, как все мы живем в мире, где важнее всего прибыль, едва ли не главная классификация – по стоимости конечного продукта (того самого концентрата урана, желтого кека). Эдакий обобщающий показатель, при котором отбрасываются прочь все частности – какой была концентрация урана в руде, каким способом его добывали-очищали, во что обошлась инфраструктура. Не важно, что было ДО, важно, почем получился результат. Тут всего 3 категории: 1) месторождения, где себестоимость 1 кг концентрата менее 40 долларов за килограмм; 2) где себестоимость от 40 до 80 долларов за кило; 3) где себестоимость от 80 до 130 долларов за кило. Все, что дороже 130 долларов – на сегодня «нещитово», поскольку сильно дорого. Но надолго ли сохранится такое пренебрежение-верхоглядство? До 2006 года МАГАТЭ считало сверхдорогим уран и по цене свыше 80 долл/кг, а теперь решило, что надо по заслугам оценить центрифуги – низкая себестоимость обогащения позволяет совершенно спокойно использовать и руду дороже 80 долларов. Наши центрифуги 10-го поколения только начали эксплуатироваться, потому нельзя исключать, что через какое-то время и планка в 130 долларов перестанет быть «отсекающей». В царстве мрака и ужаса с рваной в клочья экономикой началась промышленная работа реактора на быстрых нейтронах БН-800, проектируется БН-1200, в 2020 планируется запуск еще и свинцового реактора по проекту «Прорыв», к 2030 есть надежда на реализацию замкнутого ядерного цикла.

Впрочем, давайте не будем пускаться в проекты и гипотезы – остановимся на том, что имеем на день сегодняшний. В 2006 году считалось, что на третьей от Солнца планете урановых руд имелось 5 000 000 тонн, следующий отчет МАГАТЭ выпустило в 2010 году. Именно в этом отчете впервые состоялось признание центрифуг как единственного на сегодня способе обогащения урана, впервые планка «отсечения» была поднята с 80 долл/кг до 130 долл/кг. Новая цифра запасов урановой руды на Земле – 6 306 300 тонн. Повторяю – это не прирост за счет новых месторождений, это состоявшийся перевод геологических руд в промышленные. И состоялся он по простой причине — МАГАТЭ признало: кроме центрифуг все – зло, и мы о нем больше не будем вспоминать. Прирост извлекаемых руд составил 26% — без дополнительных инвестиций в геологоразведку.

Не так часто в истории цивилизации развитие технологии оказывало серьезное влияние на геополитику, а уран и центрифуги – тот самый случай. Давайте на пальцах прикинем, что означает появление коммерческого интереса к урановым месторождениям, которые до того много лет оставались нетронутыми? Во-первых, страны «атомного клуба» увидели свой интерес в тех территориях, где находились эти месторождения. К примеру, месторождения в Кировоградской области стали интересны уже не только Украине… Во-вторых, страны, не входившие в «атомный клуб» увидели, что урана может хватить и на них. И это не мое теоретическое измышление: на только что прошедшей «Атомэкспо-2016» присутствовали делегации 52 стран, а атомная энергетика хоть в каком-то виде имелась только у 32. 20 стран – это новички, которые почувствовали перспективу.

Калькулятор

Что интересного в уране – пусть расскажет калькулятор. Имеем 6 306 300 тонн руды, в которой содержание урана-235 (который, собственно говоря, «горит» в реакторах АЭС) в среднем составляет 0,72%. Следовательно, если всю урановую руду пересчитать в уран-235 – у нас его 45 405 тонн. По энергетической стоимости 1 тонна урана-235 соответствует 2 000 000 тонн бензина. Соответственно, пересчет запасов урана-235 в нефтяной эквивалент – это 90,81 млрд тонн нефти. Много это или мало? Разведанных запасов нефти на Земле на сегодня – 200 млрд тонн. Запасы урана – почти половина, почти 50%. И каковы перспективы? Технология добычи нефти доведена практически до совершенства, технология ее переработки – аналогично. Чтобы увеличить запасы нефти, нужно либо а) продолжать искать новые и новые месторождения, что при нынешних ценах на углеводороды замедляется вот уже два года; б) соглашаться с тем, что нефть с годами будет только дорожать, поскольку ее остается все меньше. Сланцевая нефть, о которой так много говорят большевики, меньшевики и прочие – да, при нынешнем уровне цен не интересна, но рано или поздно наступит момент, когда и ее резервы придется пустить в ход, причем не только на территории США.

А вот с ураном – несколько иная картина, куда как менее однозначная. Нам пока еще не раскрыли информацию о том, какой будет себестоимость 1 ЕРР на последних поколениях центрифуг Росатома – а мы уже видели, как технология обогащения может увеличить резервы урановой руды. Эксплуатация БН-800 только-только началась, БН-1200 пока еще только в чертежах, результаты проекта «Прорыв» мы увидим только в 2020 году. Но давайте без лишней скромности (сколько можно, в конце-то концов) констатируем исторический факт: за все время существования атомного проекта ошибок в развитии технологий со стороны бывшего Министерства среднего машиностроения, бывшего Министерства атомной энергетики и нынешнего Росатома – не было. Отдельные недочеты, огрехи – да, были, но генеральная линия развития, скажем прямо, не ломалась ни разу.

Причин не верить в то, что борьба Росатома за замкнутый ядерный цикл закончится успехом – на мой, конечно, взгляд — просто нет. Вам такое заявление кажется излишне смелым? А давайте оглядимся вокруг, на минуточку позволив себе забыть, что главное достижение человечества – свежая модель айфона. В надежность наших технологий не просто верят, а подписывают контракты на строительство АЭС не только «старые клиенты» — такие, как Венгрия, Иран и Финляндия, Китай и Индия. Впервые появятся АЭС в Египте, во Вьетнаме, в Белоруссии, в Турции, в Бангладеш, в Индонезии – и это будут АЭС российского производства. Значит, не я один верю в наши технологии, в их поступательное развитие. И не у одного у меня зреет уверенность в том, что при очередном скачке развития технологий запасы урана могут оказаться бОльшими, чем запасы углеводородов… И не будем скидывать со счетов еще один возможный резерв урана – новые месторождения. Есть, к примеру, такая страна, где уровень освоения территории геологической разведкой до сих пор не сильно превышает 60% — Россия. Есть страны, где вообще не до геологической разведки – например, Афганистан, Эритрея.

Но рассмотрение перспектив атомной энергетики – отдельная и очень серьезная тема, которую стоит оставить на потом. А эта заметка – вводная к «Урановым подземельям», в которой я хочу предложить посмотреть: что было, что стало, и как мы докатились до жизни такой. Ну и, само собой – без рассказов о новых айфонах от велико-могучих США дело тоже не обойдется. Их есть у меня и, как обычно, придумывать ничего не потребовалось.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
comments powered by HyperComments

Физиологическое действие

В микроколичествах (10−5—10−8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких — 50 %. Основные депо в организме: селезёнка, почки, скелет, печень, лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10−7г.

Уран и его соединения токсичны

. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: