Для чего нужен уран: краткие ответы на главные вопросы

Содержание

краткие ответы на главные вопросы

Если какое-то государство начинает обогащать уран, за этим следит весь мир. Рассказываем, почему.

Теги:

Вопрос-ответ

Химия

Элементы

Радиация

Ядерная энергия

Flickr

Сегодня внимание общественности приковано к Ирану, в стране начали обогащать уран до 60%. Разбираемся, что это значит.

Содержание статьи

Чем природный уран отличается от обогащенного?

На самом деле изначально уран – это слаборадиоактивный элемент, металл серебристого цвета. Как и все в этом мире он состоит из мельчайших частиц (в его случае – изотопов). Самыми распространёнными изотопами урана являются уран-238 и уран-235. Первого в уране очень много (более 99%), второго же крайне мало (менее 1%).

Обогащенным ураном называется тот, в котором изменено соотношение этих двух изотопов, то есть больше становится именно урана-235.

Зачем обогащать уран?

Обогащенный уран становится более радиоактивным. Такой можно использовать в атомном реакторе и обеспечивать страну, которая обогащает уран, энергией. Для этого количество урана-235 следует увеличить в несколько раз. Для типичных реакторов достаточно обогащение до 2-5%. Можно увеличить и до 20%, такое соотношение нужно в исследовательских и экспериментальных целях. Но 20% – это предел.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Почему все переживают, когда уран начинают обогащать?

Дело в том, что обогащенный уран можно использовать в мирных целях, а можно и для изготовления атомных бомб. Обогащенный более чем на 20% уран называют оружейным (хотя высокообогащенный уран тоже можно использовать в ядерных реакторах – например, в космических кораблях или во флоте).

Вот почему все переживают, когда Иран объявляет об очередной стадии обогащения своего урана. С одной стороны, у государства есть и корабли, и своя космическая программа, но никто не может с абсолютной уверенностью сказать, для чего, действительно, Ирану нужен обогащенный уран.

Кто за всем этим следит? Все, что связано с ядерными технологиями, находится под наблюдением и контролем МАГАТЭ или Международного агентства по атомной энергетике — организации, созданной при ООН. Агентство появилось в 1957 году и с тех пор сотрудничает со всеми государствами-членами ООН, инспектирует производства и следит, чтобы ядерные технологии развивались в мирном ключе.

Как обогащают уран?

Сначала газ

И раньше, когда для обогащения урана не использовали центрифуги, и сегодня, прежде, чем работать с металлом, его превращают в газ. Существует несколько способов: можно соединить уран с фтором, можно растворить в азотной кислоте. В нашей стране использовали первый вариант, получая так называемый гексафторид.

Гексафторид – очень опасный во всех отношениях газ. При физическом контакте человек может получить серьезные ожоги – гексафторид разъедает любую органику (а также резину и пластик). Газ вызывает отек легких, поражение печени и почек, радиоактивное заражение. При контакте с огнем не горит, но выделяет едкие пары (однако пожары в непосредственной близости к гексафториду нельзя тушить водой – в этом случае газ может вступить с ней в соединение и образовать другое, не менее едкое вещество).

До появления центрифуг и после

До изобретения центрифуг гексафторид пропускали через тончайшие пористые пластины, сделанные из металла. Микроскопические поры задерживали уран-238 и пропускали уран-235. Технология была сложная и занимала слишком много времени.

Позже в СССР появились первые центрифуги для работы с газом. В них за счет крайне высоких скоростей более тяжелый изотоп (уран-238) задерживается у стенок центрифуги, в то время как более легкий уран-235 скапливается в центре.

Сегодня в мире сразу несколько стран занимаются обогащением урана. В этот список входит Российская Федерация, ряд европейских стран (Германия, Франция, Великобритания, Голландия), США, Китай, Япония, Бразилия, Индия, Аргентина, Иран и Пакистан.

Еще один уран…

Кроме обогащенного, существует еще и обедненный уран, то есть тот, в котором преобладает изотоп уран-238. Такой используют для изготовления бронебойных боеприпасов.

Его главное преимущество – цена. Обедненный уран очень дешевый, к тому же это продукт остатка при обогащении урана. Также обедненный уран обладает рядом специфических свойств, в том числе так называемой пирофорностью, то есть способностью к самовоспламенению при контакте с воздухом.

Уран — Что такое Уран?

Уран — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе Д. И. Менделеева

Уран (Uranium) — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе Д.И. Менделеева.

Атомная масса — 238,029.

Обозначается символом U (лат. Uranium).

Относится к семейству актиноидов.

В 1938 г. немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман открыли непредсказанное явление, происходящее с ядром урана при облучении его нейтронами.

Захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа урана 235U делится, при этом выделяется (в расчете на одно ядро урана) достаточно большая энергия, в основном, за счет кинетической энергии осколков и излучения.

Позднее теория этого явления была обоснована Лизой Мейтнер и Отто Фришем.

Данное открытие явилось истоком как мирного, так и военного использования внутриатомной энергии.

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.

Уран широко распространен в природе.

Кларк урана составляет 0,0003 % (вес.), концентрация в морской воде — 3 мкг/л.

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 богатых органикой.

В больших количествах как примесь уран присутствует в ториевых и редкоземельных минералах.

Основными формами нахождений урана в природе являются уранинит, настуран (урановая смолка) и урановые черни.

Содержание урана в земной коре составляет 0,0003%, он встречается в поверхностном слое земли в виде 4

х разновидностей отложений.

Во-первых, это жилы уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO2), очень богатые ураном, но редко встречающиеся.

Такие жилы встречаются в Демократической Республике Конго, Канаде (Большое Медвежье озеро), Чехии и Франции.

2^м источником урана являются конгломераты ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов.

Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и Австралии.

3^м 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 4

й 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.

Уран — Energy Education

Рисунок 1. Уран, атомный номер 92 и атомный вес 238,02891. ^[1]

Уран — 92-й ^-й-й элемент периодической таблицы Менделеева и самый тяжелый природный элемент на Земле. ^[2] Он известен тем, что является обильным источником концентрированной энергии, ^[3] с самой большой плотностью энергии из всех видов топлива в мире, используемых для производства электроэнергии.

Уран относительно часто встречается на Земле, его содержание в земной коре составляет 2,8 частей на миллион.

[4] Это делает его более распространенным, чем золото, таким же распространенным, как олово, и менее распространенным, чем медь. 99,3% урана, обнаруженного на Земле, представляет собой уран-238, который является «фертильным», а остальное (0,7%) — это уран-235, «делящееся» топливо. Следовательно, только очень небольшое количество природного урана может быть использовано в процессе ядерного деления, если только он не подвергается процессу обогащения, который увеличивает концентрацию урана-235, или если уран-238 не «разводится» из его воспроизводимой формы в делящийся изотоп плутония.

Подробнее о разведении читайте здесь.

Уран как топливо

Для получения дополнительной информации посетите: добыча урана, обогащение урана, цепная ядерная реакция и ядерный топливный цикл.

Уран является превосходным ядерным топливом и используется в качестве основного топлива в ядерных реакторах по всему миру. В этом разделе будет кратко рассмотрен топливный цикл урана. Посетите страницы выше для получения дополнительной информации.

Приобретение и переработка

Рис. 2. Уранинит, также известный как смоляная обманка, представляет собой обычно добываемую руду. ^[5]

Рис. 3. Пучок твэлов уранового топлива CANDU с Джейсоном Доневым для масштаба. ^[6] Этот комплект, если он заполнен и находится в реакторе CANDU, обеспечит все потребности в электричестве семьи из 4 человек в Канаде в течение 100 лет.

Уран можно добывать с Земли путем добычи урана, однако практичность его добычи зависит от многих факторов. При разработке проекта добычи необходимо учитывать доступные технологии и общую стоимость, а качество руды также должно обеспечивать рентабельность проекта. ^[4] После добычи руды (рис. 2) она подвергается обработке, в ходе которой уран превращается в желаемую форму. Некоторые ядерные реакторы, такие как CANDU, могут использовать уран в его естественном составе. Однако для большинства реакторов требуется обогащение урана, что означает увеличение концентрации урана-235 с 0,7% до примерно 5%. ^[3]

Обогащение урана позволяет электростанциям использовать легкую воду (обыкновенную воду) в качестве теплоносителя и замедлителя, так как обогащение увеличивает количество ядерных реакций в реакторе. После обогащения уран формуется в небольшие топливные таблетки и загружается в топливный стержень. Они собраны в топливные пучки, как показано на рисунке 2. Эти топливные пучки помещаются непосредственно в активную зону реактора, готовые к делению.

Использование и производство электроэнергии

После сборки урана его можно использовать в реакторе для производства тепла. Распространенным заблуждением является то, что атомные электростанции волшебным образом преобразуют свое топливо непосредственно в электричество, однако их работа после выработки тепла почти идентична работе обычной угольной электростанции. В зависимости от типа реактора тепло передается циркулирующей воде, которая выкипает в пар либо напрямую (например, реактор РБМК), либо косвенно (например, реактор с водой под давлением). Затем этот сжатый пар можно использовать для вращения большой турбины и генератора, снабжающих электроэнергией мировые нужды.

Как уже упоминалось, изотоп Уран-235 делящийся. Это означает, что он подвергается ядерному делению при поглощении нейтрона, который выделяет много энергии в виде тепла. Однако уран-235 — не единственный изотоп, который может обеспечивать тепло в реакторе. В процессе трансмутации уран-238 может быть преобразован в плутоний-239 посредством серии бета-распадов. Плутоний-239 делящийся, как и уран-235, и его деление дает дополнительную энергию. Для легководного реактора, такого как BWR или PWR, это около 1/3 мощности и около 1/2 энергии реактора CANDU. ^[3]

Рис. 4. Ядерный реактор с кипящей водой, работающий на урановом топливе. ^[7]

Уран в других целях

Уран имеет множество других применений помимо его основного использования в производстве электроэнергии. Он дал миру множество положительных инноваций в медицинском и промышленном секторах, а также подвергся негативной критике за его использование и производство оружейной продукции.

Радиоизотопы

Радиоизотопы, полученные при распаде изотопов урана, широко используются во всем мире.

В медицине они используются для диагностики и исследований, при этом примерно каждый второй человек в западном мире, вероятно, испытает преимущества ядерной медицины в своей жизни. ^[3]

Радиоизотопы также используются в пищевой промышленности , поскольку они могут сохранять пищу, убивать паразитов и контролировать созревание фруктов и овощей. ^[3]

В промышленности они используются для обеспечения безопасности, поскольку они могут обнаруживать утечки, обеспечивать анализ полезных ископаемых и топлива, а уран может работать как радиационный щит. ^[8] Радиоактивный элемент америций также используется в детекторах дыма.

Вооружение

Рисунок 5. Облако, образовавшееся в результате взрыва над Нагасаки. ^[9]

Энергия урана, наряду с его побочным продуктом плутония, имеет историю приводящих к катастрофическим последствиям. Самые ранние ядерные бомбы были разработаны во время Второй мировой войны в секрете Соединенными Штатами в рамках так называемого Манхэттенского проекта. ^[10]

Основное различие между ядерным оружием и топливом, используемым в реакторах, заключается в сорте топлива. Ранее упоминалось, что обогащение урана-235 должно составлять около 5% для многих реакторов, что само по себе является сложной задачей. Для бомбы , это обогащение должно быть около 90% . ^[11] Этот факт помог контролировать распространение ядерного оружия, так как это затрудняет разработку урана такого высокого качества для обычной группы людей.

Первая ядерная бомба, когда-либо взорванная в бою, называлась «Малыш», разработанная во время Манхэттенского проекта и взорванная над Хиросимой. В нем использовались два куска подкритического урана-235, которые при детонации врезались друг в друга, вызвав неконтролируемую цепную ядерную реакцию и выделив энергию, равную 13 000 коротких тонн тротила. ^[10] Вторая и последняя бомба, взорванная в бою, называлась «Толстяк». В ней использовался высокообогащенный плутоний, производивший выброс энергии, равный 20 000 тонн тротила. ^[10]

Использование этих бомб было чрезвычайно спорным с момента их взрыва, так как они убили сотни тысяч людей. Это разрушительное использование ядерной энергии, вероятно, повлияло на то, как люди относятся к редким ядерным катастрофам в Чернобыле, Фукусиме и Три-Майл-Айленде. В целом, это оставило очень негативное отношение к ядерной энергии у значительной части населения в целом.

Видео

Видео ниже взято из проекта периодических видео Ноттингемского университета. ^[12] Они создали полный набор коротких видеороликов о каждом элементе периодической таблицы элементов.

Ссылки

↑ Создано внутри организации членом группы Energy Education. Информация Комиссии по содержанию изотопов и атомным весам (CIAAW). Доступно: http://www.ciaaw.org/atomic-weights.htm.
↑ Вики UC Davis Chem. (17 июня 2015 г.). Ядерные реакции [Онлайн]. Доступно: http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Nuclear_Chemistry/Nuclear_Reactions
↑ ^3.0 ^3.1 ^3.2 ^3.3 ^3.4 Всемирная ядерная ассоциация. (22 июня 2015 г.). Что такое уран? [Онлайн], Доступно: http://www. world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Introduction/What-is-Uranium—How-Does-it-Work-/
↑ ^4.0 ^4.1 Н. Цульфанидис, «Ресурсы ядерного топлива, добыча и переработка» в The Nuclear Fuel Cycle , 1-е изд., La Grange Park, Illinois: American Nuclear Society, 2013, ch.2, sec.1, pp. 28-56
↑ Wikimedia Commons [онлайн], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/Pichblende.jpg
↑ Это изображение из частной коллекции члена группы энергетического образования.
↑ NRC. (23 июня 2015 г.). Реактор с кипящей водой [Онлайн], Доступно: http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-bwr.html
↑ Лаборатория Джефферсона. (23 июня 2015 г.). Уран [Онлайн], Доступно: http://education.jlab.org/itselemental/ele092.html
↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nagasakibomb.jpg
↑ ^10.0 ^{10. 1} ^10.2 Ядерные файлы. (23 июня 2015 г.). Manhattan Project [Онлайн], доступно: http://www.nuclearfiles.org/menu/key-issues/nuclear-weapons/history/pre-cold-war/manhattan-project/
↑ Гиперфизика. (23 июня 2015 г.). Урановая бомба [Онлайн], доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/bomb.html#c3
↑ См. больше видео Ноттингемского университета по различным элементам здесь: http://www.periodicvideos.com/

Уран: что это такое?

Автор: Дана S. Ulmer-Scholle

Связанные страницы

Основы ядерной энергетики
Обогащение урана
Ресурсы урана в NM
Исследование урана в Бюро геологии штата Нью-Мексико

Уран (U) — металлический элемент серебристо-серого цвета, представитель актинидного ряда. Это основное топливо для ядерных реакторов, но он также используется в производстве ядерного оружия.

Серия естественного распада урана-238

Источник: http://www.ocrwm.doe.gov/curriculum/unit2/lesson2reading.shtml

Уран имеет атомный номер 92, что означает, что 92 протона и 92 электрона в атомной структуре. U-238 имеет 146 нейтронов. в ядре, но число нейтронов может варьироваться от 141 до 146. Поскольку уран радиоактивен, он постоянно испускает частицы и меняется в другие элементы. Уран имеет хорошо установленную серию радиоактивного распада. U-238 и U-235 (содержащий 143 нейтрона) являются наиболее распространенными изотопами уран. Уран естественным образом содержит все три изотопа (U-238, U-235 и U-234), и редко отличается более чем на 0,01% от среднего состава. показано в таблице ниже без нашего вмешательства.

**Изотопы урана**
Изотоп	% содержится в природных У	% найдено в Обогащенный У *	% найдено в истощенном У
У-238	99,28%	96,471%	99,8%
У-235	0,72%	3,5%	0,2%
У-234	0,0057%	0,029%	0,001%
* Обогащенный уран реакторного качества (обычно от 3,5 до 5% U-235)

Деление ядер

Источник: Wikimedia Commons

Для производства топливного урана уран для переработки с получением диоксида урана и для обогащения или концентрирования у-235 в топливных таблетках. В ходе этой обработки истощаются производится уран (DU), обогащенный ураном-238 и обедненный ураном-235. ОУ и обогащенный уран имеют множество применений в гражданских и военных целях. Поскольку U-235 является наиболее радиоактивным изотопом урана, удаление делает DU наименее радиоактивной фазой урана, но по-прежнему имеет проблемы с токсичностью тяжелых металлов.

Несмотря на любую переработку, обогащенную, обедненную или естественную уран все ведут себя одинаково химически. Урановая руда окисляется до урана оксигидроксиды при контакте с воздухом и/или водой.

U-235 при бомбардировке нейтронами, делением или расщеплением на два меньших ядра и высвобождает энергию и запускает ядерную цепочку реакция. Из-за выделяемой энергии U-235 эффективен для производство электроэнергии и единственный изотоп урана, который может поддерживать эти реакции. Для электростанций эта реакция контролируется чтобы он не производил слишком много нейтронов или тепла и не стал взрывной. Перейти к Основы ядерных реакций , чтобы узнать больше о ядерной реакции.

Поскольку уран распадается с испусканием альфа-частиц при постоянная скорость (период полураспада = время, за которое половина вещества превращается в распада на другое вещество), минералы урана очень полезны для датирования горных пород и определения возраста Земли.

**Периоды полураспада изотопов урана**
Изотоп	Время
У-238	4,468 миллиарда лет
У-235	703,8 млн лет
У-234	245 500 лет

Использование урана

Помимо топлива для атомных электростанций, U имеет множество других военного и гражданского использования. Уран и другие радионуклиды используются ядерная медицина (МРТ, рентген, инъекции радиоизотопов, лучевая терапия, и др.), научные исследования (возрастные материалы, композиционная информация, метаболические исследования и др.), сельское хозяйство (облучение продуктов питания и семян), потребительские продукты (детекторы дыма, часы, облучающие повязки и другие предметы стерилизовать их, компьютерные компоненты и т. д.), тестирование материалов на многочисленные промышленности (автомобильной, авиационной, строительной, горнодобывающей и нефтяной) и космической разведка (топливо). Кроме того, обедненный уран (ОУ) использовался для противовесы в киле парусника, балласт в лодках, пигменты и радиация экранирование.

Обедненный уран используется военными для изготовления брони пробивные способности в качестве проникающих и высокообогащенных (> 90% U-235) Уран используется военными для производства оружия.

Ссылки на дополнительную информацию

Любое упоминание или ссылка относительно продукта, организации, компании или торговое наименование предназначено только для информации и не подразумевает одобрения со стороны Бюро, NMT или штата Нью-Мексико (см.