Текст
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
УРАНА
УДК 546.791
ББК 24.126
92 Я2
А. Акатов, Ю. Коряковский. Краткая энциклопедия урана. — СПб.:
Фонд развития модульного обучения «Петерфонд», 2013 — 114 с., илл.
Эта краткая энциклопедия является путеводителем в удивитель-
ный мир урана, металла, без которого невозможно представить со-
временное человечество. Здесь приведено множество интересных
фактов, посвященных истории открытия, исследованиям и при-
менению урана. Материал изложен в научно-популярной форме и
не требует специальной подготовки. В первую очередь краткая эн-
циклопедия урана предназначена для учащихся старших классов
средних общеобразовательных учреждений и студентов младших
курсов вузов, желающих подробнее изучить вопросы, связанные
с историей урана и его значением для инновационной экономи-
ки. Приведенная здесь информация может оказаться полезной для
преподавателей физики, химии, биологии при подготовке к тема-
тическим урокам, а также для всех заинтересованных лиц.
ТОПЛИВНАЯ КОМПАНИЯ РОСАТОМА
ТВЭЛ
ПЕРВЫЙ ШАГ
В АТОМНЫЙ ПРОЕКТ
© Фонд развития модульного обучения «Петерфонд», 2013
МЕТАЛЛ ПО ИМЕНИ НЕБО
Словом «уранос» древние греки называли бескрайнее
небо, раскинувшееся над головой, небо одухотворенное
и почитаемое ими в качестве одного из первых богов-пра-
родителей. Бог Уран совсем не был похож на человека,
а представлялся именно как небесная твердь, купол неба.
Неизвестно, думали ли древние греки об этом куполе, как
о вратах в неведомый огромный мир, но сегодня мы знаем,
что где-то совсем недалеко от нас (по космическим меркам,
конечно) совершает свой путь Уран — планета Солнечной
системы, названная в честь грозного греческого божества.
Открытие Урана было столь важным событием в астроно-
мической науке Нового времени, что в честь обнаруженной
планеты назвали выделенный спустя восемь лет после это-
го события новый элемент — «ураний». Интересно, что на-
блюдавшие Уран еще до официального открытия астроно-
мы считали его звездой, сам первооткрыватель — кометой,
и только через пару лет ученое сообщество сошлось во мне-
нии, что это планета. Уран-элемент постигла в чем-то схо-
жая участь — на самом деле, сначала удалось выделить его
оксид, который из-за характерного металлического блеска
еще пятьдесят лет считали металлом, пока не удалось полу-
чить настоящий уран.
Откуда этот элемент взялся на Земле, и есть ли он еще где-
то во Вселенной? Изучение вопроса привело к интересным
открытиям: уран нашли в метеоритах, на Луне и даже увиде-
ли в спектрах звезд. Его «небесное» название вполне оправ-
далось. Благодаря такому удачному стечению обстоятельств
3
стало ясно, что уран — не такая уж редкость в космическом
пространстве, и он уже был в составе газопылевого облака,
в котором за счет гравитационного сжатия начал формиро-
ваться и протопланетный диск нашей Солнечной системы.
До сих пор нет единого мнения по поводу механизма обра-
зования урана и всех остальных элементов тяжелее железа,
но ученые предполагают, что это происходит в моменты ка-
тастроф космического масштаба — при взрыве сверхновых
или, что в большей степени соответствует современным
научным данным, при столкновении нейтронных звезд. По-
видимому, газопылевое облако, в котором сформировалась
наша планетная система, было свидетелем происходивших
поблизости катастроф. Поскольку подобные события про-
исходят повсюду во Вселенной, уран также есть везде, хотя
и в разных количествах.
И это большая удача для человечества. Сегодня, когда мы
все чаще задумываемся об освоении планет земной группы
и об исследовании дальнего космоса, уран дает уникальные
возможности. Учитывая опыт применения ядерных реакто-
ров на искусственных спутниках, а также имеющиеся раз-
работки в сфере ядерных ракетных двигателей, можно по-
новому оценить перспективы создания баз-поселений на
Луне и Марсе, как, впрочем, и полетов к планетам-гигантам,
поблизости от которых солнечной энергии уже будет не
хватать для нормальной эксплуатации космического кора-
бля. Проблемы энергообеспечения подобных объектов мо-
гут быть решены за счет использования ядерной энергии.
Можно ли говорить о том, что уран будет использован и при
межзвездных перелетах? Вероятно, делать такие предполо-
жения пока могут лишь писатели-фантасты или гениальные
ученые. Но, так или иначе, уран, оправдывая свое гордое
имя, имеет все шансы стать металлом, по-новому открыв-
шим для человечества небо.
4
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
Уран — один из самых удивительных металлов, возмож-
ности которого далеко не сразу были осознаны человечест-
вом. Но именно благодаря его свойствам на рубеже XIX
и XX веков произошел коренной перелом в физике, затем,
в середине XX века, изменился ход истории и мироустрой-
ство. Сегодня земная цивилизация уже немыслима без ура-
на, точнее, без сокрытой в его ядре энергии. Этому и посвя-
щен буклет, который вы держите в своих руках.
5
УРАН В ДОЯДЕРНУЮ ЭПОХУ
Уран и звезды
Если задаться вопросом о происхождении химических
элементов, в том числе урана, то придется оглянуться назад,
во времена, когда Земля еще не существовала. Сделать это
можно только при помощи предположений, основанных на
наблюдаемых фактах и законах физики. К сожалению, для
простоты изложения придется опустить многие астрофизи-
ческие тонкости.
Итак, теория, которой придерживается большинство
ученых, гласит, что примерно 15 миллиардов лет назад
в остывающей после Большого взрыва Вселенной на ко-
роткое время создались условия для синтеза из протонов
и нейтронов самых легких ядер. Благодаря этому процес-
су Вселенная заполнилась практически (но не абсолютно!)
однородной смесью водорода и гелия. В результате флук-
туаций в этой смеси периодически возникали зоны с по-
вышенной плотностью, которые гравитация стягивала
в гигантские вращающиеся газовые облака (протогалакти-
ки). В них образовывались вращающиеся облака размером
поменьше, их уплотнение продолжалось, благодаря чему
росли температура и давление. В какой-то момент в сгуща-
ющемся облаке вспыхивала термоядерная реакция, и оно
становилось звездой.
Процессы звездообразования шли не одновременно. Бо-
лее крупные облака сжимались быстрее соседей, и формиро-
вались недолговечные массивные звезды, в недрах которых
б
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
синтезировались элементы до железа включительно1. По-
добные объекты оканчивали свое существование взрывами
сверхновых, оставляя после себя нейтронные звезды или
даже черные дыры. Именно в момент взрыва в условиях чу-
довищной нейтронной бомбардировки из ранее наработан-
ного материала образовывались остальные элементы, вклю-
чая уран2. Сорванная при взрыве оболочка звезды обогащала
находящиеся рядом газовые облака тяжелыми элементами.
В последнее время вышеизложенная гипотеза образова-
ния элементов конца Периодической системы при взрывах
сверхновых подвергается критике. Расчеты показали, что
это может происходить и при столкновениях нейтронных
звезд. Нейтронная звезда — остаток сверхновой, обладаю-
щий чудовищной плотностью; один кубический сантиметр
нейтронного вещества весил бы в земных условиях около
миллиарда тонн. Когда два таких объекта сталкиваются,
в космос выбрасывается чрезвычайно горячая плазма, в ко-
торой при остывании синтезируются сверхтяжелые элемен-
ты. При их распаде образуются просто тяжелые элементы,
в числе прочих — уран.
Так или иначе, в состав плотных газовых облаков попадает
«тяжелая» пыль. Если в таких системах формируются звезды,
то в их спектрах уже можно заметить присутствие тяжелых
элементов, хотя это и является трудной экспериментальной
задачей. Например, недавно был получен спектр звезды Кей-
реля (CS31082-0001), в котором удалось измерить линию урана
1 Образование железа — это последний процесс синтеза, идущий с выделени-
ем тепла, то есть способный самостоятельно поддерживать свое протекание;
при синтезе более тяжелых элементов поглощается больше энергии, чем вы-
деляется.
2 Считается, что в звездах, масса которых сравнима с солнечной или в не-
сколько раз превышает ее, могут идти сравнительно спокойные процессы
захвата нейтронов с образованием тяжелых элементов до свинца включи-
тельно, но не более того. Звезды, чрезвычайно богатые свинцом, были обна-
с очень высокой точностью. Известна также загадочная звез-
да Пшибыльского (HD 101065), в спектре которой обнаружено
избыточное содержание урана и других редких элементов, что
пока не находит четкого объяснения.
Таким образом, уран широко распространен во Вселен-
ной, хотя его количество может быть разным — оно опре-
деляется частотой вышеописанных событий. По всей ви-
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
, наша Солнечная система образовалась в такой
области пространства, где плотное газовое облако уже было
«загрязнено» продуктами взрыва сверхновых и столкнове-
ний нейтронных звезд. Наличие большого количества пыли
способствовало образованию планет земной группы3, ко-
ренным образом отличающихся по составу от газовых пла-
нет-гигантов. По всей видимости, уран вошел в состав всех
объектов нашей планетной системы, но в разной степени.
Его крайне низкие концентрации — значительно меньшие,
нежели земные, — обнаружены в составе метеоритов, в том
числе имеющих марсианское происхождение; в 2009 году
японский зонд «Кагуя» подтвердил присутствие урана
в лунном грунте.
Радиогенное тепло
Уран, наряду с торием и радиоактивным изотопом ка-
лий-40, играет важную роль в истории Земли. Полагают, что
тепловая энергия, выделяющаяся при радиоактивном рас-
паде ядер урана, тория и калия-40, — ее еще называют ра-
диогенным теплом — является одной из причин поддержа-
ния земных недр в расплавленном состоянии. К сожалению,
у нас нет информации о содержании источников радио-
генного тепла на большой глубине и в ядре. По результатам
анализа железных и каменных метеоритов концентрация
урана должна снижаться по мере продвижения вглубь пла-
неты. Это подтверждается и химическими свойствами ура-
на, который склонен преимущественно концентрироваться
в легких алюмосиликатах, то есть подниматься в континен-
тальную кору, тогда как в бедной алюмосиликатами мантии
и, тем более, в ядре Земли его должно быть значительно
3У звезд, содержащих примерно втрое меньше тяжелых элементов, чем Солн-
це, планеты пока не обнаружены.
• Упрощенная схема строения Земли
меньше. К сожалению, все вышеперечисленное относится
к области косвенных оценок, поэтому в настоящее время
мы не можем сказать, является ли роль радиогенного тепла
в геотермике доминирующей, но то, что она значительна —
бесспорный факт.
Генезис месторождений
Урановые залежи на Земле сформировались по вполне
известным механизмам. Отметим, что образование урано-
вых руд происходит и сейчас, просто это очень длительный
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
по сравнению с человеческой жизнью процесс. Все место-
рождения, находящиеся в промышленной эксплуатации,
сформировались не менее чем несколько сотен миллионов
лет назад.
Эндогенные (глубинные) месторождения были образо-
ваны при постепенном застывании внедрившихся в земную
кору кислых магм, то есть подземных расплавов, содержа-
щих более 50% кремнезема, различные газы и пары воды.
Газы способствовали растворению соединений многих ме-
таллов, что позволяло им не отвердевать вместе с магмой,
а концентрироваться в остаточном расплаве4. Остаточный
расплав обогащался кремнеземом, глиноземом, щелоча-
ми, газами и водяным паром, а также редкими элементами
(уран входил в их число), внедрялся по трещинам в горные
породы и застывал в так называемые пегматитовые жилы.
Магматические газы, содержащие водяной пар и растворен-
ные ценные соединения, под большим давлением устремля-
лись дальше и либо реагировали с известковыми горными
породами с образованием скарновых месторождений, либо
сжижались в горячие минеральные воды. В ходе подъема
последних по трещинам и разломам к земной поверхности
происходило их остывание, сопровождавшееся выпадением
соединений элементов в осадок, образованием залежей —
гидротермальных месторождений.
Экзогенные (поверхностные) месторождения форми-
ровались под действием геологических сил у поверхности
земли. Горные породы, испытавшие постепенный или рез-
кий подъем в ходе тектонических процессов, попадали под
действие воды, кислорода, углекислого газа, а также ветра
и колебаний температуры. Их разрушение и унос с водны-
ми потоками в реки и моря становились вопросом времени.
4 Этот процесс напоминает замерзание подсоленной воды, в ходе которого
соли накапливаются не во льду, а в остающейся жидкой воде.
Этим объясняется наличие урана в водах Мирового океа-
на, а также формирование осадочных месторождений на
дне древних водоемов. Если же растворенный уран вместе
с другими элементами переносился грунтовыми водами
сквозь проницаемые породы, то в ряде случаев за счет по-
вторного осаждения соединений урана и сопутствующих
элементов появлялись так называемые инфильтрационные
месторождения.
Таким образом в толще земной коры и на ее поверхности
образовались многочисленные месторождения, отличающи-
еся друг от друга по возрасту, происхождению, содержанию
урана и других элементов, химическому составу урановых
минералов и вмещающей породы. Каждый из этих объектов
представляет интерес, но лишь одно месторождение, о ко-
тором дальше пойдет речь, можно назвать удивительным.
12
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
Природный ядерный реактор
Для начала необходимо дать краткое пояснение. Природ-
ный уран представляет собой смесь трех изотопов5. Два из
них (уран-238 и уран-235) образовались в звездных процес-
сах, описанных выше, — такие изотопы принято называть
первичными; уран-234 имеет радиогенное происхождение
и появляется в результате радиоактивных превращений ура-
на-238. Урана-234 так мало в природе (лишь один из двухсот
тысяч атомов урана имеет ядро с массой 234), что мы не ста-
нем далее упоминать о нем.
Уран-238, период полураспада6 которого составляет че-
тыре с половиной миллиарда лет, является основой смеси:
в общем числе атомов урана его доля равна 99,275% (прак-
тически каждый атом имеет ядро с массой 238). Атомов
урана-235 в природной смеси меньше — 0,720%, и это свя-
зано с более низким периодом полураспада данного изото-
па (около 700 миллионов лет). Можно сказать, что уран-235
распадается примерно в 6 раз быстрее урана-238. Этот факт
приводит к интересным последствиям. Во-первых, посколь-
ку скорость радиоактивного распада не определяется внеш-
ними факторами, во всех объектах Солнечной системы вне
зависимости от их возраста отношение числа атомов ура-
на-238 к числу атомов урана-235 должно быть практически
постоянным и равняться 137,88. Исследования образцов ме-
теоритов, лунного грунта, земных минералов подтвердили
5 Изотопами называют атомы, ядра которых имеют одинаковый заряд, то есть
представляют собой один и тот же химический элемент, но имеют разную
массу. Другими словами — ядра изотопов содержат равное число протонов,
но разное число нейтронов.
6 Период полураспада — время, за которое радиоактивное превращение ис-
пытает половина от исходного количества ядер. Если взять килограмм ура-
на-238, то через четыре с половиной миллиарда лет останется лишь полкило
урана-238, а остальные атомы будут представлять собой продукты его радио-
активного превращения. Эта закономерность была использована при разра-
ботке метода радиоизотопного датирования.
это заключение. Во-вторых, так как уран-235 распадается
быстрее основного изотопа, раньше его содержание в при-
родном уране было выше: один миллиард лет назад — 1,6%,
два миллиарда лет назад — 3,7%, три миллиарда лет назад —
8,0%... Поскольку современные ядерные установки функци-
онируют на обогащенном уране, в котором содержание изо-
топа с массой 2357 искусственно повышено до нескольких
процентов, то в далеком геологическом прошлом некоторые
земные месторождения могли заработать как природные
ядерные реакторы.
О возможности протекания цепной ядерной реакции
в природе ученые стали задумываться практически сразу по-
сле запуска первых рукотворных урановых реакторов. В за-
метке японского физика Пола Кадзуо Куроды (Nature, 1956)
было показано, что далеко не каждое месторождение могло
«вспыхнуть». Только достаточно древняя, крупная, богатая
ураном и водой залежь имела шансы. Таким образом, он
сформулировал набор требований, позволявших специали-
стам вести поиск не вслепую, а лишь среди месторождений
старше миллиарда лет, объемом более нескольких кубоме-
тров, с содержанием урана в руде не менее десяти-двадцати
процентов, а воды — не менее пятнадцати-двадцати про-
центов. Если рудное тело соответствовало сразу всем этим
требованиям, можно было попытаться найти признаки про-
текавшей в нем когда-то ядерной реакции. Например, по-
ниженное содержание урана-235 или наличие продуктов его
деления надежно свидетельствует о такой активности в да-
леком прошлом.
Тем не менее, масштабные поиски, проводимые в обоих
полушариях, ни к чему не привели. В начале семидесятых
7 Уран-235 обладает важным отличием от урана-238 — он является делящим-
ся изотопом, то есть его ядра при попадании в них нейтронов эффективно
делятся. В ядерных реакторах реализуется цепная реакция деления, которая
требует повышенного (несколько процентов) содержания урана-235.
14
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА;
годов прошлого века было сделано заключение, что при-
родный ядерный реактор на Земле не существовал. Всего
два года спустя (1972) такой объект нашли случайно. Про-
веденные Комиссариатом по атомной энергии Франции
измерения изотопного состава урана из месторождения
Окло, расположенного в Габоне, показали дефицит ура-
на-235. В первых исследованных образцах отклонение от
нормальной величины было минимальным (0,717% против
стандартного значения 0,720%), и на него можно было бы
не обращать внимания, если бы не жесткий контроль с це-
лью недопущения нелегального использования урана для
изготовления ядерного оружия. Недостаток урана-235 не-
обходимо было объяснить, тем более что в одной из шахт
его содержание составило 0,440%. Дальнейший анализ вы-
явил аномалии изотопного состава ксенона, неодима, руте-
ния, самария, европия, гадолиния. Единственно возможное
объяснение такого положения вещей — работа природного
ядерного реактора. Точнее, нескольких реакторов, потому
что изотопные аномалии были зарегистрированы в семнад-
цати отделенных друг от друга рудных телах, входящих в ме-
сторождение Окло.
Это месторождение возрастом 2,1 миллиарда лет, по-
видимому, образовалось в эпоху обогащения атмосферы
кислородом. Благодаря его окисляющему действию оксиды
урана стали переходить в водорастворимые формы, кото-
рые дождевой водой смывались в реку. В ее дельте сформи-
ровалось бедное осадочное месторождение, спустя долгое
время оказавшееся на глубине в несколько километров.
Проникающие сквозь него грунтовые воды растворяли уран,
который в результате различных процессов оседал в рудных
телах, похожих по форме на линзы. Если в осадочном ме-
сторождении минерала было очень мало — полпроцента,
не более, — то в линзах уран концентрировался до 20-60%
• Уникальная фотография одного из реакторов в Окло
(имеется в виду массовая доля урана в руде, а не содержание
изотопа). Именно в этих, сверхбогатых ураном крупных во-
донаполненных линзах 1,8 миллиарда лет назад и запусти-
лась цепная ядерная реакция. Вероятно, эти реакторы были
саморегулирующимися: пока в них шла реакция, рудное
тело разогревалось до 400-600 °C, и вода испарялась — про-
цесс останавливался до тех пор, пока линза снова не запол-
нялась влагой. Такие колебания продолжались несколько
сотен тысяч лет. Общее количество выработанной за это
время энергии можно сравнить с результатами пятилетней
работы одного блока Ленинградской АЭС.
Однажды водный режим изменился, и реакторы погас-
ли навсегда. Несколько миллионов лет назад тектонические
процессы подняли их на поверхность; в противном случае
они могли быть и не обнаружены. Исследование месторож-
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
дения Окло подтвердило теоретические выкладки ученых
по поводу возможности существования природного ядерно-
го реактора. Более того, оно позволило специалистам отве-
тить на вопрос о длительном безопасном хранении радио-
активных отходов. Благодаря феномену Окло мы знаем, что
большинство тяжелых радиоактивных элементов и большая
часть продуктов деления за два миллиарда лет сместились
на несколько сантиметров или остались на месте. Таким об-
разом, природа помогла обосновать долгосрочную безопас-
ность решения по подземному захоронению радиоактивных
отходов в горных породах.
Месторождение в Окло — уникальный природный объ-
ект, потому что более нигде на Земле не были зарегистри-
рованы признаки протекания цепной ядерной реакции
в доисторические времена. Предположения о возможности
существования ядерного реактора на Марсе или протека-
ния подобных процессов вблизи ядра Земли пока слишком
плохо обоснованы. Стоит также отметить, что в настоящее
время запуск реакции деления в земных месторождениях
невозможен — слишком мало осталось урана-2358.
Уран и искусство
Высокая химическая активность урана не позволяет ему
существовать в природе в форме металла; он не формирует
самородков наподобие золотых. Уран встречается в виде ок-
сидов и других соединений, зачастую обладающих приятной
яркой окраской. Археологические находки позволили сделать
8 Более того, благодаря радиоактивному распаду когда-нибудь (очень неско-
ро) на Земле вообще не останется урана; сегодня мы пользуемся им лишь по-
тому, что с момента образования Солнечной системы прошло не так много
времени, чтобы все ядра урана испытали радиоактивные превращения. Эле-
менты, находящиеся в Периодической системе за ураном, также встречались
на Земле, но к настоящему моменту уже распались.
вывод, что именно это свойство было использовано людьми
задолго до открытия урана как химического элемента. При
отсутствии синтетических красителей соединения урана сы-
грали эстетическую роль в изготовлении керамических и сте-
клянных изделий, а также пигментов для живописи.
Первое свидетельство применения природной окиси
урана относится к I веку до нашей эры. В итальянском ре-
гионе Кампания в ходе раскопок древнеримских городов
Помпеи и Геркуланума, погибших при извержении Везувия,
были найдены осколки керамики, декорированной желтой
глазурью на основе природной окиси урана (ее содержание
превышало 1%). Стекловидные покрытия, называемые гла-
зурями, наносят на керамические изделия для устранения
их остаточной пористости, а также в эстетических целях.
Современную керамику преимущественно покрывают бе-
лыми глазурями, но если в состав исходной смеси вводят
оксиды или соли металлов, глазурь приобретает различные
окраски. Природная окись урана при обжиге в обычной (со-
держащей кислород) атмосфере, например, дает желтый
цвет, что и было взято на вооружение древнеримскими ма-
стерами по изготовлению керамической посуды.
В более позднее время соединения урана применялись
для изготовления глазурей и эмалей не только желтой, но
и бурой, зеленой или черной окраски. Такого эффекта мож-
но достичь при обжиге в условиях пониженного содержа-
ния кислорода или даже в восстановительных условиях, по-
скольку окраска соединений урана зависит от его степени
окисления. Существуют также свидетельства использова-
ния соединений урана для живописи по фарфору (севрский
фарфор). Вообще же, урановые глазури и эмали нашли ши-
рокое применение начиная с XIX века.
Удивительно, но примеры «посудного» применения со-
единений урана можно обнаружить даже в XX веке. Оран-
• Набор посуды Fiesta, покрытой урановой глазурью
жево-красная глазурь, которой до 1944 года покрывали
предметы из линии керамической посуды Fiesta Dinnerware,
была изготовлена на основе соединений урана (возможно,
минералов кюрита и казолита, имеющих соответствую-
щую окраску). Вообще говоря, перед Второй мировой вой-
ной применение урансодержащих глазурей было обычной
практикой среди производителей керамической посуды.
В 1943 году правительство США конфисковало все запасы
урана у компаний — для секретных работ по изготовлению
ядерного оружия, — и производство глазури, содержащей
уран, прекратилось. Впоследствии (1959) оно было запуще-
но вновь с применением обедненного урана9 и окончатель-
но остановлено только в 1972 году.
Другой пример из прошлого столетия — зубные проте-
зы и коронки с оригинальной флуоресценцией, связанной
9 Обедненным ураном называют таковой, содержащий изотоп уран-235 на
уровне ниже природного.
Гфйсу J ci
-алл
#
М лороц
> неког i
сданных
то, что
>лъко де
иг'3вра<*
с присутствием в составе керамики 0,1% урана. Их изго-
тавливали до 1980-х из обедненного урана. Диоксид обе-
дненного урана также был обнаружен в 1999 году в жел-
том порошке «jaune по.17» для эмалирования украшений
и в некоторых обработанных таким образом украшениях,
проданных одной из французских компаний, несмотря
на то, что в составе эмалей он не использовался уже не-
сколько десятилетий.
Возвращаясь к началу нашей эры, упомянем о первом
известном случае подкрашивания стекла при помощи
соединений урана. В 1912 году при археологическом об-
следовании римской виллы на мысе Посиллипо (Неапо-
литанский залив, Италия) была обнаружена хорошо сохра-
нившаяся мозаика, в состав которой входила стеклянная
смальта желтой окраски. По результатам химического
анализа она содержала около 1% оксида урана; датирова-
ние показало, что стекло изготовлено примерно в 79 году
нашей эры. Это открытие вызывает множество сомне-
ний, поскольку в дальнейшем широкомасштабное про-
изводство уранового стекла начнется только в середине
XIX века, — то есть технология была потеряна почти на
восемнадцать столетий.
Получение цветного стекла, как и в случае глазури, стано-
вится возможным при добавлении в шихту оксидов и солей
металлов. Еще в начале XIX века окрашивающие свойства
оксида урана были известны специалистам — он предоста-
вил мастерам стекловарения возможность приготовления
коричневого, желто-зеленого и изумрудно-зеленого про-
зрачного стекла. Тем не менее, до 1840-х годов сведения
об изготовлении предметов из уранового стекла отрывоч-
ны, поскольку производители хранили свои рецепты в се-
крете. Затем были внедрены более эффективные методы
выделения урана из руды, и с 1840-х годов начинается бум
20
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
производства урановых стекол. Его связывают с династией
Риделей — стекловаров из города Унтер-Полау в Северной
Богемии (сейчас г. Полубны, Чехия). Франц Антон Ридель
в 1830-х годах начал производство урановых стекол, а его
сыну Йозефу Риделю удалось получить красивый (и коммер-
чески привлекательный) флуоресцирующий желто-зеленый
и зеленый цвет10. Он же начал первое крупномасштабное
производство таких стекол — преимущественно для изго-
товления стеклянных украшений, традиционных гравиро-
ванных бокалов, стаканов и ваз.
Сходные составы варили во Франции и Англии под на-
званием «канареечное стекло». В России на Императорском
стеклянном заводе в Санкт-Петербурге с 1830-х годов от-
крылось производство золотисто-желтого уранового стек-
ла, а спустя десятилетие завод стал выпускать предметы
зеленого оттенка. Конкурирующие с ним стеклянные заво-
ды купцов Мальцевых были вынуждены достаточно быстро
заменить дорогие урановые добавки в стекло на медный ку-
порос, что придавало ему более зеленый цвет.
Во второй половине XIX века урановое стекло получи-
ло широкое распространение: из него делали фонари, укра-
шения, тарелки, бутылки, стаканы, кружки, кувшины, пу-
говицы, ожерелья, вазы, чернильницы, отделочные плитки
и другие предметы обихода и декора. Однако расцвет про-
изводства и потребления изделий из подкрашенного ура-
ном стекла пришелся уже на то время, когда в искусстве го-
сподствовало направление ар-деко (1920-1940). За все это
время общая масса произведенных урановых красителей со-
ставила 260 тонн, более половины этого количества пошло
на изготовление уранового стекла. После Второй мировой
войны его производство было переведено на обедненный
10 Он назвал эти разновидности опалового флуоресцирующего стекла
в честь своей жены Анны: аннагельб — с желтым оттенком, аннагрюн — зе-
леного цвета.
уран и постепенно сворачивалось, а в настоящее время оно
практически не выпускается, являясь антикварной и кол-
лекционной ценностью.
Для получения различных оттенков в шихту вводят не-
сколько процентов желтого диураната натрия Na2U2O7 (пре-
имущественно), темно-зеленого смешанного оксида U3O8,
оранжевого оксида UO. или коричневого оксида UO9. Для
•J
придания более зеленой окраски добавляют оксиды железа,
а для достижения непрозрачности — варьируют параметры
температурной обработки.
Отличить урановое стекло от других похожих на него
составов можно по красивой желто-зеленой флуоресцен-
ции под действием ультрафиолета, хотя не все урансодер-
жащие стекла отличаются этой характеристикой; а также
по испускаемому им ионизирующему излучению. Послед-
нее свойство вызывает справедливые опасения и вопросы
о возможной опасности изделий из такого стекла. По ре-
зультатам исследований внешнее облучение при нахожде-
Предметы из уранового стекла
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА |
нии рядом с подобными объектами сравнимо с природ-
ным фоном, то есть не является опасным. Тем не менее,
не рекомендуется хранить много изделий из уранового
стекла вместе или же, как минимум, контролировать ра-
диационный фон. Что касается попадания соединений
урана в организм, специалисты не советуют использовать
такую посуду в пищевых целях, поскольку под действием
кислот или щелочей уран может вымываться из стекла.
Серьезную опасность представляют только производство
и реставрация урансодержащих изделий; для таких работ
необходимо использовать средства защиты кожи и орга-
нов дыхания.
Кроме стекловарения диуранат натрия Na2U2O7 был ис-
пользован в качестве желтого пигмента в живописи, а в на-
чале прошлого века растворы уранилнитрата UO2(NO3)2
широко применяли для тонирования фотографических
изображений, придания позитивам коричневого или бурого
оттенка.
• Предмет из уранового стекла при обычном и ультрафиолетовом освещении
Два открытия урана
Чехия издавна славилась своими горняцкими тради-
циями. Геологоразведка и добыча полезных ископаемых
началась в Богемии еще в XII веке. В начале XVI века на
территории расположенного на склоне Рудных гор города
Йоахимсталь (ныне — Яхимов, Карловарский край, Чехия)
были обнаружены крупные залежи серебра, и начата их про-
мышленная разработка. Поскольку руды Йоахимстали были
полиметаллическими, то попутно добывали кобальт и вис-
мут. Среди руд и минералов горняки часто обнаруживали
тяжелые черные камни, своим жирным блеском слегка напо-
минающие смолу. Тяжесть камней породила предположение
о содержании в них цинка и железа, но даже после много-
численных попыток не удалось выделить ничего полезного.
Поэтому камни получили название смоляной обманки и да-
лее направлялись в отвал.
Обманкой в 1789 году заинтересовался немецкий химик
Мартин Генрих Клапрот (1743-1817), большую часть жизни
проработавший аптекарем. Его навыки химика-аналити-
ка, осторожность и вера в силу экспериментальной химии
очень пригодились при исследовании образцов, привезен-
ных с саксонской стороны Рудных гор, где добыча серебра
и других металлов велась в штольнях Йоханнгеоргенштадта
(название сохранилось, город входит в состав земли Саксо-
ния, Германия). Именно саксонские горняки дали имя смо-
ляной обманке, по-немецки — pechblende.
В результате целого ряда химических операций, среди
которых было сплавление со щелочью, растворение в цар-
ской водке, осаждение под действием желтой кровяной
соли, спекание с льняным маслом, нагревание в смеси с бу-
рой и углем и многие другие, Клапроту удалось получить
спекшуюся черную массу с маленькими металлическими
24
• Мартин Генрих Клапрот
• Смоляная обманка (pechblende)
вкраплениями. Ученый решил, что новый металл не только
открыт, но и выделен в чистом виде. Оставалось дать полу-
ченному элементу имя.
В 1781 году английский астроном Уильям Гершель (1738-
1822) при помощи телескопа открыл новую комету. Данные
его наблюдений подтвердили, что этот объект не являлся
звездой: во-первых, он менял положение, и во-вторых, его
размер при наблюдении в увеличительный прибор изменял-
ся пропорционально оптической силе линзы. Но ни головы,
ни хвоста у вновь открытой кометы обнаружить не удалось.
Двухлетнее изучение объекта закончилось в 1783 году при-
знанием открытия новой планеты Солнечной системы. Сам
Гершель хотел назвать ее звездой Георга в честь правивше-
го короля Великобритании Георга III; звучали предложения
Дать планете имя Гершель или Кибела. Но немецкий астро-
ном Иоганн Боде настаивал на продолжении традиции наи-
менования планет в честь мифических божеств: Меркурий,
25
• Эжен Мелькиор Пелиго
• Дмитрий Иванович
Венера, Марс, Юпитер, Сатурн. Уран был отцом Сатурна
(Кроноса) и дедом Юпитера (Зевса), поэтому название ново-
го члена Солнечного семейства было предопределено род-
ственными связями.
Желая поддержать Иоганна Боде, Мартин Генрих Кла-
прот дал имя «ураний» вновь открытому металлу, а смоля-
ную обманку переименовал в урановую смолку, известную
сегодня как настуран. Есть сведения, что Клапрот проводил
эксперименты по окрашиванию стекла и глазури при помо-
щи соединений урана.
Пятьдесят лет с момента открытия никто не подозревал,
что Клапрот выделил не чистый элемент, а его диоксид UO2.
Полученный «металл» имел необходимый вид и не восста-
навливался общепринятыми способами. В 1841 году фран-
цузский химик Эжен Мелькиор Пелиго (1811-1890) понял
ошибку предшественника, а также выделил металлический
уран, применив новый способ восстановления. Он нагрел
26
• Образцы металлического урана
в платиновом тигле безводный тетрахлорид урана с метал-
лическим калием и получил чистый уран. Особого интереса
повторно открытый элемент не вызвал, поскольку казался
ученым того времени весьма средним по своим свойствам;
его характеристики были изучены довольно поверхностно,
благодаря чему атомная масса урана долгое время считалась
равной 120. Следует, однако, напомнить, что с этого време-
ни соединения урана находят свое применение при изготов-
лении уранового стекла, но скорее это связано с желанием
как можно полнее и эффективнее использовать добываемые
РУДЫ. До открытия цепной реакции деления, которое приве-
ло к крупномасштабной добыче урана, оставалось еще целое
столетие.
В 1869 году великий русский химик Дмитрий Иванович
Менделеев (1834-1907) открыл Периодический закон и опуб-
ликовал первый вариант Периодической системы. Размеще-
ние в ней урана вызвало у автора определенные трудности,
OutjkjS окисел,
образу «ж>Й «ий:
tyjm 1
R8O
R’O’mRO
Гр)ш HL
WO5
Грша II.
RJO4wBOs
R* 11Ob
Груш Till. (верят 11 I)
R’O’mRO*
Тит.
Pm
IPOIIJLIKL
ЙЛХдШСаШШ,
P 'D rppu m
B Q r’0:
их
< (Pm I.
о I
тхилоидлю.
LiX.WCOj
Na—23
ХЫЛЛйНОЛиМ)
AVSOfKaW
BcCl’BeQ*
BHAIWO*
Mg 24
MgClWKMsCOI
м :sutMgMi*p0;
ВСЦГО'ВХ»
IPWO’JtEj
Al—27л
APCHAPo:
KA«Pi>*l21PO.
КСЦСОП,К *0 CaSO’CaOnSiOi
КХО’К’ИСЦКЕЧЕ* СаСЦСаО.СаСО;
Ш ЕЫ
СЩСЧ1 « ♦ I
СОлСОИ‘0*М1
Si—28
SilPSiaiSilFF*
KAlSl’UiSiOl
Ti 48(И)
Т1СЦТ10|ТР(Ц
FeTiOniOSO*
N-14
мн.мра.А’Од о
xoano»m,cnm. о?
“IJl
ЙГП’СНРСИ
F30/F^*,Ca’l”0*
;"кЩб,5
a»(%.
>0 (Pm I
5' I
СяХЛ'вХ*
ZnCHZnOJ.rH O’
ZnSO’ZnEU
El?
»ф (Pm I
Rb~85
BbCEHbOH.
ньччсц
SH’hsHXSripu»
SrSOiSrCOl
wwrctmi
?П»0|ГШ?
Ш :E«?
ш.есг?
Zr-90
ZrCI fZrOjZrX ♦.
42 (Pm 5.
AgX.AgCI
<? (Pmt
OCI,CaOH.
ca’pta;
СЮИСОДШ
C’dSO*
Ba—137
BaaiRalPOlBaO
IlaWlMF*
1Лодп*о:
П18-
?la»0»UX»t
Ш « TilO твердое, м»юр1ст»примос вг вод!,
л Т+ио га.»ообразиое шк летулсе.
М K,Ag..^ M» Га,И>._
A X^Cl,ONOfOH,OJLwX» 80‘С0\ОД.~.
Fe-66
VOatVunVO» CrL rr4^:«ftK0i FeK’OIFeSl
i’i,n’«o:vo. cro^ «.‘.’«X&i л FSt^“{
Ас ЛК ’* Br—80 *eK
ВгИлВ^*
jr04M>Ag,
___ Ru—104
RaOlHoCH
RaOfKttCP
Asli .Ы’1?Ам<(Ц
A*’O|Ai’Sl
ХАСЦХИМ
Nb»0fNb0K«Fs
SnCPSttCHSnOw
SnMStiXa’O*
Ce—14O(i^?j
CcCliCeW^CHy
OXJCeXJOK’X*
Mo
Mo( I
100
RbH SbCPSMOJ
8Ь»0$Ь*Й81ЮХ
142
*?)
1Н4МЫИ01
!йЬ*адш
148
Co-59
CvXlCoX*
СЫР5ШР
CoK»Cy*
RhCHRhCI?
Rh’O^RhX’
RhMCy*
151
Ni-59 Ou-63
CuX,CuX»CuW.
Са’ОфСиО,
СаКСу»
модо#
KiSUXH’O
NiK*Cy«
Pd—106
PdHJdO,
PdliPCh
Ag—108
A^GfAgX
A|CUAg»O,
AgKCy»
152
153
Pm t
w»«
I
Pmt
153
158
100
hi2
Ю4
108
<y»
175
177
Pm!.
Ай==1>7
AuX,Au№
Pm It
220
225
?*
w
Os-193
0M)KfcH«0*
OaCHOCI*
198?
Au-197
AttCltAuCI
Au’U’Ati’O,
АиКСу*
Ta-182
ТаСЦТнСЦ
T»MF*
Bi—208
НЮИВР01ШЧРЩ
H7l«Er? пч) 7180 Di?* La( 187j
TE^OgErM? FDiOlDiX*?
•=200 Tl-204 Pb-207
twhhvtpo: iwiriiou‘bo:
“ TPSO’TICP 1фВД*^Я’ЬК*0’ BiX?Bi0X,ffiNOa(Iib |
gX’nllyV
4\ l‘\! 190
b»U
m
КЧгСЩгС!»
IrClJk»OJ
IrK’Cy*
PlCLTOi
FtCIIPtCW
250
248
Ж
227
215
ПС1*ТЫ)|
ТЬХП’Ь(8О‘Я
DC ‘I' i 245
I >t’4
• Периодическая система элементов в 1871 году
поскольку атомная масса 120 заставляла включить этот эле-
мент в третью группу в качестве тяжелого аналога алюминия,
что противоречило химическим свойствам урана. В первом
печатном издании «Опыта системы элементов» ученый по-
местил металл в третью группу и уменьшил его атомную
массу до 116, чтобы олово (118) и сурьма (122) шли за ним.
Подобная корректировка была продиктована химическими
свойствами вышеупомянутых элементов. Рассматривая пе-
риодичность отношения атомной массы к плотности, в ко-
торую уран никак не вписывался, Менделеев уже в 1871 году
«перевел» его в последнюю клетку своей Периодической си-
стемы11, интуитивно приписав металлу атомную массу 240.
Это предположение через 12 лет блестяще подтвердилось
на практике: измеренная немецким химиком Циммерманом
атомная масса урана оказалась близка к 240.
Д.И. Менделеев считал уран весьма знаменательным эле-
ментом, поскольку он «играл выдающуюся роль в утверж-
дении периодического закона». И далее в «Основах химии»
11 Менделеев допустил всего одну ошибку, включив уран в шестую группу
Периодической системы.
28
(1906) великий ученый пишет: «Между всеми известными
химическими элементами уран выделяется тем, что облада-
ет наивысшим атомным весом... Наивысшая, из известных,
концентрация массы весомого вещества, ... существующая
в уране, ... должна влечь за собою выдающиеся особенно-
сти... Убежденный в том, что исследование урана, начиная
с его природных источников, поведет еще ко многим новым
открытиям, я смело рекомендую тем, кто ищет предметов
для новых исследований, особо тщательно заниматься ура-
новыми соединениями». Это смелое предсказание, хотя
и сделанное уже после открытия явления радиоактивности,
блестяще подтвердилось в середине XX века, о чем речь
пойдет в следующей главе.
Урановые лучи
Еще до открытия радиоактивности она проявляла себя,
была известна людям, правда, в завуалированном виде.
Например, саксонские и богемские шахтеры, работавшие
в Рудных горах, обнаружили терапевтические свойства
воды, насыщенной радоном — газом, который выделяет-
ся из урановых минералов. Вода шахтного происхождения
способствовала облегчению болезней суставов; в то же
время у многих рабочих проявлялась летальная патоло-
гия легких. Впрочем, последний факт с наибольшей веро-
ятностью был обусловлен чрезмерным вдыханием радона
и частиц, содержащих уран, в условиях плохой вентиляции
горных выработок. Однако при небольших концентраци-
ях и малом времени воздействия радон дает лечебный эф-
фект. Терапевтические свойства радоновых ванн широко
использовались на территории современной Германии уже
• Яхимов — город-курорт в Рудных горах (Чехия)
500 лет назад, в Японии — 800 лет назад, Италии — 2000
лет назад. Город Яхимов (Йоахимсталь) не случайно стал
первым в мире радоновым курортом, ведь именно здесь
были открыты богатые залежи урановой смолки, выделя-
ющей радон.
Еще один интересный пример связан с Абелем Ньеп-
сом де Сент-Виктором (1805-1870), племянником перво-
открывателя фотографии — француза Жозефа Нисефора
Ньепса. Абель Ньепс де Сент-Виктор экспериментировал
с солями урана, тонируя фотоснимки. Он обнаружил по-
чернение светочувствительного материала в темноте при
высокой концентрации соли урана или длительном времени
окрашивания. Выяснилось также, что нанесенный на картон
при помощи нитрата урана рисунок оставлял отпечаток на
светочувствительной бумаге. Предположение Ньепса, что
«явление есть некоторый вид лучей, невидимых для наших
глаз» (1857), опередило свое время, не нашло объяснения
и забылось. Не следует, однако, преувеличивать роль его
работ и считать Ньепса первооткрывателем естественной
радиоактивности.
В 1895 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген
(1845-1923) открыл Х-лучи, ныне называемые рентгенов-
ским излучением. Они обладали удивительной проникаю-
щей способностью, например, засвечивали фотопластинку,
завернутую в светонепроницаемую бумагу. Ни одно из из-
вестных на тот момент излучений не обладало подобным
свойством.
Наблюдая за работой катодной трубки (источника
Х-лучей), французский математик и физик Анри Пуанкаре
(1854-1912) заметил, что излучение выходит из той части
прибора, где возникала сильная фосфоресценция. Он пред-
положил, что Х-лучи связаны с фосфоресценцией — явле-
нием испускания света некоторыми химическими соедине-
ниями после внешнего воздействия, например, освещения
солнцем.
Французский физик Антуан Анри Беккерель (1852-
1908) попытался выяснить, не появляются ли Х-лучи при
фосфоресценции химических веществ и минералов. Для
этого ученый заворачивал фотопластинки в черную бума-
гу, помещал на них имеющиеся в его распоряжении ми-
нералы или вещества и экспонировал на солнце, а затем
проявлял пластинки. В результате оказалось, что только
соединения урана, непопулярного и практически беспо-
лезного в то время металла, давали отпечатки. Соедине-
ния остальных элементов оставляли пластинку незасве-
ченной. Беккерель недоумевал, искал ошибку, и в один из
дней он не стал выставлять фотопластинку с солями урана
на солнце, а проявил сразу после того, как пластинка два
32
• Антуан Анри Беккерель • Фотопластинка с отпечатками образцов,
содержащих уран
дня (они были пасмурными и не подходили для экспери-
мента) пролежала в ящике стола. Но отпечатки все равно
появились. То есть и в темноте, без воздействия солнца,
соли урана испускали излучение, подобное открытым за
год до этого Х-лучам. Этот важный результат был получен
первого марта 1896 года, и спустя сутки, ушедшие на пе-
репроверку, Беккерель сделал два очень важных вывода:
соли урана испускали излучение и без внешнего воздей-
ствия, причем это явление никак не было связано с фос-
форесценцией. Воспользовавшись недавно разработан-
ным Анри Муассаном (французский химик, 1852-1907)
способом выделения химически чистого урана, Беккерель
установил, что порошкообразный металлический уран
излучал еще сильнее, чем его соли.
Сам автор открытия назвал лучи урановыми, а в научных
кругах уже говорили о лучах Беккереля.
33
• Пьер и Мария Кюри в лаборатории
Занявшись исследованием источника урановых лучей,
блестящий французский химик Мария Склодовская-Кюри
(1867-1934) и ее супруг физик Пьер Кюри (1859-1906) в ходе
напряженных экспериментов установили пропорциональ-
ную связь между количеством урана в образце и интенсивно-
стью излучения. Это означало, что явление радиоактивности
(испускания лучей Беккереля) «есть свойство атомов эле-
мента урана». Термин «радиоактивность» ввела в 1898 году
сама Мария Кюри, когда стало ясно, что и торий испускает
невидимое излучение. Сверх того, в ходе исследования ми-
нералов и препаратов урана супруги Кюри обнаружили, что
хальколит и урановая смолка давали более интенсивное из-
лучение, чем соответствующее количество чистого урана.
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА •
Они предположили, что аномалия объясняется содержани-
ем в смолке ранее неизвестного радиоактивного элемента.
Проведя выделение из раствора урановой смолки различных
фракций, Мария Кюри обнаружила, что фракция висмута
и фракция бария содержали радиоактивные вещества. Та-
ким образом, новых элементов было уже два: один, сходный
по свойствам с висмутом, супруги решили назвать полонием
в честь родины Марии, а другой — радием (от латинского
слова radius, луч). Оставалось только доказать другим хи-
микам открытие новых элементов, что можно было сделать
лишь выделив их в достаточном количестве. Для этого не-
обходимо было переработать большое количество урановой
руды, покупка которой была для супругов неподъемной зада-
чей. Тогда возникло предположение о наличии радия и поло-
ния в отходах производства урановых соединений. Отходы
купили практически за бесценок на фабрике в Йоахимстали,
производившей краски для стекла и фарфора. Переработав
за четыре года огромное количество отходов (несколько
тонн), они получили всего сто миллиграммов хлорида ра-
дия. Этого количества уже хватало для определения атомной
массы и химических свойств нового элемента.
Радий оказался гораздо интереснее урана, поскольку он
обладал способностью излечивать некоторые злокачествен-
ные опухоли и раковые заболевания кожи. Именно поэтому
• Люминесцентная краска, содержащая следы радия,
при обычном освещении (слева) и в темноте
с начала XX века добыча урановых руд производилась в ос-
новном с целью извлечения из них радия, а сам уран ши-
рокого применения так и не находил. Производство краси-
телей потребляло незначительные количества соединений
этого металла. И еще, во время Первой мировой войны и не-
долгое время после нее карбид урана использовали при из-
готовлении высокопрочных инструментальных сталей как
замену вольфраму, производство которого было ограни-
чено. Однако такое применение урана продолжалось лишь
около десяти лет.
Тем не менее, обнаруженное благодаря урану явление
радиоактивности привело к началу радикальной переме-
ны взглядов в физике. Исследование лучей Беккереля, уста-
новление их природы и использование их для определения
строения атома (Эрнест Резерфорд) сломали представление
о неделимости атомов, просуществовавшее в науке несколь-
ко веков. Более того, на пути к своему главному применению
уран не раз оказал помощь ученым самых разных профессий,
о чем речь пойдет в следующей главе.
36
УРАН И РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
Урановые семейства
Английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) заин-
тересовался лучами Беккереля практически сразу после от-
крытия явления радиоактивности. Детально изучив их, он
выяснил, что Х-лучи и лучи Беккереля имеют разную при-
роду, несмотря на то что оба вида излучения ионизировали
воздух. Поместив урановый источник в сильное магнитное
поле, Резерфорд зафиксировал разделение лучей на не-
сколько составляющих с различной проникающей способ-
ностью. Он назвал эти составляющие по первым буквам
греческого алфавита: альфа- и бета-лучи (1899). Природу
альфа-лучей Резерфорд установил практически самостоя-
тельно еще в 1903 году, но в 1908 году он провел наглядный
эксперимент, убедивший ученых, что альфа-частицы явля-
ются дважды ионизированными атомами гелия — элемен-
та, сначала открытого на солнце, затем в земных минералах
и, в завершение, в продуктах радиоактивного превраще-
ния урана, тория и радия. Бета-лучи оказались быстро ле-
тящими электронами. Несколько позднее, в самом начале
XX века, французский физик и химик Поль Ульрих Виллар
(1860-1934) открыл третью составляющую — гамма-лучи,
обладающие наибольшей проникающей способностью: их
название также было предложено Резерфордом.
Обнаруженная неоднородность лучей Беккереля заста-
вила Резерфорда задуматься о скрытой природе явления ра-
диоактивности. Открыв радиоактивный газ, выделяющийся
• Эрнест Резерфорд
• Фредерик Содди
из тория, так называемую эманацию, Резерфорд установил,
что он представляет собой новый элемент из семейства
благородных газов. Дальнейшее изучение продуктов радио-
активного превращения тория и урана привело Эрнеста
Резерфорда и Фредерика Содди (1877-1956) к важнейшему
предположению о природе радиоактивного превращения
как самопроизвольного перехода одного элемента в другой.
Эта идея была настолько неожиданной и разрушающей фи-
зические устои, что не все ученые смогли ее принять. Тем
не менее, на основе проведенных экспериментов Резерфорд
и Содди формулируют теорию радиоактивности и устанав-
ливают закон радиоактивного распада.
При более тщательном анализе продуктов радиоактив-
ного превращения урана и тория были выявлены анома-
лии. Ученые обнаружили ионий и радиоторий, которые по
своим химическим свойствам, оптическим и рентгенов-
ским спектрам полностью соответствовали природному
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
торию, но отличались от него атомной массой и харак-
теристиками радиоактивного превращения. Кроме того,
не удавалось химически разделить мезоторий I и радий,
радий D и свинец. Конечно, эти элементы не были новы-
ми, иначе нарушался бы Периодический закон. Различие
между ионием, радиоторием и обычным торием удалось
объяснить гораздо позже, а пока их поместили в одну
клетку таблицы Менделеева, назвав по предложению Сод-
ди изотопами (от древнегреческого словосочетания «оди-
наковое место»). Это название прижилось для обозначе-
ния идентичных по химическим свойствам, но разных по
массе атомов.
Накопившиеся изотопы были явно связаны друг с дру-
гом; по всей видимости, одни из них образовывались при
радиоактивных превращениях других. Уже в 1903 году Ре-
зерфорд и Содди напишут в своей статье: «В результате
атомного распада и выбрасывания тяжелых заряженных
частиц с массой того же порядка, что и масса атома во-
дорода, остается новая система, более легкая, чем перво-
начальная, с физическими и химическими свойствами,
совершенно отличными от свойств исходного элемента.
Процесс распада, начавшись однажды, затем уже перехо-
дит с одной ступени на другую...». Постепенно эта связь
между многочисленными открытыми изотопами была
оформлена в виде радиоактивных семейств (рядов), чле-
ны которых генетически связаны друг с другом. Распреде-
ление изотопов по радиоактивным семействам было осу-
ществлено в соответствии с их массовыми числами — так
сформировали ряды тория, урана-радия, актиноурана. По-
ясним эти названия.
Семейство тория объединяет изотопы с массами, крат-
ными четырем; по этой причине оно носит название ряда 4п
и заканчивается нерадиоактивным свинцом-208.
СВИНЕЦ
• Ряд урана-238
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
Ряд 4п+1 на Земле представлен только висмутом-209
и таллием-205, все остальные его члены, включая родона-
чальника непутния-237, из-за низких периодов полураспада
уже не встречаются в природе, хотя и входили в состав ве-
щества нашей планеты на заре ее существования.
Ряд 4п+2 начинается с урана-238 и заканчивается ста-
бильным свинцом-206. Поскольку он включает сравнитель-
но долгоживущий радий-226, его называют также семей-
ством урана-радия. В этот ряд входит уран-234, компонент
изотопной смеси природного урана, который долгое время
носил название уран II и был открыт только в 1939 году
англичанином Альфредом Ниром.
Наконец, ряд 4п+3 открывается ураном-235 и идет до
стабильного изотопа свинца-207; его назвали семейством
актиноурана, существование которого в начале века толь-
ко предполагалось химиками (первым известным членом
ряда был актиний). Уран-235 (актиноуран) был открыт
в 1935 году при помощи масс-спектрографического ана-
лиза канадско-американским физиком Артуром Джефри
Демпстером.
Уран и геохронология
Члены семейств неразрывно связаны друг с другом,
поскольку каждый последующий изотоп появляется в ре-
зультате радиоактивного превращения предыдущего.
Это означало для Резерфорда, установившего совместно
с Содди закон радиоактивного распада (1903), что изото-
пы в семействах связаны друг с другом не только генетиче-
ски, но и количественно, причем их соотношение опреде-
ляется как раз вышеупомянутым законом. Уже в 1905 году
Резерфорд выдвинул идею радиоизотопного датирования
возраста минералов и горных пород. Вкратце она заклю-
чалась в следующем: если радиоактивный изотоп с боль-
шим периодом полураспада превращается в стабильный
изотоп, то по соотношению чисел атомов первого и вто-
рого изотопа можно определить время происхождения
содержащего их объекта. Важное требованию к объекту
состояло в том, чтобы за все время его существования ни
первый, ни второй изотоп не были привнесены в объект
или вымыты из него. В противном случае строгое количе-
ственное соотношение нарушается.
Одним из наиболее известных методов радиоизотопного
датирования является уран-свинцовый метод. Следует об-
ратить внимание, что ряд урана-238, равно как и урана-235,
заканчивается стабильными изотопами свинца. Если уран-
содержащий минерал обладает прочностью, химической
стойкостью, широко распространен и по своим кристал-
лическим свойствам не допускает привнесения свинца из-
вне, то сумма числа атомов урана-238 и свинца-206 в нем
равна исходному числу атомов урана-238 в минерале на
момент его кристаллизации из магмы. То же самое отно-
• Портрет Резерфорда помещен на банкноту Новой Зеландии,
страны, где он родился
ххх
ххх
XXX
АЛЛ /Л АЛЛ
хххххАххххх
ХХХХАХХХХ
хххАххх
ХХ/ХХХ
ХХХАХХХ
ххххАхххх
хххххАххххх.
ХХХХХ А ХХХ2=
ххххх A x:;u
хххх А
• Болтвудит — урансодержащий минерал, названный
в честь американского химика Болтвуда
сится и к сумме числа атомов урана-235 и свинца-207. Зная
периоды полураспада изотопов урана, на основании закона
радиоактивного распада можно определить возраст образ-
ца с точностью около 0,1%, — конечно, если этот возраст
превышает несколько сотен миллионов лет. Для уран-свин-
цового датирования чаще всего применяют силикат цир-
кония (минерал циркон), обладающий вышеуказанными
свойствами.
Уже в 1907 году американский химик Бертрам Борден
Болтвуд проанализировал первые минералы этим способом.
л
Метод уран-свинцового датирования позволил измерить
возраст многих земных минералов, самой Земли, Луны, ме-
теоритов, а также Солнечной системы в целом. В 2001 году
появилось сообщение об определении возраста весьма ста-
рой звезды Кейреля (CS31082-001), в спектре которой до-
вольно четко выделялась линия урана. Обычно ее не удается
наблюдать из-за малой концентрации металла в атмосфере
звезд, сильного фона и низкой интенсивности единствен-
ной линии урана, попадающей в оптический спектр. В слу-
чае звезды Кейреля по соотношению урана-238 и тория-232
удалось выяснить возраст звезды, который составил около
15 миллиардов лет. Следовательно, возраст Вселенной пре-
вышает это число.
Вынужденное деление
Открытие электрона (1897), неоднородности лучей Бек-
кереля (1899), а также большого числа изотопов, объеди-
ненных в радиоактивные семейства, заставило некоторых
ученых предположить, что атомы, ранее считавшиеся не-
делимыми, обладают внутренним строением. Эрнест Ре-
зерфорд задумался об инструменте, при помощи которого
можно было бы «пощупать» атом, — инструменте достаточ-
но маленьком, но все же способном дать видимую экспери-
ментальную картину, по которой можно было бы судить об
устройстве исследуемого объекта. Альфа-частицы подходи-
ли как нельзя лучше, и знаменитый опыт по облучению ими
тонкой золотой фольги привел Резерфорда к планетарной
модели атома, о которой сегодня известно почти каждому.
Удалось понять, что ядро также имеет сложное строение
и состоит из протонов, открытых Резерфордом в 1919 году;
• Лиза Мейтнер
• Отто Хан
именно ядра подвергаются радиоактивным превращениям,
во время которых они испускают радиацию. Возникла идея,
что состав ядра можно изменять, «обстреливая» его раз-
личными частицами. Такой процесс, называемый ядерной
реакцией, впервые осуществил сам Резерфорд (1919). Даль-
нейшие исследования привели к получению новых радиоак-
тивных изотопов и элементов, в том числе не встречающих-
ся в природе. Однако стоит упомянуть, что эффективность
ядерных реакций была низкой, поскольку используемые
в качестве «снарядов» частицы были заряженными (протон,
альфа-частица, электрон) и отталкивались от электронной
оболочки атома или от ядра. Эта особенность смущала Ре-
зерфорда, и незадолго до запуска первого ядерного реак-
тора он еще считал, что ядерная энергия никогда не найдет
своего практического применения.
Ученым нужна была массивная частица с нулевым заря-
дом, которая могла бы беспрепятственно проникать в ядро
и изменять его состав. Существование такой частицы
предполагали, но обнаружить ее удалось лишь в 1932 году.
Новую частицу назвали нейтроном. Нейтрон оказался очень
удобным инструментом проведения ядерных реакций; по-
сле его открытия в научных лабораториях было постав-
лено множество экспериментов по облучению нейтрона-
ми ядер самых разных элементов, в число которых попал
и уран. Считалось, что добавление нейтронов к ядру урана
позволит получить «заурановые» элементы, отсутствую-
щие в природе (Энрико Ферми, 1934). Однако в результате
радиохимического анализа облученного нейтронами ура-
на элементы с номером выше 92 не обнаруживались, зато
было отмечено появление радиоактивного бария (заряд
ядра 56). Немецкие химики Отто Ган (1879-1968) и Фри-
дрих Вильгельм Штрассман (1902-1980) несколько раз
перепроверили результаты и чистоту исходного урана, по-
скольку появление бария могло свидетельствовать только
о распаде ядра урана на две части. Многие полагали, что
такие процессы невозможны. Австрийский радиохимик
Лиза Мейтнер (1878—1968) и ее племянник Отто Роберт
Фриш (1904-1979) обосновали возможность расщепле-
ния ядер урана с физической точки зрения сразу же после
проведения Ганом и Штрассманом решающего опыта в де-
кабре 1938 года. Мейтнер указала, что при расщеплении
ядра урана образуются два более легких ядра, испускают-
ся два-три нейтрона и выделяется энергия, превышаю-
щая, например, энергию сгорания одного атома углерода
в пятьдесят миллионов раз. На основании своих расчетов
Мейтнер заметила, что реакция расщепления может иметь
цепной характер, поскольку на один поглощенный нейтрон
выделяется два-три нейтрона деления; а при значительном
количестве урана процесс будет протекать в форме взры-
ва с выделением огромной энергии — по сути, речь шла
о ядерной бомбе.
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
Чуть позже стало ясно, что расщеплению подвергаются
лишь некоторые ядра (уран-233, уран-235, плутоний-239),
а основной изотоп природного урана (уран-238) подобным
свойством не обладает. К такому выводу после теоретиче-
ского рассмотрения пришел знаменитый Нильс Бор (1885-
1962). Следовательно, для создания ядерного оружия нужно
было выделить из природного урана практически чистый
изотоп с массой 235 или же получить плутоний-239 в ядер-
ном реакторе. Обе задачи были сверхсложными как с науч-
ной, так и с технической точки зрения.
Уже в 1939 году исследовательские работы по созданию
ядерного оружия начались в США, а также в нацистской
Германии.
Спонтанное деление
В 1940 году выяснилось, что ядра урана могут испыты-
вать не только вынужденное деление при облучении ней-
тронами, но и распадаться на осколки совершенно произ-
вольно, без какого-либо внешнего воздействия.
Советские физики Георгий Николаевич Флеров (1913-
1990) и Константин Антонович Петржак (1907-1998), ра-
ботавшие под началом выдающегося ученого Игоря Васи-
льевича Курчатова (1903-1960), обратили внимание, что
высокочувствительная «делительная камера» фиксировала
осколки деления урана в отсутствие источника нейтронов. На
самом деле физики проводили экспериментальную проверку
возможности протекания цепной реакции в большой мас-
се металлического необогащенного урана: для этого внутрь
массивной урановой сферы помещали нейтронный источ-
ник. Индикатором протекания цепной реакции должно было
• Константин Антонович
Петржак
• Георгий Николаевич
Флеров
стать появление осколков, детектируемых делительной каме-
рой. Но оказалось, что камера регистрировала осколки вся-
кий раз, когда в ней находился уран, - даже если источника
нейтронов не было. Это могло быть объяснено самыми раз-
ными способами. В ходе проведения контрольных проверок
гипотезы отсеивались одна за другой. В конце концов, оста-
лось два варианта: расщепление происходит под действием
космических лучей или же ядра урана способны делиться
самопроизвольно. Для исключения первой версии опыт по-
вторили ночью на станции московского метро «Динамо»,
глубина расположения которой позволяла значительно осла-
бить космическое излучение. Тем не менее, «осколочные со-
бытия» фиксировались с той же частотой, что и в лаборато-
рии — примерно шесть раз в час. Оставалась сделать вывод
об открытии явления спонтанного деления ядер урана. Позже
выяснилось, что аналогичным образом ведут себя ядра эле-
ментов, расположенных в Периодической системе за ураном.
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
Открытие спонтанного деления позволило глубже понять
природу вещества, уточнить представления о происхожде-
нии Солнечной системы и земной атмосферы. Нейтроны,
испускаемые при спонтанном делении урана, являются од-
ним из индикаторов урановых месторождений.
Дальнейшая история использования урана многогран-
на и полна интересными фактами. Его нередко называют
двуликим металлом, поскольку уран используется и в мир-
ных, и в военных целях. Ядерное оружие, атомные подво-
дные лодки и надводные военные корабли, несмотря на
свою разрушительную мощь, являются гарантами мира на
земле. Атомные электростанции, ледоколы, исследователь-
ские реакторы способствуют развитию промышленности,
науки, медицины и, в целом, повышению уровня жизни.
Проектируемые ядерные ракетные двигатели обещают уже
в ближайшем будущем сделать возможными дальние косми-
ческие путешествия. И все это — благодаря урану, металлу,
который долгое время считался бесполезным.
УРАН И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА
Общие сведения
Являясь природным элементом, уран присутствует
в организме любого человека; в среднем, его количество
оценивается в 90 миллиграммов. Однако по органам и тка-
ням уран распределен неравномерно. Больше всего урана
содержится в костях (66%), печени (16%) и почках (8%).
При попадании внутрь в больших количествах уран может
представлять серьезную опасность, при этом его химическая
токсичность превышает радиологическую, то есть обуслов-
ленную радиоактивностью. Являясь общеклеточным ядом,
уран поражает все органы и ткани, но в наибольшей степени
страдают почки, кроме них — печень и желудочно-кишеч-
ный тракт. Поступая в кровеносную систему, уран, склонный
к образованию малорастворимых фосфатов, откладывается
в костях. Впрочем, почти весь уран, попавший в организм,
довольно быстро (в течение суток) выводится.
Если уран попал внутрь, то в краткосрочной перспективе
его вредное воздействие обусловлено химической токсич-
ностью, тогда как в более поздние сроки преобладает ради-
ационный фактор. При этом основной вклад в облучение
организма вносит не сам уран, а образующиеся при распаде
его изотопов радиоактивные продукты. Среди них наиболее
значимым является радиоактивный благородный газ радон1.
1 Радон-222 является членом радиоактивного семейства урана-238. Данный
нуклид образуется в результате распада радия-226. Радон-222, существующий
исключительно в газообразной форме, всегда присутствует в большей или
меньшей концентрации в окружающей среде и воздухе жилых помещений,
и обусловливает около половины суммарной дозы, получаемой человеком от
всех природных источников радиации.
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
Уран в металлической форме не проникает внутрь при
контакте с кожей, но может всасываться в виде раствори-
мых соединений — нитратов, фторидов, хлоридов.
Наибольший вред наносят аэрозоли урана и его соедине-
ний. Аэрозольные частицы при вдыхании попадают в лег-
кие, откуда данный элемент поступает в кровь: при этом
в легких всасывается гораздо больше урана, чем при попа-
дании в желудочно-кишечный тракт.
Уран представляет опасность в первую очередь для ра-
бочих горнорудных предприятий: шахтеров урановых руд-
ников, рудников по добыче полиметаллических руд, уголь-
ных шахт (в особенности тех, на которых добывают бурый
уголь).
Работа на первых урановых рудниках в нашей стране и за
рубежом характеризовалась высоким уровнем заболеваемо-
сти и смертности среди шахтеров. В частности, указывалось
на рост числа онкологических заболеваний, главным обра-
зом, рака легких.
Широко распространено мнение, что «ответственным»
за развитие злокачественных образований при работах по
добыче урана является радон-222. Однако этой точке зре-
ния противоречит следующий факт: у населения, проживаю-
щего в зонах радоновых аномалий2, не выявлено очевидной
связи между повышенной концентрацией радона в воздухе
и онкологическими заболеваниями. Таким образом, высо-
кая заболеваемость была связана непосредственно с добы-
чей урана и обуславливалась, вероятнее всего, попаданием
в легкие радиоактивной урансодержащей пыли, образую-
щейся в больших количествах при горнорудных работах.
В настоящее время уровни заболеваемости и смертности на
урановых шахтах не выше, чем на прочих горнодобывающих
2 Радоновая аномалия — область, характеризующаяся многократно повышен-
ной концентрацией радона в окружающей среде.
предприятиях. Этого удалось достичь внедрением целого ком-
плекса мер по охране труда, в частности, сооружением в урано-
вых рудниках мощных вентиляционных систем, позволяющих
эффективно выводить из рабочей зоны как радиоактивные
аэрозоли, так и радон.
52
УРАН В ПРИРОДЕ
Общие сведения
Урана в природе не так уж мало: его содержание в земной
коре составляет 2,5*10-4%, а суммарное количество в слое
литосферы толщиной 20 км доходит до 1,3* Ю14 тонн. Мине-
ралы урана есть практически везде. Однако уран — рассеян-
ный элемент: это означает, что его концентрация в горных
породах зачастую оказывается недостаточно высокой для
организации коммерчески оправданной добычи.
В то же время существуют области, называемые место-
рождениями, где породы, богатые ураном, выходят на по-
верхность земли. В частности, урановые месторождения не-
редко бывают связаны с теми зонами, где в доисторические
времена интенсивно протекали тектонические процессы.
В некоторых случаях урановые провинции могут про-
стираться на десятки и даже сотни километров. Есть также
обширные районы, где урановые месторождения вытягива-
ются широкой лентой, — «урановые пояса». Так, известны
Канадский пояс (4000x300 км) и Южно-Африканский пояс
(4800x300 км).
По последним данным общее количество разведанных
запасов урана составляет 5,3 миллиона тонн. Исходя из тем-
пов потребления в 2012 году, этого количества хватит на
78 лет, что довольно много по сравнению с показателями
Других важных ископаемых: например, меди, цинка, нефти
и природного газа при прогнозируемых темпах потребле-
ния хватит лишь на 30-50 лет.
53
ЧИСЛА и ФАКТЫ
Более точные данные таковы: разведанный объем запасов
урана, стоимость добычи которого не превышает 130 $/кг U, со-
ставляет 5327200 тонн ’. Для категории со стоимостью добычи <
260 $/кг U объем больше и составляет 7096600 тонн.
Кроме того, количество урана в так называемых прогнози-
руемых и предполагаемых запасах достигает 10429100 тонн (по
данным совместного отчета Международного агентства по атом-
ной энергии (МАГАТЭ) и Организации экономического сотрудни-
чества и развития (ОЭСР): «Уран 2011: запасы, добыча и спрос»).
Страны, обладающие наибольшими запасами урана,
можно расставить в следующий ряд в порядке убывания2:
СТРАНА
ЗАПАСЫ,
тыс. тонн
урана
СТРАНА ЗАПАСЫ
тыс. тонн
урана
487
НИГЕР
421
РОССИЯ
1*1
КАНАДА
469
ЮАР
БРАЗИЛИЯ
НАМИБИЯ
279
ТП
261
Это число включает достоверно оцененные и предварительно оцененные за-
пасы.
“В таблице приведен суммарный объем разведанных запасов (включающих
достоверно оцененные и предварительно оцененные запасы) со стоимостью
добычи, не превышающей 130$/кг урана.
54
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
В последние годы картина распределения месторожде-
ний урана по странам несколько изменилась в связи с тем,
что при исследовании ряда урановых месторождений были
обнаружены дополнительные ресурсы в странах Африки
(Ботсване, Замбии, Исламской Республике Мавритания,
Малави, Мали, Намибии и Объединенной Республике Тан-
зания). Также новые запасы были обнаружены в Гайане, Ко-
лумбии, Парагвае, Перу и Швеции.
Наряду с общим объемом запасов урана, важным пока-
зателем является содержание урана в руде. Вообще гово-
ря, это один из ключевых параметров, определяющих сто-
имость добычи. По данному показателю на первом месте
• Распределение разведанных запасов урана по странам
(для запасов со стоимостью добычи не более 130 $/кг U)
находится Канада: урановая руда, добываемая из канадско-
го месторождения Макартур-Ривер, являющегося крупней-
шим в мире, отличается максимальной концентрацией это-
го металла.
ЧИСЛА и ФАКТЫ
Богатейшее месторождение урана в мире — Макартур-Ри-
вер (Канада). По отношению к нему часто употребляют такие
термины, как «уникальное», «феноменальное», «исключитель-
ное», и т.п., что более чем оправданно. Это месторождение было
открыто в 1988 году; запасы урана в Макартур-Ривер составляют
870,2 тыс. тонн (данные 2011 года), а среднее содержание урана
в руде—14,3%.
Для сравнения, содержание урана в руде самых крупных ме-
сторождений России (Забайкальский край, Стрельцовское руд-
ное поле) составляет 0,38%.
Следует отметить, что в настоящее время считается экономи-
чески целесообразным добывать даже убогие руды с содержа-
нием оксида урана 0,03-0,07%.
Вообще, в зависимости от концентрации урановые руды
подразделяют на:
богатые (содержание урана от 0,5-1% и выше);
средние (0,25-0,5%);
рядовые (0,1-0,25%);
бедные (0,03-0,1%);
убогие (менее 0,03%).
На сегодняшний день добыча урана ведется в основном
из средних, рядовых и бедных руд; соответственно, чем
меньше содержание урана в руде, тем больше стоимость до-
бычи.
56
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
ДОСТОВЕРНО ОЦЕНЕННЫЕ ЗЫ1ЛСЫ VPKHK, тыслонн
сс
130-260 $/кг урана |
80-130 $/кг урана
40-80 $/кг урана
менее 40 $/кг урана
3
• Распределение достоверно оцененных запасов урана по
странам (в зависимости от стоимости добычи)
Формы нахождения в природе
Уран в природе существует преимущественно в виде ок-
сидов и нерастворимых солей. В качестве спутников урана
зачастую выступают редкоземельные элементы3, а также
молибден, ванадий, свинец и драгоценные металлы.
3 Редкоземельные элементы — группа из 17 элементов, включающая скан-
дий, иттрий, лантан и лантаноиды.
57
Урановые руды классифицируют по вмещающей породе,
то есть по той горной породе, в которой распределены ми-
нералы урана. Например, встречаются:
♦ силикатные (пески) и алюмосиликатные руды;
♦ карбонатные руды;
♦ сульфидные руды;
♦ фосфатные руды;
♦ железооксидные руды;
♦ углеродистые (каустоболитовые) руды;
♦ и другие.
Всего известно порядка 200 минералов, содержащих
уран4, но лишь некоторые из них имеют практическую цен-
ность. В числе важнейших минералов следует назвать:
♦ уранинит (смесь оксидов урана и тория с общей форму-
лой (U,Th)O );
♦ настуран (оксиды урана: UO2, UO3, также известен как
урановая смолка);
♦ карнотит (К (UO ) (VO ) *ЗН О);
♦ коффинит (силикаты урана, U(SiO4)1 х (ОН)4х);
♦ казолит (Pb[UO2SiO4]-H2O);
♦ нингиоит (CaU(PO4)2-2H2O);
. уранофан (Ca(UO2)SiO3(OH)2- 5Н2О);
♦ цейнерит (Cu(UO2)2(AsO4)2- 16Н2О);
• торбернит (Cu(UO2)2[PO4]2« 12Н2О);
. ураноцирцит (Ba(UO2)2(PO4)2- ЮН2О);
♦ отенит (Ca(U02)2(P04)2.10H20);
♦ браннерит ((U4+, Са, Th, Y) [(Ti, Fe)2O4] -nH2O);
♦ и некоторые другие.
Следует упомянуть и о нетрадиционных источниках ура-
на в земных недрах. Речь идет об уране, который извлекает-
ся из фосфатов, из руд, содержащих цветные и драгоценные
4 Из них около 150 минералов включают уран как основной компонент, еще
порядка 50 содержат уран в качестве примеси.
58
• Уранинит
• Карнотит
• Коффинит
• Настуран
• Уранофан
• Цейнерит
• Торбернит
• Ураноцирцит
• Отенит
• Браннерит
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
металлы, из черных сланцев и так далее. Правда, уран в этих
ископаемых является побочным продуктом и может быть
извлечен лишь в небольших количествах. Согласно суще-
ствующим оценкам, количество урана, который можно из-
влечь из нетрадиционных источников, составляет около
8 миллионов тонн.
Более перспективным нетрадиционным источни-
ком урана является вода: в Мировом океане содержится
4,6 миллиарда тонн этого металла. Проблеме извлечения
урана из морской воды посвящены многочисленные ис-
следования; еще в 1980 году японские ученые продемон-
стрировали потенциальную возможность реализации по-
добной технологии.
В 2012 году Окриджская национальная лаборатория
(США) сообщила об успехах, достигнутых в ходе разра-
ботки новых адсорбентов для урана под названием HiCap.
По данным исследований, сорбент HiCap способен извле-
кать из воды в пять-семь раз больше урана, чем все ранее
известные материалы, причем гораздо быстрее и избира-
тельнее.
Поиск урановых месторождений
Уран содержится в земной коре в виде смеси трех изо-
топов: уран-234, уран-235 и уран-238. Все три изотопа ура-
на, как и многочисленные продукты их радиоактивных
превращений, являются радиоактивными, следовательно,
они испускают ионизирующее излучение (радиацию). Это
свойство активно используется для обнаружения урана
в природе с помощью аэрогамма-съемки — метода, широко
применяемого для поиска радиоактивных руд.
65
ЧИСЛА и ФАКТЫ
Аэрогамма-съемка — радиометрическая съемка, которая
производится с воздуха. Метод заключается в следующем: на
борту самолета (или вертолета) устанавливается оборудова-
ние, которое детектирует гамма-излучение, испускаемое при
распаде естественных радиоактивных изотопов. Соответ-
ственно, области с повышенным гамма-фоном являются наи-
более перспективными для дальнейших геологоразведочных
работ.
Разновидностью аэрогамма-съемки является аэрогамма-
спектрометрическая съемка, которая позволяет разделить
гамма-излучение на компоненты в зависимости от энергии из-
лучения. Это разделение дает возможность идентифицировать
радиоактивные продукты распада изотопов урана, которые
всегда сопутствуют урану в природе.
Разведывательные работы по обнаружению и анализу
урановых месторождений проводятся в несколько этапов:
♦ самолетная аэрогамма-съемка (позволяет выявить зоны
с повышенным радиационным фоном (аномалии));
♦ вертолетная аэрогамма-съемка (проводится на основа-
нии данных, полученных при самолетной съемке, позво-
ляет уточнить границы перспективных участков для про-
ведения наземной разведки);
♦ наземная гамма-съемка (осуществляется с помощью
переносных гамма-радиометров и спектрометров: опе-
ратор в пешеходном режиме с определенным шагом
(5-50 м) «прослушивает» фон горных пород. Данные на-
земной гамма-съемки используются для точного уста-
новления границ участков с повышенным фоном, а так-
же определения точек, из которых в дальнейшем будут
отбираться пробы горной породы);
66
МОЩНОСТЬ ДОЗЫ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ,
микрорентген/час
• Карта радиационного фона, составленная
по результатам гамма-съемки
♦ отбор проб, называемых иначе кернами (осуществляется
буровыми бригадами. Пробы горной породы, отобранные
с различных глубин, направляются в лабораторию для де-
тального анализа. На основании результатов анализа соз-
дают карту залегания урана и сопутствующих полезных
ископаемых, если таковые обнаружены. В дальнейшем эти
данные служат базой для расчета стоимости добычи урана).
ЧИСЛА и ФАКТЫ
Керн — цилиндрическая колонка (столбик) горной породы,
который получают при бурении полой стальной трубой. При
отборе керна фиксируют глубину, с которой он был извлечен.
После этого керн обычно распиливают вдоль на две части: одну
направляют в лабораторию для проведения радиометрическо-
го, химического, петрографического анализа5, а другую хранят
в кернохранилище на случай проверочного анализа. Отбор кер-
нов позволяет получить точные данные по составу урановой
руды и по глубине ее залегания.
5 Петрографический анализ — определение фазового состава, структуры
и текстуры горной породы с помощью оптического микроскопа в проходя-
щем или отраженном свете. Используется для определения процентного со-
держания минералов.
67
• Образцы кернов урансодержащих пород,
помещенные в кернохранилище
Одним из вспомогательных способов поиска урановых
месторождений является изучение местной флоры. Так,
было обнаружено, что некоторые растения (можжевель-
ник, голубика, иван-чай) хорошо всасывают уран. При этом
происходят морфологические изменения: ягоды голубики
меняют форму и становятся белыми или зеленоватыми, ро-
зовые цветки иван-чая приобретают оттенки от белого до
пурпурного.
68
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА |
Добыча урана из недр
Существует три основных способа извлечения урана из
горных пород:
♦ карьерная добыча (открытый способ) используется для
извлечения руды, которая находится на поверхности зем-
ной коры или залегает неглубоко. Способ заключается
в создании котлованов, которые называются карьерами,
или разрезами. К настоящему времени месторождения,
допускающие добычу карьерным методом, практически
исчерпаны;
♦ шахтная добыча (закрытый способ) применяется для до-
бычи полезных ископаемых, залегающих на значитель-
ной глубине, и подразумевает сооружение комплекса
подземных горных выработок;
♦ подземное выщелачивание подразумевает закачивание
в пласт под давлением водного раствора химического
реагента, который, проходя сквозь руду, избирательно
• Схема подземного выщелачивания
• Общий вид карьера
растворяет природные соединения урана. Затем выщела-
чивающий раствор, содержащий уран и сопутствующие
металлы, выводится на поверхность земли через так на-
зываемые откачные скважины.
В последние годы наибольшая доля урана добывается
именно методом подземного выщелачивания. Вообще, рас-
пределение урана в зависимости от способа добычи выгля-
дит следующим образом6:
39% — подземное выщелачивание;
32% — шахтная добыча;
23% — карьерная добыча;
6% — совместная добыча с рудами других металлов (уран
в данном случае является побочным продуктом).
6 Из отчета МАГАТЭ и ОЭСР «Уран 2011: запасы, добыча и спрос».
70
• Внутри уранового рудника
ЧИСЛА и ФАКТЫ
Метод подземного выщелачивания обладает рядом пре-
имуществ по сравнению с традиционным способом добычи.
Среди них — снижение угрозы для персонала, более низкая
стоимость эксплуатации, отсутствие необходимости в круп-
ных хвостохранилищах (площадках, где хранятся отвалы
пустой породы, образующейся при переработке урановой
руды), отсутствие урансодержащей пыли, резкое снижение
выделения радиоактивных веществ в атмосферу.
Иными словами, из всех известных способов добычи под-
земное выщелачивание на данный момент является наиболее
благоприятным с точки зрения безопасности труда и охраны
окружающей среды.
71
Долгое время мировым лидером по производству урана
оставалась Канада. Однако в 2009 году на первое место вы-
шел Казахстан; в этом не последнюю роль сыграли совмест-
ные предприятия (СП), образованные российскими компа-
ниями с Казатомпромом7: благодаря им, было достигнуто
резкое увеличение добычи урана методом подземного вы-
щелачивания.
История российской
уранодобывающей отрасли
Поначалу урановые руды интересовали отечественных
ученых лишь в качестве источника радия. В 1900 году про-
фессор И.А. Антипов сделал на заседании Петербургского
минералогического общества сообщение об обнаружении
минерала урана (медного уранинита) в образцах, привезен-
ных из Ферганы, с горного массива Тюя-Муюн8. Позднее
данный минерал был назван тюямунитом9. В 1904 году на
этом месторождении начались разведочные работы, в 1908
году в Петербурге был построен пробный завод для перера-
ботки урановой руды, а в 1913 году было учреждено между-
народное акционерное общество по добыче тюямуюнского
радия.
Когда началась Первая мировая война, работы на рудни-
ке практически прекратились, и лишь в 1922 году на Тюя-
Муюн была отправлена экспедиция в составе восьми специ-
алистов. В том же 1922 году в тяжелых послереволюционных
7 Казатомпром — национальный оператор Казахстана по экспорту урана и его
соединений; на сегодняшний день — ведущий мировой производитель урана.
8 В настоящее время — территория Узбекистана.
9 В соответствии с современной классификацией тюямунит входит в группу
карнотита (см. выше).
72
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
условиях, в окружении банд басмачей удалось заново нала-
дить промышленную добычу руды.
Новый всплеск интереса к урановым месторождениям
произошел в начале 1940-х годов, когда перед СССР вста-
ла необходимость ответа на исходящую от США ядерную
угрозу, — то есть, когда возникла потребность в создании
отечественного ядерного оружия.
ЧИСЛА и ФАКТЫ
Уран-238, составляющий основу природного урана, явля-
ется исходным изотопом для получения плутония-239, кото-
рый был использован в качестве делящегося материала для
первой советской атомной бомбы.
С другой стороны, из природного урана в процессе обога-
щения выделяют уран-235, который также широко применял-
ся при изготовлении ядерных зарядов.
Уран для первой советской атомной бомбы букваль-
но по крупицам собирали по всей стране и за ее преде-
лами. В 1943 году началась добыча урана на крохотном,
по современным меркам, Табошарском руднике в Таджи-
кистане с производительностью всего 4 тонны урановых
солей в год. Причем, по воспоминаниям П.Я. Антропова,
первого министра геологии СССР, «урановую руду на пе-
реработку по горным тропам Памира возили в торбах на
ишаках и верблюдах. Не было тогда ни дорог, ни должной
техники».
В 1944-1945 годах, по мере освобождения Европы от фа-
шистов, СССР получил доступ к урановой руде из Готенско-
го месторождения в Болгарии, Яхимовских рудников Чехос-
ловакии, шахт Саксонии.
В 1950-х годах начали добычу урана в горах Бештау и Бык
(Северный Кавказ), приступили к освоению месторождений
Южного Казахстана.
73
Современное состояние добычи урана
в России
С начала масштабных геологических исследований
в 1944 году на территории Российской Федерации было об-
наружено более 100 месторождений урана в 14 регионах
страны. Эти запасы урана, равно как и всех прочих полезных
ископаемых, делят на балансовые и забалансовые.
ЧИСЛА и ФАКТЫ
К балансовым относятся запасы, которые целесообразно
разрабатывать при современном уровне развития техники
и экономики. К забалансовым относятся запасы полезных ис-
копаемых, которые из-за их малого количества, низкого каче-
ства, сложных условий добычи или переработки не исполь-
зуются в настоящее время, но в дальнейшем могут оказаться
востребованными промышленностью.
Среди забалансовых особенно выделяются запасы Элькон-
ского ураново-рудного района (Республика Саха — Якутия):
количество урана в этом регионе составляет более 300 тыс.
тонн — это количественно превосходит все балансовые за-
пасы в стране, но из-за рядового качества руд они могут стать
рентабельными только при высокой цене на уран.
Наиболее важные российские месторождения урана рас-
положены в пределах четырех ураново-рудных районов:
Стрельцовского, Зауральского, Витимского и Эльконского.
Расскажем о них подробнее.
Стрельцовский ураново-рудный район в Забайкалье был
открыт в начале 60-х годов прошлого столетия. В него вхо-
дят 12 разведанных месторождений молибден-уранового
типа, которые заключены в крупной палеовулканической
структуре — Стрельцовской кальдере10. Эти месторожде-
10 Кальдера — обширная котловина с крутыми стенками и относительно ровным
дном, имеющая вулканическое происхождение.
74
Республика
Карелия 3
Курганская
область
Республика
Калмыкия
Месторождения
342,3
запасы U,
тыс. тонн
Республика
Бурятия
Забайкальский
край
Запасы, тыс. т
0,5-5 5-20 >20
О разрабатываемые
О осваиваемые
• Распределение запасов урана по территории
Российской Федерации
ния содержат 15% балансовых запасов урана в стране, сред-
нее содержание урана в руде составляет 0,38%.
На месторождениях Стрельцовского района добычу ура-
на ведет ОАО «Приаргунское производственное горно-хи-
мическое объединение» (ППГХО). Долгое время ППГХО
добывало более 90% российского урана, извлекая из недр
около 3000 тонн урана в год. Однако этот производитель
постепенно теряет свои позиции: так, в 2011 году выработка
составила 2200 тонн урана (72% от общей добычи).
Приаргунское производственное горно-химическое объ-
единение — градообразующее предприятие города Красно-
каменск, основанное в 1968 году. На протяжении многих лет
это предприятие является крупнейшим производителем ура-
на в России и одним из крупнейших в мире. Промышленная
75
• Месторождение Стрел ьцовское, Забайкальский край
добыча урана ведется на месторождениях «Антей», Стрель-
цовское, Лучистое, Октябрьское и Юбилейное. Урановую
руду на ППГХО извлекают из недр традиционным шахтным
способом на базе рудников № 1, № 2, рудника «Глубокий»,
рудника «Шахта 6Р» и недавно введенного в эксплуатацию
рудника № 8. Полученная руда отправляется на переработку
на гидрометаллургический завод.
Зауральский район включает месторождения Далматов-
ское, Добровольное и Хохловское, содержащие рудоносные
отложения урана, которые залегают на глубине 360-510 ме-
тров. Среднее содержание урана в руде составляет 0,03%п.
Освоением месторождений занимается предприятие
ЗАО «Далур», осуществляющее добычу урана скважинным
подземным выщелачиванием (см. выше).
11 На месторождении Далматовское.
• Шахта 14РЭШ (ППГХО)
Отметим, что ЗАО «Далур» — первое в России пред-
приятие, которое приступило к добыче урана способом
подземного выщелачивания. Предприятие расположено
в Далматовском районе Курганской области. Основным
эксплуатируемым месторождением является Далматовское,
открытое в 1979 году. Опытно-промышленные работы с при-
менением технологии подземного выщелачивания начались
еще в 1984 году. В 2006 году на Далматовском месторожде-
нии был введен в эксплуатацию главный технологический
корпус по переработке откачиваемых из недр урансодержа-
щих растворов с производительностью до 700 тонн урана
в год.
Витимский ураново-рудный район находится в Цен-
I тральном Забайкалье на территории Республики Буря-
тия. Всего в этом районе разведано 13 месторождений
песчаникового геолого-промышленного типа. Положи-
тельными чертами месторождений Витимского района
являются относительно небольшая глубина залегания руд
(150-200 метров) и более высокая продуктивность, чем на
месторождениях Зауральского района. Общие запасы ура-
новой руды достаточно велики и составляют 47 тыс. тонн.
Наиболее изученным и подготовленным к отработке
является Хиагдинское месторождение. Содержание урана
в руде небольшое и составляет 0,05%, тем не менее, прове-
денные опыты подземного выщелачивания показали, что
извлечение урана из недр характеризуется хорошими тех-
нологическими показателями.
Добычу урана методом подземного выщелачивания, пока
еще в опытно-промышленном масштабе, осуществляет
ОАО «Хиагда». Данное предприятие приступило к добыче
урана на месторождениях Хиагдинского рудного поля от-
носительно недавно, в 1999 году. Завершение строительства
всех производственных объектов и выход на проектную
мощность (1800 тонн урана в год) ОАО «Хиагда» намечает
на 2019 год.
Эльконский золото-урано-серебро-молибденово-рудный
район, расположенный на юге Республики Саха — Якутии, об-
ладает самыми крупными в России забалансовыми залежами
урана, которые составляют порядка 319 тысяч тонн — а это
около 6% извлекаемых мировых запасов. Однако руды здесь
относительно бедные: среднее содержание урана в них 0,145%.
Недостатками месторождений Эльконского района являют-
ся большая глубина залегания (от 300 метров до километра)
и относительно малая толщина рудных слоев (несколько мет-
ров). Однако, в связи с сохранением тенденции к дальней-
шему росту спроса на природный уран Эльконский ураново-
рудный район становится одним из наиболее перспективных
источников урана для российской ядерной отрасли.
78
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА I
Для разработки урановых месторождений Эльконско-
го района в 2007 году было создано ЗАО «Эльконский Гор-
но-металлургический комбинат». В соответствии с плана-
ми новый комплекс должен стать одним из крупнейших
в мире центров по добыче урана с производительностью
до 5000 тонн в год. Наибольший интерес для эксплуатации
представляет месторождение Южное, на котором объем
разведанных запасов достигает максимальной величины
(63,5 тысяч тонн). Кроме того, предполагается добыча урана
на месторождении Северное и в Зоне Интересная.
• Добыча урана российскими компаниями
(данные 2011 года)
79
УРАН КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
Принято считать, что вначале уран рассматривался лишь
в качестве исходного материала для производства ядерных
боезарядов — начинок для атомных бомб. Однако это не со-
всем так: планы по использованию цепной ядерной реакции
в мирных целях возникли почти одновременно с военными
разработками. При этом основное внимание было сфокусиро-
вано на технологии получения электрической энергии за счет
«сжигания» уранового топлива. Речь идет о создании атомных
электростанций (АЭС). Первая в мире АЭС была разработана
и построена именно в нашей стране, в подмосковном городе
Обнинск; в связи с этим официальным днем рождения миро-
• Карьерный грузовик везет руду на перерабатывающий завод
ППГХО
37.65
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
вой ядерной энергетики считается 27 июня 1954 года — день,
когда Обнинская АЭС впервые дала ток для промышленности
и сельского хозяйства прилегающих регионов.
Производство ядерного топлива
Большинство ныне работающих АЭС используют в качестве
ядерного топлива диоксид урана (UO2), в котором уран обо-
гащен по так называемому делящемуся изотопу — урану-235.
Производство диоксидного топлива из урановой руды — слож-
ный дорогостоящий процесс, состоящий из следующих этапов:
♦ извлечение урана из руды, а также его концентрирование;
♦ очистка урана (аффинаж);
♦ конверсия урана (получение гексафторида урана (UF6));
♦ обогащение урана;
• Цех измельчения урановой руды
• Готовые твэлы
• деконверсия урана (перевод UF6 в диоксид урана UO2);
♦ изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов).
ЧИСЛА и ФАКТЫ
Твэл (тепловыделяющий элемент) — сборочная единица
ядерного реактора. В большинстве энергетических реакто-
ров твэл представляет тонкостенную трубку (диаметром не
более 1,5 см), изготовленную из жаропрочного сплава цир-
кония (Zr). В нее загружается диоксидное ядерное топливо
в виде таблеток, после чего трубка герметично запаивается
по концам во избежание выхода наружу продуктов цепной
ядерной реакции.
Первый этап переработки урановой руды, добытой шахт-
ным и карьерным способом — измельчение и сортировка.
Руду сортируют по радиоактивности: чем больше радиоак-
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
тивность, тем больше урана в руде. Куски руды, прошедшие
стадию сортировки, дополнительно дробят, после чего на-
правляют на выщелачивание.
Выщелачивание заключается в обработке руды водными
растворами химических реагентов, переводящих уран в рас-
творимую форму. Этот процесс также называют вскрыти-
ем руды. К реагентам, наиболее часто используемым для
вскрытия, относятся серная и азотная кислоты (H2SO4
и HNO3), а также карбонат натрия (Na2CO3). Выбор того или
иного раствора для выщелачивания основывается на типе
минерала, в который включен уран.
Некоторые урансодержащие руды целесообразно
вскрывать микробиологическим методом, подразумеваю-
щим использование микроорганизмов. В частности, при-
меняют бактерии thiobacillus ferrooxidans, которые, будучи
помещенными в питательную среду, эффективно окисляют
сульфидные руды, — это значительно облегчает растворе-
ние последних.
В результате процесса выщелачивания образуется так
называемый продуктивный раствор, содержащий целевой
компонент — уран1.
Далее производят переработку продуктивного раствора
методами ионного обмена, экстракции или осаждения. При
этом происходит, во-первых, концентрирование урана, во-
вторых, отделение ряда нежелательных примесей (Na, К, Са,
Mg, Fe, Мп, Ni, Си и др.).
Продукт, полученный на этапе концентрирования,
фильтруют, высушивают и нагревают до высокой темпе-
ратуры, при этом образуется закись-окись урана — жел-
тый кек (UQOo).
а о'
1В случае подземного выщелачивания (см. выше) стадии дробления и сорти-
ровки руды отсутствуют, а раствор урана образуется непосредственно в слое
руды, откуда выводится на поверхность через откачные скважины.
ЧИСЛА и ФАКТЫ
I cw<£
Название «желтый кек» происходит от английского yellow
cake, дословный перевод — желтый пирог: именно такой цвет
имели получаемые ранее оксидные концентраты урана. На се-
годняшний день желтый кек, производимый на многих перера-
батывающих предприятиях, имеет не желтый цвет, а коричневый
или черный. Тем не менее, историческое название сохранилось.
Первоначальная очистка происходит на стадии концен-
трирования. Однако для изготовления ядерного топлива тре-
буется обеспечить гораздо большую степень чистоты урана,
поскольку наличие даже ничтожного количества мешающих
элементов способно серьезно повлиять на протекание цеп-
ной реакции. Процесс глубокой очистки урана от примесей
с целью получения из желтого кека материала ядерной чи-
(ОАО «Уральский электрохимический комбинат»)
стоты называют аффинажем. Традиционная схема аффинажа
заключается в растворении закиси-окиси (U3O8) в азотной
кислоте. Уран при этом переходит в форму растворимого
соединения, которое очищают методом экстракции, реже —
осаждения. Конечным продуктом аффинажной технологии
является либо вышеупомянутая закись-окись (U3O8), либо
триоксид урана (UO3).
После аффинажа полученный оксидный продукт перево-
дят в газообразное соединение — гексафторид урана (UF6),
который является наиболее удобной формой для последу-
ющего обогащения. Процесс превращения оксидов урана
в гексафторид называется конверсией. В целом, суммарные
мировые мощности по конверсии составляют примерно
76 000 тонн урана в год (в пересчете на UF ).
6'*
• Таблетки диоксида урана (1Ю2)
ЧИСЛА и ФАКТЫ
В природном уране содержание делящегося изотопа (ура-
на-235) мало: доля его ядер составляет лишь 0,720% (что соответ-
ствует массовой доле 0,714%). Для работы большинства современ-
ных энергетических реакторов необходимо повысить содержание
урана-235 до 2,6-4,8%. Некоторые установки (с быстрыми реакто-
рами2, исследовательские реакторы) требуют гораздо большего
обогащения — порядка 17-26%. Максимальное обогащение (до
90% и выше) нужно для ряда исследовательских реакторов, а также
боезарядов на основе урана-235, применяемых в атомных бомбах.
Для обогащения урана используется два основных ме-
тода — газодиффузионный и газоцентрифужный. Газодиф-
2 Быстрые реакторы — реакторы, в которых деление ядер происходит при вза-
имодействии с т.н. быстрыми нейтронами (обладающими энергией порядка
3-6-1013 Дж).
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
фузионный метод основан на различии в скоростях про-
никновения гексафторидов урана-238 и урана-235 через
пористые перегородки (мембраны). Более эффективный
газоцентрифужный метод заключается во введении гек-
сафторидов (235UF6 + 238UF6) в специальный аппарат — га-
зовую центрифугу, которая вращается с очень большой
(1500 оборотов в секунду (!)) скоростью, создавая центро-
бежную силу, в сотни тысяч раз превышающую тяготение
земли. При этом более тяжелый 238UF6 отжимается к стен-
ке, а более легкий 235UF6 концентрируется в зоне оси враще-
ния. Для того чтобы достичь требуемой степени обогаще-
ния, газовые центрифуги объединяют в каскады, состоящие
из десятков тысяч аппаратов. Газоцентрифужный метод
• Тепловыделяющая сборка (ТВС) для реактора
• Каркас ТВС для реактора типа ВВЭР- 0°°
используется для обогащения урана в России: наша страна
на сегодняшний день является лидером в данной техноло-
гии. С 1962 года и по настоящее время введено в эксплуата-
цию 9 поколений газовых центрифуг.
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА |
ЧИСЛА и ФАКТЫ
При помощи точно настроенного лазера можно избиратель-
но ионизировать, то есть превращать в заряженные частицы со-
единения целевого изотопа, а именно урана-235. Получившиеся
ионы можно легко отделить от нейтральных молекул, например,
магнитным полем. На этом основана инновационная технология
лазерного обогащения, которая будет запущена в ближайшие годы
(в 2012 году компания «Global Laser Enrichment» (США) получила
лицензию на строительство первой полномасштабной установки
лазерного обогащения).
После обогащения гексафторид урана (UF6) необходимо
перевести в диоксид урана (UO2). Для этого применяют два
способа: «мокрый» и «сухой». При «мокрой» технологии
гексафторид растворяют в воде, осаждают и прокаливают.
«Сухой» процесс подразумевает сжигание гексафторида
в водородном пламени. В результате получают порошок ди-
оксида урана, который прессуют в таблетки и спекают при
высокой температуре (« 1750 °C).
Специальный автомат помещает таблетки в металличе-
ские трубки (как упоминалось выше, для энергетических
реакторов их изготавливают из сплава циркония). Затем
трубка вакуумируется, заполняется инертным газом и за-
варивается: так фабрикуют тепловыделяющие элементы
(твэлы).
На последнем этапе из твэлов собирают тепловыделяю-
щие сборки (ТВС). Тепловыделяющие сборки являются той
конечной формой, в которой ядерное топливо загружается
в реакторы. Общемировая потребность в обогащенном ура-
не, загружаемом в твэлы, составляет порядка 17500 тонн
урана/год3.
3 Из них 13500 тонн—топливо для тепловых реакторов с водным теплоносителем,
4000 тонн — для тепловых реакторов с тяжелой водой. Прочие установки, ввиду
их незначительного вклада, не учтены.
Виды ядерного топлива
Итак, самым распространенным топливом для ядерных
энергетических установок является таблетированный ди-
оксид урана (UO2), в котором уран обогащен по делящему-
ся изотопу (урану-235). Однако существуют и другие виды
ядерного горючего.
После диоксидного уранового, наиболее распростра-
ненным является смешанное оксидное топливо, известное
под названием МОХ-топливо4. Сейчас в основном произ-
водится МОХ-топливо, представляющее собой смесь окси-
дов урана и плутония-239 (UO2 + PuO2). МОХ-топливо по-
зволяет использовать избыточное количество оружейного
плутония-239 для выработки электроэнергии. Количество
фабрикуемого смешанного топлива невелико и составля-
ет примерно 250 тонн в год (в пересчете на чистые метал-
лы). В настоящее время на МОХ-топливе работают около
30 ядерных энергоблоков с водным теплоносителем и не-
сколько исследовательских установок.
Еще во времена СССР начались разработки технологии
производства виброуплотненного топлива — в качестве аль-
тернативы таблетированию. Виброуплотнение подразумевает
получение диоксидного топлива в виде порошка, разделение
его на несколько фракций, различающихся по размеру частиц,
внесение необходимых добавок и перемешивание. По данной
технологии в металлическую оболочку твэла загружают не
таблетки, а перемешанный гранулят. Собственно виброуплот-
нение (утрамбовывание гранулята с помощью вибрационных
устройств) производится уже после загрузки порошка в обо-
лочку. Технологию изготовления виброуплотненного топлива
планируют применять, в частности, при изготовлении МОХ-
топлива для отечественных быстрых реакторов.
4 МОХ — англоязычная аббревиатура, расшифровывается как mixed oxide
fuel — смешанное оксидное топливо.
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
В качестве ядерного топлива также может быть исполь-
зован металлический уран. Преимущества подобной фор-
мы — высокая теплопроводность и возможность создания
максимальной концентрации делящихся ядер. В то же вре-
мя уран как металл обладает худшей радиационной, химиче-
ской и жаростойкостью по сравнению с диоксидом, поэтому
его крайне редко используют в чистом виде. Для улучшения
параметров металлического топлива уран легируют неболь-
шими количествами молибдена, алюминия, кремния, цир-
кония. Сегодня металлический уран и его сплавы использу-
ют только в исследовательских реакторах.
ЧИСЛА и ФАКТЫ
Первая АЭС работала именно на металлическом топливе, про-
изведенном по следующей технологии: из обогащенного урана
был изготовлен уран-молибденовый сплав (U-Mo); затем этот сплав
мелко размололи, полученную «крупку» засыпали в трубки из не-
ржавеющей стали и залили расплавленным магнием. На тот мо-
мент времени (1954) подобную форму топлива сочли наилучшей.
Вместо диоксида урана (UO2) возможно применение
нитрида урана (UN). Нитридное топливо обладает более
высокой теплопроводностью по сравнению с диоксидным,
и сравнимой температурой плавления (2855 °C). Нитрид
урана считается перспективным топливом для реакторов
4-го поколения. В нашей стране нитридному топливу уде-
ляется самое пристальное внимание, так как его плани-
руют использовать в следующем поколении реакторов на
быстрых нейтронах5.
Уран способен образовывать карбидные соединения: UC,
UC2. Возможность применения карбидов в качестве топ-
лива для реакторов интенсивно изучалась в 60-70-е годы
5 В рамках проекта «Прорыв», включающего разработку двух типов энергоблоков:
на основе быстрого реактора со свинцовым теплоностителем — «Брест-300»,
и быстрого реактора с натриевым теплоносителем — БН-1200.
прошлого века. Однако в последний период к данному типу
топлива вновь возник интерес, связанный с разработками
пластинчатых твэлов и микротвэлов6. Положительными
чертами карбидов являются хорошая теплопроводность,
высокая температура плавления, высокая твердость, хи-
мическая и термическая стабильность, а также совмести-
мость с керамическими покрытиями, что особенно важно
для микротвэлов. Топливо на основе карбида урана может
оказаться оптимальным вариантом для определенных ти-
пов реакторов следующего поколения, в частности, для бы-
стрых реакторов с газовым охлаждением.
В подавляющее большинство ядерных реакторов загружа-
ются твердофазные соединения урана. Но существует и дру-
гой вариант — использование жидкого ядерного топлива.
Наиболее удачной химической формой считается тетрафто-
рид (UF4), растворенный в смеси фторидов других металлов,
например, лития, бериллия, циркония, рубидия, натрия и др.
Коренное отличие от других проектов заключается в том, что
ядерное топливо одновременно является теплоносителем,
то есть установки данного типа принципиально не требуют
изготовления твэлов. Реакторы с жидким ядерным топливом
признаны перспективным вариантом, заслуживающим во-
площения в виде крупномасштабных ядерных энергоблоков.
ЧИСЛА и ФАКТЫ
Уран, добываемый из земных недр, далеко не полностью по-
крывает потребности современных реакторов. Значительная доля
урана поступает из вторичных источников: военных запасов при-
родного урана, запасов обогащенного урана, урана, полученного
из отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), а также за счет повтор-
ного обогащения обедненного урана.
6Микротвэл — это топливная микросфера, содержащая ядерное топливо
(диоксид урана, плутония, тория и др.) с нанесенным защитным покрытием.
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
Энергетические реакторы
Ядерное топливо необходимо для работы реакторов
различного назначения — энергетических, транспортных,
исследовательских, медицинских, но чаще всего ядерные
реакторы ассоциируются с атомными электростанциями
(АЭС).
Сейчас во всем мире на АЭС работает 437 ядерных энер-
гетических реакторов суммарной электрической мощно-
стью 372,1 гигаватт; ведется строительство еще 67 новых
реакторов (по состоянию на конец 2012 года). Наибольшее
расширение ядерных мощностей наблюдается в Азии за
счет таких крупных стран как Индия и Китай: из 67 стро-
ящихся реакторов на этот регион приходится не менее 47.
Вообще, эксперты ожидают значительный рост использо-
вания ядерной энергии во всем мире уже в ближайшие де-
сятилетия.
В России на сегодняшний день на десяти АЭС эксплуа-
тируется 33 энергетических реактора суммарной установ-
ленной мощностью 25,2 гигаватт. Доля выработки электро-
энергии атомными станциями в России составляет около
16% всего производимого электричества.
Основным назначением энергетических реакторов, ра-
ботающих на урановом топливе, является производство
электроэнергии. Однако ряд ядерных установок уже сейчас
используется для решения таких задач, как опреснение мор-
ской воды, выработка технологического тепла, централизо-
ванное теплоснабжение.
В будущем возможно использование реакторов для про-
изводства водорода, который, в свою очередь, может при-
меняться:
♦ в процессах переработки некоторых нефтяных ресурсов
(в частности, нефтяного песка);
Стройплощадка Ленинградской АЭС-2
♦ для обеспечения крупномасштабного производства син-
тетических видов жидкого топлива на основе биомассы,
угля или других источников углерода;
♦ для непосредственного использования в качестве топли-
ва транспортных средств, прежде всего — транспортных
средств на водородных топливных элементах.
Транспортные реакторы
40,"
I (Ж^
Ядерные реакторы с диоксидным урановым топливом
могут вырабатывать электричество не только на стацио-
нарных энергоблоках. В мире эксплуатируется большое
количество так называемых транспортных ядерных энер-
гетических установок. Наибольшее количество транс-
портных реакторов установлено на атомных подводных
лодках (АПЛ). На данный момент шесть стран имеют
атомные субмарины в составе военного флота: Россия,
США, Великобритания, Франция, Китай и недавно во-
шедшая в эту группу Индия. На сегодняшний день в мире
построены сотни атомных подводных лодок и всего не-
сколько надводных военных кораблей с ядерным реакто-
ром.
Гражданские атомные суда представлены уникальным
российским атомным ледокольным флотом. Первый отече-
ственный атомоход «Ленин» был спущен на воду в 1957 году,
ходовые испытания судно прошло двумя годами позже. Все-
го было построено 9 ледоколов и один атомный лихтеровоз-
контейнеровоз «Севморпуть» с ледокольным носом. Сегод-
ня на Северном морском пути работает 4 атомохода: два
судна с двухреакторной установкой мощностью 75 тысяч
лошадиных сил («Ямал» и «50 лет Победы»), и два —
Зи-модель атомного ледокола нового поколения
Реакторы для космической техники
V.
Программы по созданию космических реакторов по-
явились в США и в СССР еще в конце 50-х годов XX века.
При этом можно выделить два основных направления, на
с однореакторной установкой мощностью 40 тысяч лошади-
ных сил («Таймыр» и «Вайгач»).
В настоящее время на Балтийском заводе (Санкт-
Петербург) идет строительство атомного ледокола нового
поколения с ядерной установкой мощностью 60 мегаватт
(около 80 тысяч лошадиных сил).
140, "
ll
которых были сфокусированы усилия конструкторов. Одно
из них имело целью создание ядерных установок, выраба-
тывающих электричество и тепло для обеспечения работы
космических аппаратов.
Первым реактором, отправившимся за пределы Земли,
стал американский SNAP-10A, запущенный в 1965 году. Со-
ветские проекты оказались более успешными: так, СССР
вывел на орбиту около трех десятков ядерных установок
«Бук». Сами реакторы загружались ядерным топливом на
основе урана, обогащенного по урану-235. Получение элек-
троэнергии за счет цепной ядерной реакции в этих установ-
ках осуществлялось посредством специальных устройств —
термоэлектрогенераторов.
Позднее в нашей стране были сконструированы уста-
новки «Топаз-1», обладавшие весьма высокими для своего
времени показателями: один из двух запущенных аппара-
тов функционировал на орбите целый год. Для выработки
электроэнергии в «Топазах» использовался принцип термо-
эмиссионного преобразования.
Второе направление ядерно-космических разработок
было ориентировано на решение гораздо более сложной за-
дачи — создание ракетных двигателей на атомной тяге.
Поиск новых типов двигателей для космических кора-
блей обусловлен тем, что традиционные ракеты на химиче-
ском топливе уже достигли потолка своих возможностей.
Поэтому на сегодняшний день единственным техническим
средством, позволяющим увеличить ракетную тягу не на
доли процентов, а в несколько раз, представляется только
ядерный реактор.
В США в свое время был создан реактор NERVA, спе-
циально предназначенный для ракетных двигателей. Этот
аппарат даже прошел испытания на полигоне, но впослед-
ствии программа была свернута.
98
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА П I
Советский Союз продвинулся гораздо дальше, поскольку
в нашей стране был построен и испытан не только реактор,
но ядерный ракетный двигатель в целом. Он получил на-
звание РД-0410, для его испытаний под Семипалатинском
был сооружен уникальный стендовый комплекс «Байкал-1».
Тем не менее, дальнейшая реализация данного проекта так-
же была приостановлена из-за смены государственных при-
оритетов.
Однако в настоящее время развитые страны вновь ве-
дут работы по созданию нового типа двигателя, который
позволил бы развить пока еще недостижимые скорости,
дающие возможность эффективного исследования планет
Солнечной системы (в особенности тех, что находятся на
периферии).
• Уменьшенный макет ядерного
реактора-преобразователя «Топаз»
Так, в России создается установка высокой мощно-
сти для полетов к Луне и Марсу. Цель программы — уже
в обозримом будущем произвести первый пуск космиче-
ского корабля с ядерной энергодвигательной установкой.
К данному проекту проявили интерес в США и Китае, что
позволяет предположить возможность международной
кооперации; во всяком случае, специалисты из Соединен-
ных Штатов не исключают того, что их страна вновь при-
ступит к активным исследованиям в соответствующей
области.
Исследовательские
реакторы
К сегодняшнему дню в мире построено значительное ко-
личество ядерных реакторов, которые не используются для
производства электроэнергии или вырабатывают ее лишь
в качестве побочного продукта. Речь идет в первую очередь
об исследовательских реакторах. Они служат источником
мощных нейтронных потоков, используемых в научных ис-
следованиях и для решения ряда других задач. Как прави-
ло, размеры и мощность этих аппаратов гораздо меньше по
сравнению с энергетическими реакторами.
По состоянию на январь 2013 года во всем мире в экс-
плуатации находятся 247 установок с исследовательски-
ми реакторами. Продолжается строительство еще четы-
рех реакторов, два из которых находятся во Франции,
один в Иордании и один в Российской Федерации (реак-
тор ПИК).
Далее в таблице приведен спектр задач, решаемых при
помощи исследовательских реакторов.
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
ПРОИЗВОДСТВО ИЗОТОПОВ
НЕЙТРОННОЕ РАССЕЯНИЕ
Метод анализа, с помощью которого исследуют структуру разу-
порядоченных объектов, строение биологических молекул в рас-
творе, объемные дефекты в кристаллических веществах и т.д.
НЕЙТРОННАЯ РАДИОГРАФИЯ
Получение изображения образца в результате воздействия на
детектор вторичных излучений, возникающих при облучении об-
разца нейтронами. Применяется в основном для исследования
минералов, металлов, сплавов и т.д.
ОБЛУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
ОБРАБОТКА ДРАГОЦЕННЫХ КАМНЕЙ
Облучение позволяет придать драгоценным камням нужный от-
тенок.
ЛЕГИРОВАНИЕ КРЕМНИЯ
ОБУЧЕНИЕ/ПОДГОТОВКА КАДРОВ
НЕЙТРОННО-АКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ
Облучение материала потоком нейтронов с последующим детек-
тированием излучения, испускаемого образующимися при этом
радиоактивными продуктами. Является наиболее чувствительным
методом определения многих элементов Периодической системы.
ГЕОХРОНОЛОГИЯ
Определение возраста горных пород и минералов.
БОР-НЕЙТРОН-ЗАХВАТНАЯ ТЕРАПИЯ
Разновидность лучевой терапии, используемой для лечения зло-
качественных новообразований (опухолей).
Другие
Количество
реакторов7
92
50
Суммарное количество реакторов в таблице превышает общее число эксплу-
атируемых установок (247): это связано с тем, что один и тот же исследова-
тельский реактор может использоваться для разных задач.
• Активная зона исследовательского реактора Triga Mark-Il
(Венский технический университет)
Как видно из таблицы, одной из основных задач, выпол-
няемых с помощью исследовательских реакторов, являет-
ся производство искусственных радиоактивных изотопов.
Процесс организуется следующим образом: в активную зону
реактора помещают стабильные материалы, которые под-
вергаются воздействию нейтронного потока, возникающего
• Наночастицы, содержащие радиоактивный изотоп (показаны зеленым цветом),
атакуют ткань, пораженную раком
при цепной реакции деления ядер урана. При этом стабиль-
ные ядра захватывают нейтроны и превращаются в радио-
активные. Облученную мишень извлекают из реактора, об-
разовавшиеся изотопы выделяют химическими методами,
очищают и используют в самых различных сферах науки,
промышленности и медицины.
«НЕЯДЕРНОЕ» ПРИМЕНЕНИЕ УРАНА
Ранее, задолго до открытия цепной реакции деления, со-
единения природного урана применялись в качестве краси-
телей: их добавляли в стекло, эмаль и глазурь для придания
определенного оттенка, на их основе замешивали краски.
К настоящему времени это направление полностью себя ис-
черпало.
Применяется ли природный уран где-нибудь помимо
ядерной отрасли? Фактически нигде, поскольку природ-
ный уран содержит стратегический изотоп — уран-235.
Было бы неразумно использовать крайне ценный деля-
щийся материал для каких-либо иных целей, кроме полу-
чения энергии.
Однако на стадии обогащения (см. предыдущую главу)
делящийся изотоп извлекают из природного урана: обра-
зуется относительно небольшое количество обогащенного
урана, из которого изготавливают ядерное топливо для ре-
акторов, и значительный объем обедненного урана в фор-
ме гексафторида (UF6), в котором доля урана-235 сниже-
на1. Полученный из обедненного гексафторида уран может
быть использован в других сферах, не имеющих отношения
к ядерной энергетике.
Внимание, уделяемое обедненному урану, определяет-
ся физическими свойствами этого металла, в первую оче-
редь — высокой плотностью, которая составляет 19,05 г/ см3
(для сравнения, плотность железа равняется 7,87 г/см3,
’В обедненном уране основная доля (более 99,8 %) приходится на изотоп
уран-238.
104
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
а свинца — 11,34 г/см3). Из стабильных металлов, исполь-
зуемых в промышленности, большей плотностью обладает,
например, вольфрам (19,25 г/см3). Но мировое производство
вольфрама составляет около 60 тысяч тонн, в то время как
суммарное накопленное количество обедненного гексафто-
рида урана (ОГФУ) составляет около полутора миллионов
тонн и непрерывно растет.
К тому же во многих странах обедненный уран рассма-
тривают лишь в качестве отхода ядерного топливного цик-
ла, — поэтому идея заменить им дорогостоящий вольфрам
показалась довольно привлекательной.
Итак, в качестве относительно дешевого металла, име-
ющего очень большую плотность, обедненный уран может
использоваться в самолетах (в качестве балансировочных
грузов), в килях яхт (для придания остойчивости), в махо-
виках, в противовесах и грузилах, применяемых на нефтя-
ных станциях, в волчках и роторах гироскопов 2, в броне-
бойных снарядах (как материал сердечника), а также как
составляющая часть комбинированной (многослойной)
брони.
Наиболее широкий резонанс вызвало использование ура-
на в бронебойных снарядах и пулях, которые впервые были
масштабно применены войсками США во время войны
в Персидском заливе (1991). Благодаря высокой плотности
урана, снаряды приобретают при выстреле значительную
кинетическую энергию, обеспечивающую повышенную бро-
непробивную способность. Важную роль при этом играет
пирофорность урана, выраженная в способности самовос-
пламеняться и гореть в результате соударения и трения при
прохождении брони.
2 Роторный гироскоп - быстро вращающееся твердое тело (ротор), ось вра-
щения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. В то
же время, такой гироскоп обладает способностью сохранять в пространстве
неизменное направление оси вращения.
105
Использование снарядов с обедненным ураном встрети-
ло активное противодействие. Так, многие экологи, право-
защитники и политики считают: уран приводит к радиоак-
тивному заражению местности, которое, в свою очередь,
обусловливает вспышки онкологических заболеваний и раз-
витие генетических отклонений.
ЧИСЛА и ФАКТЫ
Угроза здоровью, связанная с использованием урановых бое-
припасов, является спорным вопросом, на который нет четкого
и однозначного ответа. Одни заинтересованные стороны гово-
рят о заболеваниях, обусловленных обедненным ураном, другие
(представленные в основном правительственными структурами),
опровергают подобные сведения.
Рассуждая логически, уран не представляет опасности при
внешнем облучении, но может приводить к серьезным послед-
ствиям при попадании внутрь в виде радиоактивной пыли (см. гла-
ву «Уран и здоровье»). Может ли концентрация урансодержащей
пыли, образующейся в ходе военных действий, достичь критиче-
ских значений в окружающей среде — сложный вопрос, требую-
щий отдельного изучения.
В авиастроении обедненный уран используется в балан-
сировочных грузах самолетов: так, один из самых распро-
страненных в мире пассажирских авиалайнеров, Боинг 747,
может нести от 400 до 1500 килограмм данного металла.
Однако большинством современных проектов применение
урана не предусмотрено, — это, как и в случае с бронебой-
ными снарядами, связано с опасениями по поводу распро-
странения урана в виде пыли, которое возможно при круше-
нии самолета.
Высокая плотность — не единственное качество урана,
которое можно использовать на практике. Как известно,
изотопы, обладающие большой атомной массой, эффек-
• Металлические изделия из обедненного урана
тивно поглощают проникающую радиацию (рентгеновское
и гамма-излучение). Благодаря этому обедненный уран
может применяться как материал радиационной защиты:
в частности, в промышленном радиографическом обору-
довании и в контейнерах, предназначенных для транспор-
тировки радиоактивных веществ. Обычно экран из обе-
дненного урана заключен между слоями предохраняющего
материала (например, полиуретановой пены).
Еще одна область применения урана связана с электро-
магнетизмом. В данном случае речь идет о магнитострикци-
онных материалах — то есть таких, которые способны изме-
нять объем и линейные размеры при намагничивании. Как
выяснилось, сплав железа и урана обладает в этом отноше-
нии очень хорошими свойствами и может быть использо-
ван в тех приборах и устройствах, где обычно применяются
магнитострикторы: генераторах ультразвуковых колебаний,
детекторах, измеряющих уровень жидкости, модулях ком-
пьютерной памяти, охранных системах.
Помимо всего перечисленного, обедненный уран мо-
жет использоваться в методах инструментального ана-
лиза. В частности, такое соединение, как уранилацетат
107
(UO2(CH3COO)2), выполняет функцию контрастирующего
вещества в электронной микроскопии.
А благодаря тому, что уран-238 обладает высокой плот-
ностью, являясь в то же время радиоактивным изотопом,
испускающим альфа-излучение, он был внедрен в некото-
рые модели сэмплинг-калориметров — специальных при-
боров, служащих физикам для измерения энергии элемен-
тарных частиц.
JI КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА ПРИЛОЖЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
УРАНА
ЗАРЯД ЯДРА
(номер элемента)
92
АТОМНАЯ МАССА
238,03 г/моль
плотность
19,05 г/см3
ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ
1132,4 °C
ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ
(процент от общего числа атомов):
УРАН-238
(период полураспада* 4,468 млрд, лет)
99,2745%
УРАН-235
(период полураспада* 704 млн. лет)
0,7200%
УРАН-234
(период полураспада* 245,5 тыс. лет)
0,0055%
*Указанные периоды полураспада относятся к альфа-распаду; спонтанное де-
ление этих изотопов происходит гораздо реже.
110
ПРИЛОЖЕНИЕ
КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА j
ВАЖНЕЙШИЕ ДАТЫ
В ИСТОРИИ ИССЛЕДОВАНИЯ
И ПРИМЕНЕНИЯ
УРАНА
1789
открыт уран в форме диоксида
Мартин Генрих Клапрот
1840
выделен металлический уран
Эжен Мелъкиор Пелиго
1871
определено места урана в Периодической системе
Дмитрий Иванович Менделеев
1896
открыты урановые лучи
Антуан Анри Беккерель
1899
обнаружена неоднородность урановых лучей
Эрнест Резерфорд
1905
предложен уран-свинцовый метод датирования
Эрнест Резерфорд
1935
открыт изотоп уран-235
Артур Джефри Демпстер
П КРАТКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УРАНА
ПРИЛОЖЕНИЕ
1939
открыт изотоп уран-234
Альфред Нир
1939
открыто вынужденное деление ядер урана
Лиза Мейтнер, Отто Хан
1940
открыто спонтанное деление ядер урана
Георгий Николаевич Флеров,
Константин Антонович Петржак
1942
запущен первый в истории человечества
ядерный реактор на уране
Энрико Ферми
1954
запущена Первая в мире
атомная электростанция
1956
предположена возможность существования
природного ядерного реактора
Пол Кадзуо Курода.
1972
обнаружен природный ядерный реактор
Франсис Перрен
2001
при помощи уранового датирования
по спектру звезды CS 31082-001
уточнен возраст Вселенной
112
Содержание
МЕТАЛЛ ПО ИМЕНИ НЕБО ..........................................3
УРАН В ДОЯДЕРНУЮ ЭПОХУ ........................................6
Уран и звезды .................................................6
Радиогенное тепло .............................................9
Генезис месторождений ........................................10
Природный ядерный реактор ....................................13
Уран и искусство .............................................17
Два открытия урана ...........................................24
Урановые лучи ................................................30
УРАН И РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ .............................37
Урановые семейства ...........................................37
Уран и геохронология .........................................41
Вынужденное деление ......................................... 44
Спонтанное деление ...........................................47
УРАН И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА .....................................50
Общие сведения ...............................................50
УРАН В ПРИРОДЕ ...............................................53
Общие сведения ...............................................53
Формы нахождения в природе ...................................57
Поиск урановых месторождений .................................65
Добыча урана из недр .........................................69
История российской уранодобывающей отрасли ...................72
Современное состояние добычи урана в России ..................74
УРАН КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ ....................................80
Производство ядерного топлива ................................81
Виды ядерного топлива ........................................90
Энергетические реакторы ......................................93
Транспортные реакторы ........................................96
Реакторы для космической техники .............................97
Исследовательские реакторы ...................................100
«НЕЯДЕРНОЕ» ПРИМЕНЕНИЕ УРАНА ................................104
ПРИЛОЖЕНИЕ ..................................................110
Основные физические характеристики урана ....................110
Важнейшие даты в истории исследования и применения урана ....111
238
5РбсР752
Uranium Уран
инералы урана известны
людям довольно давно, но до
конца XIX века соединения это-
го металла применялись лишь
в стеклодувных и керамических
мастерских в качестве... краси-
теля.
И только в 1939 году был об-
потенциал урана как источника
наружен истинный
колоссальной энергии, выделяющейся при цепной
реакции деления ядер. Изучение и использование
этого свойства радикально изменило мир науки
и техники, привело к созданию ядерного реактора
и атомной бомбы, строительству атомных электро-
станций, атомных подводных лодок и ледоколов, кос-
мических аппаратов с электропитанием от ядерного
реактора. Сегодняшняя техногенная цивилизация не-
мыслима без применения урана в качестве источника
энергии, причем его потенциал далеко не исчерпан.