Раздел 9. Уран

Совершенно другую разновидность ископаемого топлива представляет собой ядерное сырье – уран, торий. Только в самом конце XIX – начале XX века был открыт ряд явлений, подтверждающих сложность строения атомов (об этом более подробно будет рассказано в третьем томе издания). Использование ядерной энергии стало возможным после открытия деления ядер атомов тяжелых элементов при захвате ими нейтронов в конце 30-х годов ХХ века немецкими учёными О. Ганом и Ф. Штрассманом. При этом испускаются новые частицы и освобождается энергия связи ядра атомов, передаваемая осколкам деления (рис. 9.1).

Деление урана вызывается присоединением к ядру его атома нейтрона и образованием составного ядра. Последнее делится на два осколка, освобождая вторичные нейтроны, среднее число которых равно 2–3 на акт деления. Однако в отдельных реакциях деления число вторичных нейтронов может достигать 10. В каждой реакции деления выделяется энергия около 200 МэВ (1 МэВ = 1,6 · 10 -1 3 Дж).

Для иллюстрации можно привести две из многих возможных схем реакции деления:

92 U + 0 n >   57 L a + 35 B r + 2 0 n + Q f ≈ 20 0 МеВ

або

92 U + 0 n > 51 B a + 36 K r + 3 0 n + Q f ≈ 20 0 МеВ.

Такое количество энергии выделяется при делении ядра атома урана-235 и уносится различными видами излучения.

Это открытие сделало ХХ век атомным и прибавило к запасам энергетического ископаемого топлива (уголь, нефть, газ) существенный клад ядерного горючего.

Уран (лат. Uranium) – радиоактивный химический элемент III группы периодической системы элементов Менделеева – относится к актиноидам. Атомный номер этого элемента – 92, атомная масса – 238,029, металл. Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238 U c периодом полураспада 4,51·10 9 лет (99,274%), 235 U с периодом полураспада 7,13·10 8 лет (0,702%) и 234 U с периодом полураспада 2,48·10 5 лет (0,024%). Из 11 искусственных радиоактивных изотопов с массовыми числами от 227 до 240 долгоживущим является 23 U с периодом полураспада 1,62·10 5 лет. Его получают при нейтронном облучении тория по реакции

Уран был открыт в 1789 году немецким химиком М.Г. Клапротом (1743–1817).

Уран был назван в честь открытой в 1781 году В. Гершелем планеты Уран. В металлическом состоянии он был получен в 1841 году французским химиком Э Пелиго. Первоначально урану приписывали атомную массу 120 и только в 1871 году Д.И.Менделеев пришел к выводу, что атомная масса его почти в два раза больше. По цвету уран похож на сталь, легко поддается обработке, имеет удельное электрическое сопротивление при комнатной температуре около 3·10 - 7 Ом·см, слабый парамагнетик. Механические свойства урана зависят от егочистоты, а также от режимов механической и термической обработки.

Рис. 9.1. Схема деления ядра

Облучение урана потоком нейтронов (которое имеет место в ядерном реакторе) изменяет его физико-механические свойства: развивается ползучесть и повышается хрупкость, наблюдается деформация изделий, что заставляет использовать уран в ядерных реакторах в виде различных урановых сплавов. Температура плавления урана 1129–1133°С, теплопроводность его довольно низкая и при изменении температуры от 200 до 850°С изменяется практически линейно от 30 до 50 Вт/м ·°С. При этом она практически не зависит от технологии изготовления и термообработки, за исключением урана, полученного методом порошковой металлургии.

Уран обладает плохой коррозионной стойкостью в воде и водяном паре. При температуре до 70°С в насыщенной кислородом воде на уране образуется тонкая плотная пленка оксида, оказывающая защитное действие. С ростом температуры оксидная пленка теряет защитные свойства, коррозия увеличивается и, кроме того, отмечается точечная коррозия. С насыщенным паром уран реагирует при 150–250°С, образуя диоксид урана UO 2 и гидрид урана UH 3, при температуре 289–300°С образуются в основном оксиды. В случае его контакта с пароводяным теплоносителем образующийся при окислении водород быстро диффундирует через уран, образуя UH 3, вследствие чего уран распухает. Для повышения коррозионной стойкости уран легируют цирконием, ниобием, молибденом, однако это только задерживает коррозию, но не предотвращает её.

Уран – радиоактивный элемент. Ядра 238 U и 235 U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов. Ядра 23 U и 235 U делятся при захвате как медленных (тепловых), так и быстрых нейтронов, а ядра 238 U делятся только при захвате быстрых нейтронов с энергией не менее 1 МэВ. Все эти ядра могут делиться самопроизвольно (спонтанно), но вероятность такого процесса очень мала. При радиационном захвате нейтронов ядра 238 U превращаются в 239 Pu, ядерные свойства которого близки к свойствам урана-235. Распад ядер урана 238 U и 235 U завершается образованием стабильных изотопов свинца с атомным номером 82.

Природный, или естественный уран, извлекаемый из урановых руд, часто обогащается по изотопу 235 U до получения необходимого процентного содержания последнего. Такой уран называют обогащенным.

Рис. 9.2. Энергия деления 25U

Уран – характерный элемент для граничного слоя и осадочной оболочки земной коры. Среднее содержание урана по массе в земной коре 2,5·10 -4 %, в кислых изверженных породах – 3,5·10 -4 %, в глинах и сланцах – 3,2·10 -4 %, в основных породах – 5·10 -5 %, в ультраосновных породах мантии – 3·10 -7 %. Он энергично мигрирует в холодных и горячих, нейтральных и щелочных водах в форме простых и комплексных ионов. Соединения урана, как правило, хорошо растворимы в водах с окислительной средой и плохо растворимы в водах с восстановительной средой (например сероводородных). Известно более 150 минералов урана, промышленное значение из них имеют только 12. В ходе геологической истории содержание урана в земной коре уменьшилось за счёт радиоактивного распада. С этим процессом связано накопление в земной коре атомов свинца. Радиоактивный распад урана играет важную роль в энергетике земной коры, являясь существенным источником глубинного тепла.

Профессор Берлинского университета Мартин Генрих Клапрот был одним из авторитетнейших химиков своего времени. И это неудивительно. Клапрот был предельно строг к себе и другим, по точности эксперимента современники могли сравнить с ним только выдающегося французского химика Луи Никола Ваклена. Клапрот открыл четыре новых элемента: в 1789 году – уран и цирконий, в 1792 году – титан (причем независимо от немного опередившего его англичанина Грегора), а в 1803 году – церий.

Уран и торий распределены в земной коре в породах самого разного возраста. Хотя общие ресурсы урана в земной коре оцениваются в 10 1 3 т, а тория в 2·10 1 3 т, промышленных ресурсов этих металлов (с приемлемой стоимостью производства) намного меньше. Уран в природе встречается гораздо чаще, чем золото, серебро, платина, молибден, ртуть, но находится в основном в рассеянном состоянии, что затрудняет поиск и разработку месторождений.

Основным типом руды, из которой добывают в промышленном масштабе торий, является моноцит. Его месторождения имеются во многих странах мира. На втором месте – минерал торит (силикат тория), содержащий 5–10% ThO 2. В течение ближайших 20 лет торий не может быть альтернативой урану в качестве сырья для ядерной энергетики.

Длительное время уран представлял интерес только для узкого круга химиков и находил ограниченное применение для производства красок и цветного стекла. С открытием явления радиоактивности урана в 1896 году и радия в 1898 году началась промышленная переработка урановых руд с целью извлечения и использования радия в научных исследованиях и медицине. На ранней стадии производства радия наиболее известными сырьевыми источниками были месторождения уранита в Чехословакии и карнотитовых руд на Колорадском плато в США. В 1923 году появились новые, более крупные и богатые месторождения Шинколобве в Бельгийском Конго (ныне – Заир). В 1933 году на мировой рынок урана вышла Канада, начав добычу уранита на месторождениях Эльдорадо в Форт-Радиуме в северо-западных районах. Растущие потребности в ванадии и его интенсивные поиски привели в 1936 году к открытию новых крупных залежей урановой руды в районе Колорадского плато в США.

После открытия в 1939 году явления деления ядер урана начиная с 1942 года уран стал основным ядерным топливом. Это стимулировало развитие в США технологии получения урана из отходов породы, оставшейся после извлечения радия и ванадия. В начале 1950-х годов добыча и обогащение урана в США получили новый импульс, поскольку правительство предоставило гарантированный рынок сбыта. Начала создаваться урановая промышленность.

Урановая горно-металлургическая промышленность, включающая поиск и разведку урана, разработку урановых месторождений, гидрометаллургический передел уранового сырья, представляет собой крупную отрасль экономики. В период разработки ядерного оружия уран требовался в огромных количествах и это обусловило бурные темпы развития урановой промышленности и ее высокий технический уровень.

Технический уровень урановой промышленности и её производственные возможности на современном этапе соответствуют потребностям развивающейся ядерной энергетики. Благодаря финансовым льготам, которые предоставлялись правительствами заинтересованных в уране стран, уранодобывающим фирмам в первые годы становления урановой промышленности в довольно сжатые сроки удалось открыть крупные месторождения урана. Новые открытия были сделаны в Канаде и по мере их разработки в провинциях Саскачеван и Онтарио производство урана увеличилось. В 1952 году в Южной Африке уран стали получать в качестве побочного продукта при добыче золота. В 1955 году Франция, добившись успехов в разработке важных залежей урана жильного типа на своей территории, расширила исследования и разведку осадочных отложений в ряде районов Африки, что привело к открытию месторождений в Габоне в 1956 году. В 1960 году значительные залежи были обнаружены в Нигерии и Центрально-Африканской Республике. Большая часть сырьевых ресурсов урана сосредоточена в Австралии, главным образом в месторождениях жильного типа и сходных образований.

Уран и его соединения радиационно и химически токсичны. Токсическое действие урана обусловлено его химическими свойствами и зависит от растворимости. Отравление ураном и его соединениями возможно на предприятиях по добыче и переработке уранового сырья и других промышленных объектах, где он используется в технологическом процессе. При попадании в организм уран действует на все органы и ткани, являясь общеклеточным ядом. Признаки отравления обусловлены преимущественно поражением почек, поражаются также печень и желудочно-кишечный тракт.

По существу до 1965 года весь производившийся уран предназначался для военных целей, поскольку ядерная энергетика была ещё недостаточно развита. После 1965 года ядерные державы и в первую очередь США сократили объем закупок урана для военных программ и спрос на делящиеся материалы резко снизился. Уранопроизводящие страны Канада, Австралия и ЮАР оказались без рынков сбыта урана и были вынуждены сокращать производство урановых концентратов, что привело к закрытию значительного числа предприятий по добыче и переработке уранового сырья, а оставшиеся предприятия работали не на полную мощность. Однако интенсивное развитие ядерной энергетики в конце 60-х годов прошлого столетия способствовало новому подъему урановой промышленности.

Урановую руду в основном добывают открытым, подземным и нетрадиционным (например кучное выщелачивание) способами. Основные применяемые системы разработки: камерно-столбовая в различных вариантах; сплошная система разработки длинными лавами; слоевая выемка с гидрозакладкой; с магазинированием руды.

В последние годы отмечается снижение содержания урана во вновь открываемых месторождениях (за исключением руд месторождений жильного типа). Для обеспечения необходимого прироста запасов урана поисково-разведочные работы во все возрастающем масштабе проводят в нетрадиционных для уранопроизводящих стран геологических средах и породах. По-видимому, в будущем в эксплуатацию будут вовлекаться бедные руды с содержанием урана 0,03–0,04%, например месторождения в пегманитах, сиенитах и гранитах. Источником урана также могут служить темные ураноносные сланцы со средним содержанием 0,01–0,04% U 3 O 8 и ураноносные фосфориты, широко распространенные в США, Марокко, Алжире, Египте, Тунисе и некоторых других странах.

В случае крайней необходимости может быть налажено извлечение урана из морской воды. Запасы урана в Мировом океане оцениваются приблизительно в 4 млрд. т при средней его концентрации 3·10 - 3 г/м 3.

Реализация программ развития ядерной энергетики в мире в начале XXI века будет в основном базироваться на водо-водяных реакторах, использующих в качестве топлива обогащенный уран, а это зависит от наличия достаточных производственных мощностей по разделению урана. Поэтому для всех стран, развивающих ядерную энергетику, решение проблемы обогащения урана имеет первостепенное значение.

На первом этапе развития ядерной энергетики производство обогащенного урана во всем мире осуществлялось газодиффузионным методом разделения изотопов. С 80-х годов ХХ столетия для разделения изотопов урана используют более совершенную центробежную технологию, которая по сравнению с газодиффузионной имеет ряд преимуществ: в 10–13 раз меньше расход электроэнергии, возможна реализация модульной схемы наращивания производственных мощностей, существуют перспективы дальнейшего совершенствования. Использование газодиффузионной и центробежной технологий ввиду их большой технической сложности доступно только странам с высокоразвитой индустрией. В странах с менее развитой промышленностью могут найти применение аэродинамические методы разделения урана. В начале ХХI столетия найдет применение в промышленных масштабах и разработанная лазерная технология разделения изотопов урана.

По оценкам разработчиков, эта технология позволяет осуществлять строительство менее капиталоемких заводов по разделению изотопов урана и обеспечивать извлечение 235 U из продуктов отходов заводов с другими технологиями, что даст возможность полнее использовать природный уран.

В пределах территории Украины находится одна из самых больших в мире ураноносных провинций – центральная часть Украинского кристаллического щита. В пределах этой провинции в период 1964–1989 годов было открыто около 20 месторождений урана. Сырьевая база урана в Украине представлена месторождениями, руда которых может отрабатываться подземным способом и методом подземного вылуживания поверхности. При этом запасы промышленных категорий разведки урана отвечают потребностям украинских АЭС на период не менее 100 лет. В случае перехода в будущем к использованию реакторов на быстрых нейтронах этот потенциал мог бы в десятки раз увеличиться. Кроме того, запасы украинского урана находятся на хорошо освоенной территории с развитой инфраструктурой и наличием рабочей силы. В Украине сформировалась отечественная школа геологов-уранников, внедрялись передовые технологии уранодобычи. Восточный горнообогатительный комбинат первым в мире освоил технологию подземного вылуживания, основными преимуществами которой являются низкая себестоимость продукции, незначительные капиталовложения, быстрые темпы введения в эксплуатацию и окупаемость инвестиций, а также – соответствие природоохранным требованиям, а благоприятные геологические и природно-климатические условия позволяли создавать на базе разведанных месторождений крупные горнодобывающие предприятия продуктивностью 2–3 млн. т руды в год. Следует также иметь в виду, что потенциал недр Украины по урану еще далеко не исчерпан. Сохраняются перспективы открытия крупных месторождений традиционного для Украины типа, а также месторождений более богатых руд типа канадских и австралийских.