Розділ 9. Уран

Абсолютно іншим різновидом викопного палива є ядерна сировина – уран, торій. Лише наприкінці XIX – напочатку XX століття було відкрито низку явищ, які підтвердили складність будови атомів (про це детальніше буде написано в наступних томах видання). Використання ядерної енергії стало можливим після відкриття поділу ядер атомів важких елементів при захопленні ними нейтронів наприкінці 30-х років ХХ століття німецькими вченими О. Ганом і Ф. Штрасманом. При цьому випускаються нові частинки і звільняється енергія зв'язку ядра атомів, що передається осколкам поділу (мал. 9.1).

Поділ урану викликається приєднанням до ядра його атому нейтрона і утворенням складеного ядра. Останнє ділиться на два осколки, звільнюючи вторинні нейтрони, середнє число яких дорівнює 2–3 на акт ділення. Проте в окремих реакціях поділу число вторинних нейтронів може досягти 10.  У кожній реакції поділу виділяється енергія близько 200 МеВ (1 МеВ = 1,6 · 10^-13 Дж).

Для ілюстрації можна навести дві з багатьох можливих схем реакції поділу:

92U + 0n > 57La + 35Br + 20n + Qf ≈ 200 МеВ

або

92U + 0n > 51Ba + 36Kr + 30n + Qf ≈ 200 МеВ.

Така кількість енергії виділяється при поділі ядра атома урану-235 і виноситься різними видами випромінювання.

Це відкриття зробило ХХ століття атомним і додало до запасів енергетичного викопного палива (вугілля, нафта, газ) істотний скарб ядерного пального.

Уран (лат. Uranium) – радіоактивний хімічний елемент III групи періодичної системи елементів Менделєєва – відноситься до актиноїдів. Атомний номер цього елементу – 92, атомна маса – 238,029, метал. Природний уран складається із суміші трьох ізотопів: 238U з періодом напівроспаду 4,51·109 років (99,274%), 235U періодом напівроспаду 7,13·108 років (0,702%) и 234U з періодом напіврозпаду 2,48·105 років (0,024%). З 11 штучних радіоактивних ізотопів з масовими числами від 227 до 240 довгоживучим є 233U з періодом напіврозпаду 1,62 ·105 років. Його отримують при нейтронному опромінюванні торію за реакцією

Він був відкритий у 1789 році німецьким хіміком М.Г. Клапротом (1743–1817).

Він був названий на честь відкритої в 1781 році В. Гершелем планети Уран. У металевому стані уран був отриманий у 1841 році французьким хіміком Е Пеліго. Спочатку урану приписували атомну масу 120 і лише в 1871 році Д.І.Менделєєв дійшов висновку, що атомна маса його майже в два рази більша. За кольором уран схожий на сталь, легко піддається обробці, має питомий електричний опір при кімнатній температурі близько 3·10–7 Ом·см, слабкий парамагнетик. Механічні властивості урану залежать від його чистоти, а також від режимів механічної й термічної обробки.

 Мал. 9.1. Схема поділу ядра урану

Опромінювання урану потоком нейтронів (яке має місце в ядерному реакторі) змінює його фізико-механічні властивості: розвивається повзучість і підвищується крихкість, спостерігається деформація виробів, що примушує використовувати уран в ядерних реакторах у вигляді різних уранових сплавів. Температура плавлення урану 1129–1133°С, теплопровідність його досить низька і при зміні температури від 200 до 850°С змінюється практично лінійно від  30 до 50 Вт/м ·°С. При цьому вона практично не залежить від технології виготовлення і термообробки, за винятком урану, виготовленого методом порошкової металургії.

Мал. 9.2. Єнергія поділу 235U

Уран характеризується поганою корозійною стійкістю у воді та водяній парі. При температурі до 70°С у насиченій киснем воді на урані утворюється тонка щільна плівка оксиду, що має захисну дію. Із зростанням температури оксидна плівка втрачає захисні властивості, корозія збільшується і, крім того, спостерігається точкова корозія. З насиченою парою уран реагує при 150–250°С, утворюючи діоксид урану UO2 і гідрид урану UH3, при температурі 289–300°С утворюються в основному оксиди. У разі його контакту з пароводяним теплоносієм водень, що утворюється при окисленні, швидко диффундує через уран, утворюючи UH3, внаслідок чого уран розбухає. Для підвищення корозійної стійкості уран легують цирконієм, ніобієм, молібденом, проте це лише затримує розвиток корозії, але не запобігає йому.

Уран – радіоактивний елемент. Ядра 238U і 235U є родоначальниками двох радіоактивних рядів. Ядра 233U і 235U діляться при захопленні як повільних (теплових), так і швидких нейтронів, а ядра 238U діляться лише при захопленні швидких нейтронів з енергією не меншою 1 МеВ. Всі ці ядра можуть ділитися мимовільно (спонтанно), але вірогідність такого процесу дуже мала. При радіаційному захопленні нейтронів ядра 238U перетворюються на 239Pu, ядерні властивості якого близькі до властивостей урану-235. Розпад ядер урану 238U і 235U завершується утворенням стабільних ізотопів свинцю з атомним номером 82.

Природний уран, що добувається з уранових руд, часто збагачується за ізотопом 235U до отримання необхідного відсотково го вмісту останнього. Такий уран називають збагаченим.

Уран – характерний елемент для граничного шару і осадової оболонки земної кори. Середній вміст урану за масою в земній корі 2,5·10–4%, у кислих вивержених породах – 3,5·10–4%, у глинах і сланцях – 3,2·10–4%, в основних породах – 5·10–5%, в ультраосновних породах мантії – 3·10–7%. Він енергійно мігрує в холодних і гарячих, нейтральних і лужних водах у формі простих і комплексних іонів. Сполуки урану звичайно добре розчинні у водах з окислювальним середовищем і погано розчиняються у водах з відновлюваним середовищем (наприклад сірководневих). Відомо більше 150 мінералів урану, промислове значення мають лише 12 з них. Протягом геологічної історії вміст урану в земній корі зменшився за рахунок радіоактивного розпаду. З цим процесом пов'язано накопичення в земній корі атомів свинцю. Радіоактивний розпад урану відіграє важливу роль в енергетиці земної кори, являючи собою істотне джерело глибинного тепла.

Професор Берлінського університету Мартін Генріх Клапрот був одним з найавторитетніших хіміків свого часу. І це недивно. Клапрот був гранично суворий до себе та інших, щодо точності експерименту сучасники могли порівняти з ним тільки видатного французького хіміка Луї Николу Ваклена. Клапрот відкрив чотири нові елементи: у 1789 році –уран і цирконій, у 1792 році – титан (причому незалежно від англійця Грегора, що небагато випередив його), а в 1803 році – церій.

Уран і торій розподілені в земній корі в породах різного віку. Хоча загальні ресурси урану в земній корі оцінюються в 1013 т, а торію в 2·1013 т, промислові ресурси цих металів (з прийнятною вартістю виробництва) набагато менші. Уран у природі зустрічається набагато частіше, ніж золото, срібло, платина, молібден, ртуть, але знаходиться переважно в розсіяному стані, що ускладнює пошук і розробку родовищ.

Основним типом руди, з якої видобувають в промисловому масштабі торій, є моноцит. Його родовища є в багатьох країнах світу. На другому місці – мінерал торит (силікат торію), що містить 5–10% ThO2.

Протягом найближчих 20 років торій не може бути альтернативою урану як сировина для ядерної енергетики.

Тривалий час уран був цікавим лише для вузького кола хіміків і обмежено використовувався для виробництва фарб і кольорового скла. З відкриттям явища радіоактивності урану в 1896 році та радію в 1898 році почалася промислова переробка уранових руд з метою видобутку і використання радію в наукових дослідженнях і медицині. На ранній стадії виробництва радію найбільш відомими сировинними джерелами були родовища ураніту в Чехословаччині й карнотитових руд на Колорадському плато в США. У 1923 році з'явилися нові, більші й багатші родовища Шинколобве в  Бельгійському Конго (нині – Заїр). У 1933 році на світовий ринок урану вийшла Канада, почавши видобуток ураніту на родовищах Ельдорадо у Форт-Радіумі в північно-західних районах. Зростаючі потреби у ванадії і його інтенсивні пошуки привели в 1936 році до відкриття нових великих покладів уранової руди в районі Колорадського плато в США.

Після відкриття в 1939 році явища поділу ядер урану починаючи з 1942 року уран став основним ядерним паливом. Це стимулювало розвиток в США технології отримання урану з відходів породи, що залишилася після видобутку радію і ванадію. На початку 1950-х років видобуток і збагачення урану в США отримали новий імпульс, оскільки уряд надав гарантований ринок збуту. Почала створюватися уранова промисловість.

Уранова гірничо-металургійна промисловість, що включає пошук і розвідку урану, розробку уранових родовищ, гідрометалургійний переділ уранової сировини, є великою галуззю економіки. У період розробки ядерної зброї уран був потрібний у величезних кількостях і це зумовило бурхливі темпи розвитку уранової промисловості та її високий технічний рівень.

Технічний рівень уранової промисловості та її виробничі можливості на сучасному етапі відповідають потребам ядерної енергетики, що розвивається. Завдяки фінансовим пільгам, які надавалися урядами зацікавлених в урані країн урановидобувним фірмам у перші роки становлення уранової промисловості, в досить стислі терміни вдалося відкрити великі родовища урану. Нові відкриття були зроблені в Канаді і у міру їх розробки в провінціях Саскачеван та Онтаріо виробництво урану збільшилося. У 1952 році в Південній Африці уран стали отримувати як побічний продукт при видобуванні золота. У 1955 році Франція, досягнувши успіхів у розробці важливих покладів урану жильного типу на своїй території, розширила дослідження і розвідку осадових відкладень у ряді районів Африки, що дозволило відкрити родовища у Габоні в 1956 році. У 1960 році значні поклади були виявлені в Нігерії і Центрально-Африканській Республіці. Велика частина сировинних ресурсів урану зосереджена в Австралії, головним чином в родовищах жильного типу і схожих утворень.

Уран і його сполуки радіаційно і хімічно токсичні. Токсична дія урану обумовлена його хімічними властивостями і залежить від розчинності. Отруєння ураном і його сполуками можливе на підприємствах з видобутку і переробки уранової сировини та інших промислових об'єктах, де він використовується в технологічному процесі. При попаданні в організм уран діє на всі органи і тканини, оскільки є загальноклітинною отрутою. Ознаки отруєння обумовлюються переважно ураженням нирок, уражаються також печінка і шлунково-кишковий тракт.

По суті до 1965 року весь уран, що вироблявся, був призначений для військових цілей, оскільки ядерна енергетика була ще недостатньо розвинена. Після 1965 року ядерні держави і в першу чергу США скоротили обсяг закупівель урану для військових програм і попит на матеріали, що ділилися, різко знизився. Такі урановиробляючі країни, як Канада, Австралія і ПАР, опинилися без ринків збуту урану і були вимушені скорочувати виробництво уранових концентратів, що призвело до закриття значної кількості підприємств з видобування і переробки уранової сировини, а підприємства, які залишилися, працювали не на повну потужність. Проте інтенсивний розвиток ядерної енергетики наприкінці 60-х років минулого століття сприяв новому підйому уранової промисловості.

Уранову руду видобувають головним чином відкритим, підземним і нетрадиційним (наприклад купчасте вилуговування ) способами. Найчастіше застосовуються такі системи розробки, як камерно-стовпова у різноманітних варіантах; суцільна система розробки довгими лавами; шарова виїмка з гідрозакладкою; з магазинуванням руди.

Останніми роками спостерігається зниження вмісту урану в нововідкритих родовищах (за винятком руд родовищ жильного типу). Для забезпечення необхідного приросту запасів урану пошуково-розвідувальні роботи у все зростаючому масштабі проводять в нетрадиційних для урановиробляючих країн геологічних середовищах і породах. Очевидно, в майбутньому до експлуатації залучатимуться збіднені руди із вмістом урану 0,03–0,04%, наприклад родовища в пегманітах, сієнітах і гранітах. Джерелом урану також можуть слугувати темні ураноносні сланці із середнім вмістом 0,01–0,04% U3O8 та ураноносні фосфорити, розповсюджені в США, Марокко, Алжирі, Єгипті, Тунісі та деяких інших країнах.

У разі крайньої необхідності може бути налагоджене видобування урану з морської води. Запаси урану в Світовому океані оцінюються приблизно в 4 млрд. т при середній його концентрації 3·10–3 г/м3.

Реалізація програм розвитку ядерної енергетики в світі на початку XXI століття базуватиметься головним чином на водоводяних реакторах, що використовують як паливо збагачений уран, а це залежить від наявності достатніх виробничих потужностей з розділення урану. Тому для всіх країн, що розвивають ядерну енергетику, вирішення проблеми збагачення урану має першочергове значення.

На першому етапі розвитку ядерної енергетики виробництво збагаченого урану у всьому світі здійснювалося газодифузійним методом розділення ізотопів. З 80-х років ХХ сторіччя для розділення ізотопів урану використовують більш довершену відцентрову технологію, яка в порівнянні з газодифузійною має низку переваг: у 10–13 разів менша витрата електроенергії, можлива реалізація модульної схеми нарощування виробничих потужностей, існують перспективи подальшого вдосконалення. Використання газодифузійної і відцентрової технологій, зважаючи на їх велику технічну складність, доступне лише країнам з високорозвинутою індустрією. У країнах з менш розвиненою промисловістю можуть знайти застосування аеродинамічні методи розділення урану. На початку ХХI сторіччя знайде своє застосування в промислових масштабах і розроблена лазерна технологія розділення ізотопів урану. За оцінками розробників, ця технологія дозволяє здійснювати будівництво менш капіталомістких заводів з розділення ізотопів урану і забезпечувати видобуток 235U з продуктів відходів заводів з іншими технологіями, що дозволить повніше використовувати природний уран.

У межах території України знаходиться одна з найбільших в світі ураноносних провінцій – центральна частина Українського кристалічного щита. У межах цієї провінції в період 1964–1989 років було відкрито близько 20 родовищ урану. Сировинна база урану в Україні представлена родовищами, руда яких може відпрацьовуватися підземним способом і методом підземного вилуговування поверхні. При цьому запаси промислових категорій розвідки урану відповідають потребам українських АЕС на період не менше 100 років. У разі переходу в майбутньому до використання реакторів на швидких нейтронах цей потенціал міг би в десятки разів збільшитися. Крім того, запаси українського урану знаходяться на добре освоєній території з розвиненою інфраструктурою і наявністю робочої сили. В Україні сформувалася вітчизняна школа геологів-уранщиків, впроваджувалися передові технології урановидобування. Східний гірничозбагачувальний комбінат першим в світі опанував технологію підземного вилуджування, основними перевагами якої є низька собівартість продукції, незначні капіталовкладення, швидкі темпи введення в експлуатацію і окупність інвестицій, а також – відповідність природоохоронним вимогам, а сприятливі геологічні та природно-кліматичні умови дозволяли створювати на базі розвіданих родовищ великі гірничодобувні підприємства продуктивністю 2–3 млн. т руди на рік. Слід також мати на увазі, що потенціал надр України щодо урану ще далеко не вичерпаний. Зберігаються перспективи відкриття великих родовищ традиційного для України типу, а також родовищ багатших руд типу канадійських і австралійських.