Уран, открытый немецким учёным Мартином Генрихом Клапротом в 1789 году, считается одним из самых опасных веществ на Земле. Химический элемент с атомным номером 92, названный в честь самой далёкой из известных на то время планет, смело диктует правила мировой экономики и международных отношений. В нашей статье мы расскажем Вам, чем же уран заслужил такую честь.
Что представляет собой уран?
Уран – это тяжёлый металл, который в ничтожно малых количествах содержится в различных горных породах, почвах и воде. Несмотря на столь широкое распространение вещества в природе, довольно сложно найти богатые месторождения, где концентрация металла достаточно высока для его рентабельной добычи. Когда геологи и инженеры обнаруживают многообещающий пласт породы, из него добывают урановую руду, которую дробят и смешивают с водой. Следующий шаг в выделении урана из пустых пород – это выщелачивание. Данный процесс осуществляется при помощи кислоты или щелочи, которые вымывают нужный металл. Последний этап заключается в избирательном выделении урана среди нежелательных «попутчиков», которые в определённых условиях ведут себя практически так же, как уран.
Разновидности урана
В природе встречается уран, который состоит из смеси трёх нестабильных изотопов: 238U, 234U и 235U. Изотопы различаются между собой количеством нейтронов. Наиболее распространённым среди них является 238U, большая часть природного урана представлена именно этим изотопом. Реже всего встречается 234U, он формируется исключительно в процессе распада 238U. Оба нуклида неспособны эффективно расщепляться, для разделения их ядер необходимы невероятно быстрые нейтроны с кинетической энергией более миллиона электронвольт. Таким образом 238U и 234U не могут самостоятельно поддерживать цепную ядерную реакцию.
235U идеален для использования в ядерных реакторах и ядерном оружии, так как он способен делиться при попадании в ядро нейтронов любых энергий. То есть в отличие от остальных изотопов, в нём возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Именно этот уран использовали в проекте «Манхэттен», он составлял ядро бомбы «Малыш», сброшенной на Хиросиму.
Также учёные научились получать 233U – искусственный изотоп урана, способный поддерживать цепную реакцию. Он является производной тория – слаборадиоактивного металла с атомной массой 232 г/моль. «Обстреливая» атом тория нейтронами, физики-атомщики сумели заставить его захватить нейтрон и превратиться в 233U. С помощью похожего процесса обогащённый 238U также можно превратить в плутоний – 239Pu, заставив его атом поглотить лишний нейтрон. Учитывая сравнительную лёгкость получения этого изотопа, его широко используют в качестве топлива для ядерных реакторов. Кроме того, он составлял львиную долю ядра бомб «Штучка» и «Толстяк».
Как порода становится ядерным топливом?
Когда уран окончательно отделён от сопутствующих ему в природе минералов, в высушенной форме он напоминает манную муку. Из-за желтоватого оттенка такой «полуфабрикат» называют «жёлтым тортом». Для обогащения урана – разделения различных изотопов – порошок смешивают с плавиковой кислотой. Получившийся в ходе химической реакции газ отправляют в центрифугу, где газы с разным молекулярным весом разделяются за счёт центробежной силы. Чтобы остановить обогащение урана, его смешивают с обычной водой, которая служит для замедления нейтронов и охлаждения вещества: это необходимо для поддержания стабильной цепной ядерной реакции. Дальнейшее контролируемое деление изотопов урана позволяет получать необходимую энергию – Ваше ядерное топливо готово.
Необычные сферы применения урана
В 1830-х годах в быте англичан появилась стеклянная посуда желтовато-зелёного цвета, окрашенная соединениями урана. С распространением диковинной посуды появлялись различные названия уранового стекла: канареечное, бирманское, депрессионное, вазелиновое, царское и т. д. Такая посуда отличается способностью стекла флуоресцировать в свете ультрафиолетовых ламп. В разное время содержание урановых соединений в стекле составляло от 2% до 25%. В зависимости от степени очистки урана от дочерних продуктов распада, посуда из такого стекла в разной степени радиоактивна. Хотя нередко уровень радиации от уранового стекла несколько превышает природный фон, отравиться при регулярном потреблении пищи из такой посуды невозможно. Однако в истории сохранились упоминания о повышенной заболеваемости и смертности стеклодувов, резчиков и шлифовщиков, работавших на производстве посуды из уранового стекла. К счастью, стекло из урановых соединений не изготавливается уже много лет, а за стеклом серванта красивые зеленоватые блюда не принесут своим владельцам никакого вреда.
Обеднённый уран практически бесполезен в виде ядерного топлива, потому люди научились использовать другие его достоинства – большую плотность материала и достаточно низкую стоимость. Как ни странно, экраны из урана можно применять для радиационной защиты. Это возможно благодаря большому сечению захвата нейтронов: то есть экран взаимодействует с нейтронами и не допускает их дальнейшего распространения. Урановая броня полезна и для защиты от подкалиберных и кумулятивных снарядов, так как обеднённый уран в 1,7 раз плотнее свинца. В наши дни его используют в качестве одного из слоёв танковой брони. Например, с 1988 года американцы выпустили несколько сверхзащищённых модификаций M1 Абрамс, лобовая урановая броня последнего поколения обладает эквивалентной стойкостью в 960 мм к подкалиберным снарядам и до 1600 мм к кумулятивам. Такой способ бронирования Абрамсов также обеспечивает государство относительно безопасным вариантом переработки радиоактивных отходов.
Пожалуй, наиболее известным является применение обеднённого урана в бронебойных снарядах. Высокая плотность материала позволяет ему эффективно пробивать даже самую тяжёлую броню. Обеднённый уран можно использовать как в качестве сердечника, так и для внешней оболочки снаряда. Тяжёлый металл способствует улучшению аэродинамической устойчивости снаряда, изменяя распределение масс. Урановые снаряды достойно показали себя в бою, однако их применение спровоцировало дискуссию о радиационном загрязнении территорий боевых действий.
