Uno stormo di chernobyl volanti. Lontani parenti della bomba

L'elemento, che prende il nome da una delle principali divinità scandinave, può salvare l'umanità dalla crisi energetica che ci attende nel prossimo futuro.

Nel 1815, il famoso chimico svedese Jens Jacob Berzelius annunciò la scoperta di un nuovo elemento, che chiamò torio in onore di Thor, il dio del tuono e figlio del supremo dio scandinavo Odino. Tuttavia, nel 1825 si scoprì che questa scoperta era un errore. Tuttavia, il nome è tornato utile: Berzelius lo ha dato a un nuovo elemento, che ha scoperto nel 1828 in uno dei minerali norvegesi (ora questo minerale si chiama thorite). Questo elemento potrebbe avere un grande futuro, dove sarà in grado di svolgere un ruolo nell'energia nucleare che non è inferiore in importanza al principale combustibile nucleare - l'uranio.

Lontani parenti della bomba

L'energia nucleare, su cui ora sono riposte tante speranze, è un ramo collaterale dei programmi militari, i cui obiettivi principali erano la creazione di armi atomiche (e, poco dopo, reattori per sottomarini). Come materiale nucleare per la fabbricazione di bombe, si potrebbe scegliere tra tre possibili opzioni: uranio-235, plutonio-239 o uranio-233.

L'uranio-235 è contenuto nell'uranio naturale in una quantità molto piccola - solo lo 0,7% (il restante 99,3% è l'isotopo 238) e deve essere isolato, e questo è un processo costoso e complicato. Il plutonio-239 non esiste in natura, deve essere prodotto irradiando uranio-238 con neutroni in un reattore, e quindi separandolo dall'uranio irraggiato. Allo stesso modo, l'uranio-233 può essere ottenuto irradiando il torio-232 con neutroni.

I primi due metodi furono implementati negli anni '40, ma i fisici decisero di non preoccuparsi del terzo. Il fatto è che nel processo di irradiazione del torio-232, oltre all'utile uranio-233, si forma anche un'impurità dannosa: l'uranio-232 con un'emivita di 74 anni, la cui catena di decadimento porta alla comparsa di tallio-208. Questo isotopo emette raggi gamma (duri) ad alta energia che richiedono la protezione da spesse lastre di piombo. Inoltre, le radiazioni gamma dure disabilitano i circuiti di controllo elettronici, indispensabili nella progettazione dell'arma.

Ciclo del torio

Tuttavia, il torio non è stato completamente dimenticato. Già negli anni '40, Enrico Fermi propose di produrre plutonio in reattori veloci (questo è più efficiente dei reattori termici), che portò alla creazione dei reattori EBR-1 ed EBR-2. In questi reattori, l'uranio-235 o plutonio-239 è la fonte di neutroni che convertono l'uranio-238 in plutonio-239. In questo caso, può essere prodotto più plutonio di quello che viene "bruciato" (di 1,3-1,4 volte), quindi tali reattori sono chiamati "allevatori".

Ecosistema ideale

Negli anni '60 si prevedeva di chiudere il ciclo nucleare per uranio e plutonio, utilizzando circa il 50% delle centrali nucleari in reattori termici e il 50% in reattori veloci. Ma lo sviluppo di reattori veloci ha causato difficoltà, tanto che attualmente è in funzione solo uno di questi reattori, il BN-600 presso la centrale nucleare di Beloyarsk (ed un altro, BN-800, è stato costruito). Pertanto, è possibile creare un sistema bilanciato da reattori termici al torio e circa il 10% di reattori veloci, che riempiranno il combustibile mancante per i reattori termici.

Un altro gruppo scientifico, guidato da Eugene Wigner, ha proposto il proprio progetto per un reattore autofertilizzante, ma non su neutroni veloci, ma su neutroni termici, con torio-232 come materiale irradiato. Allo stesso tempo, il tasso di riproduzione è diminuito, ma il design era più sicuro. Tuttavia, c'era un problema. Il ciclo del combustibile al torio assomiglia a questo. Assorbendo un neutrone, il torio-232 si trasforma in torio-233, che si trasforma rapidamente in protattinio-233, e già decade spontaneamente in uranio-233 con un'emivita di 27 giorni. E durante questo mese il protattinio assorbirà i neutroni, interferendo con il processo di produzione. Per risolvere questo problema, sarebbe bello rimuovere il protattinio dal reattore, ma come si può fare? Dopotutto, il carico e lo scarico costanti del carburante riducono l'efficienza operativa quasi a zero. Wigner propose una soluzione molto ingegnosa: un reattore con combustibile liquido sotto forma di una soluzione acquosa di sali di uranio. Nel 1952, all'Oak Ridge National Laboratory, sotto la guida dello studente di Wigner, Alvin Weinberg, fu costruito un prototipo di tale reattore - Esperimento del reattore omogeneo(HRE-1). E presto è apparso un concetto ancora più interessante, ideale per lavorare con il torio: è un reattore a sale fuso, Esperimento sul reattore a sale fuso... Il carburante sotto forma di fluoruro di uranio è stato sciolto in una fusione di fluoruri di litio, berillio e zirconio. MSRE ha operato dal 1965 al 1969 e, sebbene il torio non sia stato utilizzato lì, il concetto stesso si è rivelato abbastanza praticabile: l'uso di combustibile liquido aumenta l'efficienza di produzione e consente di rimuovere i prodotti di fissione dannosi dal nucleo.

Sentiero di minor resistenza

Tuttavia, i reattori a sale fuso (ZhSR) non si sono diffusi, poiché i reattori termici convenzionali che utilizzano l'uranio si sono rivelati più economici. L'industria mondiale dell'energia nucleare ha preso la strada più semplice ed economica, prendendo come base i comprovati reattori raffreddati ad acqua pressurizzata (VVER), i discendenti di quelli progettati per sottomarini, nonché i reattori raffreddati ad acqua bollente. I reattori moderati a grafite come l'RBMK sono un altro ramo dell'albero genealogico: discendono dai reattori usati per produrre plutonio. "Il combustibile principale per questi reattori è l'uranio-235, ma le sue riserve, sebbene piuttosto significative, sono comunque limitate", spiega a Popular Mechanics Stanislav Subbotin, capo del dipartimento di ricerca sui sistemi strategici presso il Centro di ricerca dell'Istituto Kurchatov. - Questo problema ha iniziato a essere considerato negli anni '60, e quindi la soluzione pianificata a questo problema è stata considerata l'introduzione di rifiuti di uranio-238 nel ciclo del combustibile nucleare, le cui riserve sono quasi 200 volte più grandi. Per questo, è stato pianificato di costruire molti reattori a neutroni veloci che avrebbero prodotto plutonio con un rapporto di riproduzione di 1,3-1,4 in modo che l'eccesso potesse essere utilizzato per alimentare reattori termici. Il reattore veloce BN-600 è stato lanciato presso la centrale nucleare di Beloyarsk, sebbene non in modalità autofertilizzante. Un altro BN-800 è stato recentemente costruito lì. Ma per costruire un efficace ecosistema di energia nucleare tali reattori necessitano di circa il 50%".

Possente torio

È qui che entra in gioco il torio. "Il torio è spesso chiamato un'alternativa all'uranio-235, ma questo è completamente sbagliato", afferma Stanislav Subbotin. - Il torio stesso, come l'uranio-238, non è affatto combustibile nucleare. Tuttavia, posizionandolo nel campo di neutroni nel più comune reattore ad acqua pressurizzata, è possibile ottenere un eccellente combustibile: l'uranio-233, che può quindi essere utilizzato per lo stesso reattore. Cioè, non sono necessarie alterazioni, né modifiche sostanziali all'infrastruttura esistente. Un altro plus del torio è la sua abbondanza in natura: le sue riserve sono almeno tre volte superiori a quelle di uranio. Inoltre, non è necessaria la separazione degli isotopi, poiché durante l'estrazione mineraria associata si trova solo il torio-232 insieme agli elementi delle terre rare. Di nuovo, quando l'uranio viene estratto, l'area circostante è contaminata da radon-222 a vita relativamente lunga (emivita 3,8 giorni) (tra il torio, il radon-220 ha vita breve, 55 secondi, e non ha il tempo di diffondersi) . Inoltre, il torio ha eccellenti proprietà termomeccaniche: è refrattario, meno soggetto a fessurazioni e rilascia meno gas radioattivi quando il rivestimento dell'elemento di combustibile è danneggiato. La produzione di uranio-233 da torio nei reattori termici è circa tre volte più efficiente del plutonio da uranio-235, per cui la presenza di almeno la metà di tali reattori nell'ecosistema nucleare chiuderà il ciclo dell'uranio e del plutonio. Vero, saranno ancora necessari reattori veloci, poiché il rapporto di riproduzione dei reattori al torio non supera l'unità. "

Tuttavia, il torio ha anche uno svantaggio piuttosto serio. Sotto l'irradiazione di neutroni del torio, l'uranio-233 viene contaminato con l'uranio-232, che subisce una catena di decadimento che porta all'isotopo duro emettitore di gamma tallio-208. "Ciò complica enormemente il lavoro sul ritrattamento del carburante", spiega Stanislav Subbotin. “Ma d'altra parte, rende più facile rilevare tale materiale, riducendo il rischio di furto. Inoltre, in un ciclo nucleare chiuso e nella gestione automatizzata del carburante, questo non ha molta importanza".

Accensione termonucleare

Esperimenti sull'uso di elementi di combustibile al torio nei reattori termici sono in corso in Russia e in altri paesi: Norvegia, Cina, India e Stati Uniti. "Ora è il momento di tornare all'idea dei reattori a sale fuso", afferma Stanislav Subbotin. - La chimica dei fluoruri e dei fluoruri fusi è ben studiata grazie alla produzione di alluminio. Per il torio, i reattori a sale fuso sono molto più efficienti dei tradizionali reattori ad acqua pressurizzata, poiché consentono un caricamento flessibile e la rimozione dei prodotti di fissione dal nocciolo del reattore. Inoltre, possono essere utilizzati per implementare approcci ibridi, utilizzando installazioni termonucleari, almeno gli stessi tokamak, non combustibile nucleare come sorgente di neutroni. Inoltre, il reattore a sale fuso consente di risolvere il problema con attinidi minori - isotopi a lunga vita di americio, curio e nettunio (che si formano nel combustibile irraggiato), "postcombustione" in un reattore scavenger. Quindi, in futuro, non potremo fare a meno del torio nell'industria nucleare per diversi decenni”.

Gli enormi pannelli video allestiti nel Manezh per l'annuncio del messaggio di Vladimir Putin all'Assemblea federale sembravano superflui, mentre su di essi balenavano diapositive con grafici della possibile crescita futura del PIL e dell'aspettativa di vita. Ma tutto è andato a posto, ed è diventato chiaro perché Manezh, e perché gli schermi, quando è iniziato un film con animazione sull'ultima superarma nucleare. Lo stesso Putin ha agito come commentatore televisivo e ha spiegato al pubblico nel paese e nel mondo che tutto ciò che è stato mostrato e detto dovrebbe "resistere a qualsiasi potenziale aggressore". Putin ha suggerito che in altri paesi "prima o poi" appariranno anche armi moderne, mentre la Russia le ha già, e andrà ancora meglio mentre gli Stati Uniti e altri si metteranno al passo. Il giorno successivo, ha spiegato che sono stati gli Stati Uniti ad avviare la corsa agli armamenti quando si è ritirato dal Trattato ABM nel 2002, e ha suggerito che l'America ammettesse una sconfitta strategica. “Non è stato possibile contenere la Russia”, nonostante le sanzioni e l'allargamento della Nato, ha sottolineato il presidente, rilevando che le armi “fantastiche” sono “non un bluff” e che è necessario negoziare sulla base dell'uguaglianza su un nuovo ordine mondiale .

Dmitry Peskov ha spiegato che "la Russia non sarà coinvolta nella corsa agli armamenti" e non risponderà "simmetricamente" allo spiegamento della difesa missilistica degli Stati Uniti, ma risponderà "asimmetricamente" - schierando sistemi di attacco per superare qualsiasi sistema di difesa missilistica, "che è incomparabilmente meno costoso nello sviluppo e nella produzione in serie”... Sembra che si siano dimenticati di dirlo a Peskov: il Ministero della Difesa ha già annunciato ufficialmente che il prossimo anno inizierà a schierare il proprio sistema di difesa missilistico russo basato sul sistema S-500 Prometheus, che dovrebbe superare in tutto e per tutto quello americano ed eventualmente coprire l'intero territorio della Federazione Russa.

La corsa agli armamenti dei missili nucleari si sta davvero svolgendo, in tutte le direzioni. Come mezzo secolo fa, entrambe le parti forgeranno sia uno scudo - difesa missilistica che una spada missilistica.

I diplomatici americani, già demoralizzati dal governo di Donald Trump, sono stati ulteriormente sconvolti dal messaggio del Manege. Ora, a quanto pare, non è il momento per una diplomazia significativa, con il nemico alle porte. Ma il Pentagono ha un'atmosfera da affari: promettono di proteggere il popolo americano in qualsiasi circostanza. Stanziamenti aggiuntivi e programmi di armamento sono ora inevitabili su entrambe le sponde dell'Atlantico.

Il mondo sta rapidamente tornando alla situazione dello scontro più duro della Guerra Fredda della metà degli anni Ottanta, quando l'URSS era bloccata in Afghanistan, i missili americani Pershing-2 e i Tomahawk terrestri furono schierati in Europa, il presidente Ronald Reagan annunciò un missile globale programma di difesa - Iniziativa di difesa strategica (SDI , nella versione russa - SOI), e a Mosca, come ora, è stata annunciata una "risposta asimmetrica", che, come, è più economica. Non ha aiutato -

L'URSS ha perso in Afghanistan, ha perso la corsa agli armamenti, è fallita ed è crollata. Ma molte delle super armi presentate da Putin provengono proprio da lì: questi sono sviluppi per superare lo SDI.

Testata "pianificazione" (complessa "Avanguardia" dalla presentazione di Putin), che manovra sull'ipersuono quando entra negli strati densi dell'atmosfera, è stato sviluppato ed esplorato a lungo su entrambe le sponde dell'Atlantico. Tale unità può essere installata su quasi tutti i razzi vettore e il problema è sempre stato che non collassa a causa di sovraccarichi e, soprattutto, è in grado di mirare con precisione al bersaglio. La prima, 50 anni fa, fu sviluppata un'unità balistica da combattimento a guida rivoluzionaria di manovra e poi schierata dagli americani su un missile Pershing-2, che portò la precisione di tiro a dieci metri. La leadership sovietica era così allarmata allora che accettò urgentemente di firmare un accordo sui missili a medio e corto raggio (INF), solo per sbarazzarsi dei Pershing con la loro precisione e il tempo di volo per Mosca in pochi minuti.

Putin è ora orgoglioso dell'Avangard, che dovrebbe essere schierato sui nuovissimi missili balistici intercontinentali mobili a terra di Yars. Ma è del tutto incomprensibile perché: un sistema di difesa missilistico americano capace non esiste in natura, e non si sa quando, tra quanti decenni, un tale sistema potrebbe effettivamente apparire e, soprattutto, come apparirà.

Avangard supera le forze di difesa missilistica. Frame dalla presentazione video. mostrato nel Manege

Investire oggi ingenti fondi nel dispiegamento di programmi per contrastare e superare l'attuale sistema di difesa missilistico americano, progettato esclusivamente per intercettare un paio di primitivi missili coreani o iraniani, è uno spreco insensato.

Naturalmente, i generali russi scrivono rapporti molto diversi alla leadership, come i loro predecessori ai tempi di Reagan, Gorbaciov e SDI. Lo Stato Maggiore ha poi intimidito la leadership politica dell'URSS con una minaccia inesistente, e il Paese ha speso enormi risorse per una "risposta asimmetrica". Gli attuali capi non hanno dimenticato nulla e non hanno imparato nulla.

Mentre la Russia spende le sue forze e risorse per la creazione della "Vanguard", che si precipiterà a velocità selvaggia attraverso il cielo, cercando di "sfondare" l'inesistente sistema di difesa missilistico americano, gli Stati Uniti hanno già sviluppato e possono essere schierato nelle condizioni di una nuova corsa agli armamenti manovrando testate balistiche guidate che non solo saranno in grado di sfondare un promettente sistema di difesa missilistico russo basato sull'S-500, ma anche di cercare e colpire obiettivi strategici mobili come l'ICBM Yars, che è stato reso mobile per motivi di invulnerabilità, e ora potrebbe rivelarsi indifeso (insieme all'Avangard) sotto l'attacco di missili balistici e da crociera americani ultra precisi e ultra intelligenti.

Putin ha anche annunciato un test di successo missile da crociera con "centrale nucleare" e un raggio di volo potenzialmente illimitato che può raggiungere gli Stati Uniti, tornare e ancora volare oltreoceano e, volando da una direzione sconosciuta, "ingannare" le difese americane. Molti esperti sostengono giustamente che è impossibile mettere un reattore nucleare in un missile da crociera - non ce ne sono di così piccoli, ma anche se fosse possibile, otterrebbero uno stormo di potenziali Chernobyl volanti.

Missile da crociera a propulsione nucleare. Screenshot della trasmissione "Russia 1"

Un missile da crociera è un piccolo aereo a reazione usa e getta progettato per schiantarsi contro un bersaglio ed esplodere. Come può quindi essere testato, se anche senza una testata (testata), quando viene colpito, un reattore nucleare a bordo può essere distrutto e quindi si verificherà una contaminazione radioattiva dell'area?

Ma, ovviamente, non c'è nessun "reattore" a bordo. Una reazione nucleare a catena controllata in un reattore è chiamata così perché deve essere controllata senza fallo, ma ciò è impossibile su un missile da crociera senza equipaggio. Stiamo ovviamente parlando della cosiddetta "batteria atomica" o sorgente di radioisotopi, in cui l'energia viene rilasciata a causa del decadimento nucleare senza una reazione a catena. Le "batterie atomiche" sono state prodotte per molto tempo negli Stati Uniti, nella Federazione Russa e in altri paesi. Ad esempio, per veicoli spaziali. E in URSS, sono stati prodotti anche per fari autonomi nell'estremo nord.

Ma ora, ovviamente, ci sono "batterie atomiche" in Russia che sono un ordine di grandezza più potenti delle precedenti. Molto probabilmente, stiamo parlando dell'isotopo uranio-232, che è stato prodotto dal torio in un reattore a neutroni veloci. Sembra che la stessa "centrale nucleare innovativa" sia stata testata per creare un "veicolo subacqueo intercontinentale senza pilota". Putin non ha iniziato a spiegare di cosa si tratta, ma ha affermato che l'installazione “con un volume cento volte inferiore a quello delle installazioni dei moderni sottomarini nucleari, ha un oh maggiore potenza e 200 volte meno tempo per raggiungere la massima potenza”.

È chiaro che questa non è altro che la stessa "batteria atomica" in cui il decadimento nucleare è costantemente al suo massimo (di cui forse non era stato detto al Comandante in capo supremo), ma allo stesso tempo è possibile regolare la potenza del motore dell'apparato, deviando e dissipando l'energia di decadimento della parte.

Petr Sarukhanov / Novaya Gazeta.

L'uranio-232 è stato a lungo considerato il principale, se non l'unico, candidato radioisotopo per la creazione di una "batteria atomica" di maggiore potenza per droni subacquei e di altro tipo e, tra l'altro, per il pompaggio nucleare di pistole laser. Sembra,

almeno tre degli ultimi sei sviluppi annunciati da Putin - un missile da crociera, un drone sottomarino e un laser da combattimento ad alimentazione mobile - sono essenzialmente legati a un nuovo tipo di "batteria atomica".

In realtà non c'è nessun grande segreto qui: è impossibile classificare la tavola periodica. L'uranio-232, la sua fusione e il suo decadimento, è ben compreso. L'uranio-232 è relativamente stabile con un'emivita di 68,9 anni. L'elevata intensità energetica del decadimento dell'uranio-232 è dovuta, tra l'altro, a una cascata di trasmutazioni successive relativamente veloci (fino al piombo), in alcune delle quali si formano radiazioni gamma penetranti. Di conseguenza, l'uranio-232 non è solo costoso da produrre, ma estremamente pericoloso sia per il personale che vi lavora sia per l'ambiente.

È impensabile utilizzare una "centrale nucleare innovativa" per scopi civili. In generale, costruire e testare un aereo con un nucleo radioattivo mortale è una follia criminale, possibile solo dove le persone, con terra, acqua e aria, sono pronte a fare qualsiasi cosa pur di confrontarsi con gli Stati Uniti, nascondendosi sotto la massima segretezza . A proposito, secondo la legge russa, è vietato classificare qualsiasi cosa relativa alla minaccia di contaminazione radioattiva.

Da un punto di vista militare, un missile da crociera "eterno" radioattivo non ha senso: gli americani lo seguiranno facilmente, anche perché brillerà intensamente di radiazioni gamma: l'aereo non può essere fatto di piombo fuso. Questo dispositivo minaccia la Russia stessa più dell'America, costerà in modo proibitivo per la produzione, la manutenzione e l'utilizzo.

Gli americani, se vogliono, possono schierare in risposta 10-20mila missili da crociera di vario tipo, non radioattivi, ad alta precisione e furtivi, e poi?

Un cannone laser con un riempimento nucleare, come si può giudicare, è un Chernobyl mobile su ruote che si muove attraverso regioni densamente popolate del paese e non minaccia affatto l'America.

Drone nucleare subacqueo dalla stessa presentazione

Un drone nucleare sottomarino è "un tipo fondamentalmente nuovo di arma strategica dotata di un'arma nucleare ad alto rendimento" - questo è, ovviamente, un super siluro semovente "Status-6" sviluppato da JSC CDB MT "Rubin" va sott'acqua a una profondità di 1 km, a una velocità fino a 95 km / h a una distanza fino a 10 mila km. La testata del prodotto è fino a 100 megatoni.

L'idea degli sviluppatori e del cliente è che 10 o più di questi "siluri" possano esplodere sott'acqua al largo delle coste del Pacifico e dell'Atlantico degli Stati Uniti, nonché nel Golfo del Messico.

Un'esplosione di enorme potenza dovrebbe provocare un mostruoso tsunami artificiale, che può distruggere le regioni d'America più densamente popolate ed economicamente sviluppate con una popolazione da 150 a 200 milioni di persone.

Nelle aree di vasta contaminazione radioattiva, le persone e altre creature a sangue caldo non potranno esistere per cento anni o più. Per fare ciò, gli sviluppatori possono aggiungere all'unità nucleare da 100 megatoni ogni sorta di spazzatura, come il cobalto, per ottenere esplosioni "sporche" che garantiscono la massima contaminazione da radiazioni a lungo termine.

Per lanciare tali droni, sono già stati completati due sottomarini nucleari speciali, Belgorod e Khabarovsk, che non servono più a nulla. Inoltre, per la manutenzione, il funzionamento e l'uso di "Status-6", devono essere costruite navi speciali e infrastrutture di terra. I super siluri stessi, a giudicare dalle caratteristiche, dovrebbero essere realizzati interamente in lega di titanio. Tutto ciò sarà molto costoso e il fatto che una tale "arma" sia assolutamente immorale non sembra preoccupare affatto, né i leader del complesso militare-industriale russo, né i militari, né la leadership politica.

Apparentemente al presidente è stato detto, e ha ripetuto nel Manezh, che i super siluri autonomi sono praticamente invulnerabili, perché sono più veloci di qualsiasi sottomarino e nave, e che non ci sono mezzi in tutto il mondo che "possano resistere", il che, ovviamente non è vero. Lo "Status-6" è noto da tempo al potenziale avversario, è persino descritto nella nuova dottrina nucleare americana (NPR-2018), pubblicata poche settimane fa.

L'aereo antisommergibile americano vola molto più velocemente di quanto galleggi un drone nucleare, e ci sono siluri occidentali che lo superano in velocità, e ci vorranno diversi giorni per raggiungere l'America, e sarà persino impossibile ricordarlo se succede qualcosa.

Un'arma progettata esclusivamente per la distruzione di massa involontaria di civili, basata sulla massima potenza dell'esplosione, mostruosamente costosa e immorale, è un'eco degli anni Cinquanta e Sessanta. Non è appropriato vantarsi di una cosa del genere e chiamarla "fantasia".

L'uranio, elemento 92, è l'elemento naturale più pesante. Era utilizzato all'inizio della nostra era, frammenti di ceramica a smalto giallo (contenenti più dell'1% di ossido di uranio) sono stati trovati tra le rovine di Pompei ed Ercolano.

L'uranio fu scoperto nel 1789 in un catrame di uranio dal chimico tedesco Marton Heinrich Klaproth, che lo chiamò come il pianeta uranio scoperto nel 1781. Il chimico francese Eugene Peligot ottenne per la prima volta l'uranio metallico nel 1841 riducendo il tetracloruro di uranio anidro con potassio. Nel 1896, Antoine-Henri Becquerel scoprì il fenomeno della radioattività dell'uranio illuminando accidentalmente lastre fotografiche con radiazioni ionizzanti provenienti da un pezzo di sale di uranio che si trovava nelle vicinanze.

Proprietà fisiche e chimiche

L'uranio è un metallo lucido molto pesante, bianco-argenteo. Nella sua forma pura, è leggermente più morbido dell'acciaio, malleabile, flessibile e ha leggere proprietà paramagnetiche. L'uranio ha tre forme allotropiche: alfa (prismatica, stabile fino a 667,7 °C), beta (quadrangolare, stabile da 667,7 a 774,8 °C), gamma (con una struttura cubica a corpo centrato esistente da 774,8 °C al punto di fusione) , in cui l'uranio è il più malleabile e conveniente per la lavorazione. La fase alfa è un tipo molto notevole di struttura prismatica costituita da strati ondulati di atomi in un reticolo prismatico estremamente asimmetrico. Questa struttura anisotropa rende difficile legare l'uranio con altri metalli. Solo il molibdeno e il niobio possono creare leghe in fase solida con l'uranio. È vero, l'uranio metallico può interagire con molte leghe, formando composti intermetallici.

Proprietà fisiche di base dell'uranio:
punto di fusione 1132,2°C (+/- 0,8);
punto di ebollizione 3818 ° C;
densità 18,95 (in fase alfa);
calore specifico 6,65 cal/mol/°C (25 C);
resistenza alla trazione 450 MPa.

Chimicamente, l'uranio è un metallo molto attivo. Si ossida rapidamente all'aria e si ricopre di una pellicola di ossido iridescente. La polvere di uranio fine si accende spontaneamente nell'aria, si accende a una temperatura di 150-175 ° C, formando U 3 oh 8 ... A 1000°C, l'uranio si combina con l'azoto per formare nitruro di uranio giallo. L'acqua è in grado di corrodere il metallo, lentamente a basse temperature e rapidamente ad alte temperature. L'uranio si dissolve in acido cloridrico, nitrico e altri acidi, formando sali tetravalenti, ma non interagisce con gli alcali. L'uranio sposta l'idrogeno dagli acidi inorganici e dalle soluzioni saline di metalli come mercurio, argento, rame, stagno, platino e oro. Quando vengono agitate vigorosamente, le particelle metalliche di uranio iniziano a brillare.
L'uranio ha quattro stati di ossidazione: III-VI. I composti esavalenti includono il triossido di uranile UO 3 e cloruro di uranile uranio UO 2 Cl 2 ... Tetracloruro di uranio UCl 4 e biossido di uranio UO 2 - esempi di uranio tetravalente. Le sostanze contenenti uranio tetravalente sono generalmente instabili e diventano esavalenti in caso di esposizione prolungata all'aria. I sali di uranile come il cloruro di uranile si decompongono in presenza di luce intensa o materia organica.

L'uranio non ha isotopi stabili, ma sono noti 33 dei suoi isotopi radioattivi. L'uranio naturale è composto da tre isotopi radioattivi: 238 U (99,2739%, T = 4,47⋅10 9 anni, emettitore α, l'antenato della serie radioattiva (4n + 2)), 235 U (0,7205%, T = 7,04⋅10 9 anni, il fondatore della serie radioattiva (4n + 3)) e 234 U (0,0056%, T = 2,48⋅10 5 anni, α-emettitore). L'ultimo isotopo non è primario, ma radiogeno, fa parte della serie radioattiva 238 U. La massa atomica dell'uranio naturale è 238,0289 + 0,0001.

La radioattività dell'uranio naturale è principalmente dovuta agli isotopi 238 U contro 234 U, in equilibrio le loro attività specifiche sono uguali. La radioattività specifica dell'uranio naturale è di 0,67 microcurie/g, si divide quasi a metà tra 234U e 238U; 235 U dà un piccolo contributo (l'attività specifica dell'isotopo 235 U nell'uranio naturale è 21 volte meno attivo 238 U). L'uranio naturale è abbastanza radioattivo da illuminare una lastra fotografica in circa un'ora. Sezione d'urto di cattura di neutroni termici 233 U 4,6 10 -27 m2, 235 U 9,8 10 -27 m2, 238 U 2,7 10 -28 m2; sezione di fissione 233 U 5.27 10 -26 m2, 235 U 5.84 10 -26 m2, miscela naturale di isotopi 4.2 10-28 m2.

Gli isotopi di uranio sono solitamente emettitori alfa. Energia di radiazione α media 230 U, 231 U, 232 U, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U è uguale a 5,97, rispettivamente; 3.05⋅10 -4 ; 5.414; 4.909; 4.859; 4.679; 4.572; 4.270 MeV. Allo stesso tempo, isotopi come 233U, 238U e 239 U, oltre all'alfa, subisce un altro tipo di decadimento: la fissione spontanea, sebbene la probabilità di fissione sia molto inferiore alla probabilità di decadimento alfa.

Dal punto di vista delle applicazioni pratiche, è importante che gli isotopi naturali 233 U contro 235 U sono fissioni sia da neutroni termici che veloci ( 235 U è capace di fissione spontanea), e i nuclei 238 Gli U sono capaci di fissione solo quando catturano neutroni con un'energia superiore a 1 MeV. Quando si catturano neutroni con un'energia nucleare inferiore 238 Prima ti trasformi in nuclei 239 U, che poi subiscono -decadimento e passano prima in 239 Np, poi 239 Pu, le cui proprietà nucleari sono vicine a 235 U. Sezioni d'urto efficaci per la cattura di neutroni termici dei nuclei 234 U, 235 U e 238 U sono pari a 98⋅10 -28, 683⋅10 -28 e 2.7⋅10 -28 m2 rispettivamente. Divisione completa 235 U porta al rilascio di "energia termica equivalente" 2⋅10 7kWh/kg.

Isotopi tecnogenici dell'uranio

I moderni reattori nucleari producono 11 isotopi radioattivi artificiali con numeri di massa da 227 a 240, di cui il più longevo è 233 U (T = 1,62 10 5 anni); si ottiene per irraggiamento neutronico del torio. Gli isotopi di uranio con un numero di massa maggiore di 240 non hanno il tempo di formarsi nei reattori. La vita dell'uranio-240 è troppo breve e decade prima di poter catturare un neutrone. Tuttavia, nei flussi di neutroni super potenti di un'esplosione termonucleare, il nucleo di uranio riesce a catturare fino a 19 neutroni in un milionesimo di secondo. In questo caso nascono isotopi di uranio con numeri di massa da 239 a 257. Hanno appreso della loro esistenza dall'apparizione nei prodotti di un'esplosione termonucleare di elementi transuranici distanti - discendenti di isotopi di uranio pesante. Gli stessi "fondatori del genere" sono troppo instabili per il decadimento e passano negli elementi superiori molto prima dell'estrazione dei prodotti delle reazioni nucleari dalla roccia miscelata dall'esplosione.

Gli isotopi sono usati come combustibile nucleare nei reattori termici 235 U contro 233 U, e nei reattori veloci 238 U, cioè isotopi capaci di supportare una reazione a catena di fissione.

U-232

232 U - nuclide tecnogenico, non presente in natura, α-emettitore, T = 68,9 anni, isotopi genitori 236 Pu (α), 232 Np (β +) e 232 Pa (β-), figlia nuclide 228 Th. Capace di divisione spontanea. 232 U ha un tasso di fissione spontanea di 0,47 fissioni / s⋅kg. Nell'industria nucleare 232 U è prodotto come sottoprodotto nella sintesi del nuclide fissile (grado di arma) 233U nel ciclo del combustibile del torio. Quando irradiato 232 La reazione principale si verifica:

232 Gi + n → 233 Th → (22,2 min, β - decadimento) → 233 Pa → (27,0 giorni, β - decadimento) → 233 U

e una reazione laterale in due fasi:

232 Gi + n → 231 Gi + 2n, 231 Gi → (25,5 h, β) → 231 Pa + n → 232 Pa → (1,31 giorni, β) → 232 U.

Ore di funzionamento 232 U nel corso di una reazione a due stadi dipende dalla presenza di neutroni veloci (sono necessari neutroni con un'energia di almeno 6 MeV), poiché la sezione d'urto della prima reazione è piccola per le velocità termiche. Un piccolo numero di neutroni di fissione ha energie superiori a 6 MeV e se la zona di riproduzione del torio si trova in una parte del reattore in cui viene irradiata con neutroni moderatamente veloci (~ 500 keV), questa reazione può essere praticamente esclusa. Se la sostanza originale contiene 230 Poi l'educazione 232 U è completato dalla reazione: 230 Gi + n → 231 Th e oltre come sopra. Questa reazione è eccellente con i neutroni termici. Pertanto, la soppressione dell'istruzione 232 U (e ciò è necessario per i motivi sotto indicati) richiede un carico di torio con una concentrazione minima 230 Th.

Isotopo generato in un reattore di potenza 232 U pone un problema per la SSL poiché si suddivide in 212 Bi e 208 Te, che emettono -quanti ad alta energia. Pertanto, i preparati contenenti una grande quantità di questo isotopo devono essere elaborati in una camera calda. Disponibilità 232 U nell'uranio irradiato è pericoloso anche dal punto di vista del maneggio delle armi nucleari.

Accumulo 232 U è inevitabile nella produzione 233 U nel ciclo energetico del torio, che ne ostacola l'introduzione nel settore energetico. Insolitamente, l'isotopo pari 232 U ha un'elevata sezione d'urto di fissione sotto l'azione dei neutroni (per neutroni termici 75 fienile, integrale di risonanza 380), nonché un'alta sezione d'urto di cattura di neutroni - 73 fienile (integrale di risonanza 280).

C'è anche un vantaggio da 232 U: Viene spesso utilizzato nel metodo del tracciante nella ricerca chimica e fisica.

U-233

233 U è stato scoperto da Seaborg, Hoffmann e Stoughton. Uranio-233 - α-emettitore, T = 1.585⋅105 anni, nuclidi progenitori 237 Pu (α) 233 Np (β +) 233 Pa (β-), figlia nuclide 229 Th. L'uranio-233 si ottiene nei reattori nucleari dal torio: 232Th cattura un neutrone e si trasforma in 233 Th che decade in 233 Ra e poi 233 U. 233 nuclei U (uno strano isotopo) è capace sia di fissione spontanea che di fissione sotto l'azione di neutroni di qualsiasi energia, il che lo rende adatto alla produzione sia di armi atomiche che di combustibile per reattori (è possibile l'allevamento espanso di combustibile nucleare). L'uranio-233 è anche il combustibile più promettente per i motori a razzo nucleari in fase gassosa. La sezione d'urto effettiva per la fissione da neutroni veloci di 533 fienile, emivita di 1.585.000 anni, non si verifica in natura. Massa critica 233 U è tre volte inferiore alla massa critica 235 U (circa 16 kg). 233 U ha un'intensità di fissione spontanea pari a 720 divisioni/s⋅kg. 235U può essere ottenuto da 232Th mediante irradiazione di neutroni:

232 Gi + n → 233 Th → (22,2 min, β - decadimento) → 233 Pa → (27,0 giorni, β - decadimento) → 233U

Quando assorbe un neutrone, il nucleo 233 U di solito si divide, ma occasionalmente cattura un neutrone, passando in 234 U, sebbene la proporzione di processi di non fissione sia inferiore a quella di altri combustibili fissili ( 235U, 239 Pu, 241 Pu), rimane piccolo a tutte le energie dei neutroni. Si noti che esiste un progetto per un reattore a sali fusi in cui il protattinio è fisicamente isolato prima che possa assorbire un neutrone. Benchè 233 U, avendo assorbito un neutrone, di solito fissioni; tuttavia, a volte trattiene un neutrone, passando in 234 U (questo processo è molto meno probabile della fissione).

Ore di funzionamento 233 U da materie prime per l'industria del torio è una strategia a lungo termine per lo sviluppo dell'industria nucleare indiana, che ha significative riserve di torio. L'allevamento può essere effettuato in reattori veloci o reattori termici. Al di fuori dell'India, c'è poco interesse per il ciclo del combustibile del torio, sebbene le riserve mondiali di torio siano tre volte quelle dell'uranio. 233 Sei in una carica di pistola. Anche se ora questo viene fatto raramente. Nel 1955, gli USA testarono la qualità dell'arma 233 U facendo esplodere una bomba basata su di essa nell'Operazione Teapot. Dal punto di vista delle armi 233 U, paragonabile a 239 Pu: la sua radioattività è 1/7 (T = 159200 anni contro 24100 anni per il plutonio), la sua massa critica è maggiore del 60% (16 kg contro 10 kg) e il tasso di fissione spontanea è 20 volte maggiore (6⋅10-9 contro 3⋅10 -10 ). Tuttavia, poiché la sua radioattività specifica è inferiore, la densità di neutroni 233 U è tre volte superiore a quello di 239 Pu. Creazione di una carica nucleare basata su 233 U richiede uno sforzo maggiore del plutonio, ma lo sforzo tecnologico è più o meno lo stesso.

La differenza principale è la presenza in 233 U impurità 232 U che rende difficile lavorare con 233 U e rende facile trovare l'arma finita.

Contenuto di 232 U nell'armeria 233 U non deve superare i 5 ppm (0,0005%). Nel ciclo commerciale del combustibile nucleare, la presenza di 232 L'U non rappresenta un grande svantaggio, nemmeno auspicabile, in quanto riduce il potenziale di proliferazione dell'uranio per scopi bellici. Per risparmiare carburante, dopo il riciclaggio e il riutilizzo, il livello 232 U raggiunge lo 0,1-0,2%. In sistemi appositamente progettati, questo isotopo viene accumulato in concentrazioni dello 0,5-1%.

Entro i primi due anni dalla produzione 233 U contenente 232 U, 228 Th viene mantenuto ad un livello costante, essendo in equilibrio con il proprio decadimento. Durante questo periodo, il valore di fondo della radiazione viene stabilito e stabilizzato. Pertanto, per i primi anni, la produzione di massa 233 U emette radiazioni significative. Sfera da dieci chilogrammi 233 Grado di arma U (5 ppm 232U) produce uno sfondo di 11 millirem/ora a una distanza di 1 m 1 mese dopo la produzione, 110

millirem/h dopo un anno, 200 millirem/h dopo 2 anni. Il limite di dose annuale di 5 rem viene superato dopo 25 ore di manipolazione di tale materiale. Anche fresco 233 U (1 mese dalla data di produzione) limita il tempo di montaggio a dieci ore settimanali. In un'arma completamente assemblata, il livello di radiazione viene ridotto dall'assorbimento della carica da parte del corpo. Nei moderni dispositivi leggeri, la riduzione non supera le 10 volte, creando problemi di sicurezza. Con cariche più pesanti, l'assorbimento è più forte - di un fattore 100 - 1000. Il riflettore al berillio aumenta il livello del fondo di neutroni: 9Be + γ-quanto → 8Be + n. raggi gamma 232 U forma una firma caratteristica, possono essere rilevati e tracciati per i movimenti e la presenza di una carica atomica. Ciclo del torio appositamente denaturato 233U (0,5 - 1,0% 232 U), crea un pericolo ancora maggiore. Una sfera da 10 chilogrammi realizzata con tale materiale, a una distanza di 1 m dopo 1 mese, crea uno sfondo di 11 rem/h, 110 rem/h dopo un anno e 200 rem/h dopo 2 anni. Il contatto con una tale bomba atomica, anche con una riduzione della radiazione 1000 volte, è limitato a 25 ore all'anno. La presenza di una quota notevole 232 L'U nel materiale fissile lo rende estremamente scomodo per le applicazioni militari.

Isotopi naturali dell'uranio

U-234

L'uranio-234 (uranio II) fa parte dell'uranio naturale (0,0055%), T = 2,445⋅10 5 anni, emettitore α, radionuclidi materni: 238 Pu (α), 234 Pa (β-), 234 Np (β +), isotopo figlia in 230 Th. Contenuto 234 U nel minerale è molto basso a causa della sua emivita relativamente breve. 234 U è formato da reazioni:

238 U → (4,51 miliardi di anni, decadimento alfa) → 234 Th

234 Th → (24,1 giorni, decadimento beta) → 234 Pa

234 Pa → (6,75 ore, decadimento beta) → 234 U

Di solito 234 U è in equilibrio con 238 U, decadendo e formandosi alla stessa velocità. Tuttavia, gli atomi in decadimento 238 L'U esiste da tempo sotto forma di torio e protattinio, quindi può essere chimicamente o fisicamente separato dal minerale (dilavato dalle acque sotterranee). Nella misura in cui 234 U ha un'emivita relativamente breve, tutto questo isotopo trovato nel minerale formato negli ultimi milioni di anni. Circa la metà della radioattività dell'uranio naturale è il contributo 234 U.

Concentrazione 234 U nell'uranio altamente arricchito è piuttosto elevato a causa dell'arricchimento preferenziale negli isotopi leggeri. Nella misura in cui 234 U è un forte emettitore e ci sono restrizioni sulla sua concentrazione nell'uranio destinato alla lavorazione del carburante. Fondamentalmente, un livello aumentato 234 U è accettabile nei reattori moderni, ma il combustibile esaurito riprocessato contiene già livelli inaccettabili di questo isotopo.

Sezione trasversale di assorbimento 234 U neutroni termici 100 barn, e per l'integrale di risonanza mediato su vari neutroni intermedi 700 barn. Pertanto, nei reattori accesi

neutroni termici, viene convertito in fissile 235 U a un ritmo più veloce di molto di più 238 U (con una sezione trasversale di 2,7 fienile) convertito in 239 Pu. Di conseguenza, il combustibile nucleare esaurito contiene meno 234 U di più fresco.

U-235

L'uranio-235 (actinuranio) è un isotopo in grado di produrre una reazione a catena di fissione in rapido sviluppo. Aperto da Dempster (Arthur Jeffrey Dempster) nel 1935.

Questo è il primo isotopo su cui è stata scoperta la reazione della fissione nucleare forzata sotto l'azione dei neutroni. Assorbire un neutrone 235 U va in 236 U, che si divide in due, liberando energia ed emettendo diversi neutroni. Fissionabile da neutroni di qualsiasi energia, capaci di fissione spontanea, isotopo 235 U è una parte dell'uranio naturale (0,72%), α-emettitore (energia 4,679 MeV), T = 7,038⋅10 8 anni, nuclidi materni 235 Pa, 235 Np e 239 Pu, figlia - 231 Th. L'intensità della divisione spontanea 235 U 0,16 divisioni / s⋅kg. Quando si divide un nucleo 235 U viene rilasciata energia di 200 MeV = 3.2⋅10 -11 J, cioè 18 TJ/mole = 77 TJ/kg. Tuttavia, il 5% di questa energia viene portato via da neutroni praticamente non rilevabili. La sezione d'urto nucleare per i neutroni termici è di circa 1000 barn e per i neutroni veloci è di circa 1 barn.

Peso netto 60 kg 235 U produce solo 9,6 fps, rendendo abbastanza facile realizzare una bomba atomica a cannone. 238 U crea 35 volte più neutroni per chilogrammo, così che anche una piccola percentuale di questo isotopo aumenta questa cifra diverse volte. 234 U crea 22 volte più neutroni e ha un simile 238 Azione indesiderata. Attività specifica 235 U è solo 2,1 microcurie / g; il suo inquinamento è dello 0,8% 234 Lo elevi a 51 microcurie/g. La massa critica dell'uranio militare. (93,5% 235 U) in soluzioni acquose è inferiore a 1 kg, per una palla aperta - circa 50 kg, per una palla con un riflettore - 15 - 23 kg.

Nell'uranio naturale, solo un isotopo, relativamente raro, è adatto per fabbricare il nucleo di una bomba atomica o mantenere una reazione in un reattore di potenza. Il grado di arricchimento di 235 U nel combustibile nucleare per centrali nucleari varia dal 2-4,5%, per l'uso di armi - almeno l'80% e più preferibilmente il 90%. NEGLI USA 235 Il grado di armamento U è arricchito fino al 93,5% (l'industria è in grado di produrre il 97,65%). Tale uranio viene utilizzato nei reattori per la Marina.

Commento... Uranio con contenuto 235 U più dell'85% è chiamato uranio per armi, con un contenuto superiore al 20% e inferiore all'85% - uranio utilizzabile per le armi, poiché può essere utilizzato per fabbricare una "cattiva" (bomba inefficace). Ma puoi ricavarne una "buona" bomba, se usi l'implosione, i riflettori di neutroni e alcuni trucchi aggiuntivi. Fortunatamente, solo 2-3 paesi al mondo possono finora mettere in pratica tali trucchi. Ora, le bombe all'uranio, a quanto pare, non vengono prodotte da nessuna parte (il plutonio ha sostituito l'uranio dalle armi nucleari), ma le prospettive per l'uranio-235 rimangono dovute alla semplicità dello schema del cannone bomba all'uranio e alla possibilità di una produzione estesa di tali bombe quando la necessità si presenta inaspettatamente.

Essendo più leggero, 234 U è proporzionalmente arricchito anche più di 235 U in tutti i processi di separazione degli isotopi naturali dell'uranio, basati sulla differenza di massa, che presenta un certo problema nella produzione delle cariche delle bombe atomiche. Altamente arricchito 235 U di solito contiene 1,5-2,0% 234 U.

Divisione 235 U è utilizzato nelle armi nucleari, per la produzione di energia e per la sintesi di importanti attinidi. L'uranio naturale viene utilizzato nei reattori nucleari per produrre neutroni. La reazione a catena è supportata dai neutroni in eccesso prodotti dalla fissione 235 U, allo stesso tempo i neutroni in eccesso non reclamati dalla reazione a catena vengono catturati da un altro isotopo naturale, 238 U, che porta alla produzione di plutonio, anch'esso capace di fissione da neutroni.

U-236

Si trova in natura in quantità di impurità, α-emettitore, T = 2,3415⋅10 7 anni, si divide in 232 Th. Formata da bombardamento di neutroni 235 U, quindi si divide in un isotopo di bario e un isotopo di krypton con il rilascio di due neutroni, raggi gamma e il rilascio di energia.

In piccole quantità, è incluso nella composizione del carburante fresco; si accumula durante l'irradiazione dell'uranio con neutroni nel reattore, e quindi viene utilizzato come "dispositivo di segnalazione" del combustibile nucleare di uranio esaurito. 236 U si forma come sottoprodotto della separazione degli isotopi per diffusione di gas quando viene rigenerato il combustibile nucleare usato. Questo isotopo ha un certo significato come materiale bersaglio nei reattori nucleari. Quando l'uranio riciclato (lavorato) viene utilizzato in un reattore nucleare, sorge un'importante differenza rispetto all'uso dell'uranio naturale. L'uranio separato dal combustibile nucleare esaurito contiene un isotopo 236 U (0,5%), che, se utilizzato in combustibile fresco, stimola la produzione dell'isotopo 238 Pu. Questo porta ad un deterioramento della qualità del plutonio commerciale, ma può essere un fattore positivo nel contesto del problema della non proliferazione nucleare.

Formato in un reattore di potenza 236 U è un veleno neutronico, la sua presenza nel combustibile nucleare deve essere compensata da un livello di arricchimento più elevato 235 U.

U-238

Uranio-238 (uranio I) - fissile da neutroni ad alta energia (più di 1 MeV), capace di fissione spontanea, costituisce la base dell'uranio naturale (99,27%), α-emettitore, T = 4,468⋅10 9 anni, si scompone direttamente in 234 Th, forma un numero di radionuclidi geneticamente correlati e dopo 18 prodotti si trasforma in 206 pb. Il tasso di decadimento costante della serie consente di utilizzare il rapporto tra le concentrazioni del nuclide genitore e del nuclide figlio nella datazione radiometrica. L'emivita dell'uranio-238 per la fissione spontanea non è stata stabilita con precisione, ma è molto lunga - circa 10 16 anni, così che la probabilità di fissione in relazione al processo principale - l'emissione di una particella alfa - è solo 10 -7 ... Un chilogrammo di uranio dà solo 10 fissioni spontanee al secondo e, allo stesso tempo, le particelle alfa emettono 20 milioni di nuclei. Nuclidi materni: 242 Pu (α), 238 Pa (β-) 234 Th, figlia 234 Th.

Sebbene l'uranio-238 non possa essere utilizzato come materiale fissile primario, a causa dell'elevata energia di neutroni richiesta per la sua fissione, occupa un posto importante nell'industria nucleare. Avendo un'alta densità e peso atomico, 238 U è adatto per creare gusci di carica / riflettori da esso in bombe atomiche e all'idrogeno. Il fatto che sia diviso per neutroni veloci aumenta la produzione di energia della carica: indirettamente, per moltiplicazione dei neutroni riflessi o direttamente durante la fissione dei nuclei del guscio della carica da parte di neutroni veloci (durante la fusione). Circa il 40% dei neutroni prodotti durante la fissione e tutti i neutroni di fusione sono sufficienti per la fissione Energie 238 U. 238 U ha un'intensità di fissione spontanea 35 volte superiore a 235 U, 5,51 divisioni / s⋅kg. Ciò rende impossibile utilizzarlo come guscio di carica/riflettore nelle bombe a cannone, poiché una massa adeguata (200-300 kg) creerà uno sfondo di neutroni troppo alto. Pulito 238 U ha una radioattività specifica di 0,333 microcurie/g. Un importante campo di applicazione di questo isotopo dell'uranio è la produzione di 239 Pu. Il plutonio è formato da diverse reazioni che iniziano dopo essere state catturate da un atomo 238 neutrone. Qualsiasi combustibile per reattori contenente uranio naturale o parzialmente arricchito nel 235° isotopo contiene una certa proporzione di plutonio dopo la fine del ciclo del combustibile.

Uranio impoverito

Dopo l'estrazione 235 U da uranio naturale, il materiale rimanente è chiamato "uranio impoverito" perché è impoverito di isotopi 235 tu e 234 U. Contenuto ridotto 234 U (circa 0,001%) riduce la radioattività di quasi la metà rispetto all'uranio naturale, mentre una diminuzione del contenuto 235 U non ha praticamente alcun effetto sulla radioattività dell'uranio impoverito.

Quasi tutto l'uranio impoverito nel mondo è immagazzinato come esafluoruro. Gli Stati Uniti hanno 560.000 tonnellate di esafluoruro di uranio impoverito (UF6) in tre impianti di arricchimento a diffusione gassosa, in Russia - centinaia di migliaia di tonnellate. L'uranio impoverito è radioattivo la metà dell'uranio naturale, principalmente a causa della sua rimozione 234 U. Poiché l'uso principale dell'uranio è la produzione di energia, nei reattori nucleari con neutroni termici, l'uranio impoverito è un prodotto inutile e di scarso valore economico.

Dal punto di vista della sicurezza, è pratica comune convertire l'esafluoruro di uranio impoverito gassoso in ossido di uranio, che è un solido. L'ossido di uranio deve essere sepolto come un tipo di rifiuto radioattivo, oppure può essere utilizzato in reattori veloci per produrre plutonio.

La decisione su come smaltire l'ossido di uranio dipende da come un particolare paese vede l'uranio impoverito: come rifiuto radioattivo da seppellire o come materiale adatto per un ulteriore utilizzo. Ad esempio, negli Stati Uniti, l'uranio impoverito era considerato fino a poco tempo fa una materia prima per ulteriori utilizzi. Ma dal 2005 questo punto di vista ha iniziato a cambiare e ora negli Stati Uniti è possibile smaltire l'ossido di uranio impoverito. In Francia, l'uranio impoverito non è considerato un rifiuto radioattivo, ma è destinato ad essere immagazzinato sotto forma di ossido di uranio. In Russia, la leadership dell'Agenzia federale per l'energia atomica considera l'esafluoruro di uranio di scarto un materiale prezioso che non può essere sepolto. Sono iniziati i lavori per la realizzazione di un'unità industriale per la conversione dell'esafluoruro di uranio di scarto in ossido di uranio. Gli ossidi di uranio risultanti dovrebbero essere conservati a lungo per il loro ulteriore utilizzo nei reattori a neutroni veloci o per il loro riarricchimento. 235 U seguita da combustione in reattori termici.

Trovare modi per utilizzare l'uranio impoverito è un grosso problema per gli impianti di arricchimento. Fondamentalmente, il suo utilizzo è associato all'elevata densità di uranio e al suo costo relativamente basso. Ci sono due usi principali per l'uranio impoverito: come schermatura contro le radiazioni e come massa di zavorra nelle applicazioni aerospaziali come le superfici di guida degli aerei. Ogni Boeing 747 contiene a questo scopo 1.500 kg di uranio impoverito. L'uranio impoverito è ampiamente utilizzato nelle trivellazioni petrolifere sotto forma di aste di percussione (perforazione wireline), il suo peso immerge lo strumento in pozzi pieni di fluido di perforazione. Questo materiale viene utilizzato nei rotori giroscopici ad alta velocità, nei grandi volani, come zavorra nei veicoli per la discesa nello spazio e negli yacht da regata.

Ma l'uso più famoso dell'uranio è come nucleo per proiettili perforanti. Con una certa lega con altri metalli e trattamento termico (lega con 2% Mo o 0,75% Ti, tempra rapida di un metallo riscaldato a 850° in acqua o olio, ulteriore invecchiamento a 450° per 5 ore), il metallo uranio diventa più duro e più forte dell'acciaio (resistenza alla rottura > 1600 MPa). In combinazione con la sua alta densità, questo rende l'uranio indurito estremamente efficace nel penetrare l'armatura, simile in efficienza al tungsteno monocristallino sostanzialmente più costoso. Il processo di distruzione dell'armatura è accompagnato dalla frantumazione della parte principale dell'uranio in polvere, dalla penetrazione della polvere nell'oggetto protetto e dalla sua accensione lì. 300 tonnellate di uranio impoverito sono state lasciate sul campo di battaglia durante la Desert Storm (per lo più i resti del cannone GAU-8 da 30 mm dell'aereo d'assalto A-10, ogni proiettile contiene 272 g di lega di uranio). L'uranio impoverito viene utilizzato nell'armatura dei carri armati, ad esempio il carro armato M-1 Abrams (USA). -4 % in massa (2-4 ppm a seconda della regione), in rocce ignee acide 3.5 10 -4 %, in argille e scisti 3,2 10 -4 %, nelle rocce basiche 5 10 -5 %, nelle rocce ultrabasiche del mantello 3 10 -7 %. La quantità di uranio in uno strato di litosfera di 20 km di spessore è stimata in 1,3⋅10 14 t.Fa parte di tutte le rocce che compongono la crosta terrestre, ed è presente anche nelle acque naturali e negli organismi viventi. Non forma depositi potenti. La maggior parte dell'uranio è contenuta in rocce acide con un alto contenuto di silicio. La concentrazione più bassa di uranio si verifica nelle rocce ultrabasiche e la più alta nelle rocce sedimentarie (fosforiti e scisti carboniosi). Gli oceani contengono 10 10 tonnellate di uranio. La concentrazione di uranio nei terreni varia nell'intervallo 0,7 - 11 ppm (15 ppm nei terreni agricoli fertilizzati con fertilizzanti al fosforo), nell'acqua di mare 0,003 ppm.

L'uranio libero non si trova nella terra. Sono noti 100 minerali di uranio con un contenuto di U superiore all'1%. In circa un terzo di questi minerali l'uranio è tetravalente, nel resto è esavalente. 15 di questi minerali di uranio sono ossidi semplici o idrossili, 20 sono titanati e niobati complessi, 14 sono silicati, 17 sono fosfati, 10 sono carbonati, 6 sono solfati, 8 sono vanadati e 8 sono arsenati. Forme indefinite di composti di uranio si trovano in alcune scisti carbonacee marine, lignite e carbone, nonché nei film intergranulari nelle rocce ignee. 15 minerali di uranio sono di importanza industriale.

I principali minerali di uranio nei grandi giacimenti minerari sono rappresentati da ossidi (catrame di uranio, uraninite, coffinite), vanadati (carnotite e tyuyamunite) e titanati complessi (brannerite e davidite). Anche i titalati sono di importanza industriale, ad esempio la brannerite UTi 2O 6 , silicati - coffinite U 1-x (OH) 4x , tantaloniobati e fosfati di uranile idrogenati e arsenati sono miche di uranio. L'uranio non si trova naturalmente come elemento nativo. A causa del fatto che l'uranio può trovarsi in diversi stadi di ossidazione, si trova in un ambiente geologico molto vario.

Uso di uranio

Nei paesi sviluppati, la produzione di uranio è principalmente finalizzata alla generazione di nuclidi fissili ( 235U e 233U, 239 Pu) - il combustibile dei reattori industriali destinati alla produzione sia di nuclidi di tipo militare che di componenti di armi nucleari (bombe atomiche e proiettili per scopi strategici e tattici, bombe a neutroni, inneschi di bombe all'idrogeno, ecc.). In una bomba atomica, concentrazione 235 U supera il 75%. Nel resto del mondo, l'uranio metallico oi suoi composti sono usati come combustibile nucleare nei reattori nucleari e di ricerca. Una miscela naturale o poco arricchita di isotopi di uranio viene utilizzata nei reattori fissi delle centrali nucleari, un prodotto altamente arricchito viene utilizzato nelle centrali nucleari (fonti di energia termica, elettrica e meccanica, radiazioni o luce) o nei reattori che funzionano a velocità neutroni. Nei reattori viene spesso utilizzato uranio metallico, drogato e non legato. Tuttavia, in alcuni tipi di reattori, i combustibili vengono utilizzati sotto forma di composti solidi (ad esempio, UO 2 ), nonché composti acquosi di uranio o una lega liquida di uranio con un altro metallo.

L'uso principale dell'uranio è nella produzione di combustibile nucleare per le centrali nucleari. Un reattore ad acqua pressurizzata con una capacità installata di 1400 MW richiede 225 tonnellate di uranio naturale all'anno per produrre 50 nuove celle a combustibile, che vengono scambiate con il corrispondente numero di elementi combustibili usati. Il caricamento di questo reattore richiede circa 130 tonnellate di SWU (unità di lavoro di separazione) e un livello di costo di $ 40 milioni all'anno. La concentrazione di uranio-235 nel combustibile per un reattore nucleare è del 2-5%.

Come prima, i minerali di uranio sono di certo interesse dal punto di vista dell'estrazione di radio da essi (il cui contenuto è di circa 1 g in 3 tonnellate di minerale) e alcuni altri radionuclidi naturali. I composti dell'uranio sono usati nell'industria del vetro per dipingere gli occhiali di rosso o verde, o per dare loro una bella tinta giallo-verdastra. Sono utilizzati anche nella produzione di vetri fluorescenti: una piccola aggiunta di uranio dona al vetro una bella fluorescenza giallo-verde.

Fino agli anni '80, l'uranio naturale era ampiamente utilizzato dai dentisti per incorporarlo nella ceramica per ottenere un colore naturale e produrre la fluorescenza originale di protesi e corone. (La mascella di uranio illumina il tuo sorriso!) Un brevetto originale del 1942 raccomanda un contenuto di uranio dello 0,1%. Successivamente, l'uranio naturale è stato sostituito con l'uranio impoverito. Ciò ha dato due vantaggi: più economico e meno radioattivo. L'uranio è stato utilizzato anche nei filamenti delle lampade e nell'industria della pelle e della lavorazione del legno nei coloranti. I sali di uranio sono utilizzati nei mordenti e nelle soluzioni coloranti per lana e pelle. L'acetato di uranile e il formiato di uranile sono utilizzati come agenti decorativi che assorbono gli elettroni nella microscopia elettronica a trasmissione, per aumentare il contrasto di sezioni sottili di oggetti biologici, nonché per colorare virus, cellule e macromolecole.

Uranati del tipo Na 2 U 2 O 7 ("Yellow uranyl") hanno trovato applicazione come pigmenti per smalti e smalti ceramici (sono tinti di giallo, verde e nero, a seconda dello stato di ossidazione). N / A 2U2O7 usato anche come vernice gialla nella pittura. Alcuni composti dell'uranio sono fotosensibili. All'inizio del XX secolo, il nitrato di uranile era ampiamente utilizzato come agente virulento per migliorare i negativi e ottenere stampe fotografiche colorate (colorando i positivi in ​​marrone o marrone). Acetato di uranile UO 2 (H 3 COOH) 2 utilizzato in chimica analitica - forma un sale insolubile con sodio. I fertilizzanti fosfatici contengono quantità piuttosto elevate di uranio. L'uranio metallico viene utilizzato come bersaglio in un tubo a raggi X progettato per generare raggi X ad alta energia.

Alcuni sali di uranio vengono utilizzati come catalizzatori in reazioni chimiche, come ossidazione di idrocarburi aromatici, disidratazione di oli vegetali, ecc. Carburo 235 U in una lega con carburo di niobio e carburo di zirconio viene utilizzato come combustibile per motori a reazione nucleari (il fluido di lavoro è idrogeno + esano). Leghe di ferro e uranio impoverito ( 238 U) sono usati come potenti materiali magnetostrittivi.

Nell'economia nazionale, l'uranio impoverito viene utilizzato nella produzione di contrappesi per aerei e scudi antiradiazioni per apparecchiature di radioterapia medica. L'uranio impoverito viene utilizzato per realizzare contenitori di trasporto per il trasporto di merci radioattive e scorie nucleari, nonché prodotti di protezione biologica affidabile (ad esempio schermi protettivi). In termini di assorbimento delle radiazioni gamma, l'uranio è cinque volte più efficiente del piombo, che può ridurre significativamente lo spessore della schermatura e ridurre il volume dei contenitori per il trasporto dei radionuclidi. Il calcestruzzo di ossido di uranio impoverito viene utilizzato al posto della ghiaia per creare strutture di stoccaggio a secco per i rifiuti radioattivi.

L'uranio impoverito è radioattivo la metà dell'uranio naturale, principalmente a causa della sua rimozione 234 U. Viene utilizzato per legare l'acciaio per armature, in particolare, per migliorare le caratteristiche di perforazione dei proiettili. Quando legato con 2% Mo o 0,75% Ti e trattamento termico (rapida tempra di un metallo riscaldato a 850 ° C in acqua o olio, ulteriore mantenimento a 450 ° C per 5 ore), l'uranio metallico diventa più duro e più forte dell'acciaio (trazione forza maggiore di 1600 MPa, nonostante per l'uranio puro sia pari a 450 MPa). In combinazione con la sua alta densità, questo rende il lingotto di uranio indurito uno strumento di penetrazione dell'armatura estremamente efficace, simile in efficienza al più costoso tungsteno. La pesante punta in uranio altera anche la distribuzione di massa del proiettile, migliorandone la stabilità aerodinamica. Quando colpisce l'armatura, un tale proiettile (ad esempio una lega di uranio con titanio) non si rompe, ma si autoaffila, ottenendo una maggiore penetrazione. Il processo di distruzione dell'armatura è accompagnato dalla macinazione di un pezzo di uranio in polvere e dall'accensione nell'aria all'interno del serbatoio. L'uranio impoverito viene utilizzato nelle moderne armature per carri armati.

L'aggiunta di piccole quantità di uranio all'acciaio ne aumenta la durezza senza conferire fragilità e aumentando la sua resistenza agli acidi. Particolarmente resistente agli acidi, anche rispetto all'acqua regia, è una lega di uranio con nichel (66% uranio e 33% nichel) con punto di fusione 1200 oh ... L'uranio impoverito viene anche utilizzato come zavorra in applicazioni aerospaziali come le superfici di guida degli aerei. Questo materiale è utilizzato nei rotori giroscopici ad alta velocità, nei grandi volani, come zavorra nei veicoli per la discesa nello spazio e negli yacht da regata, nelle trivellazioni petrolifere.

Come già accennato, nel nostro tempo, le bombe atomiche all'uranio non vengono prodotte. Tuttavia, nelle moderne bombe al plutonio 238 U (compreso l'uranio impoverito) è ancora utilizzato. Forma un guscio della carica, riflettendo i neutroni e aggiungendo inerzia alla compressione della carica di plutonio in uno schema di detonazione implosivo. Ciò aumenta significativamente l'efficacia dell'arma e riduce la massa critica (cioè riduce la quantità di plutonio necessaria per creare una reazione a catena di fissione). L'uranio impoverito viene anche utilizzato nelle bombe all'idrogeno, imballando con esso una carica termonucleare, dirigendo un forte flusso di neutroni ultraveloci verso la fissione nucleare e aumentando così la resa energetica delle armi. Tale bomba è chiamata arma a fissione-fusione-fissione in onore delle tre fasi dell'esplosione. La maggior parte dell'energia prodotta dall'esplosione di tali armi cade proprio sulla fissione 238 U, producendo una quantità significativa di prodotti radioattivi. Ad esempio, il 77% dell'energia nell'esplosione di una bomba all'idrogeno nel test Ivy Mike (1952) con una capacità di 10,4 megatoni è stata rappresentata proprio dai processi di fissione nel guscio di uranio. Poiché l'uranio impoverito non ha una massa critica, può essere aggiunto alla bomba in quantità illimitate. Nella bomba all'idrogeno sovietica (Tsar Bomba - la madre di Kuz'kina), fatta esplodere su Novaya Zemlya nel 1961 con una capacità di "soli" 50 megatoni, il 90% della resa cadde sulla reazione della fusione termonucleare, poiché il guscio di 238 U è stato sostituito da piombo nella fase finale dell'esplosione. Se le conchiglie fossero realizzate (così come erano assemblate all'inizio) da 238 U, quindi la potenza dell'esplosione ha superato i 100 megatoni e la ricaduta radioattiva è stata di 1/3 della somma di tutti i test mondiali sulle armi nucleari.

Gli isotopi naturali dell'uranio hanno trovato applicazione in geocronologia per misurare l'età assoluta di rocce e minerali. Nel 1904, Ernest Rutherford attirò l'attenzione sul fatto che l'età della Terra e dei minerali più antichi è dello stesso ordine di grandezza dell'emivita dell'uranio. Quindi propose di determinarne l'età in base alla quantità di elio e uranio contenuti nella roccia densa. Ma il difetto del metodo divenne presto chiaro: atomi di elio estremamente mobili si diffondono facilmente anche in rocce dense. Penetrano nei minerali circostanti e molto meno elio rimane vicino ai nuclei di uranio genitore di quanto segue secondo le leggi del decadimento radioattivo. Pertanto, l'età delle rocce viene calcolata dal rapporto tra uranio e piombo radiogeno, il prodotto finale del decadimento dei nuclei di uranio. L'età di alcuni oggetti, ad esempio le miche, è ancora più facile da determinare: l'età di un materiale è proporzionale al numero di atomi di uranio decaduti in esso, che è determinato dal numero di tracce - tracce lasciate dai frammenti nella sostanza . In relazione alla concentrazione di uranio alla concentrazione di tracce, si può calcolare l'età di qualsiasi tesoro antico (vasi, gioielli, ecc.). In geologia, hanno persino inventato un termine speciale "orologio all'uranio". Un orologio all'uranio è uno strumento molto versatile. Gli isotopi di uranio si trovano in molte rocce. La concentrazione di uranio nella crosta terrestre è in media di tre parti per milione. Questo è sufficiente per misurare il rapporto tra uranio e piombo, e quindi utilizzare le formule di decadimento radioattivo per calcolare il tempo trascorso dalla cristallizzazione del minerale. Utilizzando il metodo dell'uranio-piombo, è stato possibile misurare l'età dei minerali più antichi e la data di nascita del pianeta Terra è stata determinata dall'età dei meteoriti. Si conosce anche l'età del suolo lunare. I pezzi più giovani del suolo lunare sono più antichi dei più antichi minerali terrestri.

Piano:

introduzione

• 1 Formazione e decadimento
• 2 Ricezione
• 3 Applicazione
Note (modifica)

introduzione

Uranio-232(ing. uranio-232) è un nuclide radioattivo dell'elemento chimico uranio con numero atomico 92 e numero di massa 232. A causa della sua lunga catena di decadimento e del rilascio di energia specifica più elevato rispetto alla maggior parte degli altri isotopi, l'uranio-232 è un nuclide promettente per l'uso in fonti di energia radioisotopi.

L'attività di un grammo di questo nuclide è di circa 827,38 GBq.

1. Formazione e decadimento

L'uranio-232 si forma a seguito dei seguenti decadimenti:

• + -decadimento del nuclide 232 Np (l'emivita è 14,7 (3) min):

• β - -decadimento del nuclide di 232 Pa (l'emivita è di 1,31 (2) giorni):

• Decadimento α del nuclide 236 Pu (l'emivita è di 2,858 (8) anni):

Il decadimento dell'uranio-232 avviene nelle seguenti direzioni:

• Decadimento α in 228 Th (probabilità 100%, energia di decadimento 5 413,63 (9) keV):

le energie delle particelle alfa emesse sono 5.263,36 keV (nel 31,55% dei casi) e 5.320,12 keV (nel 68,15% dei casi).

• Divisione spontanea (probabilità inferiore a 1 × 10 −12%);
• Decadimento a grappolo con formazione del nuclide 28 Mg (la probabilità di decadimento è inferiore a 5 × 10 -12%):

• Decadimento a grappolo con formazione del nuclide 24 Ne (probabilità di decadimento 8,9 (7) × 10 −10%):

2. Ricezione

L'uranio-232 si forma come sottoprodotto nella produzione di uranio-233 mediante bombardamento di neutroni del torio-232. Insieme alla reazione di formazione dell'uranio-233, nel combustibile al torio irraggiato si verificano le seguenti reazioni collaterali:

Poiché la sezione d'urto effettiva per (n, 2n) reazioni per neutroni termici è piccola, la resa di uranio-232 dipende dalla presenza di una quantità significativa di neutroni veloci (con un'energia di almeno 6 MeV).

Se il nuclide di torio-230 è presente nel combustibile di torio in quantità significative, la formazione di uranio-232 è integrata dalla seguente reazione che procede con neutroni termici:

Poiché la presenza di uranio-232 nel combustibile irraggiato rende difficile lavorare in sicurezza con esso (vedi sezione Applicazioni), per ridurre la formazione di uranio-232 è necessario utilizzare combustibile al torio con una concentrazione minima di torio-230.

3. Applicazione

L'uranio-232 è l'antenato di una lunga catena di decadimento, che include nuclidi che emettono quanti gamma duri:

232 U (α; 68,9 anni) 228 Th (α; 1,9 anni) 224 Ra (α; 3,6 giorni; emette un quanto γ 0,24 MeV nel 4,10% dei decadimenti) 220 Rn (α ; 56 s; γ 0,55 MeV, 0,114 %) 216 Po (α; 0,15 s) 212 Pb (β−; 10,64 h) 212 Bi (α; 61 s; 0,73 MeV, 6, 67%; γ 1,62 MeV, 1,47%) 208 Tl (β-; 3 min; 2,6 MeV, 99,16%; γ 0,58 MeV, 84,5%) 208 Pb (stabile)

La rapida sequenza di decadimenti che iniziano con il radio-224 è accompagnata da una quantità significativa di radiazioni gamma, con circa l'85% di tutta l'energia dei raggi gamma prodotta dal decadimento del tallio-208, che emette prevalentemente quanti gamma di 2,6 MeV. Questa caratteristica porta al fatto che la presenza di uranio-232 come impurità dell'uranio-233 è estremamente indesiderabile, rendendo difficile lavorare in sicurezza con esso.

D'altra parte, l'elevato rilascio di energia specifica rende questo nuclide estremamente promettente per l'uso in fonti di energia di radioisotopi.

Note (modifica)

1. 1 2 3 4 5 G.Audi, A.H. Wapstra e C. Thibault (2003). “La valutazione della massa atomica AME2003 (II). Tabelle, grafici e riferimenti. - www.nndc.bnl.gov/amdc/masstables/Ame2003/Ame2003b.pdf ". Fisica nucleare A 729 : 337-676. DOI: 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.003 - dx.doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.
2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot e A. H. Wapstra (2003). "La valutazione NUBASE delle proprietà nucleari e di decadimento - www.nndc.bnl.gov/amdc/nubase/Nubase2003.pdf". Fisica nucleare A 729 : 3-128. DOI: 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.001 - dx.doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
3. 232 proprietà U sul sito web dell'AIEA (Agenzia internazionale per l'energia atomica) - www-nds.iaea.org/relnsd/tablenucsENSDF.jsp?query=3447
4. 1 2 Carey subaffitto Domande frequenti sulle armi nucleari - nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq6.html. nuclearweaponarchive.org.
5. Tavola dei nuclidi sul sito web dell'AIEA - www-nds.iaea.org/relnsd/vchart/index.html