Nga erdhi uraniumi? Me shumë mundësi, shfaqet gjatë shpërthimeve të supernovës. Fakti është se për nukleosintezën e elementeve më të rëndë se hekuri, duhet të ketë një rrjedhë të fuqishme neutronesh, e cila ndodh pikërisht gjatë një shpërthimi supernova. Duket se atëherë, gjatë kondensimit nga reja e sistemeve të reja yjore të formuara prej tij, uraniumi, pasi është mbledhur në një re protoplanetare dhe duke qenë shumë i rëndë, duhet të zhytet në thellësitë e planetëve. Por kjo nuk është e vërtetë. Uraniumi është një element radioaktiv dhe kur prishet lëshon nxehtësi. Llogaritjet tregojnë se nëse uraniumi do të shpërndahej në mënyrë të barabartë në të gjithë trashësinë e planetit, të paktën me të njëjtin përqendrim si në sipërfaqe, ai do të lëshonte shumë nxehtësi. Për më tepër, rrjedha e tij duhet të dobësohet ndërsa uraniumi konsumohet. Meqenëse asgjë e tillë nuk është vërejtur, gjeologët besojnë se të paktën një e treta e uraniumit, dhe ndoshta i gjithë, është e përqendruar në koren e tokës, ku përmbajtja e tij është 2,5∙10-4%. Pse ndodhi kjo nuk diskutohet.

Ku nxirret uraniumi? Nuk ka aq pak uranium në Tokë - është në vendin e 38-të për sa i përket bollëkut. Dhe pjesa më e madhe e këtij elementi gjendet në shkëmbinjtë sedimentarë - rreshpe karbonike dhe fosforite: deri në 8∙10 –3 dhe 2.5∙10 –2%, përkatësisht. Në total, korja e tokës përmban 10 14 ton uranium, por problemi kryesor është se ajo është shumë e shpërndarë dhe nuk formon depozita të fuqishme. Përafërsisht 15 minerale të uraniumit janë me rëndësi industriale. Ky është katrani i uraniumit - baza e tij është oksid uraniumi katërvalent, mikë uranium - silikate të ndryshme, fosfate dhe komponime më komplekse me vanadium ose titan të bazuar në uranium gjashtëvalent.

Cilat janë rrezet e Bekerelit? Pas zbulimit të rrezeve X nga Wolfgang Roentgen, fizikani francez Antoine-Henri Becquerel u interesua për shkëlqimin e kripërave të uraniumit, i cili ndodh nën ndikimin e dritës së diellit. Ai donte të kuptonte nëse edhe këtu kishte rreze X. Në të vërtetë, ata ishin të pranishëm - kripa ndriçoi pllakën fotografike përmes letrës së zezë. Në një nga eksperimentet, megjithatë, kripa nuk ishte e ndriçuar, por pllaka fotografike ende errësohej. Kur një objekt metalik vendosej midis kripës dhe pllakës fotografike, errësimi poshtë ishte më i vogël. Prandaj, rrezet e reja nuk u shfaqën për shkak të ngacmimit të uraniumit nga drita dhe nuk kaluan pjesërisht nëpër metal. Fillimisht ato u quajtën "rrezet e Bekerelit". Më pas u zbulua se këto janë kryesisht rreze alfa me një shtesë të vogël të rrezeve beta: fakti është se izotopet kryesore të uraniumit lëshojnë një grimcë alfa gjatë kalbjes, dhe produktet e bija gjithashtu përjetojnë kalbje beta.

Sa radioaktiv është uraniumi? Uraniumi nuk ka izotope të qëndrueshme; ata janë të gjithë radioaktivë. Më jetëgjatësia është uraniumi-238 me një gjysmë jetëgjatësi prej 4.4 miliardë vjetësh. Më pas vjen uraniumi-235 - 0.7 miliardë vjet. Ata të dy i nënshtrohen kalbjes alfa dhe bëhen izotopet përkatëse të toriumit. Uraniumi-238 përbën më shumë se 99% të të gjithë uraniumit natyror. Për shkak të gjysmës së jetës së tij të madhe, radioaktiviteti i këtij elementi është i ulët, dhe përveç kësaj, grimcat alfa nuk janë në gjendje të depërtojnë në shtresën korneum në sipërfaqen e trupit të njeriut. Ata thonë se pasi punoi me uranium, I.V. Kurchatov thjesht fshiu duart me një shami dhe nuk vuante nga ndonjë sëmundje që lidhet me radioaktivitetin.

Studiuesit i janë drejtuar vazhdimisht statistikave të sëmundjeve të punëtorëve në minierat dhe fabrikat e përpunimit të uraniumit. Këtu, për shembull, është një artikull i kohëve të fundit nga specialistë kanadezë dhe amerikanë, të cilët analizuan të dhënat shëndetësore të më shumë se 17 mijë punëtorëve në minierën Eldorado në provincën kanadeze të Saskatchewan për vitet 1950-1999 ( Kërkime Mjedisore, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Ata dolën nga fakti se rrezatimi ka efektin më të fortë në shumëfishimin e shpejtë të qelizave të gjakut, duke çuar në llojet përkatëse të kancerit. Statistikat kanë treguar se punëtorët e minierës kanë një incidencë më të ulët të llojeve të ndryshme të kancerit të gjakut sesa mesatarja e popullsisë kanadeze. Në këtë rast, burimi kryesor i rrezatimit nuk konsiderohet të jetë vetë uraniumi, por radoni i gaztë që gjeneron dhe produktet e tij të kalbjes, të cilat mund të hyjnë në trup përmes mushkërive.

Pse është i dëmshëm uraniumi?? Ai, si metalet e tjera të rënda, është shumë toksik dhe mund të shkaktojë dështim të veshkave dhe mëlçisë. Nga ana tjetër, uraniumi, duke qenë një element i shpërndarë, në mënyrë të pashmangshme është i pranishëm në ujë, tokë dhe, duke u përqëndruar në zinxhirin ushqimor, hyn në trupin e njeriut. Është e arsyeshme të supozohet se në procesin e evolucionit, qeniet e gjalla kanë mësuar të neutralizojnë uraniumin në përqendrime natyrore. Uraniumi është më i rrezikshmi në ujë, kështu që OBSH vendosi një kufi: fillimisht ishte 15 µg/l, por në vitin 2011 standardi u rrit në 30 µg/g. Si rregull, ka shumë më pak uranium në ujë: në SHBA mesatarisht 6.7 µg/l, në Kinë dhe Francë - 2.2 µg/l. Por ka edhe devijime të forta. Pra, në disa zona të Kalifornisë është njëqind herë më shumë se standardi - 2.5 mg/l, dhe në Finlandën Jugore arrin 7.8 mg/l. Studiuesit po përpiqen të kuptojnë nëse standardi i OBSH-së është shumë i rreptë duke studiuar efektin e uraniumit te kafshët. Këtu është një punë tipike ( BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI: 10.1155/2014/181989). Shkencëtarët francezë i ushqyen minjtë me ujë për nëntë muaj me aditivë të uraniumit të varfëruar, dhe në përqendrime relativisht të larta - nga 0,2 në 120 mg/l. Vlera më e ulët është uji afër minierës, ndërsa vlera e sipërme nuk gjendet askund - përqendrimi maksimal i uraniumit, i matur në Finlandë, është 20 mg/l. Për habinë e autorëve - artikulli quhet: "Mungesa e papritur e një efekti të dukshëm të uraniumit në sistemet fiziologjike ..." - uraniumi praktikisht nuk kishte asnjë efekt në shëndetin e minjve. Kafshët hëngrën mirë, fituan peshë siç duhet, nuk u ankuan për sëmundje dhe nuk ngordhën nga kanceri. Uraniumi, siç duhet, depozitohej kryesisht në veshka dhe kocka dhe në sasi qindra herë më të vogla në mëlçi, dhe akumulimi i tij pritej të varej nga përmbajtja në ujë. Megjithatë, kjo nuk çoi në dështimin e veshkave apo edhe shfaqjen e dukshme të ndonjë shënuesi molekular të inflamacionit. Autorët sugjeruan që duhet të fillojë një rishikim i udhëzimeve strikte të OBSH-së. Megjithatë, ekziston një paralajmërim: efekti në tru. Në trurin e minjve kishte më pak uranium sesa në mëlçi, por përmbajtja e tij nuk varej nga sasia në ujë. Por uraniumi ndikoi në funksionimin e sistemit antioksidues të trurit: aktiviteti i katalazës u rrit me 20%, glutathione peroksidaza me 68-90%, dhe aktiviteti i superoksid dismutazës u ul me 50%, pavarësisht nga doza. Kjo do të thotë se uraniumi shkaktoi qartë stres oksidativ në tru dhe trupi iu përgjigj atij. Ky efekt - efekti i fortë i uraniumit në tru në mungesë të akumulimit të tij në të, meqë ra fjala, si dhe në organet gjenitale - është vërejtur më parë. Për më tepër, uji me uranium në një përqendrim prej 75-150 mg/l, të cilin studiuesit nga Universiteti i Nebraskës i ushqyen minjtë për gjashtë muaj. Neurotoksikologjia dhe teratologjia, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), ndikoi në sjelljen e kafshëve, kryesisht meshkuj, të lëshuar në fushë: ata kaluan linjat, u ngritën në këmbët e tyre të pasme dhe e prenë leshin e tyre ndryshe nga ato të kontrollit. Ka dëshmi se uraniumi gjithashtu çon në dëmtim të kujtesës tek kafshët. Ndryshimet e sjelljes ishin të lidhura me nivelet e oksidimit të lipideve në tru. Rezulton se uji i uraniumit i bëri minjtë të shëndetshëm, por më tepër budallenj. Këto të dhëna do të jenë të dobishme për ne në analizën e të ashtuquajturës Sindroma e Luftës së Gjirit.

A i ndot uraniumi vendet e zhvillimit të gazit argjilor? Varet nga sasia e uraniumit në shkëmbinjtë që përmbajnë gaz dhe si lidhet me to. Për shembull, profesori i asociuar Tracy Bank i Universitetit në Buffalo studioi Marcellus Shale, i cili shtrihet nga Nju Jorku perëndimor përmes Pensilvanisë dhe Ohajos deri në Virxhinia Perëndimore. Doli se uraniumi është i lidhur kimikisht pikërisht me burimin e hidrokarbureve (mos harroni se rreshjet karbonike të lidhura kanë përmbajtjen më të lartë të uraniumit). Eksperimentet kanë treguar se tretësira e përdorur gjatë thyerjes e tret në mënyrë të përsosur uraniumin. “Kur uraniumi në këto ujëra arrin në sipërfaqe, mund të shkaktojë kontaminim të zonës përreth. Kjo nuk përbën rrezik rrezatimi, por uraniumi është një element helmues,” vëren Tracy Bank në një njoftim për shtyp universitar të datës 25 tetor 2010. Nuk janë përgatitur ende artikuj të detajuar mbi rrezikun e ndotjes së mjedisit me uranium ose torium gjatë prodhimit të gazit argjilor.

Pse nevojitet uraniumi? Më parë, ai përdorej si pigment për prodhimin e qeramikës dhe xhamit me ngjyrë. Tani uraniumi është baza e energjisë bërthamore dhe armëve atomike. Në këtë rast, përdoret vetia e tij unike - aftësia e bërthamës për t'u ndarë.

Çfarë është ndarja bërthamore? Prishja e një bërthame në dy pjesë të mëdha të pabarabarta. Është për shkak të kësaj vetie që gjatë nukleosintezës për shkak të rrezatimit të neutronit, me vështirësi të mëdha formohen bërthama më të rënda se uraniumi. Thelbi i fenomenit është si më poshtë. Nëse raporti i numrit të neutroneve dhe protoneve në bërthamë nuk është optimal, ai bëhet i paqëndrueshëm. Në mënyrë tipike, një bërthamë e tillë lëshon ose një grimcë alfa - dy protone dhe dy neutrone, ose një grimcë beta - një pozitron, i cili shoqërohet me shndërrimin e njërit prej neutroneve në një proton. Në rastin e parë, merret një element i tabelës periodike, i ndarë dy qeliza prapa, në të dytën - një qelizë përpara. Megjithatë, përveç emetimit të grimcave alfa dhe beta, bërthama e uraniumit është e aftë të zbërthehet - të kalbet në bërthamat e dy elementeve në mes të tabelës periodike, për shembull barium dhe kripton, gjë që e bën, pasi ka marrë një neutron të ri. Ky fenomen u zbulua menjëherë pas zbulimit të radioaktivitetit, kur fizikanët ekspozuan rrezatimin e sapo zbuluar ndaj gjithçkaje që mundën. Ja se si Otto Frisch, një pjesëmarrës në ngjarje, shkruan për këtë (“Advances in Physical Sciences”, 1968, 96, 4). Pas zbulimit të rrezeve të beriliumit - neutroneve - Enrico Fermi rrezatoi uranium me to, në veçanti, për të shkaktuar prishjen e beta - ai shpresonte ta përdorte atë për të marrë elementin tjetër, të 93-të, që tani quhet neptunium. Ishte ai që zbuloi një lloj të ri radioaktiviteti në uraniumin e rrezatuar, të cilin e lidhi me shfaqjen e elementeve transuranium. Në të njëjtën kohë, ngadalësimi i neutroneve, për të cilat burimi i beriliumit ishte i mbuluar me një shtresë parafine, rriti këtë radioaktivitet të induktuar. Radiokimisti amerikan Aristide von Grosse sugjeroi se një nga këta elementë ishte protaktinium, por ai e kishte gabim. Por Otto Hahn, i cili atëherë punonte në Universitetin e Vjenës dhe e konsideronte protaktiniumin e zbuluar në 1917 si idenë e tij, vendosi që ai ishte i detyruar të zbulonte se cilat elemente ishin marrë. Së bashku me Lise Meitner, në fillim të vitit 1938, Hahn sugjeroi, bazuar në rezultatet eksperimentale, se zinxhirë të tërë elementësh radioaktivë janë formuar për shkak të zbërthimeve të shumta beta të bërthamave thithëse të neutronit të uranium-238 dhe elementëve të tij bijë. Së shpejti Lise Meitner u detyrua të ikte në Suedi, nga frika e raprezaljeve të mundshme nga nazistët pas Anschluss të Austrisë. Hahn, pasi vazhdoi eksperimentet e tij me Fritz Strassmann, zbuloi se midis produkteve kishte edhe barium, elementi numër 56, i cili në asnjë mënyrë nuk mund të merrej nga uraniumi: të gjitha zinxhirët e kalbjes alfa të uraniumit përfundojnë me plumb shumë më të rëndë. Studiuesit ishin aq të befasuar nga rezultati sa nuk e publikuan atë; ata vetëm u shkruan letra miqve, veçanërisht Lise Meitner në Goteborg. Atje, në Krishtlindje 1938, nipi i saj, Otto Frisch, e vizitoi atë dhe, duke ecur në afërsi të qytetit dimëror - ai me ski, tezja në këmbë - ata diskutuan mundësinë e shfaqjes së bariumit gjatë rrezatimit të uraniumit si një rezultat i ndarjes bërthamore (për më shumë informacion rreth Lise Meitner, shih "Kimi dhe Jeta ", 2013, Nr. 4). Pas kthimit në Kopenhagë, Frisch fjalë për fjalë e kapi Niels Bohr në rrugën e një anijeje që nisej për në Shtetet e Bashkuara dhe i tha atij për idenë e ndarjes. Bohr, duke e goditur veten me shuplakë në ballë, tha: “Oh, sa budallenj ishim! Këtë duhet ta kishim vënë re më herët”. Në janar 1939, Frisch dhe Meitner botuan një artikull mbi ndarjen e bërthamave të uraniumit nën ndikimin e neutroneve. Në atë kohë, Otto Frisch kishte kryer tashmë një eksperiment kontrolli, si dhe shumë grupe amerikane që morën mesazhin nga Bohr. Ata thonë se fizikanët filluan të shpërndaheshin në laboratorët e tyre pikërisht gjatë raportit të tij më 26 janar 1939 në Uashington në konferencën vjetore mbi fizikën teorike, kur ata kuptuan thelbin e idesë. Pas zbulimit të ndarjes, Hahn dhe Strassmann rishikuan eksperimentet e tyre dhe zbuluan, ashtu si kolegët e tyre, se radioaktiviteti i uraniumit të rrezatuar nuk lidhet me transuraniumet, por me prishjen e elementeve radioaktive të formuara gjatë ndarjes nga mesi i tabelës periodike.

Si ndodh një reaksion zinxhir në uranium? Menjëherë pasi u vërtetua eksperimentalisht mundësia e ndarjes së bërthamave të uraniumit dhe toriumit (dhe nuk ka elementë të tjerë zbërthyes në Tokë në një sasi të konsiderueshme), Niels Bohr dhe John Wheeler, të cilët punuan në Princeton, si dhe, pavarësisht prej tyre, Fizikani teorik sovjetik Ya. I. Frenkel dhe gjermanët Siegfried Flügge dhe Gottfried von Droste krijuan teorinë e ndarjes bërthamore. Dy mekanizma pasuan prej tij. Njëra lidhet me përthithjen e pragut të neutroneve të shpejta. Sipas tij, për të filluar ndarjen, një neutron duhet të ketë një energji mjaft të lartë, më shumë se 1 MeV për bërthamat e izotopeve kryesore - uranium-238 dhe torium-232. Në energji më të ulëta, thithja e neutronit nga uranium-238 ka një karakter rezonant. Kështu, një neutron me një energji prej 25 eV ka një sipërfaqe tërthore kapëse që është mijëra herë më e madhe se sa me energjitë e tjera. Në këtë rast, nuk do të ketë ndarje: uraniumi-238 do të bëhet uranium-239, i cili me një gjysmë jetëgjatësi prej 23,54 minutash do të kthehet në neptunium-239, i cili me një gjysmë jetëgjatësi prej 2,33 ditësh do të kthehet në jetëgjatë. plutonium-239. Thorium-232 do të bëhet uranium-233.

Mekanizmi i dytë është thithja jo-pragu e një neutroni, ai pasohet nga izotopi i tretë pak a shumë i zakonshëm i zbërthyeshëm - uranium-235 (si dhe plutonium-239 dhe uranium-233, të cilët nuk gjenden në natyrë): nga duke thithur çdo neutron, madje edhe të ngadalshëm, të ashtuquajtur termik, me energji si për molekulat që marrin pjesë në lëvizjen termike - 0,025 eV, një bërthamë e tillë do të ndahet. Dhe kjo është shumë e mirë: neutronet termike kanë një zonë kapjeje tërthore katër herë më të lartë se neutronet e shpejta megaelektronvolt. Kjo është rëndësia e uraniumit-235 për të gjithë historinë e mëvonshme të energjisë bërthamore: është ai që siguron shumëzimin e neutroneve në uraniumin natyror. Pasi goditet nga një neutron, bërthama e uraniumit-235 bëhet e paqëndrueshme dhe ndahet shpejt në dy pjesë të pabarabarta. Gjatë rrugës, disa (mesatarisht 2.75) neutrone të reja emetohen. Nëse godasin bërthamat e të njëjtit uranium, ata do të bëjnë që neutronet të shumohen në mënyrë eksponenciale - do të ndodhë një reaksion zinxhir, i cili do të çojë në një shpërthim për shkak të lëshimit të shpejtë të një sasie të madhe nxehtësie. As uraniumi-238 dhe as toriumi-232 nuk mund të funksionojnë kështu: në fund të fundit, gjatë ndarjes, neutronet emetohen me një energji mesatare prej 1-3 MeV, domethënë, nëse ka një prag energjie prej 1 MeV, një pjesë e konsiderueshme e neutronet me siguri nuk do të jenë në gjendje të shkaktojnë një reagim dhe nuk do të ketë riprodhim. Kjo do të thotë se këto izotope duhet të harrohen dhe neutronet do të duhet të ngadalësohen në energji termike në mënyrë që të ndërveprojnë në mënyrë sa më efikase me bërthamat e uraniumit-235. Në të njëjtën kohë, thithja e tyre rezonante nga uranium-238 nuk mund të lejohet: në fund të fundit, në uraniumin natyror ky izotop është pak më pak se 99.3% dhe neutronet përplasen më shpesh me të, dhe jo me objektivin e uraniumit-235. Dhe duke vepruar si një moderator, është e mundur të ruani shumëzimin e neutroneve në një nivel konstant dhe të parandaloni një shpërthim - kontrolloni reaksionin zinxhir.

Një llogaritje e kryer nga Ya. B. Zeldovich dhe Yu. B. Khariton në të njëjtin vit fatal të 1939 tregoi se për këtë është e nevojshme të përdoret një moderator neutron në formën e ujit të rëndë ose grafit dhe të pasurohet uranium natyror me uranium- 235 të paktën 1.83 herë. Atëherë kjo ide iu duk atyre një fantazi e pastër: “Duhet të theksohet se përafërsisht dyfishi i pasurimit të atyre sasive mjaft të konsiderueshme të uraniumit që janë të nevojshme për të kryer një shpërthim zinxhir,<...>është një detyrë jashtëzakonisht e rëndë, afër pamundësisë praktike.” Tani ky problem është zgjidhur dhe industria bërthamore po prodhon në masë uranium të pasuruar me uranium-235 deri në 3.5% për termocentralet.

Çfarë është ndarja spontane bërthamore? Në vitin 1940, G. N. Flerov dhe K. A. Petrzhak zbuluan se ndarja e uraniumit mund të ndodhë në mënyrë spontane, pa ndonjë ndikim të jashtëm, megjithëse gjysma e jetës është shumë më e gjatë sesa me kalbjen e zakonshme alfa. Meqenëse një ndarje e tillë prodhon edhe neutrone, nëse nuk lejohen të ikin nga zona e reagimit, ata do të shërbejnë si iniciatorë të reaksionit zinxhir. Është ky fenomen që përdoret në krijimin e reaktorëve bërthamorë.

Pse nevojitet energjia bërthamore? Zeldovich dhe Khariton ishin ndër të parët që llogaritën efektin ekonomik të energjisë bërthamore (Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1940, 23, 4). “...Për momentin është ende e pamundur të nxirren përfundime përfundimtare për mundësinë ose pamundësinë e kryerjes së një reaksioni të ndarjes bërthamore me zinxhirë të degëzuar pafundësisht në uranium. Nëse një reagim i tillë është i realizueshëm, atëherë shpejtësia e reagimit rregullohet automatikisht për të siguruar ecurinë e tij të qetë, pavarësisht sasisë së madhe të energjisë në dispozicion të eksperimentuesit. Kjo rrethanë është jashtëzakonisht e favorshme për përdorimin e energjisë të reaksionit. Prandaj, le të paraqesim - megjithëse kjo është një ndarje e lëkurës së një ariu të pavritur - disa numra që karakterizojnë mundësitë e përdorimit të energjisë të uraniumit. Nëse procesi i ndarjes vazhdon me neutrone të shpejta, atëherë reaksioni kap izotopin kryesor të uraniumit (U238), atëherë<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>kostoja e një kalorie nga izotopi kryesor i uraniumit rezulton të jetë afërsisht 4000 herë më e lirë se ajo e qymyrit (përveç nëse, sigurisht, proceset e "djegisë" dhe heqjes së nxehtësisë rezultojnë të jenë shumë më të shtrenjta në rastin e uraniumit sesa në rastin e qymyrit). Në rastin e neutroneve të ngadaltë, kostoja e një kalorie "uraniumi" (bazuar në shifrat e mësipërme) do të jetë, duke marrë parasysh që bollëku i izotopit U235 është 0.007, tashmë vetëm 30 herë më i lirë se një kalori "thëngjill". të gjitha gjërat e tjera janë të barabarta.”

Reaksioni i parë zinxhir i kontrolluar u krye në vitin 1942 nga Enrico Fermi në Universitetin e Çikagos, dhe reaktori u kontrollua me dorë - duke shtyrë shufrat e grafitit brenda dhe jashtë ndërsa fluksi i neutronit ndryshonte. Termocentrali i parë u ndërtua në Obninsk në 1954. Përveç gjenerimit të energjisë, reaktorët e parë punuan gjithashtu për të prodhuar plutonium të shkallës së armëve.

Si funksionon një termocentral bërthamor? Në ditët e sotme, shumica e reaktorëve operojnë me neutrone të ngadalta. Uraniumi i pasuruar në formën e një metali, një aliazh si alumini ose një oksidi vendoset në cilindra të gjatë të quajtur elementë karburanti. Ata janë instaluar në një mënyrë të caktuar në reaktor, dhe midis tyre futen shufra moderatore, të cilat kontrollojnë reaksionin zinxhir. Me kalimin e kohës, helmet e reaktorit grumbullohen në elementin e karburantit - produktet e ndarjes së uraniumit, të cilat janë gjithashtu të afta të thithin neutrone. Kur përqendrimi i uraniumit-235 bie nën një nivel kritik, elementi hiqet jashtë përdorimit. Megjithatë, ai përmban shumë fragmente të ndarjes me radioaktivitet të fortë, i cili zvogëlohet me kalimin e viteve, duke bërë që elementët të lëshojnë një sasi të konsiderueshme nxehtësie për një kohë të gjatë. Ato mbahen në pishina ftohëse, dhe më pas ose varrosen ose tentohen të përpunohen - për të nxjerrë uranium-235 të padjegur, prodhohet plutonium (është përdorur për të bërë bomba atomike) dhe izotopë të tjerë që mund të përdoren. Pjesa e papërdorur dërgohet në vendvarrim.

Në të ashtuquajturit reaktorë të shpejtë, ose reaktorë riprodhues, rreth elementëve janë instaluar reflektorë të bërë nga uranium-238 ose torium-232. Ata ngadalësohen dhe dërgojnë përsëri në zonën e reagimit neutrone që janë shumë të shpejta. Neutronet e ngadalësuar në shpejtësi rezonante thithin këto izotope, duke u kthyer në plutonium-239 ose uranium-233, përkatësisht, të cilat mund të shërbejnë si lëndë djegëse për një termocentral bërthamor. Meqenëse neutronet e shpejta reagojnë dobët me uranium-235, përqendrimi i tij duhet të rritet ndjeshëm, por kjo shpërblehet me një fluks më të fortë neutron. Pavarësisht se reaktorët riprodhues konsiderohen si e ardhmja e energjisë bërthamore, pasi prodhojnë më shumë lëndë djegëse bërthamore sesa konsumojnë, eksperimentet kanë treguar se ato janë të vështira për t'u menaxhuar. Tani ka mbetur vetëm një reaktor i tillë në botë - në njësinë e katërt të energjisë të NPP Beloyarsk.

Si kritikohet energjia bërthamore? Nëse nuk flasim për aksidente, atëherë pika kryesore në argumentet e kundërshtarëve të energjisë bërthamore sot është propozimi për të shtuar në llogaritjen e efikasitetit të saj kostot e mbrojtjes së mjedisit pas çmontimit të stacionit dhe kur punoni me karburant. Në të dyja rastet, lindin sfidat e asgjësimit të besueshëm të mbetjeve radioaktive, dhe këto janë kosto që përballon shteti. Ekziston një mendim se nëse i transferoni ato në koston e energjisë, atëherë tërheqja e tij ekonomike do të zhduket.

Opozita ka edhe në mesin e mbështetësve të energjisë bërthamore. Përfaqësuesit e tij tregojnë për veçantinë e uraniumit-235, i cili nuk ka asnjë zëvendësim, sepse izotopet alternative të zbërthyer nga neutronet termike - plutonium-239 dhe uranium-233 - për shkak të gjysmëjetës së tyre prej mijëra vjetësh, nuk gjenden në natyrë. Dhe ato janë marrë pikërisht si rezultat i ndarjes së uraniumit-235. Nëse mbaron, një burim i mrekullueshëm natyror i neutroneve për një reaksion zinxhir bërthamor do të zhduket. Si rezultat i një shpërdorimi të tillë, njerëzimi do të humbasë mundësinë në të ardhmen për të përfshirë torium-232, rezervat e të cilit janë disa herë më të mëdha se uraniumi, në ciklin e energjisë.

Teorikisht, përshpejtuesit e grimcave mund të përdoren për të prodhuar një fluks neutronesh të shpejta me energji megaelektronvolt. Sidoqoftë, nëse po flasim, për shembull, për fluturime ndërplanetare në një motor bërthamor, atëherë zbatimi i një skeme me një përshpejtues të rëndë do të jetë shumë i vështirë. Shkarkimi i uraniumit-235 i jep fund projekteve të tilla.

Çfarë është uraniumi i shkallës së armëve? Ky është uranium-235 shumë i pasuruar. Masa e tij kritike - ajo korrespondon me madhësinë e një pjese të substancës në të cilën një reaksion zinxhir ndodh spontanisht - është mjaft e vogël për të prodhuar municion. Një uranium i tillë mund të përdoret për të bërë një bombë atomike, dhe gjithashtu si një fitil për një bombë termonukleare.

Cilat fatkeqësi lidhen me përdorimin e uraniumit? Energjia e ruajtur në bërthamat e elementeve të zbërthyer është e madhe. Nëse del jashtë kontrollit për shkak të mbikëqyrjes ose qëllimisht, kjo energji mund të shkaktojë shumë telashe. Dy fatkeqësitë më të këqija bërthamore ndodhën më 6 dhe 8 gusht 1945, kur Forcat Ajrore të SHBA hodhën bomba atomike në Hiroshima dhe Nagasaki, duke vrarë dhe plagosur qindra mijëra civilë. Fatkeqësitë në shkallë më të vogël shoqërohen me aksidente në termocentralet bërthamore dhe ndërmarrjet e ciklit bërthamor. Aksidenti i parë i madh ndodhi në vitin 1949 në BRSS në uzinën Mayak afër Chelyabinsk, ku u prodhua plutoniumi; Mbetjet e lëngëta radioaktive përfunduan në lumin Techa. Në shtator 1957, në të ndodhi një shpërthim, duke lëshuar një sasi të madhe të materialit radioaktiv. Njëmbëdhjetë ditë më vonë, reaktori britanik i prodhimit të plutoniumit në Windscale u dogj dhe reja me produktet e shpërthimit u shpërnda në Evropën Perëndimore. Në vitin 1979, një reaktor në termocentralin bërthamor Three Mail Island në Pensilvani u dogj. Pasojat më të përhapura u shkaktuan nga aksidentet në termocentralin bërthamor të Çernobilit (1986) dhe termocentralin bërthamor të Fukushimës (2011), kur miliona njerëz u ekspozuan ndaj rrezatimit. Të parat ndotën zona të gjera, duke lëshuar 8 ton karburant uraniumi dhe produkte të kalbjes si rezultat i shpërthimit, i cili u përhap në të gjithë Evropën. I dyti ndotet dhe, tre vjet pas aksidentit, vazhdon të ndotë Oqeanin Paqësor në zonat e peshkimit. Eliminimi i pasojave të këtyre aksidenteve ishte shumë i kushtueshëm dhe nëse këto kosto zbërtheheshin në kosto të energjisë elektrike, do të rritej ndjeshëm.

Një çështje më vete janë pasojat për shëndetin e njeriut. Sipas statistikave zyrtare, shumë njerëz që i mbijetuan bombardimeve ose që jetonin në zona të kontaminuara përfituan nga rrezatimi - të parët kanë një jetëgjatësi më të lartë, të dytët kanë më pak kancer dhe ekspertët ia atribuojnë një farë rritjeje të vdekshmërisë stresit social. Numri i personave të vdekur pikërisht nga pasojat e aksidenteve apo si pasojë e likuidimit të tyre shkon në qindra persona. Kundërshtarët e termocentraleve bërthamore theksojnë se aksidentet kanë çuar në disa milionë vdekje të parakohshme në kontinentin evropian, por ato janë thjesht të padukshme në kontekstin statistikor.

Heqja e tokave nga përdorimi njerëzor në zonat e aksidenteve çon në një rezultat interesant: ato bëhen një lloj rezervate natyrore ku rritet biodiversiteti. Vërtetë, disa kafshë vuajnë nga sëmundje të lidhura me rrezatimin. Pyetja se sa shpejt ata do të përshtaten me sfondin e rritur mbetet e hapur. Ekziston gjithashtu një mendim se pasoja e rrezatimit kronik është "përzgjedhja për budallenjtë" (shih "Kimi dhe Jeta", 2010, Nr. 5): edhe në fazën embrionale, organizma më primitivë mbijetojnë. Në veçanti, në lidhje me njerëzit, kjo duhet të çojë në një ulje të aftësive mendore në brezin e lindur në zonat e kontaminuara menjëherë pas aksidentit.

Çfarë është uraniumi i varfëruar? Ky është uraniumi-238, i mbetur pas ndarjes së uraniumit-235 prej tij. Vëllimet e mbeturinave nga prodhimi i elementeve të uraniumit dhe karburantit të shkallës së armëve janë të mëdha - vetëm në Shtetet e Bashkuara, janë grumbulluar 600 mijë ton heksafluorid uraniumi të tillë (për problemet me të, shih Kimi dhe Jeta, 2008, Nr. 5). . Përmbajtja e uraniumit-235 në të është 0.2%. Këto mbetje ose duhet të ruhen deri në periudha më të mira, kur do të krijohen reaktorë të shpejtë neutron dhe do të jetë e mundur të përpunohet uranium-238 në plutonium, ose të përdoret disi.

Ata gjetën një përdorim për të. Uraniumi, si elementët e tjerë të tranzicionit, përdoret si katalizator. Për shembull, autorët e artikullit në ACS Nano datë 30 qershor 2014, ata shkruajnë se një katalizator i bërë nga urani ose toriumi me grafen për reduktimin e oksigjenit dhe peroksidit të hidrogjenit "ka një potencial të madh për t'u përdorur në sektorin e energjisë". Për shkak se uraniumi ka një densitet të lartë, ai shërben si çakëll për anijet dhe kundërpesha për avionët. Ky metal është gjithashtu i përshtatshëm për mbrojtjen nga rrezatimi në pajisjet mjekësore me burime rrezatimi.

Cilat armë mund të bëhen nga uraniumi i varfëruar? Plumba dhe bërthama për predha depërtuese të blinduara. Llogaritja këtu është si më poshtë. Sa më e rëndë të jetë predha, aq më e lartë është energjia e saj kinetike. Por sa më i madh të jetë predha, aq më pak i përqendruar është ndikimi i tij. Kjo do të thotë se nevojiten metale të rënda me densitet të lartë. Plumbat janë prej plumbi (gjuetarët Ural në një kohë përdorën edhe platinin vendas, derisa e kuptuan se ishte një metal i çmuar), ndërsa bërthamat e guaskës janë prej aliazh tungsteni. Ambientalistët theksojnë se plumbi ndot tokën në vendet e operacioneve ushtarake ose gjuetisë dhe do të ishte më mirë ta zëvendësoni atë me diçka më pak të dëmshme, për shembull, tungsten. Por tungsteni nuk është i lirë, dhe uraniumi, i ngjashëm në densitet, është një mbeturinë e dëmshme. Në të njëjtën kohë, ndotja e lejuar e tokës dhe e ujit me uranium është afërsisht dy herë më e lartë se për plumbin. Kjo ndodh sepse radioaktiviteti i dobët i uraniumit të varfëruar (dhe është gjithashtu 40% më i vogël se ai i uraniumit natyror) neglizhohet dhe merret parasysh një faktor kimik vërtet i rrezikshëm: uraniumi, siç kujtojmë, është helmues. Në të njëjtën kohë, dendësia e tij është 1.7 herë më e madhe se ajo e plumbit, që do të thotë se madhësia e plumbave të uraniumit mund të zvogëlohet përgjysmë; uraniumi është shumë më zjarrdurues dhe më i fortë se plumbi - avullon më pak kur gjuhet dhe kur godet një objektiv prodhon më pak mikrogrimca. Në përgjithësi, një plumb uraniumi është më pak ndotës se një plumb plumbi, megjithëse një përdorim i tillë i uraniumit nuk dihet me siguri.

Por dihet që pllakat e bëra nga uranium i varfëruar përdoren për të forcuar armaturën e tankeve amerikane (kjo lehtësohet nga densiteti i lartë dhe pika e shkrirjes), dhe gjithashtu në vend të aliazhit të tungstenit në bërthamat për predha depërtuese të blinduara. Bërthama e uraniumit është gjithashtu e mirë sepse uraniumi është pirofor: grimcat e tij të vogla të nxehta të formuara pas goditjes me armaturën ndizen dhe i vënë flakën gjithçkaje përreth. Të dy aplikacionet konsiderohen të sigurta nga rrezatimi. Kështu, llogaritja tregoi se edhe pasi të ulej për një vit në një tank me armaturë uraniumi të ngarkuar me municion uraniumi, ekuipazhi do të merrte vetëm një të katërtën e dozës së lejuar. Dhe për të marrë dozën e lejuar vjetore, duhet të vidhosni një municion të tillë në sipërfaqen e lëkurës për 250 orë.

Predha me bërthama uraniumi - për topat e avionëve 30 mm ose nënkalibra artilerie - janë përdorur nga amerikanët në luftërat e fundit, duke filluar me fushatën në Irak të vitit 1991. Atë vit ata ranë mbi njësitë e blinduara irakiane në Kuvajt dhe gjatë tërheqjes së tyre, 300 ton uranium të varfëruar, nga të cilët 250 ton, ose 780 mijë fishekë, u qëlluan në armë avionësh. Në Bosnje dhe Hercegovinë, gjatë bombardimeve të ushtrisë së Republikës Srpska të panjohur, janë shpenzuar 2,75 ton uranium, ndërsa gjatë granatimeve të ushtrisë jugosllave në rajonin e Kosovës dhe Metohisë - 8,5 ton, ose 31 mijë fishekë. Meqenëse OBSH në atë kohë ishte e shqetësuar për pasojat e përdorimit të uraniumit, u krye monitorimi. Ai tregoi se një salvo përbëhej nga afërsisht 300 fishekë, nga të cilat 80% përmbanin uranium të varfëruar. 10% goditën objektivat dhe 82% ranë në 100 metra larg tyre. Pjesa tjetër u shpërnda brenda 1.85 km. Një predhë që goditi një tank u dogj dhe u shndërrua në një aerosol; predha e uraniumit depërtoi nëpër objektiva të lehta si transportues të blinduar të personelit. Kështu, maksimumi një ton e gjysmë predha mund të shndërrohen në pluhur uraniumi në Irak. Sipas ekspertëve të qendrës amerikane të kërkimit strategjik RAND Corporation, më shumë, nga 10 në 35% e uraniumit të përdorur, u kthye në aerosol. Aktivisti kroat i municioneve kundër uraniumit, Asaf Durakovic, i cili ka punuar në një sërë organizatash nga Spitali Mbreti Faisal i Riadit deri te Qendra e Kërkimeve Mjekësore të Uraniumit në Uashington, vlerëson se vetëm në Irakun jugor në vitin 1991, u formuan 3-6 ton grimca uraniumi nën mikron. të cilat ishin të shpërndara në një zonë të gjerë, domethënë, ndotja e uraniumit atje është e krahasueshme me Çernobilin.

Urani. Uraniumi natyror përbëhet nga një përzierje e tre izotopeve: uranium-234, uranium-235, uranium-238. Radioaktive artificiale - me numra masiv 227-240. Gjysma e jetës së uraniumit-235 është 7x108 vjet, uranium-238 është 4.5x109 vjet. Gjatë kalbjes së uraniumit dhe radionuklideve të tij bijë, lëshohen rrezatimi alfa dhe beta, si dhe rrezet gama. Uraniumi depërton në trup në mënyra të ndryshme, duke përfshirë edhe lëkurën. Komponimet e tretshme absorbohen shpejt në gjak dhe shpërndahen në organe dhe inde, duke u grumbulluar në veshka, kocka, mëlçi dhe shpretkë. Gjysma e jetës biologjike nga mushkëritë është 118-150 ditë, nga skeleti - 450 ditë. Për shkak të uraniumit dhe produkteve të tij të kalbjes, norma vjetore është 1.34 mSv.

Thorium. Thorium-232 është një gaz inert. Produktet e tij të kalbjes janë substanca të ngurta radioaktive. Gjysma e jetës është 1.4x1010 vjet. Gjatë transformimeve të toriumit dhe produkteve të tij të kalbjes, lirohen grimcat alfa-beta, si dhe kuantet gama. Thorianiti mineral përmban deri në 45-88% torium. Shufrat e karburantit janë bërë nga një aliazh toriumi me uranium të pasuruar. Ai hyn në trup përmes mushkërive, traktit gastrointestinal dhe lëkurës. Akumulohet në palcën e eshtrave dhe shpretkë. Gjysma e jetës biologjike e eliminimit nga shumica e organeve është 700 ditë, nga skeleti - 68 vjet.

Radiumi. Radium-226 është produkti më i rëndësishëm i zbërthimit radioaktiv i uraniumit-238. Gjysma e jetës 1622. Është një metal i bardhë argjendi. Përdoret gjerësisht në mjekësi si burim i grimcave alfa për terapi rrezatimi. Hyn në trup përmes sistemit të frymëmarrjes, traktit gastrointestinal dhe lëkurës. Shumica e radiumit në hyrje depozitohet në skelet. Gjysma e jetës biologjike nga kockat është rreth 17 vjet, nga mushkëritë - 180 ditë, nga organet e tjera eliminohet në dy ditët e para. Kur hyn në trupin e njeriut, shkakton dëmtim të indit kockor dhe palcës së eshtrave të kuqe, gjë që çon në ndërprerjen e hematopoiezës, frakturat dhe zhvillimin e tumoreve. Gjatë një dite, 1 g radium jep 1 mm3 radon pas kalbjes.

Radoni. Radoni-222 është një gaz pa ngjyrë, pa erë. Gjysma e jetës 3.83 ditë. Një produkt i kalbjes së radiumit-226. Radoni është një emetues alfa. Formohet në depozitat e uraniumit në xehet radioaktive, që gjenden në gazin natyror, ujërat nëntokësore etj. Ai gjithashtu mund të shpëtojë përmes çarjeve në shkëmbinj; në miniera dhe miniera me ventilim të dobët, përqendrimi i tij mund të arrijë vlera të mëdha. Radoni gjendet në shumë materiale ndërtimi. Ai gjithashtu hyn në atmosferë gjatë aktivitetit vullkanik, gjatë prodhimit të fosfateve dhe gjatë funksionimit të termocentraleve gjeotermale.

Për qëllime medicinale, përdoret në formën e banjove me radon në trajtimin e sëmundjeve të kyçeve, kockave, sistemit nervor periferik, sëmundjeve kronike gjinekologjike etj. Përdoret gjithashtu në formën e inhalacioneve, ujitjes dhe gëlltitjes së ujit. që përmban radon. Ajo hyn në trup kryesisht përmes sistemit të frymëmarrjes. Gjysma e jetës nga trupi është brenda 24 orëve. Radoni siguron ¾ e dozës ekuivalente vjetore nga burimet e rrezatimit tokësor dhe rreth ½ e dozës nga të gjitha burimet natyrore të rrezatimit.

Kaliumi. Kaliumi-40 është një metal i bardhë argjendi, nuk gjendet në formë të lirë, pasi është shumë kimikisht aktiv. Gjysem jete
1,32 x 109 vjet. Kur kalbet ajo lëshon një grimcë beta. Është një element tipik biologjik. Nevoja e një personi për kalium është 2-3 mg për kg peshë trupore në ditë. Shumë kalium gjendet në patate, panxhar dhe domate. Trupi thith 100% të kaliumit që hyn dhe e shpërndan atë në mënyrë të barabartë në të gjitha organet, me relativisht më shumë në mëlçi dhe shpretkë. Gjysma e jetës është rreth 60 ditë.

Jodi. Jodi-131 formohet në reaksionet e ndarjes së uraniumit dhe plutoniumit, si dhe gjatë rrezatimit të teluriumit me neutrone. Gjysma e jetës 8,05 ditë. Hyn në trup përmes sistemit të frymëmarrjes, traktit gastrointestinal (100% e jodit që hyn përthithet) dhe lëkurës. Akumulohet kryesisht në gjëndrën tiroide, përqendrimi i tij në gjëndër është 200 herë më i lartë se në indet e tjera. Ndërsa jodi prishet, ai lëshon një grimcë beta dhe 2 kuanta gama. Gjysma e jetës nga gjëndra tiroide është 138 ditë, nga organet e tjera 10-15 ditë. Nga trupi i një gruaje shtatzënë, jodi kalon përmes placentës tek fetusi.

Cezium. Cezium-137 jep një kontribut vendimtar në dozën totale ekuivalente të rrezatimit. Ceziumi është një metal i bardhë argjendi. Është burim i rrezatimit beta dhe gama. Gjysma e jetës së cezium-137 -
30 vjet. Para aksidentit të Çernobilit, burimi kryesor i ceziumit që hynte në mjedis ishin shpërthimet bërthamore. Shumica e ceziumit të depozituar është në një formë që absorbohet lehtësisht. Në bimë grumbullohet kryesisht në kashtë dhe në majë. 100% e ceziumit të gëlltitur absorbohet në zorrët. Ai grumbullohet kryesisht në indet e muskujve. Gjysma e jetës nga muskujt është 140 ditë.

Stronciumi. Strontium-90 - gjysma e jetës - 28.6 vjet (për stroncium-89 - 50.5 ditë). Strontium-90 është një emetues beta. Stronciumi absorbohet lehtësisht nga bimët, kafshët dhe njerëzit. Përqendruesi i stronciumit është misri; përmbajtja e stronciumit në të është 5-20 herë më e lartë se në tokë. Në trupin e njeriut, në varësi të dietës, nga 5% deri në 100% e stronciumit të hyrjes absorbohet në traktin gastrointestinal (mesatarisht 30%). Akumulohet kryesisht në skelet. Përqendrimi maksimal vërehet te fëmijët nën 1 vjeç. Gjysma e jetës së stronciumit nga indet e buta është deri në 10 ditë, nga kockat - deri në 8-10 vjet.

Plutonium. Plutonium-239 është një emetues alfa. Gjysma e jetës së tij është 24,360 vjet. Është një metal i bardhë argjendi. Burimi i plutoniumit janë shpërthimet bërthamore, si dhe reaktorët e centraleve bërthamore, veçanërisht lëshimet emergjente. Në tokë gjendet në shtresat sipërfaqësore dhe sedimentet e poshtme të trupave ujorë. Ai hyn në trup përmes mushkërive dhe traktit gastrointestinal, dhe absorbohet nga trakti gastrointestinal - dukshëm më pak se 1%. Grumbullohet në mushkëri, mëlçi, indet kockore. Gjysma e jetës së eliminimit nga skeleti është 100 vjet, nga mëlçia - 40 vjet.

Americium. Americium-241 është një produkt i kalbjes së plutonium-241 (gjysma e jetës së 241Pu është 14.4 vjet). Gjysma e jetës së americium-241 është 432.2 vjet, dhe gjatë kalbjes lëshon një grimcë alfa. Americium tretet në ujë shumë më mirë se plutoniumi, dhe për këtë arsye ka një aftësi më të madhe migrimi. Grumbullohet deri në 99% në shtresat sipërfaqësore të tokës, 10% e americiumit është në formë të tretur dhe absorbohet lehtësisht nga bimët. Përqendruar tek njerëzit në skelet, mëlçi, veshka. Gjysma e jetës nga skeleti është deri në 30 vjet, nga mëlçia - deri në 5 vjet.

uranium 235 75, uranium 235/75r15
Uran-235(anglisht uranium-235), emër historik aktinoranium(lat. Aktin Uranium, i shënuar me simbolin AcU) është një nukleid radioaktiv i elementit kimik uranium me numër atomik 92 dhe numër masiv 235. Bollëku izotopik i uraniumit-235 në natyrë është 0,7200(51)%. Është themeluesi i familjes radioaktive 4n+3, e quajtur seria e aktiniumit. Zbuluar në 1935 nga Arthur Jeffrey Dempster.

Ndryshe nga izotopi tjetër, më i zakonshëm i uraniumit 238U, një reaksion zinxhir bërthamor i vetëqëndrueshëm është i mundur në 235U. Prandaj, ky izotop përdoret si lëndë djegëse në reaktorët bërthamorë, si dhe në armët bërthamore.

Aktiviteti i një gram të këtij nuklidi është afërsisht 80 kBq.

• 1 Formimi dhe kolapsi
• 2 Ndarja e detyruar
  • 2.1 Reaksioni zinxhir bërthamor
• 3 Izomere
• 4 Aplikimi
• 5 Shih gjithashtu
• 6 Shënime

Formimi dhe kalbja

Uraniumi-235 formohet si rezultat i prishjeve të mëposhtme:

• β- zbërthimi i nuklidit 235Pa (gjysma e jetës është 24,44 (11) min):

• Kapja K e kryer nga nuklidi 235Np (gjysma e jetës është 396.1 (12) ditë):

• α-zbërthimi i nuklidit 239Pu (gjysma e jetës është 2,411(3)·104 vjet):

Prishja e uraniumit-235 ndodh në drejtimet e mëposhtme:

• α-zbërthimi në 231 Th (100% probabilitet, energjia e kalbjes 4,678.3 (7) keV):

• Fision spontan (probabiliteti 7(2)·10−9%);
• Prishja e grupit me formimin e nuklideve 20Ne, 25Ne dhe 28Mg (probabilitetet janë përkatësisht 8(4)·10−10%, 8·10−10%, 8·10−10%, përkatësisht):

Ndarja e detyruar

Artikulli kryesor: Fision bërthamor Kurba e rendimentit të produktit të ndarjes së uranium-235 për energji të ndryshme neutronesh të ndarjes.

Në fillim të viteve 1930. Enrico Fermi rrezatoi uraniumin me neutrone në mënyrë që të merrte elementë transuranium. Por në vitin 1939, O. Hahn dhe F. Strassmann ishin në gjendje të tregonin se kur një neutron absorbohet nga një bërthamë uraniumi, ndodh një reaksion i detyruar i ndarjes. Si rregull, bërthama ndahet në dy fragmente dhe lëshohen 2-3 neutrone (shih diagramin).

Në produktet e zbërthimit të uraniumit-235 u zbuluan rreth 300 izotope elementësh të ndryshëm: nga Z=30 (zink) në Z=64 (gadolinium). Kurba e rendimentit relativ të izotopeve të formuar gjatë rrezatimit të uraniumit-235 me neutrone të ngadalta në numrin e masës është simetrike dhe i ngjan shkronjës "M" në formë. Dy maksimumet e theksuara të kësaj lakore korrespondojnë me numrat e masës 95 dhe 134, dhe minimumi ndodh në rangun e numrave të masës nga 110 në 125. Kështu, ndodh ndarja e uraniumit në fragmente me masë të barabartë (me numrat masiv 115-119). me më pak probabilitet se ndarja asimetrike, kjo tendencë vërehet në të gjithë izotopet e zbërthyer dhe nuk shoqërohet me ndonjë veti individuale të bërthamave ose grimcave, por është e natyrshme në vetë mekanizmin e ndarjes bërthamore. Sidoqoftë, asimetria zvogëlohet me rritjen e energjisë së ngacmimit të bërthamës së zbërthyer dhe kur energjia e neutronit është më shumë se 100 MeV, shpërndarja në masë e fragmenteve të ndarjes ka një maksimum, që korrespondon me ndarjen simetrike të bërthamës.

Një nga opsionet për ndarjen e detyruar të uraniumit-235 pas thithjes së një neutroni (diagrami)

Fragmentet e formuara gjatë ndarjes së një bërthame të uraniumit janë, nga ana tjetër, radioaktive dhe i nënshtrohen një zinxhiri prishjesh β-, gjatë së cilës energji shtesë lëshohet gradualisht për një periudhë të gjatë kohore. Energjia mesatare e çliruar gjatë zbërthimit të një bërthame uranium-235, duke marrë parasysh prishjen e fragmenteve, është afërsisht 202,5 ​​MeV = 3,244·10−11 J, ose 19,54 TJ/mol = 83,14 TJ/kg.

Fisioni bërthamor është vetëm një nga shumë proceset e mundshme gjatë ndërveprimit të neutroneve me bërthamat; është ai që qëndron në themel të funksionimit të çdo reaktori bërthamor.

Reaksioni zinxhir bërthamor

Artikulli kryesor: Reaksioni zinxhir bërthamor

Gjatë zbërthimit të një bërthame 235U, zakonisht emetohen 1 deri në 8 (mesatarisht 2.5) neutrone të lira. Çdo neutron i prodhuar gjatë zbërthimit të një bërthame 235U, subjekt i ndërveprimit me një bërthamë tjetër 235U, mund të shkaktojë një akt të ri kalbjeje; ky fenomen quhet një reaksion zinxhir i ndarjes bërthamore.

Hipotetikisht, numri i neutroneve të gjeneratës së dytë (pas fazës së dytë të zbërthimit bërthamor) mund të kalojë 3² = 9. Me çdo fazë pasuese të reaksionit të ndarjes, numri i neutroneve të prodhuar mund të rritet si një ortek. Në kushte reale, neutronet e lira mund të mos gjenerojnë një ngjarje të re të ndarjes, duke lënë kampionin përpara se të kapin 235U, ose duke u kapur ose nga vetë izotopi 235U, duke e transformuar atë në 236U, ose nga materiale të tjera (për shembull, 238U, ose bërthama që rezulton fragmente të ndarjes, të tilla si 149Sm ose 135Xe).

Nëse, mesatarisht, çdo akt i ndarjes gjeneron një tjetër akt të ri të ndarjes, atëherë reagimi bëhet i vetëqëndrueshëm; kjo gjendje quhet kritike. (shih gjithashtu faktorin e shumëzimit të neutronit)

Në kushte reale, arritja e një gjendje kritike të uraniumit nuk është aq e lehtë, pasi një sërë faktorësh ndikojnë në rrjedhën e reagimit. Për shembull, uraniumi natyror përbëhet nga vetëm 0.72% 235U, 99.2745% është 238U, i cili thith neutronet e prodhuara gjatë ndarjes së bërthamave 235U. Kjo çon në faktin se reaksioni zinxhir i ndarjes në uraniumin natyror aktualisht kalbet shumë shpejt. Një reaksion zinxhir i vazhdueshëm i ndarjes mund të kryhet në disa mënyra kryesore:

• Rritja e volumit të kampionit (për uraniumin e izoluar nga xeherori, është e mundur të arrihet një masë kritike duke rritur volumin);
• Kryeni ndarjen e izotopeve duke rritur përqendrimin e 235U në kampion;
• Zvogëloni humbjen e neutroneve të lira nëpër sipërfaqen e kampionit duke përdorur lloje të ndryshme reflektorësh;
• Përdorni një substancë moderatore neutron për të rritur përqendrimin e neutroneve termike.

Izomerët

Izomeri i vetëm i njohur është 235 Um me karakteristikat e mëposhtme:

• Masa e tepërt: 40,920.6 (1.8) keV
• Energjia e ngacmimit: 76.5 (4) eV
• Gjysma e jetës: 26 min
• Rrotullimi dhe barazia bërthamore: 1/2+

Zbërthimi i gjendjes izomerike ndodh përmes një kalimi izomerik në gjendjen bazë.

Aplikacion

• Uraniumi-235 përdoret si lëndë djegëse për reaktorët bërthamorë, të cilët kryejnë një reaksion zinxhir të kontrolluar të ndarjes bërthamore;
• Uraniumi i pasuruar shumë përdoret për të krijuar armë bërthamore. Në këtë rast, një reaksion zinxhir i pakontrolluar bërthamor përdoret për të lëshuar një sasi të madhe energjie (shpërthim).

Shiko gjithashtu

• Izotopet e uraniumit
• Ndarja izotopike

Shënime

1. 1 2 3 4 5 G. Audi, A.H. Wapstra, dhe C. Thibault (2003). “Vlerësimi i masës atomike AME2003 (II). Tabelat, grafikët dhe referencat." Fizika Bërthamore A 729 : 337-676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. Bibcode: 2003NuPhA.729..337A.
2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot dhe A. H. Wapstra (2003). "Vlerësimi NUBASE i vetive bërthamore dhe të kalbjes." Fizika Bërthamore A 729 : 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.
3. Hoffman K. A është e mundur të bëhet ari? - botimi i 2-të. fshihet - L.: Kimi, 1987. - F. 130. - 232 f. - 50,000 kopje.
4. Sot në historinë e shkencës
5. 1 2 3 Fialkov Yu. Ya. Aplikimi i izotopeve në kimi dhe industri kimike. - Kyiv: Tekhnika, 1975. - F. 87. - 240 f. - 2000 kopje.
6. Tabela e konstantave fizike dhe kimike, seksioni 4.7.1: Fisioni bërthamor. Kaye & Laby Online. Arkivuar nga origjinali më 8 prill 2012.
7. Bartolomei G. G., Baibakov V. D., Alkhutov M. S., Bat G. A. Bazat e teorisë dhe metodave për llogaritjen e reaktorëve të energjisë bërthamore. - M.: Energoatomizdat, 1982. - F. 512.

uranium 235 50, uranium 235 75, uranium 235 zona, uranium 235/75r15

Plutoniumi është një element i krijuar nga njeriu. Para epokës atomike, vetëm "gjurmët" e saj u gjetën në natyrë - disa dhjetëra kilogramë në të gjithë trashësinë e kores së tokës. Tani - qindra tonë, dhe jo në të gjithë koren e tokës, por në bomba dhe në depo, plus tonelata të shpërndara në të gjithë sipërfaqen e planetit.

Në vetëm një vit, të gjithë reaktorët e botës prodhojnë 10 mijë ton karburant të shpenzuar, i cili përmban 100 ton plutonium, domethënë, çdo ton karburant i shpenzuar përmban ~ 10 kg plutonium (për krahasim, bomba e hedhur në Nagasaki përmbante vetëm 6.2 kg).

Edhe pse plutoniumi i reaktorit i çliruar gjatë ripërpunimit të karburantit të shpenzuar nuk është i shkallës së armëve, është ende e mundur të bëhet një bombë prej tij. Bota tashmë është plot me plutonium të ndarë për prodhimin e bombave. Ka shumë prej tyre: në sistemet e armëve të vendosura, në koka luftarake të destinuara për çmontimin, në mbeturinat nga pastrimi i komplekseve të armëve bërthamore, në magazina në impiantet e përpunimit.

Izotopi i zbërthyeshëm, domethënë, izotopi i shkallës së armëve është plutonium-239. Për ta prodhuar atë, përveç uraniumit të pasuruar (karburant), uranium natyral i papasur ("lëndë e parë") u vendos në një reaktor ushtarak në formën e blloqeve metalike të mbyllura në një guaskë alumini të mbyllur. Gjatë reaksionit të ndarjes, një fluks i madh neutronesh shfaqet në bërthamën e reaktorit dhe blloqet e uraniumit rrezatohen me këto neutrone (prandaj edhe termi "uranium i rrezatuar" ose karburant bërthamor i rrezatuar).

Kur kapen neutronet, bërthamat e atomeve të uraniumit shndërrohen në bërthama plutoniumi, kështu që brenda blloqeve, uraniumi-238 jo i zbërthyer gradualisht u shndërrua në plutonium-239 të zbërthyer (të shkallës së armëve). Gjatë ekspozimit në reaktor (3-6 muaj), disa qindra gram uranium-238 u shndërruan nga çdo ton uranium natyror në plutonium-239.

Karburanti bërthamor është një material që përdoret në reaktorët bërthamorë për të kryer një reaksion zinxhir të kontrolluar. Është jashtëzakonisht energjik dhe i pasigurt për njerëzit, gjë që vendos një sërë kufizimesh në përdorimin e tij. Sot do të mësojmë se çfarë është karburanti i reaktorit bërthamor, si klasifikohet dhe prodhohet dhe ku përdoret.

Ecuria e reaksionit zinxhir

Gjatë një reaksioni zinxhir bërthamor, bërthama ndahet në dy pjesë, të cilat quhen fragmente të ndarjes. Në të njëjtën kohë, lëshohen disa (2-3) neutrone, të cilat më pas shkaktojnë ndarjen e bërthamave të mëvonshme. Procesi ndodh kur një neutron godet bërthamën e substancës origjinale. Fragmentet e ndarjes kanë energji të lartë kinetike. Frenimi i tyre në materie shoqërohet me lëshimin e një sasie të madhe nxehtësie.

Fragmentet e ndarjes, së bashku me produktet e tyre të kalbjes, quhen produkte të ndarjes. Bërthamat që ndajnë neutronet e çdo energjie quhen lëndë djegëse bërthamore. Si rregull, ato janë substanca me një numër tek atomesh. Disa bërthama shpërbëhen thjesht nga neutronet, energjia e të cilëve është mbi një vlerë të caktuar pragu. Këta janë kryesisht elementë me një numër çift atomesh. Bërthamat e tilla quhen lëndë e parë, pasi në momentin e kapjes së një neutroni nga një bërthamë pragu, formohen bërthamat e karburantit. Kombinimi i lëndës së djegshme dhe lëndës së parë quhet karburant bërthamor.

Klasifikimi

Karburanti nuklear ndahet në dy klasa:

1. Uranium natyral. Ai përmban bërthama të zbërthyeshme të uraniumit-235 dhe lëndë ushqyese të uraniumit-238, e cila është në gjendje të formojë plutonium-239 pas kapjes së neutronit.
2. Një lëndë djegëse dytësore që nuk gjendet në natyrë. Këtu përfshihet, ndër të tjera, plutonium-239, i cili përftohet nga karburanti i llojit të parë, si dhe uranium-233, i cili formohet kur neutronet kapen nga bërthamat e torium-232.

Nga pikëpamja e përbërjes kimike, ekzistojnë llojet e mëposhtme të karburantit bërthamor:

1. Metal (përfshirë lidhjet);
2. Oksid (për shembull, UO 2);
3. Karbid (për shembull PuC 1-x);
4. Të përziera;
5. Nitridi.

TVEL dhe TVS

Karburanti për reaktorët bërthamorë përdoret në formën e fishekëve të vegjël. Ato vendosen në elementë të karburantit të mbyllur hermetikisht (elementet e karburantit), të cilët, nga ana tjetër, kombinohen në disa qindra montime karburanti (FA). Karburanti bërthamor i nënshtrohet kërkesave të larta për pajtueshmërinë me veshjet e shufrave të karburantit. Duhet të ketë një temperaturë të mjaftueshme shkrirjeje dhe avullimi, përçueshmëri të mirë termike dhe të mos rritet shumë në vëllim nën rrezatim neutron. Prodhueshmëria e prodhimit merret gjithashtu parasysh.

Aplikacion

Karburanti vjen në termocentralet bërthamore dhe instalimet e tjera bërthamore në formën e asambleve të karburantit. Ato mund të ngarkohen në reaktor si gjatë funksionimit të tij (në vend të asambleve të karburantit të djegur) ashtu edhe gjatë një fushate riparimi. Në rastin e fundit, asambletë e karburantit zëvendësohen në grupe të mëdha. Në këtë rast, vetëm një e treta e karburantit zëvendësohet plotësisht. Asambletë më të djegura shkarkohen nga pjesa qendrore e reaktorit dhe në vend të tyre vendosen montime pjesërisht të djegura që ndodheshin më parë në zona më pak aktive. Rrjedhimisht, në vend të kësaj të fundit janë instaluar montime të reja karburanti. Kjo skemë e thjeshtë rirregullimi konsiderohet tradicionale dhe ka një sërë avantazhesh, kryesore prej të cilave është sigurimi i çlirimit uniform të energjisë. Sigurisht, ky është një diagram skematik që jep vetëm një ide të përgjithshme të procesit.

Fragment

Pasi karburanti bërthamor i shpenzuar hiqet nga bërthama e reaktorit, ai dërgohet në një pishinë ftohëse, e cila zakonisht ndodhet afër. Fakti është se asambletë e karburantit të shpenzuar përmbajnë një sasi të madhe të fragmenteve të ndarjes së uraniumit. Pas shkarkimit nga reaktori, çdo shufër karburanti përmban rreth 300 mijë Curies lëndë radioaktive, duke çliruar 100 kW/orë energji. Për shkak të kësaj, karburanti vetë-nxehet dhe bëhet shumë radioaktiv.

Temperatura e karburantit të sapo shkarkuar mund të arrijë 300°C. Prandaj, ajo mbahet për 3-4 vjet nën një shtresë uji, temperatura e së cilës ruhet në intervalin e vendosur. Ndërsa ruhet nën ujë, radioaktiviteti i karburantit dhe fuqia e emetimeve të tij të mbetura zvogëlohen. Pas rreth tre vjetësh, vetë-ngrohja e montimit të karburantit arrin 50-60°C. Pastaj karburanti hiqet nga pishinat dhe dërgohet për përpunim ose asgjësim.

Metal uranium

Metali uraniumi përdoret relativisht rrallë si lëndë djegëse për reaktorët bërthamorë. Kur një substancë arrin një temperaturë prej 660 ° C, ndodh një tranzicion fazor, i shoqëruar nga një ndryshim në strukturën e saj. E thënë thjesht, uraniumi rritet në vëllim, gjë që mund të çojë në shkatërrimin e shufrave të karburantit. Në rastin e rrezatimit të zgjatur në një temperaturë prej 200-500°C, substanca i nënshtrohet rritjes së rrezatimit. Thelbi i këtij fenomeni është zgjatja e shufrës së uraniumit të rrezatuar me 2-3 herë.

Përdorimi i metalit të uraniumit në temperatura mbi 500°C është i vështirë për shkak të fryrjes së tij. Pas ndarjes bërthamore, formohen dy fragmente, vëllimi i përgjithshëm i të cilave tejkalon vëllimin e asaj bërthame. Disa fragmente të ndarjes përfaqësohen nga atomet e gazit (ksenon, kripton, etj.). Gazi grumbullohet në poret e uraniumit dhe formon presion të brendshëm, i cili rritet me rritjen e temperaturës. Për shkak të rritjes së vëllimit të atomeve dhe rritjes së presionit të gazit, karburanti bërthamor fillon të bymehet. Kështu, kjo i referohet ndryshimit relativ në vëllim të lidhur me ndarjen bërthamore.

Forca e ënjtjes varet nga temperatura e shufrave të karburantit dhe djegia. Me rritjen e djegies, numri i fragmenteve të ndarjes rritet, dhe me rritjen e temperaturës dhe djegies, rritet presioni i brendshëm i gazit. Nëse karburanti ka veti më të larta mekanike, atëherë është më pak i ndjeshëm ndaj ënjtjes. Metali uraniumi nuk është një nga këto materiale. Prandaj, përdorimi i tij si lëndë djegëse për reaktorët bërthamorë kufizon djegien, e cila është një nga karakteristikat kryesore të një karburanti të tillë.

Vetitë mekanike të uraniumit dhe rezistenca e tij ndaj rrezatimit përmirësohen duke aliazhuar materialin. Ky proces përfshin shtimin e aluminit, molibdenit dhe metaleve të tjera në të. Falë aditivëve të dopingut, numri i neutroneve të ndarjes që kërkohet për kapje zvogëlohet. Prandaj, materialet që thithin dobët neutronet përdoren për këto qëllime.

Komponimet zjarrduruese

Disa përbërës të uraniumit zjarrdurues konsiderohen lëndë djegëse e mirë bërthamore: karbidet, oksidet dhe komponimet ndërmetalike. Më i zakonshmi prej tyre është dioksidi i uraniumit (qeramika). Pika e shkrirjes së saj është 2800°C dhe dendësia e saj është 10.2 g/cm3.

Meqenëse ky material nuk i nënshtrohet tranzicionit fazor, ai është më pak i ndjeshëm ndaj fryrjes sesa lidhjet e uraniumit. Falë kësaj veçorie, temperatura e djegies mund të rritet me disa përqind. Në temperatura të larta, qeramika nuk ndërvepron me niobium, zirkon, çelik inox dhe materiale të tjera. Disavantazhi kryesor i tij është përçueshmëria e ulët termike - 4.5 kJ (m*K), e cila kufizon fuqinë specifike të reaktorit. Përveç kësaj, qeramika e nxehtë është e prirur ndaj plasaritjes.

Plutonium

Plutoniumi konsiderohet një metal me shkrirje të ulët. Shkrihet në temperaturën 640°C. Për shkak të vetive të tij të dobëta plastike, është praktikisht e pamundur të përpunohet. Toksiciteti i substancës ndërlikon teknologjinë e prodhimit të shufrave të karburantit. Industria bërthamore ka tentuar vazhdimisht të përdorë plutoniumin dhe përbërjet e tij, por ato nuk kanë qenë të suksesshme. Nuk këshillohet përdorimi i karburantit për termocentralet bërthamore që përmbajnë plutonium për shkak të një reduktimi afërsisht 2-fish të periudhës së nxitimit, për të cilën nuk janë projektuar sistemet standarde të kontrollit të reaktorit.

Për prodhimin e karburantit bërthamor, si rregull, përdoren dioksidi i plutoniumit, lidhjet e plutoniumit me minerale dhe një përzierje e karbiteve të plutoniumit dhe karbiteve të uraniumit. Lëndët djegëse dispersioni, në të cilat grimcat e përbërjeve të uraniumit dhe plutoniumit vendosen në një matricë metalike të molibdenit, aluminit, çelikut inox dhe metaleve të tjera, kanë veti të larta mekanike dhe përçueshmëri termike. Rezistenca ndaj rrezatimit dhe përçueshmëria termike e karburantit të shpërndarjes varen nga materiali i matricës. Për shembull, në termocentralin e parë bërthamor, karburanti i shpërndarë përbëhej nga grimca të një aliazh uraniumi me 9% molibden, të cilat ishin të mbushura me molibden.

Sa i përket karburantit të toriumit, ai sot nuk përdoret për shkak të vështirësive në prodhimin dhe përpunimin e shufrave të karburantit.

Prodhimi

Vëllime të konsiderueshme të lëndës së parë kryesore për karburantin bërthamor - uraniumit - janë përqendruar në disa vende: Rusi, SHBA, Francë, Kanada dhe Afrikën e Jugut. Depozitat e tij zakonisht ndodhen pranë arit dhe bakrit, kështu që të gjitha këto materiale minohen në të njëjtën kohë.

Shëndeti i njerëzve që punojnë në miniera është në rrezik të madh. Fakti është se uraniumi është një material toksik dhe gazrat e çliruar gjatë nxjerrjes së tij mund të shkaktojnë kancer. Dhe kjo përkundër faktit se minerali përmban jo më shumë se 1% të kësaj substance.

Faturë

Prodhimi i karburantit bërthamor nga minerali i uraniumit përfshin fazat e mëposhtme:

1. Përpunimi hidrometalurgjik. Përfshin kullimin, shtypjen dhe nxjerrjen ose rikuperimin e thithjes. Rezultati i përpunimit hidrometalurgjik është një pezullim i pastruar i oksidit të oksyuraniumit, diuranatit të natriumit ose diuranatit të amonit.
2. Shndërrimi i një lënde nga oksidi në tetrafluorid ose heksafluorid, që përdoret për pasurimin e uraniumit-235.
3. Pasurimi i një lënde me centrifugim ose difuzion termik të gazit.
4. Shndërrimi i materialit të pasuruar në dioksid, nga i cili prodhohen "peletat" e shufrës së karburantit.

Rigjenerimi

Gjatë funksionimit të një reaktori bërthamor, karburanti nuk mund të digjet plotësisht, kështu që riprodhohen izotopë të lirë. Në këtë drejtim, shufrat e karburantit të shpenzuar i nënshtrohen rigjenerimit me qëllim ripërdorimi.

Sot, ky problem zgjidhet përmes procesit Purex, i cili përbëhet nga fazat e mëposhtme:

1. Prerja e shufrave të karburantit në dy pjesë dhe tretja e tyre në acid nitrik;
2. Pastrimi i tretësirës nga produktet e ndarjes dhe pjesët e guaskës;
3. Izolimi i komponimeve të pastra të uraniumit dhe plutoniumit.

Pas kësaj, dioksidi i plutoniumit që rezulton përdoret për prodhimin e bërthamave të reja, dhe uraniumi përdoret për pasurim ose gjithashtu për prodhimin e bërthamave. Ripërpunimi i karburantit bërthamor është një proces kompleks dhe i shtrenjtë. Kostoja e tij ka një ndikim të rëndësishëm në fizibilitetin ekonomik të përdorimit të termocentraleve bërthamore. E njëjta gjë mund të thuhet për asgjësimin e mbetjeve të karburantit bërthamor që nuk janë të përshtatshme për rigjenerim.