Уран — химический элемент ; он имеет символ U и атомный номер 92. Это серебристо-серый металл актинидного ряда периодической таблицы . Атом урана имеет 92 протона и 92 электрона , из которых 6 валентных электронов . Уран радиоактивно распадается с испусканием альфа-частицы . Период полураспада этого распада варьируется от 159 200 до 4,5 миллиардов лет для разных изотопов , что делает их полезными для определения возраста Земли . Наиболее распространенными изотопами природного урана являются уран-238 (который содержит 146 нейтронов и составляет более 99% урана на Земле) и уран-235 (который имеет 143 нейтрона). Уран имеет самый высокий атомный вес среди первобытных элементов. Его плотность примерно на 70% выше, чем у свинца и немного ниже, чем у золота или вольфрама . В природе он встречается в низких концентрациях (несколько частей на миллион) в почве, камнях и воде и в промышленных масштабах добывается из урансодержащих минералов , таких как уранинит . [7]
Во многих современных применениях урана используются его уникальные ядерные свойства. Уран-235 — единственный встречающийся в природе делящийся изотоп , что делает его широко используемым на атомных электростанциях и в ядерном оружии . Однако из-за крайне низкой концентрации урана-235 в встречающемся в природе уране (который в подавляющем большинстве состоит из урана-238), уран необходимо подвергнуть обогащению , чтобы в нем присутствовало достаточное количество урана-235. Уран-238 расщепляется быстрыми нейтронами и является воспроизводящим , то есть его можно превратить в делящийся плутоний-239 в ядерном реакторе . Другой делящийся изотоп, уран-233 , может быть получен из природного тория и изучается для будущего промышленного использования в ядерных технологиях. Уран-238 имеет небольшую вероятность спонтанного деления или даже вынужденного деления быстрыми нейтронами; уран-235 и, в меньшей степени, уран-233 имеют гораздо более высокое сечение деления медленных нейтронов. В достаточной концентрации эти изотопы поддерживают устойчивую цепную ядерную реакцию . Это генерирует тепло в ядерных энергетических реакторах и производит расщепляющийся материал для ядерного оружия. Обедненный уран ( 238 U) используется в пенетраторах кинетической энергии и броневых покрытиях . [8]
Открытие урана в минеральной урановой смоле в 1789 году приписывают Мартину Генриху Клапроту , который назвал новый элемент в честь недавно открытой планеты Уран . Эжен-Мельхиор Пелиго был первым человеком, изолировавшим металл, а его радиоактивные свойства были открыты в 1896 году Анри Беккерелем . Исследования Отто Хана , Лизы Мейтнер , Энрико Ферми и других, таких как Дж. Роберт Оппенгеймер , начавшиеся в 1934 году, привели к его использованию в качестве топлива в атомной энергетике и в «Маленьком мальчике» , первом ядерном оружии, использованном в войне . В ходе последовавшей за этим гонки вооружений во время Холодной войны между Соединенными Штатами и Советским Союзом были произведены десятки тысяч ядерных боеголовок, в которых использовался металлический уран и полученный из урана плутоний-239 . Демонтаж этого оружия и связанных с ним ядерных объектов осуществляется в рамках различных программ ядерного разоружения и обходится в миллиарды долларов. Оружейный уран, полученный из ядерного оружия, разбавляется ураном-238 и повторно используется в качестве топлива для ядерных реакторов. Разработка и внедрение этих ядерных реакторов продолжаются во всем мире, поскольку они являются мощными источниками энергии, не содержащей CO 2 . Отработанное ядерное топливо образует радиоактивные отходы , которые в основном состоят из урана-238 и представляют значительную угрозу для здоровья и воздействия на окружающую среду .
Уран — серебристо-белый слаборадиоактивный металл . Он имеет твердость 6 по шкале Мооса , достаточную, чтобы поцарапать стекло, и примерно равную твердости титана , родия , марганца и ниобия . Он податливый , пластичный , слегка парамагнитный , сильно электроположительный и плохой электрический проводник . [9] [10] Металлический уран имеет очень высокую плотность — 19,1 г/см 3 , [11] плотнее свинца (11,3 г/см 3 ), [12] но несколько менее плотен, чем вольфрам и золото (19,3 г/см 3 ). 3 ). [13] [14]
Металлический уран реагирует почти со всеми неметаллическими элементами (за исключением благородных газов ) и их соединениями , причем реакционная способность увеличивается с температурой. [15] Соляная и азотная кислоты растворяют уран, но неокисляющие кислоты, кроме соляной кислоты, очень медленно разъедают элемент. [9] В мелкодисперсном виде он может реагировать с холодной водой; На воздухе металлический уран покрывается темным слоем оксида урана . [10] Уран в рудах извлекается химическим путем и превращается в диоксид урана или другие химические формы, используемые в промышленности.
Уран-235 был первым изотопом, который оказался делящимся . Другие встречающиеся в природе изотопы являются делящимися, но не делящимися. При бомбардировке медленными нейтронами его изотоп уран-235 большую часть времени разделяется на два ядра меньшего размера, высвобождая энергию ядерной связи и больше нейтронов. Если слишком много этих нейтронов поглощается другими ядрами урана-235, происходит цепная ядерная реакция , которая приводит к тепловому выбросу или (в особых обстоятельствах) взрыву. В ядерном реакторе такая цепная реакция замедляется и контролируется нейтронным ядом , поглощающим часть свободных нейтронов. Такие материалы, поглощающие нейтроны, часто являются частью стержней управления реактором ( описание этого процесса управления реактором см. В физике ядерных реакторов ).
Всего лишь 15 фунтов (6,8 кг) урана-235 можно использовать для изготовления атомной бомбы. [16] Ядерное оружие, взорвавшееся над Хиросимой , под названием « Маленький мальчик» , основывалось на делении урана. Однако первая ядерная бомба (« Гаджет» , использованный в Тринити ), и бомба, взорванная над Нагасаки (« Толстяк »), обе были плутониевыми бомбами.
Металлический уран имеет три аллотропные формы: [17]
Основное применение урана в военном секторе — пенетраторы высокой плотности. Эти боеприпасы состоят из обедненного урана (DU), легированного на 1–2% другими элементами, такими как титан или молибден . [19] При высокой скорости удара плотность, твердость и пирофорность снаряда позволяют разрушать тяжелобронированные цели. Броню танка и другую съемную броню техники также можно укрепить пластинами из обедненного урана. Использование обедненного урана стало политически и экологически спорным после того, как использование таких боеприпасов США, Великобританией и другими странами во время войн в Персидском заливе и на Балканах подняло вопросы, касающиеся соединений урана, оставшихся в почве (см. Синдром войны в Персидском заливе ). [16]
Обедненный уран также используется в качестве защитного материала в некоторых контейнерах, используемых для хранения и транспортировки радиоактивных материалов. Хотя металл сам по себе радиоактивен, его высокая плотность делает его более эффективным, чем свинец, в остановке излучения от сильных источников, таких как радий . [9] Другие области применения обедненного урана включают противовесы для рулей самолетов, в качестве балласта для возвращаемых ракет и в качестве защитного материала. [10] Из-за своей высокой плотности этот материал встречается в инерциальных системах наведения и в гироскопических компасах . [10] Обедненный уран предпочтительнее металлов с такой же плотностью из-за его способности легко подвергаться механической обработке и литью, а также его относительно низкой стоимости. [20] Основным риском воздействия обедненного урана является химическое отравление оксидом урана , а не радиоактивность (уран является лишь слабым альфа-излучателем ).
На более поздних этапах Второй мировой войны , на протяжении всей холодной войны и в меньшей степени после нее уран-235 использовался в качестве расщепляющегося взрывчатого материала для производства ядерного оружия. Первоначально были построены два основных типа бомб деления: относительно простое устройство, использующее уран-235, и более сложный механизм, использующий плутоний-239, полученный из урана-238. Позже был создан гораздо более сложный и гораздо более мощный тип бомбы деления/синтеза ( термоядерное оружие ), в которой используется устройство на основе плутония, вызывающее ядерный синтез смеси трития и дейтерия . Такие бомбы заключены в корпус из неделящегося (необогащенного) урана, и они получают более половины своей мощности за счет деления этого материала быстрыми нейтронами в процессе ядерного синтеза. [21]
Основное использование урана в гражданском секторе — это топливо для атомных электростанций . Один килограмм урана-235 теоретически может произвести около 20 тераджоулей энергии (2 × 1013 джоулей ), при условии полного деления; столько же энергии , сколько 1,5 миллиона килограммов (1500 тонн ) угля . [8]
Коммерческие атомные электростанции используют топливо, которое обычно обогащено примерно до 3% урана-235. [8] Проекты CANDU и Magnox — единственные коммерческие реакторы, способные использовать необогащенное урановое топливо . Топливо, используемое в реакторах ВМС США , обычно высокообогащено ураном-235 (точные значения засекречены ). В реакторе-размножителе уран-238 также можно превратить в плутоний по следующей реакции: [10]
До (а иногда и после) открытия радиоактивности уран в основном использовался в небольших количествах для изготовления желтого стекла и глазурей для керамики, таких как урановое стекло и Fiestaware . [22]
Открытие и выделение радия в урановой руде (натурале) Марией Кюри положило начало развитию добычи урана для извлечения радия, который использовался для изготовления светящихся в темноте красок для циферблатов часов и самолетов. [23] [24] В результате в качестве отходов осталось огромное количество урана, поскольку для извлечения одного грамма радия требуется три тонны урана. Эти отходы были перенаправлены в стекольную промышленность, в результате чего урановые глазури стали очень дешевыми и доступными. Помимо гончарных глазурей, основная часть использования приходится на глазури из урановой плитки , включая обычную плитку для ванных комнат и кухонь, которая может быть зеленого, желтого, лилового , черного, синего, красного и других цветов.
Уран также использовался в фотохимических веществах (особенно нитрат урана в качестве тонера ) , [10] в нити накаливания для сценических осветительных ламп, [25] для улучшения внешнего вида зубных протезов , [26] и в кожевенной и деревообрабатывающей промышленности для удаления пятен и пятен. красители. Соли урана являются протравами шелка или шерсти. Уранилацетат и уранилформиат используются в качестве электронно-плотных «красителей» в просвечивающей электронной микроскопии , для повышения контрастности биологических препаратов в ультратонких срезах и при отрицательном окрашивании вирусов , изолированных клеточных органелл и макромолекул .
Открытие радиоактивности урана открыло новые научные и практические возможности использования этого элемента. Длительный период полураспада изотопа урана-238 (4,47 × 109 лет) делает его хорошо подходящим для использования при оценке возраста самых ранних магматических пород и для других типов радиометрического датирования , включая уран-ториевое датирование , уран-свинцовое датирование и уран-урановое датирование . Металлический уран используется в качестве мишеней для рентгеновских лучей при получении рентгеновских лучей высокой энергии. [10]
Использование урана в форме естественного оксида восходит как минимум к 79 году нашей эры , когда его использовали в Римской империи для придания желтого цвета керамической глазури. [10] Желтое стекло с 1% оксида урана было найдено на римской вилле на мысе Позиллипо в Неаполитанском заливе , Италия, Р. Т. Гюнтером из Оксфордского университета в 1912 году . [27] Начиная с позднего средневековья , настуран был добывался на серебряных рудниках Габсбургов в Иоахимстале , Богемия (ныне Яхимов в Чешской Республике), и использовался в качестве красителя в местной стекольной промышленности. [28] В начале 19 века единственными известными в мире источниками урановой руды были эти рудники. Добыча урана в Рудных горах с немецкой стороны прекратилась после окончания холодной войны и ликвидации SDAG Wismut . С чешской стороны во время ценового пузыря на уран в 2007 году предпринимались попытки возобновить добычу, но от них быстро отказались после падения цен на уран. [29] [30]
Открытие элемента приписывают немецкому химику Мартину Генриху Клапроту . Работая в своей экспериментальной лаборатории в Берлине в 1789 году, Клапрот смог осадить желтое соединение (вероятно, диуранат натрия ), растворив настуран в азотной кислоте и нейтрализовав раствор гидроксидом натрия . [28] Клапрот предположил, что желтое вещество было оксидом еще не открытого элемента, и нагрел его с древесным углем , чтобы получить черный порошок, который, как он думал, был самим недавно открытым металлом (на самом деле этот порошок был оксидом урана). [28] [31] Он назвал недавно открытый элемент в честь планеты Уран (названной в честь древнегреческого бога неба ), которая была открыта восемью годами ранее Уильямом Гершелем . [32]
В 1841 году Эжен-Мельхиор Пелиго , профессор аналитической химии Национальной консерватории искусств и ремесел (Центральной школы искусств и мануфактур) в Париже , выделил первый образец металлического урана путем нагревания тетрахлорида урана с калием . [28] [33]
Анри Беккерель открыл радиоактивность , используя уран в 1896 году. [15] Беккерель сделал это открытие в Париже, оставив образец соли урана K 2 UO 2 (SO 4 ) 2 (уранилсульфат калия) поверх неэкспонированной фотографической пластинки. в ящике стола и заметил, что тарелка «запотела». [34] Он определил, что пластина обнажилась под действием невидимого света или лучей, испускаемых ураном.
Во время Первой мировой войны, когда Центральные державы испытывали нехватку молибдена для изготовления стволов артиллерийских орудий и быстрорежущих инструментальных сталей, они обычно использовали ферроурановый сплав в качестве заменителя, поскольку он обладает многими из тех же физических характеристик, что и молибден. Когда в 1916 году об этой практике стало известно, правительство США обратилось к нескольким известным университетам с просьбой провести исследование по использованию урана в производстве и металлообработке. Инструменты, изготовленные по этим формулам, использовались в течение нескольких десятилетий, [35] [36] до тех пор, пока Манхэттенский проект и холодная война не создали большой спрос на уран для исследований в области деления и разработки оружия.
Группа под руководством Энрико Ферми в 1934 году заметила, что бомбардировка урана нейтронами приводит к испусканию бета-лучей ( электронов или позитронов из образующихся элементов; см. Бета-частицы ). [37] Продукты деления сначала были ошибочно приняты за новые элементы с атомными номерами 93 и 94, которые декан Римского факультета Орсо Марио Корбино окрестил аузонием и гесперием соответственно. [38] [39] [40] [41] Эксперименты, приведшие к открытию способности урана делиться (распадаться) на более легкие элементы и высвобождать энергию связи , были проведены Отто Ханом и Фрицем Штрассманом [37] в лаборатории Хана в Берлине. . Лиза Мейтнер и ее племянник, физик Отто Роберт Фриш , опубликовали физическое объяснение в феврале 1939 года и назвали этот процесс « расщеплением ядра ». [42] Вскоре после этого Ферми выдвинул гипотезу, что при делении урана может высвободиться достаточное количество нейтронов для поддержания реакции деления. Подтверждение этой гипотезы пришло в 1939 году, а более поздние работы показали, что в среднем при каждом делении редкого изотопа урана урана-235 высвобождается около 2,5 нейтронов. [37] Ферми призвал Альфреда О.К. Ниера разделить изотопы урана для определения делящегося компонента, и 29 февраля 1940 года Ниер использовал прибор, который он построил в Университете Миннесоты, для разделения первого в мире образца урана-235 в лаборатории Тейт. Используя циклотрон Колумбийского университета , Джон Даннинг 1 марта подтвердил, что образец представляет собой изолированный делящийся материал. [43] Дальнейшие исследования показали, что гораздо более распространенный изотоп урана-238 может быть преобразован в плутоний, который, как и уран-235, также расщепляется тепловыми нейтронами. Эти открытия побудили многие страны начать работу над разработкой ядерного оружия и ядерной энергетики . Несмотря на то, что деление было обнаружено в Германии, военный проект немецкого Uranverein («Урановый клуб») по исследованию ядерной энергетики и/или оружия был затруднен из-за ограниченности ресурсов, распрей, изгнания или неучастия нескольких выдающихся ученых в этой области и нескольких критические ошибки, такие как неспособность учесть примеси в доступных образцах графита, из-за чего он казался менее подходящим в качестве замедлителя нейтронов.чем это есть на самом деле. Попытки Германии построить реактор на природном уране и тяжелой воде еще не приблизились к критичности к тому времени, когда американцы достигли Хайгерлоха , места последнего немецкого эксперимента с реактором военного времени. [44]
2 декабря 1942 года в рамках Манхэттенского проекта другая группа под руководством Энрико Ферми смогла инициировать первую искусственную самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию — Чикаго-Пайл-1 . От первоначального плана использования обогащенного урана-235 отказались, поскольку он еще не был доступен в достаточных количествах. [45] Работая в лаборатории под трибунами Стагг-Филд в Чикагском университете , команда создала условия, необходимые для такой реакции, сложив вместе 360 тонн графита , 53 тонны оксида урана и 5,5 тонн металлического урана. большая часть из которых была поставлена компанией Westinghouse Lamp Plant в рамках импровизированного производства. [37] [46]
Два основных типа атомных бомб были разработаны Соединенными Штатами во время Второй мировой войны : устройство на основе урана (под кодовым названием « Маленький мальчик »), делящимся материалом которого был высокообогащенный уран , и устройство на основе плутония ( см . Человек »), плутоний которого был получен из урана-238. Устройство «Маленький мальчик» на основе урана стало первым ядерным оружием, использованным в войне, когда оно было взорвано над японским городом Хиросима 6 августа 1945 года. Взрыв с мощностью, эквивалентной 12 500 тоннам тринитротолуола , уничтожил взрывную и тепловую волну бомбы. около 50 000 зданий и погибло около 75 000 человек (см. Атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки ). [34] Первоначально считалось, что уран относительно редок и что распространения ядерного оружия можно избежать, просто скупив все известные запасы урана, но в течение десятилетия крупные его месторождения были обнаружены во многих местах по всему миру. [47]
Графитовый реактор X-10 в Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) в Ок-Ридже, штат Теннесси, ранее известный как реактор Клинтона и блок X-10, был вторым в мире искусственным ядерным реактором (после Чикагского реактора Энрико Ферми) и первым Реактор спроектирован и построен для непрерывной работы. Экспериментальный реактор-размножитель I Аргоннской национальной лаборатории , расположенный на Национальной испытательной станции реакторов Комиссии по атомной энергии недалеко от Арко, штат Айдахо , стал первым ядерным реактором, выработавшим электричество 20 декабря 1951 года. [48] Первоначально были установлены четыре 150-ваттные лампочки. освещался реактором, но улучшения в конечном итоге позволили обеспечить энергией весь объект (позже город Арко стал первым в мире, вся электроэнергия которого вырабатывалась за счет ядерной энергии, вырабатываемой BORAX-III , еще одним реактором, спроектированным и эксплуатируемым Аргоннской компанией ). Национальная лаборатория ). [49] [50] Первая в мире атомная электростанция коммерческого масштаба, Обнинск в Советском Союзе , начала выработку энергии с помощью реактора АМ-1 27 июня 1954 года. Другими ранними атомными электростанциями были Колдер-Холл в Англии, которая начала выработку энергии 17 июня 1954 года. Октябрь 1956 года, [51] и атомная электростанция Шиппорт в Пенсильвании , строительство которой началось 26 мая 1958 года. Ядерная энергия была впервые использована для движения подводной лодки USS Nautilus в 1954 году. [37] [ 52]
В 1972 году французский физик Фрэнсис Перрен обнаружил пятнадцать древних и уже вышедших из строя природных ядерных реакторов в трех отдельных рудных месторождениях на руднике Окло в Габоне , Западная Африка , известных под общим названием « Ископаемые реакторы Окло ». Возраст месторождения руды составляет 1,7 миллиарда лет; тогда уран-235 составлял около 3% от общего количества урана на Земле. [53] Этого достаточно для того, чтобы могла произойти устойчивая цепная реакция ядерного деления, при условии, что существуют другие поддерживающие условия. Способность окружающих отложений содержать опасные для здоровья ядерные отходы была названа федеральным правительством США в качестве подтверждающего доказательства возможности хранения отработанного ядерного топлива в хранилище ядерных отходов Юкка-Маунтин . [53]
Наземные ядерные испытания , проведенные Советским Союзом и Соединенными Штатами в 1950-х и начале 1960-х годов, а также Францией в 1970-х и 1980-х годах [20], привели к распространению значительного количества осадков дочерних изотопов урана по всему миру. [54] Дополнительные осадки и загрязнение произошли в результате нескольких ядерных аварий . [55]
Шахтеры урана имеют более высокий уровень заболеваемости раком . Например, документально подтвержден повышенный риск рака легких среди добытчиков урана навахо , который связан с их профессией. [56] Закон о компенсации за радиационное воздействие , принятый в США в 1990 году, требовал 100 000 долларов США в виде «выплат сострадания» шахтерам урана, у которых диагностирован рак или другие респираторные заболевания. [57]
Во время Холодной войны между Советским Союзом и Соединенными Штатами были накоплены огромные запасы урана и созданы десятки тысяч ядерных боеголовок с использованием обогащенного урана и плутония, полученного из урана. После распада Советского Союза в 1991 году примерно 600 коротких тонн (540 метрических тонн) высокообогащенного урана оружейного качества (достаточно для изготовления 40 000 ядерных боеголовок) хранилось на зачастую недостаточно охраняемых объектах в Российской Федерации и нескольких странах. другие бывшие советские государства. [16] Полиция в Азии , Европе и Южной Америке как минимум 16 раз в период с 1993 по 2005 год перехватывала контрабандные партии урана или плутония, пригодных для производства бомб, большая часть которых поступала из бывших советских источников. [16] С 1993 по 2005 год Программа защиты, контроля и учета материалов, реализуемая федеральным правительством США , потратила около 550 миллионов долларов США на помощь в защите запасов урана и плутония в России. Эти деньги были использованы для усовершенствований и повышения безопасности исследовательских и складских помещений. [16]
Безопасность ядерных объектов в России значительно улучшилась после стабилизации политических и экономических потрясений начала 1990-х годов. Например, в 1993 году произошло 29 инцидентов, имеющих рейтинг выше 1 по Международной шкале ядерных событий , а в 1995–2003 годах это число упало ниже четырех в год. Примерно в 2000 году количество сотрудников, получающих годовые дозы радиации выше 20 мЗв , что эквивалентно однократному компьютерному сканированию всего тела [58] , резко сократилось. В ноябре 2015 года правительство России утвердило федеральную программу по ядерной и радиационной безопасности. на 2016–2030 годы с бюджетом 562 млрд рублей (около 8 млрд долларов). Ее ключевой вопрос - "отложенные обязательства, накопленные за 70 лет существования атомной отрасли, особенно во времена Советского Союза". Примерно 73% бюджета будет потрачено на вывод из эксплуатации устаревших ядерных реакторов и ядерных объектов, особенно задействованных в государственных оборонных программах; 20% пойдет на переработку и утилизацию ядерного топлива и радиоактивных отходов, 5% - на контроль и обеспечение ядерной и радиационной безопасности. [59]
Наряду со всеми элементами, имеющими атомный вес выше, чем у железа , уран естественным образом образуется только в результате r-процесса (быстрого захвата нейтронов) при слиянии сверхновых и нейтронных звезд . [60] Первичные торий и уран производятся только в r-процессе, поскольку s-процесс (медленный захват нейтронов) слишком медленный и не может пройти промежуток нестабильности после висмута. [61] [62] Помимо двух существующих первичных изотопов урана, 235 U и 238 U, r-процесс также произвел значительные количества 236 U , который имеет более короткий период полураспада и поэтому является вымершим радионуклидом , давно распавшимся. полностью до 232 тыс. Уран-236 сам был обогащен в результате распада 244 Pu , что объясняет наблюдаемое более высокое, чем ожидалось, содержание тория и более низкое, чем ожидалось, содержание урана. [63] Хотя естественное изобилие урана было дополнено распадом вымерших 242 Pu (период полураспада 0,375 миллиона лет) и 247 Cm (период полураспада 16 миллионов лет), в результате чего образовались 238 U и 235 U соответственно, это произошло почти в незначительной степени из-за более короткого периода полураспада этих родителей и их более низкой продукции, чем 236 U и 244 Pu, родителей тория: соотношение 247 Cm: 235 U при формировании Солнечной системы было(7,0 ± 1,6) × 10 −5 . [64]
Уран — это природный элемент, который в небольших количествах можно найти во всех камнях, почве и воде. Уран — 51-й элемент по распространенности в земной коре. Уран также является элементом с самым высоким номером, который естественным образом встречается в значительных количествах на Земле, и почти всегда встречается в сочетании с другими элементами. [10] Распад урана, тория и калия-40 в мантии Земли считается основным источником тепла [65] [66] , который удерживает внешнее ядро Земли в жидком состоянии и вызывает мантийную конвекцию , которая в поворот приводит к тектонике плит .
Средняя концентрация урана в земной коре составляет (в зависимости от источника) от 2 до 4 частей на миллион [9] [20] или примерно в 40 раз больше, чем серебра . [15] По расчетам, земная кора от поверхности до глубины 25 км (15 миль) содержит 10 17 кг (2 × 1017 фунтов) урана, тогда как в океанах может содержаться 10 13 кг (2 × 1013 фунтов). [9] Концентрация урана в почве колеблется от 0,7 до 11 частей на миллион (до 15 частей на миллион в почве сельскохозяйственных угодий из-за применения фосфорных удобрений ), [67] а его концентрация в морской воде составляет 3 части на миллиард. [20]
Урана больше, чем сурьмы , олова , кадмия , ртути или серебра, и его примерно так же много, как мышьяка или молибдена . [10] [20] Уран встречается в сотнях минералов, включая уранинит (наиболее распространенная урановая руда ), карнотит , аутунит , уранофан , торбернит и коффинит . [10] Значительные концентрации урана встречаются в некоторых веществах, таких как месторождения фосфоритных пород и минералах, таких как бурый уголь и монацитовые пески в богатых ураном рудах [10] (он добывается в промышленных масштабах из источников с содержанием всего лишь 0,1% урана [15] ] ).
Некоторые бактерии, такие как Shewanella putrefaciens , Geobacter metallireducens и некоторые штаммы Burkholderia fungorum , используют уран для своего роста и превращают U(VI) в U(IV). [68] [69] Недавние исследования показывают, что этот путь включает восстановление растворимого U(VI) через промежуточное пятивалентное состояние U(V). [70] [71] Другие организмы, такие как лишайник Trapelia involuta или микроорганизмы , такие как бактерия Citrobacter , могут поглощать концентрации урана, которые до 300 раз превышают уровень их окружающей среды. [72] Виды Citrobacter поглощают ионы уранила при введении фосфата глицерина (или других подобных органических фосфатов). Через день один грамм бактерий может покрыться девятью граммами кристаллов уранилфосфата; это создает возможность того, что эти организмы могут быть использованы в биоремедиации для обеззараживания воды, загрязненной ураном. [28] [73] Также было показано, что протеобактерия Geobacter биовосстанавливает уран в грунтовых водах. [74] Микоризный гриб Glomus interradices увеличивает содержание урана в корнях своего симбиотического растения. [75]
В природе уран(VI) образует хорошо растворимые карбонатные комплексы при щелочном pH. Это приводит к увеличению мобильности и доступности урана в грунтовые воды и почву из ядерных отходов, что приводит к опасности для здоровья. Однако трудно осаждать уран в виде фосфата в присутствии избытка карбоната при щелочном pH. Sphingomonas sp . Было обнаружено, что штамм BSAR-1 экспрессирует высокоактивную щелочную фосфатазу (PhoK), которая применяется для биоосаждения урана в виде уранилфосфатных форм из щелочных растворов. Способность к осаждению усиливалась за счет сверхэкспрессии белка PhoK в E.coli . [76]
Растения поглощают некоторое количество урана из почвы. Концентрация сухого веса урана в растениях колеблется от 5 до 60 частей на миллиард, а зола от сгоревшей древесины может иметь концентрацию до 4 частей на миллион. [28] Концентрация урана в сухом весе в пищевых растениях обычно ниже: от одного до двух микрограммов в день поступает с пищей, которую едят люди. [28]
Мировое производство урана в 2021 году составило 48 332 тонны , из них 21 819 тонн (45%) было добыто в Казахстане . Другими важными странами по добыче урана являются Намибия (5753 т), Канада (4693 т), Австралия (4192 т), Узбекистан (3500 т) и Россия (2635 т). [77]
Урановую руду добывают несколькими способами: открытым , подземным , подземным выщелачиванием и скважинной добычей (см. Добыча урана ). [8] Добытая низкосортная урановая руда обычно содержит от 0,01 до 0,25% оксидов урана. Необходимо принять обширные меры для извлечения металла из руды. [78] Высокосортные руды, обнаруженные на месторождениях бассейна Атабаска в Саскачеване , Канада, могут содержать в среднем до 23% оксидов урана. [79] Урановую руду измельчают и превращают в мелкий порошок, а затем выщелачивают кислотой или щелочью . Фильтрат подвергается одной из нескольких последовательностей осаждения, экстракции растворителем и ионного обмена . Полученная смесь, называемая желтым кеком , содержит не менее 75% оксидов урана U 3 O 8 . Затем желтый жмых прокаливают для удаления примесей, образовавшихся в процессе измельчения, перед рафинированием и переработкой. [80]
Технический уран можно получить восстановлением галогенидов урана щелочными или щелочноземельными металлами . [10] Металлический уран также можно получить электролизом КУФ .
5или УФ4, растворенный в расплавленном хлориде кальция ( Ca Cl
2) и раствор хлорида натрия ( NaCl ). [10] Очень чистый уран получают путем термического разложения галогенидов урана на горячей нити. [10]
![Мировое производство урана (рудники) и спрос[77]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/75/U_production-demand.png/1280px-U_production-demand.png)
![Производство урана, 2015 г., тонн[81]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9a/Uranium_production,_OWID.svg/1280px-Uranium_production,_OWID.svg.png)
По оценкам, 6,1 миллиона тонн урана находится в запасах руды, которые являются экономически выгодными при цене 130 долларов США за кг урана [82] , а 35 миллионов тонн классифицируются как минеральные ресурсы (разумные перспективы возможной экономической добычи). [83]
Австралия обладает 28% известных мировых запасов урановой руды [82] , а крупнейшее в мире месторождение урана расположено на шахте Олимпик-Дэм в Южной Австралии . [84] Значительные запасы урана имеются в Бакуме , субпрефектуре префектуры Мбому в Центральноафриканской Республике . [85]
Некоторое количество урана также происходит из демонтированного ядерного оружия. [86] Например, в 1993–2013 годах Россия поставила Соединенным Штатам 15 000 тонн низкообогащенного урана в рамках программы «Мегатонны в мегаватты» . [87]
По оценкам, еще 4,6 миллиарда тонн урана растворено в морской воде ( японские ученые в 1980-х годах показали, что извлечение урана из морской воды с помощью ионообменников технически осуществимо). [88] [89] Были эксперименты по извлечению урана из морской воды, [90] но выход был низким из-за карбоната, присутствующего в воде. В 2012 году исследователи ORNL объявили об успешной разработке нового абсорбирующего материала, получившего название HiCap, который удерживает на поверхности твердые или газообразные молекулы, атомы или ионы, а также эффективно удаляет токсичные металлы из воды, согласно результатам, подтвержденным исследователями из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. [91] [92]
В 2005 году на долю десяти стран приходилось большая часть мировых концентрированных оксидов урана: Канада (27,9%), Австралия (22,8%), Казахстан (10,5%), Россия (8,0%), Намибия (7,5%), Нигер (7,4%). ), Узбекистан (5,5%), США (2,5%), Аргентина (2,1%) и Украина (1,9%). [94] В 2008 году прогнозировалось, что Казахстан увеличит добычу и станет крупнейшим в мире поставщиком урана к 2009 году. [95] [96] Прогноз сбылся, и Казахстан действительно доминирует на мировом урановом рынке с 2010 года. В 2021 году его доля составила 45,1%, за ней следуют Намибия (11,9%), Канада (9,7%), Австралия (8,7%), Узбекистан (7,2%), Нигер (4,7%), Россия (5,5%), Китай (3,9%), Индия (1,3%). %), Украина (0,9%) и Южная Африка (0,8%) с общим мировым производством 48 332 тонны. [77] Большая часть урана добывалась не путем традиционной подземной добычи руд (29% добычи), а путем подземного выщелачивания (66%). [77] [97]
В конце 1960-х годов геологи ООН также обнаружили крупные месторождения урана и другие запасы редких полезных ископаемых в Сомали . Находка была крупнейшей в своем роде: эксперты отрасли оценили эти месторождения в более чем 25% известных на тот момент мировых запасов урана в 800 000 тонн. [98]
Предполагается, что конечного доступного предложения будет достаточно, по крайней мере, на следующие 85 лет, [83] хотя некоторые исследования показывают, что недостаточные инвестиции в конце двадцатого века могут привести к проблемам с поставками в XXI веке. [99] Залежи урана имеют логарифмически нормальное распределение. На каждое десятикратное снижение содержания руды количество извлекаемого урана увеличивается в 300 раз. [100] Другими словами, имеется мало руды с высоким содержанием и пропорционально гораздо больше руды с низким содержанием.
Прокаленный желтый кек урана, производимый на многих крупных заводах, содержит различные формы окисленного урана, от наиболее окисленных до наименее окисленных. Частицы с коротким временем пребывания в кальцинаторе обычно менее окислены, чем частицы с длительным временем пребывания или частицы, извлеченные в скруббере. Содержание урана обычно обозначается как U.
3О
8, который относится ко временам Манхэттенского проекта , когда У.
3О
8использовался в качестве стандарта отчетности по аналитической химии. [101]
Фазовые взаимоотношения в системе уран-кислород сложны. Наиболее важными степенями окисления урана являются уран(IV) и уран(VI), а двумя соответствующими оксидами являются соответственно диоксид урана ( UO
2) и триоксид урана ( UO
3). [102] Другие оксиды урана , такие как монооксид урана (UO), пятиокись диурана ( U
2О
5) и пероксид урана ( UO
4·2 часа
2О ) тоже существуют.
Наиболее распространенными формами оксида урана являются окись триурана ( U
3О
8) и УО
2. [103] Обе формы оксида представляют собой твердые вещества, которые имеют низкую растворимость в воде и относительно стабильны в широком диапазоне условий окружающей среды. Ококсид триурана (в зависимости от условий) является наиболее стабильным соединением урана и является формой, наиболее часто встречающейся в природе. Диоксид урана — это форма, в которой уран чаще всего используется в качестве топлива для ядерных реакторов. [103] При температуре окружающей среды UO
2постепенно преобразуется в U
3О
8. Из-за своей стабильности оксиды урана обычно считаются предпочтительной химической формой для хранения или утилизации. [103]
Соли многих степеней окисления урана растворимы в воде и могут быть изучены в водных растворах . Наиболее распространенными ионными формами являются U3+
(коричнево-красный), У4+
(зеленый), УО+
2(нестабильный), и UO2+
2(желтый) для U(III), U(IV), U(V) и U(VI) соответственно. [104] Несколько твердых и полуметаллических соединений, таких как UO и US, существуют для формальной степени окисления урана (II), но не известно, что в растворе для этого состояния существуют простые ионы. Ионы U3+
выделяют водород из воды и поэтому считаются очень нестабильными. УО _2+
2Ион представляет собой состояние урана (VI) и, как известно, образует такие соединения, как уранилкарбонат , уранилхлорид и уранилсульфат . УО2+
2также образует комплексы с различными органическими хелатирующими агентами, наиболее часто встречающимся из которых является уранилацетат . [104]
В отличие от ураниловых солей урана и катионных форм многоатомного иона оксида урана, уранаты , соли, содержащие многоатомный анион оксида урана, обычно не растворимы в воде.
Взаимодействие карбонат-анионов с ураном(VI) приводит к сильному изменению диаграммы Пурбе при переходе от воды к раствору, содержащему карбонат. Хотя подавляющее большинство карбонатов нерастворимы в воде (студентов часто учат, что все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов, нерастворимы в воде), карбонаты урана часто растворимы в воде. Это связано с тем, что катион U(VI) способен связывать два концевых оксида и три или более карбоната с образованием анионных комплексов.
Диаграммы фракций урана в присутствии карбоната иллюстрируют это еще раз: когда pH раствора урана (VI) увеличивается, уран превращается в гидратированный гидроксид оксида урана, а при высоких значениях pH он становится анионным гидроксидным комплексом.
При добавлении карбоната уран превращается в ряд карбонатных комплексов при повышении pH. Одним из последствий этих реакций является повышенная растворимость урана в диапазоне pH от 6 до 8, и этот факт имеет прямое отношение к долгосрочной стабильности отработанного ядерного топлива на основе диоксида урана.
Металлический уран, нагретый до 250–300 °C (от 482 до 572 °F), реагирует с водородом с образованием гидрида урана . Даже более высокие температуры будут обратимо удалять водород. Это свойство делает гидриды урана удобными исходными материалами для создания реактивного уранового порошка наряду с различными карбидами , нитридами и галогенидами урана . [106] Существуют две кристаллические модификации гидрида урана: α-форма, которая получается при низких температурах, и β-форма, которая образуется, когда температура образования превышает 250 °C. [106]
Карбиды и нитриды урана представляют собой относительно инертные полуметаллические соединения, минимально растворимые в кислотах , реагирующие с водой и способные воспламеняться на воздухе с образованием U.
3О
8. [106] Карбиды урана включают монокарбид урана (UC ) , дикарбид урана ( UC
2) и трикарбид диурана ( U
2С
3). И UC, и UC
2образуются при добавлении углерода к расплавленному урану или при воздействии на металл окиси углерода при высоких температурах. Стабильно ниже 1800 °C, U
2С
3готовят путем нагревания смеси UC и UC
2к механическому воздействию. [107] Нитриды урана, полученные прямым воздействием азота на металл, включают мононитрид урана (UN), динитрид урана ( UN
2) и тринитрид диурана ( U
2Н
3). [107]
Все фториды урана создаются с использованием тетрафторида урана ( UF
4); УФ
4сам получают гидрофторированием диоксида урана. [106] Снижение УФ
4с водородом при 1000 ° C дает трифторид урана ( UF
3). При правильных условиях температуры и давления реакция твердого UF
4с газообразным гексафторидом урана ( UF
6) могут образовывать промежуточные фториды U
2Ф
9, У
4Ф
17и УФ
5. [106]
При комнатной температуре УФ
6имеет высокое давление паров , что делает его полезным в процессе газовой диффузии для отделения редкого урана-235 от обычного изотопа урана-238. Это соединение можно получить из диоксида урана и гидрида урана следующим способом: [106]
Полученный УФ
6, белое твердое вещество, обладает высокой реакционной способностью (за счет фторирования), легко сублимируется (выделяя пар, который ведет себя как почти идеальный газ ) и является наиболее летучим из известных соединений урана. [106]
Один из способов получения тетрахлорида урана ( UCl
4) заключается в прямом соединении хлора с металлическим ураном или гидридом урана. Снижение UCl
4под действием водорода образуется трихлорид урана ( UCl
3), тогда как высшие хлориды урана получают реакцией с дополнительным хлором. [106] Все хлориды урана реагируют с водой и воздухом.
Бромиды и йодиды урана образуются при прямой реакции соответственно брома и йода с ураном или при добавлении UH.
3к кислотам этого элемента. [106] Известные примеры включают: UBr.
3, УБр
4, пользовательский интерфейс
3и пользовательский интерфейс
4. пользовательский интерфейс
5никогда не готовился. Оксигалогениды урана водорастворимы и включают UO .
2Ф
2, УОКл
2, УО
2кл
2и УО
2Бр
2. Стабильность оксигалогенидов снижается по мере увеличения атомного веса галогенидного компонента. [106]
Уран, как и все элементы с атомным номером более 82, не имеет стабильных изотопов . Все изотопы урана радиоактивны , поскольку сильное ядерное взаимодействие не преобладает над электромагнитным отталкиванием в нуклидах, содержащих более 82 протонов. [108] Тем не менее, два наиболее стабильных изотопа, уран-238 и уран-235, имеют период полураспада, достаточно длинный, чтобы встречаться в природе в виде первичных радионуклидов , причем измеримые количества сохранились со времени образования Земли. [109] Эти два нуклида , наряду с торием-232 , являются единственными подтвержденными первичными нуклидами, более тяжелыми, чем почти стабильный висмут-209 . [5] [110]
Природный уран состоит из трех основных изотопов: уран-238 (природное содержание 99,28%), уран-235 (0,71%) и уран-234 (0,0054%). Есть также пять других следовых изотопов: уран-240, продукт распада плутония-244 ; [110] уран-239, который образуется в результате спонтанного деления 238 U с высвобождением нейтронов, которые захватываются другим атомом 238 U; уран-237, который образуется, когда 238 U захватывает нейтрон, но испускает еще два, которые затем распадаются на нептуний-237 ; уран-236 , который встречается в следовых количествах вследствие захвата нейтронов на 235 U и как продукт распада плутония-244; [110] и, наконец, уран-233 , образующийся в цепочке распада нептуния-237. Кроме того, уран-232 будет производиться в результате двойного бета-распада природного тория-232 , хотя этот энергетически возможный процесс никогда не наблюдался. [113]
Уран-238 — наиболее стабильный изотоп урана с периодом полураспада около4,463 × 10 9 лет, [5] примерно столько же, сколько возраст Земли . Уран-238 является преимущественно альфа-излучателем и распадается до тория-234. В конечном итоге он распадается по урановому ряду , состоящему из 18 членов, на свинец-206 . [15] Уран-238 не расщепляется, но является воспроизводящим изотопом, поскольку после нейтронной активации он может превращаться в плутоний-239, еще один делящийся изотоп. Действительно, ядро 238 U может поглотить один нейтрон с образованием радиоактивного изотопа урана-239 . 239 U распадается путем бета-излучения до нептуния -239, также бета-излучателя, который, в свою очередь, в течение нескольких дней распадается на плутоний-239. 239 Pu использовался в качестве расщепляющегося материала в первой атомной бомбе , взорванной в ходе «испытания Тринити» 16 июля 1945 года в Нью-Мексико . [37]
Уран-235 имеет период полураспада около7,04 × 10 8 лет; это следующий по стабильности изотоп урана после 238 U, а также преимущественно альфа-излучатель, распадающийся до тория-231. [5] Уран-235 важен как для ядерных реакторов , так и для ядерного оружия , поскольку это единственный изотоп урана, существующий в природе на Земле в сколько-нибудь значительном количестве и являющийся делящимся. Это означает, что его можно разделить на два или три фрагмента ( продукта деления ) тепловыми нейтронами. [15] Цепочка распада 235 U, называемая актиниевой серией , состоит из 15 членов и в конечном итоге распадается на свинец-207. [15] Постоянные скорости распада в этих сериях распада делают сравнение соотношений родительских и дочерних элементов полезным при радиометрическом датировании.
Уран-236 имеет период полураспада2,342 × 10 7 лет [5] и в значительных количествах в природе не встречается. Период полураспада урана-236 слишком короток, чтобы считать его первичным, хотя он был идентифицирован как вымерший прародитель своей дочери альфа-распада, тория-232. [63] Уран-236 встречается в отработавшем ядерном топливе , когда захват нейтронов на 235 U не вызывает деления, или в виде продукта распада плутония-240 . Уран-236 не является плодородным, поскольку для производства делящегося плутония -239 требуются еще три нейтронных захвата , и сам он не является делящимся; как таковой он считается долгоживущими радиоактивными отходами. [114]
Уран-234 является членом уранового ряда и находится в равновесии со своим прародителем 238 U; он подвергается альфа-распаду с периодом полураспада 245 500 лет [5] и распадается на свинец-206 через ряд относительно короткоживущих изотопов.
Уран-233 подвергается альфа-распаду с периодом полураспада 160 000 лет и, как и 235 U, делится. [10] Его можно получить из тория-232 посредством нейтронной бомбардировки, обычно в ядерном реакторе; этот процесс известен как ториевый топливный цикл . Из-за делимости 233 U и большей природной распространенности тория (в три раза больше, чем урана), [115] 233 U исследовался на предмет использования в качестве ядерного топлива в качестве возможной альтернативы 235 U и 239 Pu, [116] хотя по состоянию на 2022 год не получил широкого распространения [обновлять]. [115] Цепочка распада урана-233 является частью ряда нептуния и заканчивается почти стабильным висмутом-209 (период полураспада2,01 × 10 19 лет ) [5] и стабильный таллий -205.
Уран-232 является альфа-излучателем с периодом полураспада 68,9 лет. [5] Этот изотоп производится как побочный продукт при производстве 233 U и считается нежелательным, поскольку он не делится и распадается с образованием короткоживущих альфа- и гамма-излучателей , таких как 208 Tl . [116] Также ожидается, что торий-232 должен быть способен подвергаться двойному бета-распаду , в результате которого будет образовываться уран-232, но экспериментально это еще не наблюдалось. [5]
Все изотопы от 232 U до 236 U включительно имеют незначительные ветви кластерного распада (менее10–10 %), и все эти бруски 233 U, помимо 238 U, имеют незначительные ветви спонтанного деления ; [5] наибольший коэффициент ветвления при спонтанном делении составляет около5 × 10 −5 % для 238 U, или примерно один из двух миллионов распадов. [117] Короткоживущие следовые изотопы 237 U и 239 U подвергаются исключительно бета-распаду с периодом полураспада соответственно 6,752 дня и 23,45 минуты. [5]
Всего идентифицировано 28 изотопов урана с массовым числом от 214 [118] до 242, за исключением 220. [5] [119] Среди изотопов урана, не обнаруженных в природных образцах или ядерном топливе, самый длинный -жил — 230 U, альфа-излучатель с периодом полураспада 20,23 дня. [5] Этот изотоп рассматривался для использования в таргетной терапии альфа-частицами (ТАТ). [120] Все остальные изотопы имеют период полураспада менее одного часа, за исключением 231 U (период полураспада 4,2 дня) и 240 U (период полураспада 14,1 часа). [5] Самым короткоживущим известным изотопом является 221 U с периодом полураспада 660 наносекунд, и ожидается, что до сих пор неизвестный 220 U имеет еще более короткий период полураспада. [121] Богатые протонами изотопы легче, чем 232 U, в основном подвергаются альфа-распаду, за исключением 229 U и 231 U, которые распадаются на изотопы протактиния посредством эмиссии позитронов и захвата электронов соответственно; богатые нейтронами 240 U, 241 U и 242 U подвергаются бета-распаду с образованием изотопов нептуния . [5] [119]
В природе уран встречается в виде урана-238 (99,2742%) и урана-235 (0,7204%). Разделение изотопов концентрирует (обогащает) делящийся уран-235 для ядерного оружия и большинства атомных электростанций, за исключением газоохлаждаемых реакторов и тяжеловодных реакторов под давлением . Большинство нейтронов, высвобождаемых делящимся атомом урана-235, должны воздействовать на другие атомы урана-235, чтобы поддержать цепную ядерную реакцию . Концентрация и количество урана-235, необходимые для достижения этого, называются « критической массой ».
Чтобы считаться «обогащенной», доля урана-235 должна составлять от 3% до 5%. [122] В результате этого процесса производятся огромные количества урана, обедненного ураном-235 и соответственно увеличенной долей урана-238, называемой обедненным ураном или «ОУ». Чтобы считаться «обедненным», концентрация изотопа урана-235 должна составлять не более 0,3%. [123] Цена на уран выросла с 2001 года, поэтому хвосты обогащения, содержащие более 0,35% урана-235, рассматриваются для повторного обогащения, в результате чего цена на обедненный гексафторид урана превысила 130 долларов за килограмм в июле 2007 года с 5 долларов в 2001 году. [123]
Процесс газовой центрифуги , при котором образуется газообразный гексафторид урана ( UF
6) разделяется по разнице молекулярной массы между 235 UF 6 и 238 UF 6 с использованием высокоскоростных центрифуг , является самым дешевым и ведущим процессом обогащения. [34] Процесс газовой диффузии был ведущим методом обогащения и использовался в Манхэттенском проекте . В этом процессе гексафторид урана многократно диффундирует через серебряно - цинковую мембрану , а различные изотопы урана разделяются по скорости диффузии (поскольку уран-238 тяжелее, он диффундирует немного медленнее, чем уран-235). [34] Метод молекулярного лазерного разделения изотопов использует лазерный луч точной энергии для разрыва связи между ураном-235 и фтором. Это оставляет уран-238 связанным с фтором и позволяет металлическому урану-235 выпадать в осадок из раствора. [8] Альтернативный лазерный метод обогащения известен как лазерное разделение изотопов на атомном паре (AVLIS) и использует перестраиваемые лазеры видимого диапазона, такие как лазеры на красителях . [124] Другим используемым методом является термодиффузия жидкости. [9]
Единственное существенное отклонение от соотношения 235 U к 238 U в любых известных природных образцах происходит в Окло , Габон , где естественные ядерные реакторы деления израсходовали часть 235 U около двух миллиардов лет назад, когда соотношение 235 U к 238 U было больше. сродни низкообогащенному урану , позволяющему обычной («легкой») воде действовать как замедлитель нейтронов , аналогично процессу в искусственных легководных реакторах . Существование таких естественных реакторов деления, которые были теоретически предсказаны заранее, было доказано, поскольку небольшое отклонение концентрации 235 U от ожидаемых значений было обнаружено во время обогащения урана во Франции. Последующие исследования, направленные на исключение каких-либо гнусных действий человека (таких как кража 235 U), подтвердили теорию, обнаружив, что изотопные отношения обычных продуктов деления (или, скорее, их стабильных дочерних нуклидов) соответствуют ожидаемым значениям деления, но отклоняются от ожидаемых значений. для образцов этих элементов, полученных не в результате деления.
Человек может подвергнуться воздействию урана (или его радиоактивных дочерних элементов , таких как радон ), вдыхая пыль в воздухе или проглатывая загрязненную воду и пищу. Количество урана в воздухе обычно очень мало; однако люди, которые работают на заводах по переработке фосфорных удобрений , живут рядом с государственными объектами, которые производили или испытывали ядерное оружие, живут или работают рядом с современным полем боя, где использовалось оружие с обедненным ураном, или живут или работают рядом с угольной электростанцией , предприятия, которые добывают или перерабатывают урановую руду или обогащают уран для реакторного топлива, могут подвергаться повышенному воздействию урана. [125] [126] Дома или сооружения, расположенные над залежами урана (природными или искусственными шлаковыми отложениями), могут подвергаться повышенному воздействию радона. Управление по охране труда (OSHA) установило допустимый предел воздействия урана на рабочем месте на уровне 0,25 мг/м 3 в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт охраны труда (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) 0,2 мг/м 3 в течение 8-часового рабочего дня и краткосрочный предел 0,6 мг/м 3 . При уровнях 10 мг/м 3 уран сразу опасен для жизни и здоровья . [127]
Большая часть поступившего в организм урана выводится в процессе пищеварения . Только 0,5% абсорбируется при приеме внутрь нерастворимых форм урана, таких как его оксид, тогда как абсорбция более растворимого иона уранила может достигать 5%. [28] Однако растворимые соединения урана имеют тенденцию быстро проходить через организм, тогда как нерастворимые соединения урана, особенно при вдыхании с пылью в легкие , представляют более серьезную опасность воздействия. Попадая в кровоток, абсорбированный уран имеет тенденцию биоаккумулироваться и оставаться в течение многих лет в костной ткани из-за сродства урана к фосфатам. [28] Инкорпорированный уран превращается в ионы уранила , которые накапливаются в костях, печени, почках и репродуктивных тканях. [128]
Радиологическая и химическая токсичность урана сочетается с тем фактом, что элементы с высоким атомным номером Z, такие как уран, проявляют фантомную или вторичную радиотоксичность за счет поглощения естественных фоновых гамма- и рентгеновских лучей и повторного испускания фотоэлектронов, что в сочетании с высоким сродством урана фосфатной части ДНК вызывают увеличение количества одно- и двухцепочечных разрывов ДНК. [129]
Уран не впитывается через кожу, а альфа-частицы, выделяемые ураном, не могут проникнуть через кожу. [25]
Уран можно обеззаразить со стальных поверхностей [130] и водоносных горизонтов . [131] [132]
Воздействие урана может повлиять на нормальное функционирование почек , головного мозга , печени , сердца и других систем, поскольку уран, помимо своей слаборадиоактивности, является токсичным металлом . [28] [133] [134] Уран также является репродуктивным токсикантом . [135] [136] Радиологические эффекты, как правило, локальны, поскольку альфа-излучение, основная форма распада 238 U, имеет очень короткий радиус действия и не проникает через кожу. Было продемонстрировано, что альфа-излучение вдыхаемого урана вызывает рак легких у облученных работников атомной отрасли. [137] Хотя CDC опубликовал одно исследование, в котором говорится, что в результате воздействия природного или обедненного урана у человека не наблюдалось рака , [138] воздействие урана и продуктов его распада, особенно радона , представляет собой серьезную угрозу для здоровья. [139] Воздействие стронция-90 , йода-131 и других продуктов деления не связано с воздействием урана, но может быть результатом медицинских процедур или воздействия отработанного реакторного топлива или осадков от ядерного оружия. [140]
Хотя случайное вдыхание высокой концентрации гексафторида урана привело к человеческим жертвам, эти смерти были связаны с образованием высокотоксичной плавиковой кислоты и фторида уранила , а не с самим ураном. [141] Мелкодисперсный металлический уран представляет опасность пожара, поскольку уран пирофорен ; мелкие зерна самопроизвольно воспламеняются на воздухе при комнатной температуре. [10]
С металлическим ураном обычно обращаются в перчатках в качестве достаточной меры предосторожности. [142] С урановым концентратом обращаются и хранят его так, чтобы люди не вдыхали и не проглатывали его. [142]
