Уран – элемент ядерной энергетики

В 1789 году немецкий химик Мартин Клапрот открыл новый химический элемент, назвав его «уран» -  в честь самой далёкой из известных тогда планет, открытой восемью годами ранее Уильямом Гершелем и наречённой так в честь бога неба по древнегреческой мифологии. Пятьдесят лет уран (символ U – от лат. uranium) Клапрота считали металлом. Но в 1840 году французский химик Эжен Пелиго убедительно доказал, что уран Клапрота – оксид урана с формулой UO₂. Пелиго – первый, кому удалось получить простое вещество уран и сделать замеры его атомной массы. Очень важный вклад в изучение свойств урана внёс Д.И. Менделеев. Он поместил уран в конец своей таблицы, увеличив атомную массу этого элемента со 120 до 240 а. е. м. (атомная масса урана по современным данным – 238,03). В 1896 году французский химик Анри Беккерель, изучая явление фосфоресценции в солях урана, случайно открыл радиоактивность.  С этого момента началась совершенно новая история по изучению свойств этого элемента, когда он перестал быть только красителем для изготовления цветного стекла.

В 1903 году Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом был открыт Закон радиоактивного распада.  В 1907 году Резерфорд провёл первые опыты по определению возраста минералов, используя естественную радиоактивность урана. Тогда же были заложены основы теории радиоактивности, а дальнейшие исследования этого явления физиками и химиками многих стран привели к открытию искусственной радиоактивности и, наконец, созданию атомной бомбы, изменившей современное мироустройство.

Уран в Таблице Менделеева имеет атомный номер 92 и относится к семейству актиноидов.

Актиноиды в Таблице Менделеева

Простое вещество уран – это слаборадиоактивный металл серебристо-серого цвета. В природе уран состоит из смеси изотопов: ²³⁸U и ²³⁵U в соотношении примерно 99,3 % к 0,7 %. Эти изотопы являются родоначальниками двух радиоактивных рядов с конечными элементами соответственно - ²⁰⁶Pb и ²⁰⁷Pb. Существует ещё изотоп ²³⁴U, его содержание в породах ничтожно мало, так как он не является первичным, а лишь радиогенным и входит в состав радиоактивного ряда ²³⁸U.

Использование урана для производства атомной бомбы и в качестве топлива в ядерных реакторах различных типов вызвали небывалый спрос на этот элемент в годы после Второй мировой войны. Наибольшее применение имеет изотоп урана ²³⁵U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция деления ядра тепловыми нейтронами. Поэтому его используют как топливо в ядерных реакторах и ядерном оружии. Выделение изотопа ²³⁵U из природного урана — очень сложный технологический процесс. Обогащённый уран формуют в топливные таблетки и загружают в реактор. В ходе цепной реакции ядра урана распадаются, выделяя тепло, которое превращает воду в пар и приводит в движение турбины, генерирующие электричество. Работа реактора мощностью 1000 МВт в течение года требует 20 тонн уранового топлива с содержанием 3,5 % ²³⁵U, который получают после обогащения примерно 153 тонн природного урана.

Среднее содержание (кларк) урана в земной коре составляет 3 г/т, промышленными считаются руды с содержанием урана более 0,1% по массе. Важнейшими урановыми рудами являются настуран U₃O₈ (синонимы - урановая смолка, уранинит) и карнотит K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O (водный уранованадат калия).

Урановая руда – карнотит K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O, шахта Хэппи-Джек, штат Юта (США). Фото: взято из en.wikipedia.org

По данным Всемирной ядерной ассоциация (WNA) в настоящее время разведанные запасы урана пяти основных стран производителей распределены следующим образом: Австралия – 29%, Казахстан – 13%, Россия – 9%, Канада – 9%, ЮАР – 6%. Остальные страны имеют по 5 и менее процентов.

По состоянию на 2023 год балансовые запасы урана в России составили 700 000 тонн, они заключены в недрах 53 месторождений,19 из них сосредоточены в Забайкалье. Крупнейшим в России и одним из крупнейших уранодобывающих предприятий в мире является Приаргунское производственное горно-химическое объединение имени Е. П. Славского, градообразующее предприятие города Краснокаменска в Забайкальском крае. Добыча урана ведётся шахтным способом на урановых и молибден-урановых месторождениях Стрельцовского рудного поля. Суммарные запасы урана только в этом районе оцениваются в 300 000 тонн. Крупные месторождения разведаны в Бурятии (Хиагадинское и Источное месторождения), Курганской области (Далматовское месторождение), Республике Тыва в комплексных рудах Улуг-Танзекского редкометалльного месторождения.

По прогнозу Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), запасы урана, обнаруженные на Земле к настоящему времени, закончатся к 2080 году. Аналитики прогнозируют существенный рост потребления ядерного топлива до 2050 года, что может привести к долгосрочному дефициту урана.

Проблема происхождения урана на Земле неразрывно связана с проблемой происхождения химических элементов во Вселенной. Многие учёные считают, что лёгкие элементы до железа (кроме водорода, гелия, лития) образуются в звёздах в результате ядерных реакций, которые называются звёздным нуклеосинтезом. Синтез ядер тяжёлых элементов, включая уран, идёт, возможно, путём последовательных реакций захвата нейтронов при взрывах сверхновых или столкновении нейтронных звёзд. По наблюдениям астрофизиков, уран и другие тяжёлые элементы присутствуют в спектрах многих звёзд. Это подтверждает тот факт, что они образуются в космосе, но единого мнения по поводу механизма образования урана и других тяжёлых элементов нет, и учёные продолжают исследовать этот вопрос.