Изотопы урана

Изотопы урана — это разновидности атомов химического элемента урана, имеющие одинаковое количество протонов (92) в ядре, но различающиеся числом нейтронов. Все изотопы урана радиоактивны, то есть их ядра нестабильны и самопроизвольно распадаются, испуская ионизирующее излучение. В природе встречаются три основных изотопа: уран-238 (²³⁸U), уран-235 (²³⁵U) и уран-234 (²³⁴U), причём ²³⁸U составляет более 99 % всей массы природного урана. Изотопы урана имеют ключевое значение в ядерной энергетике, военных технологиях, геохронологии и медицине.

История открытия и изучения

Открытие урана как химического элемента приписывается немецкому химику Мартину Генриху Клапроту, который в 1789 году выделил из урановой смолки (минерала уранинита) оксид нового элемента. Однако сам металл был получен лишь в 1841 году французским химиком Эженом-Мельхиором Пелиго. Радиоактивность урана была обнаружена в 1896 году Анри Беккерелем, что положило начало ядерной физике.

В 1935 году американский физик Артур Джеффри Демпстер впервые идентифицировал изотоп ²³⁵U, а в 1939 году немецкие учёные Отто Ган и Фриц Штрассман открыли явление деления ядер урана под действием нейтронов. В 1940 году советские физики Георгий Флёров и Константин Петржак обнаружили спонтанное деление ядра ²³⁸U. В 1942 году в рамках Манхэттенского проекта был впервые получен искусственный изотоп ²³⁹Pu, образующийся при захвате нейтрона ядром ²³⁸U, что стало основой для создания плутониевых ядерных бомб.

Основные изотопы

Природный уран представляет собой смесь трёх изотопов, содержание которых в земной коре практически постоянно:

Уран-238 (²³⁸U)

²³⁸U — самый распространённый изотоп урана. Его период полураспада составляет 4,468 миллиарда лет, что сопоставимо с возрастом Земли. Распадаясь, ²³⁸U испускает альфа-частицу и превращается в торий-234, запуская длинную цепочку радиоактивных превращений, которая завершается стабильным изотопом свинца-206. ²³⁸U является исходным материалом для получения плутония-239: при захвате нейтрона ядром ²³⁸U образуется ²³⁹U, который через два бета-распада превращается в ²³⁹Pu. Этот процесс используется в ядерных реакторах на тепловых нейтронах для наработки оружейного плутония.

Уран-235 (²³⁵U)

²³⁵U — единственный природный изотоп, способный поддерживать цепную ядерную реакцию деления под действием медленных (тепловых) нейтронов. Его период полураспада — 704 миллиона лет. При делении одного ядра ²³⁵U выделяется около 200 МэВ энергии, а также 2–3 нейтрона, которые могут вызвать деление соседних ядер, обеспечивая самоподдерживающуюся реакцию. Именно это свойство делает ²³⁵U основным топливом для ядерных реакторов и компонентом ядерных боезарядов. В природном уране содержание ²³⁵U составляет всего 0,72 %, поэтому для использования в энергетике его обогащают до концентрации 3–5 %, а для оружейных целей — до 90 % и выше.

Уран-234 (²³⁴U)

²³⁴U — дочерний продукт распада ²³⁸U, входящий в его радиоактивный ряд. Несмотря на малое содержание (0,0055 %), его удельная активность в природном уране примерно равна активности ²³⁸U из-за короткого периода полураспада (245 500 лет). ²³⁴U не используется в качестве ядерного топлива, но его содержание в образцах учитывается при радиометрическом анализе и датировании.

Искусственные изотопы

Помимо природных, известно более 20 искусственных изотопов урана с массовыми числами от 217 до 242. Все они получены в лабораторных условиях на ускорителях или в ядерных реакторах. Наиболее значимые из них:

• Уран-232 (²³²U) — период полураспада 68,9 года. Образуется в ториевом топливном цикле при облучении тория-232 нейтронами. Является сильным гамма-излучателем, что затрудняет его использование в оружейных целях, но делает перспективным для радиоизотопных источников энергии.
• Уран-233 (²³³U) — период полураспада 159 200 лет. Получается из тория-232 при захвате нейтрона и последующем бета-распаде. ²³³U, как и ²³⁵U, способен делиться под действием тепловых нейтронов, что позволяет использовать его в качестве топлива в ториевых ядерных реакторах. В отличие от уран-плутониевого цикла, ториевый цикл производит меньше долгоживущих радиоактивных отходов.
• Уран-236 (²³⁶U) — период полураспада 23,4 миллиона лет. Образуется в реакторах при захвате нейтрона ядром ²³⁵U без деления. Является индикатором выгорания ядерного топлива и используется в ядерной криминалистике для определения происхождения облучённого урана.
• Уран-237 (²³⁷U) — период полураспада 6,75 суток. Образуется при облучении ²³⁶U нейтронами. Применяется в качестве радиоактивной метки в химических и биологических исследованиях.

Применение изотопов урана

Ядерная энергетика

Основное применение изотопов урана — производство энергии в ядерных реакторах. В реакторах на тепловых нейтронах используется обогащённый уран с содержанием ²³⁵U от 3 до 5 %. В реакторах на быстрых нейтронах (например, российский реактор БН-600) топливом служит смесь ²³⁸U и ²³⁹Pu, что позволяет вовлекать в топливный цикл ²³⁸U, который в обычных реакторах является отходом. В ториевых реакторах перспективным топливом считается ²³³U.

Военные технологии

²³⁵U и ²³⁹Pu (получаемый из ²³⁸U) используются в ядерных боезарядах. Для создания атомной бомбы требуется высокообогащённый уран (HEU) с содержанием ²³⁵U не менее 80–90 %. Первая ядерная бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму в 1945 году, содержала около 64 кг урана с обогащением 80 %. ²³⁸U применяется в качестве оболочки термоядерных боеприпасов и в бронебойных снарядах (обеднённый уран) благодаря высокой плотности и пирофорным свойствам.

Геохронология

Изотопы урана используются для определения абсолютного возраста горных пород и минералов. Метод уран-свинцового датирования основан на измерении соотношения ²³⁸U и ²³⁵U к их стабильным конечным продуктам распада — ²⁰⁶Pb и ²⁰⁷Pb соответственно. Этот метод позволяет датировать породы возрастом от 1 миллиона до 4,5 миллиарда лет. Возраст Земли (4,54 миллиарда лет) был определён именно по уран-свинцовым датировкам метеоритов.

Медицина и научные исследования

Радиоактивные изотопы урана (например, ²³⁴U, ²³⁶U) используются в качестве трассеров в экологических и биологических исследованиях для изучения миграции радионуклидов. ²³³U применяется в ядерной медицине для получения актиния-225, который используется в альфа-терапии рака. Обеднённый уран (в основном ²³⁸U) используется в качестве радиационной защиты в медицинских установках и контейнерах для перевозки радиоактивных материалов.

Обогащение урана

Для получения ²³⁵U в концентрациях, пригодных для использования в энергетике или военных целях, применяют процессы обогащения урана. Поскольку изотопы урана химически идентичны, их разделение основано на разнице в массе ядер. Основные методы обогащения:

• Газодиффузионный метод — основан на разной скорости диффузии газообразного гексафторида урана (UF₆) через пористые мембраны. Исторически первый промышленный метод, в настоящее время почти полностью вытеснен центрифужным.
• Центрифужный метод — газ UF₆ вращается в высокоскоростных центрифугах, где более лёгкие молекулы с ²³⁵U концентрируются ближе к оси. Этот метод требует значительно меньше энергии и является основным в России (на предприятиях Росатома) и других странах.
• Лазерное разделение — перспективный метод, основанный на избирательной фотоионизации атомов ²³⁵U лазерным излучением. Пока не применяется в промышленных масштабах.

В России обогащение урана осуществляется на Уральском электрохимическом комбинате (Новоуральск), Сибирском химическом комбинате (Северск) и Ангарском электролизном химическом комбинате (Ангарск). Российские технологии центрифужного обогащения считаются одними из самых эффективных в мире.

Радиационная опасность и обращение с изотопами

Все изотопы урана радиоактивны, однако основную радиационную опасность представляют не столько альфа-частицы, испускаемые ураном, сколько продукты его распада — радон, полоний, радий, свинец. При вдыхании или попадании внутрь организма уран оказывает химическое токсическое действие (поражает почки) и радиационное воздействие на лёгкие и костную ткань. Обращение с ураном регламентируется международными и национальными нормами радиационной безопасности. В России контроль за оборотом ядерных материалов осуществляет Ростехнадзор.

Источники

1. Г. Ф. Кнорре, А. Д. Гальперин, «Физика ядерного реактора», 2005.
2. В. И. Гольданский, «Изотопы урана и их применение», 1978.
3. Доклад МАГАТЭ «Уран: ресурсы, производство и спрос», 2022.
4. Энциклопедия «Кругосвет», статья «Уран».
5. Научно-технический сборник «Ядерная энергетика», выпуск 4, 2020.