Природный уран

Природный уран — это смесь изотопов химического элемента урана, встречающаяся в земной коре в естественном виде. Представляет собой слаборадиоактивный металл серебристо-белого цвета, который является основным исходным сырьём для ядерной энергетики и производства ядерного оружия. В природе уран практически всегда находится в виде оксидов или других соединений, входя в состав более 200 минералов, главными из которых являются уранинит (настуран) и карнотит.

Изотопный состав

Природный уран состоит из трёх основных изотопов: ²³⁸U (уран-238), ²³⁵U (уран-235) и ²³⁴U (уран-234). Их массовые доли строго постоянны для всех месторождений мира (за исключением зоны природного ядерного реактора в Окло, Габон):

• ²³⁸U — 99,2745 % (период полураспада 4,468 млрд лет);
• ²³⁵U — 0,7200 % (период полураспада 704 млн лет);
• ²³⁴U — 0,0055 % (период полураспада 245 тыс. лет).

Ключевое значение для практического использования имеет изотоп ²³⁵U — единственный природный нуклид, способный к самоподдерживающейся цепной ядерной реакции деления под действием тепловых нейтронов. Изотоп ²³⁸U является «воспроизводящим»: при захвате нейтрона он превращается в плутоний-239, также делящийся материал. Содержание ²³⁴U в смеси ничтожно, но он вносит значительный вклад в радиоактивность природного урана из-за короткого периода полураспада.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Природный уран — тяжёлый, плотный (около 19,05 г/см³) металл. Температура плавления — 1132 °C, кипения — 4131 °C. Обладает парамагнитными свойствами. В чистом виде ковок и пластичен, но в присутствии примесей становится хрупким. Существует в трёх кристаллических модификациях (альфа, бета, гамма) с разными температурными диапазонами устойчивости.

Химические свойства

Химически уран весьма активен. На воздухе покрывается оксидной плёнкой, которая со временем темнеет. При нагревании до 150–200 °C воспламеняется, образуя диоксид урана (UO₂) и закись-окись (U₃O₈). Реагирует с водой, кислотами (кроме соляной и азотной — растворяется легко) и щелочами. В соединениях проявляет степени окисления от +3 до +6, наиболее устойчивы соединения U(IV) и U(VI). Токсичен, обладает химической и радиационной опасностью.

Месторождения и добыча

Геология и распространённость

Уран — относительно распространённый элемент: его содержание в земной коре составляет около 2,5–3 г на тонну (кларк), что выше, чем у ртути, серебра или кадмия. Основные промышленные месторождения приурочены к гидротермальным жилам, песчаникам (ролловые месторождения) и зонам несогласия. Крупнейшие запасы сосредоточены в Австралии, Казахстане, Канаде, России, Намибии и Нигере.

Способы добычи

1. Открытый (карьерный) способ — применяется при залегании руды близко к поверхности. Наиболее дешёвый, но наносит значительный ущерб ландшафту.
2. Подземный (шахтный) способ — используется для глубоких рудных тел. Более дорогой, но менее заметный для экологии поверхности.
3. Скважинное подземное выщелачивание (СПВ) — современный метод, при котором через скважины в рудный пласт закачивается раствор серной кислоты или щёлочи, растворяющий уран. Полученный продуктивный раствор откачивается на поверхность, где уран осаждается. СПВ составляет около 50 % мировой добычи и считается наиболее экологичным, так как не требует выемки породы.

Крупнейшие производители (2020-е годы)

По данным Всемирной ядерной ассоциации (WNA), лидерами по добыче природного урана являются:

• Казахстан (около 40 % мировой добычи, в основном методом СПВ);
• Канада (высокосортные руды месторождения Ки-Лейк);
• Австралия (крупнейшие запасы, но добыча ниже из-за экологических ограничений);
• Намибия, Нигер, Россия (Приаргунское производственное горно-химическое объединение в Забайкалье).

Применение

Ядерная энергетика

Основное применение природного урана — производство ядерного топлива. Однако в реакторах на тепловых нейтронах (самый распространённый тип — водо-водяные, ВВЭР, PWR) используется обогащённый уран, в котором долю ²³⁵U искусственно повышают до 3–5 %. Природный уран может напрямую применяться только в реакторах на тяжёлой воде (например, канадские CANDU) или в газоохлаждаемых реакторах (Magnox). В реакторах-размножителях (бридерах) природный уран используется как сырьё для наработки плутония.

Военное дело

Обеднённый уран (отход процесса обогащения, содержащий в основном ²³⁸U) применяется для изготовления сердечников бронебойных снарядов и брони танков благодаря высокой плотности и пирофорности (самовоспламенению при ударе). Высокообогащённый уран (с содержанием ²³⁵U более 90 %) используется в ядерных боезарядах.

Прочие области

• Медицина: изотоп ²³⁸U служит мишенью для получения технеция-99m (используется в диагностике) и других радиоизотопов.
• Наука: уран применяется в радиоизотопном датировании (уран-свинцовый метод) для определения возраста горных пород и минералов.
• Химическая промышленность: как катализатор в некоторых процессах, а также в производстве керамических глазурей и стекла (придаёт жёлто-зелёное свечение).

Опасность и безопасность

Радиационная опасность

Природный уран обладает низкой удельной активностью (около 25 кБк/г), его внешнее гамма-излучение невелико. Основную опасность представляет альфа-излучение при попадании внутрь организма (ингаляция пыли, заглатывание растворимых соединений). Уран — химически токсичный тяжёлый металл, поражающий почки (нефротоксичность). В связи с этим при добыче и переработке строго контролируются пылеподавление и вентиляция.

Экологические аспекты

Добыча урана, особенно открытым и шахтным способами, приводит к образованию больших объёмов отвалов и хвостохранилищ, содержащих радиоактивные продукты распада (радий, радон). Подземное выщелачивание может вызывать загрязнение подземных вод, если не проведена надлежащая рекультивация. Наиболее известный инцидент — авария на хвостохранилище в Майлуу-Суу (Кыргызстан) в 1990-х годах, приведшая к выбросу радиоактивных отходов.

Правовой статус и регулирование в России

В Российской Федерации обращение с природным ураном регулируется Федеральным законом «Об использовании атомной энергии» и постановлениями Правительства. Добыча, переработка, хранение и транспортировка урана подлежат лицензированию. Государственная корпорация «Росатом» является единым оператором по добыче и обогащению урана. Ввоз и вывоз урана контролируется в рамках международных соглашений о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО). Природный уран не относится к категории оружия массового поражения, но его обогащение до уровня выше 20 % по ²³⁵U считается деятельностью, подлежащей особому контролю МАГАТЭ.

Интересные факты

• Природный уран был открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Клапротом, который назвал его в честь планеты Уран, открытой за восемь лет до этого.
• В 1972 году французский физик Франсис Перрен обнаружил, что в урановой руде месторождения Окло (Габон) содержание ²³⁵U аномально низкое (0,717 % вместо 0,720 %). Это было доказательством того, что около 2 млрд лет назад там существовал природный ядерный реактор, работавший за счёт грунтовых вод.
• Свинец-206 является конечным стабильным продуктом распада урана-238. Именно на этом основан уран-свинцовый метод датирования, позволяющий определять возраст древнейших горных пород Земли и метеоритов (до 4,5 млрд лет).

Источники

1. Всемирная ядерная ассоциация (World Nuclear Association). «Uranium and Depleted Uranium».
2. Гринвуд Н., Эрншо А. «Химия элементов». Том 2. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
3. Федеральный закон от 21.11.1995 № 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии».
4. Коттон Ф., Уилкинсон Дж. «Современная неорганическая химия». Часть 3. — М.: Мир, 1969.
5. Доклад МАГАТЭ (МАГАТЭ). «Uranium 2022: Resources, Production and Demand» (Красная книга).