Уран

Уран — это химический элемент с атомным номером 92, относящийся к группе актиноидов. В природе встречается в виде трёх изотопов: ²³⁸U (99,27 %), ²³⁵U (0,72 %) и ²³⁴U (0,0055 %). Уран является радиоактивным металлом серебристо-белого цвета, обладающим высокой плотностью (19,05 г/см³) и химической активностью. В ядерной физике уран-235 используется как основное делящееся топливо в ядерных реакторах и атомных бомбах, а уран-238 — как сырьё для получения плутония-239. В природе уран распространён в земной коре (2,7 ppm), что сопоставимо с содержанием олова или цинка.

История открытия и изучения

Первые сведения

Уран был открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Клапротом, который выделил из урановой смолки (минерал уранинит) чёрный порошок, ошибочно принятый им за чистый металл. Клапрот назвал элемент в честь планеты Уран, открытой за восемь лет до этого. В 1841 году французский химик Эжен-Мельхиор Пелиго впервые получил металлический уран, восстановив тетрахлорид урана калием.

Радиоактивность

В 1896 году Анри Беккерель, исследуя соли урана, открыл явление радиоактивности. В 1938 году немецкие учёные Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами происходит деление ядра, что привело к созданию ядерного оружия и атомной энергетики. В 1942 году под руководством Энрико Ферми был запущен первый в мире ядерный реактор (Чикагская поленница-1), работавший на природном уране.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Уран — тяжёлый металл с плотностью 19,05 г/см³ (на 65 % плотнее свинца). Температура плавления — 1132 °C, кипения — 4131 °C. Обладает тремя аллотропными модификациями: α-уран (ромбическая решётка, устойчив до 668 °C), β-уран (тетрагональная, 668–775 °C) и γ-уран (объёмноцентрированная кубическая, выше 775 °C). Уран парамагнитен и обладает низкой теплопроводностью (27,5 Вт/(м·К) при 25 °C).

Химические свойства

Уран — активный металл, на воздухе покрывается оксидной плёнкой. Реагирует с водой, кислотами и галогенами. Основные степени окисления: +4 (устойчивая) и +6 (наиболее распространённая в соединениях). В природе встречается в виде оксидов (UO₂, U₃O₈) и минералов — уранинит, карнотит, отенит. Уран образует комплексные соединения, в том числе с фтором (UF₆ — гексафторид урана, используемый для обогащения).

Изотопы и радиоактивность

Основные изотопы

• Уран-238 (99,27 %) — период полураспада 4,47 млрд лет. Альфа-излучатель, не способен к цепной реакции деления тепловыми нейтронами. Используется для получения плутония-239 в реакторах-размножителях.
• Уран-235 (0,72 %) — период полураспада 704 млн лет. Единственный природный изотоп, способный к самоподдерживающейся цепной реакции деления. Используется как ядерное топливо и в оружейных целях.
• Уран-234 (0,0055 %) — продукт распада урана-238, период полураспада 245 500 лет.

Радиоактивные ряды

Уран-238 и уран-235 являются родоначальниками радиоактивных рядов, заканчивающихся стабильными изотопами свинца (²⁰⁶Pb и ²⁰⁷Pb соответственно). В процессе распада образуются радон, полоний и другие опасные радионуклиды.

Добыча и переработка

Месторождения

Крупнейшие запасы урана сосредоточены в Австралии (28 % мировых), Казахстане (15 %), Канаде (9 %), России (8 %), Намибии (7 %). В России основные месторождения находятся в Забайкалье (Стрельцовское), Бурятии (Хиагдинское) и на Урале. Добыча ведётся открытым (карьерным), подземным (шахтным) и скважинным подземным выщелачиванием (СПВ).

Обогащение

Природный уран содержит лишь 0,72 % урана-235, недостаточно для большинства реакторов. Для повышения концентрации до 3–5 % (реакторное топливо) или до 90 % (оружейный уран) применяют обогащение — разделение изотопов через газовое центрифугирование (UF₆) или лазерное разделение. В России обогащение урана осуществляется на предприятиях Росатома (Ангарский электролизный химический комбинат, Уральский электрохимический комбинат).

Ядерное топливо

Из обогащённого урана изготавливают топливные таблетки из диоксида урана (UO₂), которые помещают в циркониевые оболочки, формируя тепловыделяющие сборки (ТВС). Отработанное ядерное топливо (ОЯТ) содержит около 95 % урана-238, 1 % плутония и 4 % продуктов деления. В России разработана технология переработки ОЯТ с извлечением плутония и регенерированного урана для повторного использования.

Применение

Ядерная энергетика

Уран-235 является основным топливом для атомных электростанций (АЭС). В 2023 году в мире эксплуатировалось 439 ядерных реакторов общей мощностью 392 ГВт (данные МАГАТЭ). В России действуют 37 энергоблоков (включая плавучие АЭС), вырабатывающих около 20 % электроэнергии. Наиболее распространённые типы реакторов — водо-водяные (ВВЭР) и канальные (РБМК).

Военное применение

Уран-235 и плутоний-239 используются в ядерных боеприпасах. Первая атомная бомба («Малыш», сброшенная на Хиросиму 6 августа 1945 года) содержала 64 кг урана-235. Обеднённый уран (отход обогащения, содержащий менее 0,3 % урана-235) применяется в бронебойных снарядах и танковой броне благодаря высокой плотности.

Медицина

Изотоп урана-238 используется для получения технеция-99m (применяется в диагностической медицине) и других радионуклидов. Уран-233 (получаемый из тория) рассматривается как топливо для реакторов на быстрых нейтронах.

Другие области

• Радиоизотопные источники энергии: уран-238 применяется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РТГ) для космических аппаратов.
• Научные исследования: уран используется в нейтронных источниках и как мишень в ускорителях частиц.
• Химическая промышленность: соединения урана применяются в качестве катализаторов и красителей (например, урановое стекло).

Опасность и экологические аспекты

Радиационная опасность

Уран и его соединения токсичны. Природный уран обладает низкой радиоактивностью (удельная активность 25 Бк/г), но при вдыхании или попадании внутрь организма может накапливаться в костях и почках, вызывая лучевую болезнь. Обеднённый уран химически токсичен (как тяжёлый металл), но его радиоактивность в 40 % ниже природного.

Аварии и загрязнение

Крупнейшие радиационные аварии, связанные с ураном, произошли на Чернобыльской АЭС (1986) и АЭС Фукусима-1 (2011). В результате аварий в окружающую среду попали радиоактивные изотопы урана, плутония и продукты деления. Добыча урана приводит к загрязнению почвы и воды радионуклидами, особенно при открытом способе.

Регулирование

Обращение с ураном регулируется МАГАТЭ и национальными законами. В России контроль за оборотом ядерных материалов осуществляет Ростехнадзор. Ввоз и вывоз урана требуют лицензий. Организации, признанные экстремистскими и запрещённые в РФ (например, ИГИЛ), не имеют доступа к ядерным материалам.

Перспективы

Реакторы на быстрых нейтронах

Уран-238 может использоваться в реакторах на быстрых нейтронах (БН-600, БН-800 в России) для наработки плутония-239. Это позволяет вовлечь в топливный цикл до 99 % природного урана, а не 0,7 % как в тепловых реакторах.

Закрытый ядерный топливный цикл

Россия разрабатывает технологию замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ), при котором отработанное топливо перерабатывается, а извлечённые уран и плутоний повторно используются. Это снижает количество радиоактивных отходов и повышает эффективность использования ресурсов.

Торий-урановый цикл

Торий-232, облучаясь нейтронами, превращается в уран-233 — делящийся изотоп, пригодный для реакторов. Торий-урановый цикл рассматривается как альтернатива уран-плутониевому, так как торий более распространён в земной коре (9,6 ppm) и производит меньше долгоживущих отходов.

Источники

1. Гринвуд Н. Н., Эрншоу А. Химия элементов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
2. Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969.
3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 10: Физическая кинетика. — М.: Наука, 1979.
4. Доклад МАГАТЭ о ядерной энергетике 2023 (IAEA Nuclear Energy Series).
5. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2022 году» (Минприроды России).
6. Федеральный закон от 21.11.1995 № 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии» (с изменениями).
7. Постановление Правительства РФ от 15.12.2000 № 973 «О порядке лицензирования деятельности в области использования атомной энергии».