Уран-235

Уран-235 (обозначается \(^{235}\text{U}\) или U-235) — это изотоп химического элемента урана с атомным номером 92 и массовым числом 235. Относится к группе актиноидов, является единственным природным изотопом, способным поддерживать цепную ядерную реакцию деления под действием тепловых нейтронов. Используется в качестве ядерного топлива в атомных реакторах и в производстве ядерного оружия. Содержание урана-235 в природном уране составляет около 0,72 % по массе, остальное приходится в основном на уран-238 (около 99,27 %) и следовые количества урана-234.

История открытия

Уран-235 был открыт в 1935 году американским физиком Артуром Джеффри Демпстером, который с помощью масс-спектрометра обнаружил изотоп с массой 235 в образце урана. Однако практическое значение этого открытия стало очевидным лишь в 1939 году, когда немецкие учёные Отто Ган, Фриц Штрассман и австрийский физик Лиза Мейтнер объяснили явление деления ядер урана под действием нейтронов. Именно уран-235 оказался тем изотопом, ядро которого наиболее эффективно делится при захвате медленных (тепловых) нейтронов, выделяя значительную энергию и дополнительные нейтроны, способные вызвать цепную реакцию.

В 1940 году советские физики Георгий Флёров и Константин Петржак экспериментально подтвердили спонтанное деление урана-235. В ходе Второй мировой войны и в рамках Манхэттенского проекта (США) были разработаны промышленные методы разделения изотопов урана, что позволило получить высокообогащённый уран-235 для создания первой атомной бомбы. В СССР аналогичные работы велись под руководством Игоря Курчатова, и в 1949 году была испытана первая советская атомная бомба на основе урана-235.

Физические свойства

Уран-235 — радиоактивный изотоп с периодом полураспада \(7,04 \times 10^8\) лет (около 704 миллионов лет). Он испускает альфа-частицы, превращаясь в торий-231. Удельная активность урана-235 составляет примерно 80 кБк/г. Плотность металлического урана (всех изотопов) — около 19,1 г/см³, температура плавления — 1132 °C, температура кипения — 4131 °C.

Ключевое свойство урана-235 — способность к делению под действием нейтронов любой энергии, но особенно эффективно — под действием тепловых нейтронов (с энергией около 0,025 эВ). При захвате нейтрона ядро урана-235 переходит в возбуждённое состояние (уран-236) и с высокой вероятностью (около 85 %) делится на два осколка, испуская 2–3 быстрых нейтрона и выделяя энергию около 200 МэВ на одно деление. Среднее число нейтронов, испускаемых на одно деление, составляет примерно 2,43.

Ядерные реакции

Деление ядра

Основная реакция, используемая в ядерной энергетике и оружии:

\[ ^{235}\text{U} + n \rightarrow ^{236}\text{U}^* \rightarrow \text{осколки деления} + 2\text{–}3n + \text{энергия} \]

Осколки деления представляют собой смесь различных изотопов (например, барий-144 и криптон-89, цезий-137 и стронций-90), многие из которых радиоактивны и образуют долгоживущие отходы. Выделяемая энергия распределяется между кинетической энергией осколков (около 80 %), нейтронов, гамма-излучения и бета-распада продуктов.

Цепная реакция

Для поддержания самоподдерживающейся цепной реакции необходимо, чтобы хотя бы один нейтрон из каждого деления вызвал следующее деление. Коэффициент размножения нейтронов \(k\) должен быть не менее 1. В природном уране (0,72 % \(^{235}\text{U}\)) цепная реакция на тепловых нейтронах невозможна из-за поглощения нейтронов ураном-238. Поэтому для реакторов и оружия требуется обогащение — увеличение доли урана-235 до 3–5 % для энергетических реакторов и до 80–90 % для оружейных целей.

Критическая масса урана-235 в виде металлической сферы с водяным отражателем нейтронов составляет около 15–20 кг. В чистом виде без отражателя — около 50 кг.

Обогащение урана

Поскольку уран-235 и уран-238 химически идентичны, их разделение возможно только физическими методами, основанными на разнице в массе (около 1,3 %). Основные промышленные методы:

• Газовое центрифугирование — наиболее распространённый метод (более 90 % мирового производства). Гексафторид урана (UF₆) вращается в центрифугах со сверхзвуковой скоростью, более лёгкий \(^{235}\text{UF}_6\) концентрируется у оси. Каскад из тысяч центрифуг позволяет достичь нужной степени обогащения.
• Газодиффузионный метод — исторически первый промышленный способ, основанный на разной скорости диффузии молекул UF₆ через пористые мембраны. Требует огромных энергозатрат и в настоящее время почти полностью вытеснен центрифугированием.
• Лазерное разделение — экспериментальные методы (AVLIS, SILEX), основанные на избирательном возбуждении атомов или молекул урана-235 лазером. Промышленного масштаба пока не достигли.

Степень обогащения измеряется в процентах по массе \(^{235}\text{U}\). Для большинства реакторов АЭС используется низкообогащённый уран (НОУ) с содержанием 3–5 %. Высокообогащённый уран (ВОУ) с содержанием более 20 % считается оружейным; для боезарядов обычно применяют обогащение 80–93 %.

Применение

Ядерная энергетика

Уран-235 является основным делящимся материалом в тепловых ядерных реакторах. В реакторах на тепловых нейтронах (водо-водяных, кипящих, тяжеловодных, графитовых) топливные сборки содержат диоксид урана (UO₂) с обогащением 3–5 %. При делении урана-235 выделяется тепло, которое используется для генерации пара и вращения турбин электрогенераторов. По данным МАГАТЭ, на 2023 год в мире действовало около 440 энергетических реакторов, большинство из которых используют уран-235 в качестве топлива.

Ядерное оружие

Уран-235 высокой степени обогащения применяется в ядерных боеприпасах в качестве делящегося материала. В пушечной схеме (например, бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму) два подкритических куска урана-235 соединяются взрывом обычного взрывчатого вещества, образуя сверхкритическую массу. В имплозивной схеме (бомба «Толстяк» на плутонии-239) уран-235 может использоваться как компонент тампера или усилителя.

Научные исследования

Уран-235 используется в исследовательских реакторах для получения нейтронных пучков, в нейтронно-активационном анализе, в производстве радиоизотопов для медицины (например, технеций-99m). Также служит мишенью в экспериментах по ядерной физике.

Запасы и добыча

Уран-235 не существует в природе в чистом виде; его извлекают из урановой руды, содержащей природный уран. Мировые запасы урана, по данным ОЭСР и МАГАТЭ (2022), оцениваются примерно в 7,9 млн тонн (по категории разведанных, рентабельных для добычи при цене до 130 долл./кг). Крупнейшие месторождения находятся в Казахстане, Канаде, Австралии, Намибии, Нигере, России (в частности, месторождение «Стрельцовское» в Забайкалье).

После добычи руда перерабатывается в концентрат (жёлтый кек — U₃O₈), затем в гексафторид урана для обогащения. Обогатительные мощности сосредоточены в нескольких странах: Россия (Росатом — около 40 % мировых мощностей центрифужного обогащения), Франция (Orano), США (Urenco), Китай, Великобритания, Нидерланды.

Безопасность и нераспространение

Уран-235 является стратегическим материалом, его оборот строго контролируется международными соглашениями, прежде всего Договором о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО). Высокообогащённый уран считается материалом, который может быть использован для создания ядерного взрывного устройства. МАГАТЭ осуществляет систему гарантий и инспекций для предотвращения незаконного оборота.

Радиационная опасность урана-235 связана в основном с альфа-излучением, которое не проникает через кожу, но опасно при попадании внутрь организма (ингаляция или проглатывание). Химическая токсичность урана (как тяжёлого металла) также представляет риск для почек.

Экологические аспекты

Добыча и переработка урана приводят к образованию радиоактивных отходов — хвостов обогащения (обеднённый уран-238), который хранится в виде гексафторида или твёрдых оксидов. При делении урана-235 в реакторах образуются высокоактивные отходы (осколки деления), требующие длительного изолированного хранения. Аварии на АЭС (Чернобыль, Фукусима) продемонстрировали риски, связанные с использованием уранового топлива.

Источники

• «Физика ядерного деления» — И.В. Курчатов, сборник трудов, 1940–1950 гг.
• «Ядерная энергетика: основы, технологии, безопасность» — под ред. А.А. Саркисова, 2015.
• «Uranium 235: Properties and Applications» — IAEA Nuclear Energy Series, 2018.
• «Обогащение урана: методы и технологии» — В.И. Волков, 2012.
• «Договор о нераспространении ядерного оружия» (ДНЯО), 1968.
• «World Uranium Resources» — OECD NEA and IAEA, 2022.