Сосредоточение усилий на производстве плутония дало мощный успех, но то, что Берия не успевал уделить достаточно личного внимания получению урана-235, сказывалось – дело на этом направлении шло плохо. Очень плохо!
Стоял сентябрь 1949 года, еще и месяца не прошло после успешного испытания первой советской атомной бомбы, а Берия в своем кремлевском кабинете выслушивал доклад сотрудника, вернувшегося из командировки на уральский комбинат – тот самый, который был построен для разделения изотопов урана.
– Я считаю, что положение на комбинате 813 уже нельзя назвать кризисным, – докладывал сотрудник. – Они почти год не могут ввести в эксплуатацию завод диффузионного разделения урана. Там многие работники, в том числе и руководители, просто отчаялись, работают механически, не веря в успех. Это не кризис, это напоминает агонию.
Берия долго и задумчиво молчал, потом снял телефонную трубку и дал команду.
– К вечеру подготовьте мне вагон, я выезжаю на Урал.
Берия прошелся по заводу Д-1 комбината 813 – по заводу, на котором в специальных машинах путем диффузии гексафторида изотопов урана должен был выделяться из смеси изотопов изотоп урана-235.
Затем собрал совещание, на котором присутствовало около сотни специалистов, как самого комбината, так и поставщиков оборудования, и представителей науки.
Когда подчиненные паникуют, руководитель обязан оставаться спокойным. И чем больше паникуют подчиненные, тем более спокойным должен быть руководитель, иначе любая его горячность будет воспринята подчиненными и за его панику, и тогда их собственная паника и отчаяние будут неконтролируемы. Всем своим спокойным и даже несколько безразличным видом руководитель должен пока зывать, что «мы и из худших выбирались передряг», и что нужно лишь немного усилить нажим, еще чуть-чуть пошевелить мозгами, и дело будет сделано.
– В целом я знаком с проблемами вашего завода, – спокойно начал Берия, – но хотел бы сейчас услышать их из ваших уст. Давайте начнем с самого младшего по должности, а закончим директором завода.
Сначала, как водится, народ стесняется начальства, особенно большого, но такая обязанность говорить – начиная с младшего, – снимает стеснительность, и люди выкладывают все, что знают.
То, что Берия услышал на совещании, наряду с увиденным в цехах, в сумме дало достаточно безрадостную картину.
На газоразделительном заводе Д-1 сразу же после пус¬ коналадочных работ на первых введенных в эксплуатацию каскадах, состоящих в основном из диффузионных машин ЛБ-7, начались массовые выходы из строя машин, работающих на рабочем газе (гексафториде урана). В дальнейшем это повторилось и на машинах ЛБ-8 и ЛБ-9. Причины аварий – заедание шариковых подшипников электропривода компрессора, приводящее либо сразу к его остановке, либо к быстрому износу подшипников, сопровождаемому недопустимой вибрацией компрессора. А ведь это были специальные, высокооборотные подшипники, которые должны были служить десятки тысяч часов, но реально они выходили из строя через несколько сотен часов работы, а некоторые нормально вращались только несколько десятков часов.
И на заводе Д-1 за сутки выходило из строя до 50 компрессоров, а это было больше, чем можно было смонтировать новых машин. Это была мучительная работа, не прерывавшаяся ни днем, ни ночью – замена вышедших из строя многотонных компрессоров новыми или отремонтированными машинами! Ведь все машины до их аварийной остановки были заполнены рабочим газом – химически агрессивным радиоактивным гексафторидом урана, уже успевшим получить некоторое изменение в своем изотопном составе.
Было непонятно, почему изготовленные по первому классу точности шариковые подшипники, прошедшие специальный отбор, выходят из строя? При заводских и комиссионных приемных испытаниях ведь все было в порядке.
Стали искать причину в недостатках сборки, в отклонениях требований к механической обработке, а выход из строя подшипников с вводом в эксплуатацию новых и новых каскадов нарастал и нарастал.
Ремонт машин был очень трудным. Из-за одного вышедшего из строя компрессора приходилось останавливать и отключать от каскада целый блок из 12 машин, откачивать из него рабочий газ, снимать с места и транспортировать в цех ревизии аварийную машину, обнажая при этом весьма чувствительные к влаге и коррозии пакеты пористых пластин, установленных в баке-делителе. Вместо изъятых машин монтировались новые или уже отремонтированные машины, повторяя весь цикл монтажа снова и снова (откачка, проверка на вакуумную плотность, наполнение газом и т.п.). И опять без уверенности, что замененная машина долго проработает. Эта трудоемкая изнурительная работа полностью дезорганизовала пуск завода Д-1 и была настоящим бедствием, что вызвало у некоторых руководителей неверие в успех промышленного освоения диффузионного метода.
Была и вторая беда, еще более тяжкая – был обнаружен недопустимо высокий уровень коррозии (разложения) рабочего газа (гексафторида урана) в машинах. Это приводило к тому, что поток высокообогащенного газа конечных каскадов практически не достигал, так как гексафторид урана разлагался, значительная часть его потока превращалась в порошок (тетрафторид урана) и осаждалась на внутренних стенках машин.
Процессы коррозии особенно сильно ускорял влажный воздух, засасываемый из атмосферы в вакуумный объем машин и коммуникаций. Он проникал в машины при недостаточной герметичности фланцевых разъемов, которых было на заводе несколько десятков тысяч. А поскольку для ремонта аварийных машин надо было останавливать и вскрывать блоки или каскады, то избавиться от напуска влажного воздуха практически было невозможно.
К проблемам добавлялись сомнения в достаточной герметичности многочисленных тонкостенных труб разъемных газовых коммуникаций, имевших приварные фланцы. Общая протяженность их на заводе Д-1 достигала несколько километров.
Берия записывал ключевые вопросы в блокнот, пытаясь отобрать из них наиглавнейшие и отсеять мелочь, которая будет решена и без него.
Особенно не понравилось ему итоговые выступления главного инженера и директора. Дело в том, что вначале на эти должности были назначены молодые инженеры, но перед пуском Берия, опасаясь, что молодые завалят его вопросами, заменил их на опытных. И ошибся! Эти опытные специалисты потеряли необходимый энтузиазм и теперь скорее имитировали привычную работу, а не штурмовали проблемы.
Оба они закончили свои выступления примерно одинаково:
«Мы считаем, что с таким составом оборудования завод работать не будет», – а ведь знали, что другого оборудования просто не существует!
– Хорошо, – сказал Берия, никак не прореагировав на выводы руководителей завода. – Теперь прошу высказаться о том, как ликвидировать недостатки. Представители Горь¬ ковского машзавода. Ваши машины ЛБ не работают. Начинайте с подшипников. Нашли причины их заклинивания?
– Это нашли, – сообщил горьковчанин. – Мы же артиллеристы, поэтому стремились к точности. Поставили очень точные подшипники, сделали очень точные посадки.
В результате роторы не имели люфтов. А при работе возникает неравномерный нагрев и неравномерное термическое расширение. Подшипник перекашивает и заклинивает.
– М-да. Всю жизнь нас, русских, критиковали за отсутствие точности, теперь мы точности добились, и снова нехорошо!
Продолжайте.
– Как это устранить – понятно. Прослабим подшипники и посадки, добьемся люфта. С коррозией гексафтори¬ да урана дело сложнее…
И так, выслушивая специалиста за специалистом, Берия выяснял, какие пути решения проблем уже найдены, а какие проблемы остаются без решения.
– Да, – вспомнил он в конце, – у нас еще есть выездная бригада ученых-физиков из Москвы. Что вы скажете?
– Товарищ Берия! – бодро начал физик. – Сначала я скажу в принципе, а потом зачту список наших предложений.
Дело в том, что из-за низкой, так сказать, научной и культурной подготовленности персонала завода, из-за низкой его дисциплины предлагаемые нами научные рекомендации не исполняются. Вот они…
– Читать список не надо, ситуация понятна и слушать эти рекомендации нет необходимости, оборвал выступающего Берия, поняв, что наука, как обычно, старается держаться отдельно от заводчан и, следовательно от их проблем.
– Давайте переходить к решениям, – Берия немного помолчал в задумчивости. – Начнем с директора. Преступно поручать бой командиру, который не верит в победу. Товарищ Кизима, вам с главным инженером мы найдем должности полегче. Директором завода снова назначаю товарища Чурина, а главным инженером – товарища Родионова.
Товарищ Алявдин работает в самом тяжелом цехе, а паники в его докладе я не уловил. Товарищ Алявдин назначается начальником производства.
Наука нам заявила, что штат завода не способен внедрить научные рекомендации…
– Я не это хотел сказать, – запротестовал физик, привыкший, что в «интеллигентной среде» не называют вещи своими именами.
– Но сказали. Поэтому всех командированных ученых из Москвы я включаю в штат завода и поручаю им исполнить их же рекомендации заводу.
– Мы не заслуживаем такого наказания! – вновь запротестовал физик.
– Вы считаете внедрение собственных научных идей наказанием?!
– Я не это хотел сказать… – растерялся ученый.
– Зато я сказал, что хотел сказать! – произнес Берия неожиданно ледяным тоном, и все вспомнили, кто он такой.
– Теперь. Большой проблемой является коррозия элементов машин ЛБ. У нас в СССР есть толковый металлофизик?
– Профессор Якутович из Свердловска, – послышался голос с места.
– Запишите фамилию, назначим его заместителем научного руководителя завода. Нужны химики-аналитики. Кто знает толковых? – продолжил Берия поиск решения проблем из своего списка.
Вечером, когда совещание уже изрядно устало и задымило воздух помещения до состояния лондонского смога, Берия согласовывал сроки исполнения с представителями Горьковского машиностроительного завода.
– Нам нужно шесть месяцев, чтобы реконструировать машины ЛБ, – утверждал горьковчанин.
– Вы что – спать на ходу собираетесь? – язвительно поинтересовался Берия.
– Но их шесть тысяч!
– Ничего, ваш директор Елян в войну и не такие задачи решал, – четыре месяца и ни днем больше! Кстати, вы Горьковский машиностроительный, а марка ваших машин начинается с буквы «Л», как будто машины ленинградские.
И вообще, что обозначает это «ЛБ»?
Все затихли и удивленно уставились на Берию.
– Товарищ Берия, – наконец ответил удивленный горьковчанин.
– «ЛБ» – это «Лаврентий Берия».
– Что?! – Берия откинулся на спинку стула. Это эпидемия какая-то… Партия поручила мне создать вокруг Москвы пояс противовоздушной обороны, оснащенный… скажем так, новым видом оружия. Конструкторы назвали его «Беркут». Ну, беркут и беркут – стремительная птица, и это оружие тоже стремительное. И вот мне сообщают, что «Беркут» – это в честь Берии. – снова придвигается к столу.
– Значит так. Передайте товарищу Еляну, что у него голова не тем занята! И чтобы все машины были готовы через три месяца!!
Справка: После убийства Л.П.Берии, диффузионные машины Горьковского машиностроительного завода были переименованы с ЛБ в ОК (отдельная конструкция), а система ПВО «Беркут » в С-25.
В 1950 году после комплектования завода машинами ЛБ-6 и замены всех двигателей ТД (двигатель-трансформатор) на машинах ЛБ-7 и ЛБ-8, а также после проведения пассивирующей обработки внутренних поверхностей машин и пористых фильтров всех машин, после полного ввода в эксплуатацию холодильной станции для подачи охлаждающей воды низкой (8-10°С) температуры, после постройки цеха сухого воздуха, наконец была налажена нормальная эксплуатация завода Д-1 и выпуск в проектном количестве урана235, вначале 75%-ного, а затем 90%-ного обогащения.
Специфические производственные и технические сложности и особенности всего комплекса диффузионной технологии оказались столь велики и неприступны, что этой технологией в мире могли овладеть после США (1945 г.) только три индустриально развитые страны: СССР в 1949 г. (завод Д-1), Великобритания в 1956 г. (завод в Кейпенхерсте) и Франция в 1967 г. (завод в Пьерлате).
А в СССР, вслед за заводом Д-1, в последующие годы уверенно вошли в строй заводы Д-3, Д-4, Д-5 и другие.
Уран представляет собой радиоактивный металл. В природе уран состоит из трех изотопов: уран-238, уран-235 и уран-234. Наивысший уровень стабильности фиксируется у урана-238.
| Характеристика | Значение |
|---|---|
| Общие сведения | |
| Название, символ | Уран-238, 238U |
| Альтернативные названия | ура́н оди́н, UI |
| Нейтронов | 146 |
| Протонов | 92 |
| Свойства нуклида | |
| Атомная масса | 238,0507882(20) а. е. м. |
| Избыток массы | 47 308,9(19) кэВ |
| Удельная энергия связи (на нуклон) | 7 570,120(8) кэВ |
| Изотопная распространённость | 99,2745(106) % |
| Период полураспада | 4,468(3)·109 лет |
| Продукты распада | 234Th, 238Pu |
| Родительские изотопы | 238Pa (β−) 242Pu (α) |
| Спин и чётность ядра | 0+ |
| Канал распада | Энергия распада |
| α-распад | 4,2697(29) МэВ |
| SF | |
| ββ | 1,1442(12) МэВ |
Радиоактивный распад урана
Радиоакти́вным распа́дом называют процесс внезапного изменения состава или внутреннего строения атомных ядер, которые отличаются нестабильностью. При этом испускаются элементарные частицы, гамма-кванты и/или ядерные фрагменты. Радиоактивные вещества содержат радиоактивное ядро. Получившееся вследствие радиоактивного распада дочернее ядро может тоже стать радиоактивным и спустя определенное время подвергается распаду. Этот процесс происходит до того момента, пока не образуется стабильное ядро, лишенное радиоактивности. Э. Резерфорд методом эксперимента в 1899 доказал, что урановые соли испускают три вида лучей:
- α-лучи - поток положительно заряженных частиц
- β-лучи - поток отрицательно заряженных частиц
- γ-лучи - не создают отклонений в магнитном поле.
| Вид излучения | Нуклид | Период полураспада |
|---|---|---|
| Ο | Уран - 238 U | 4,47 млрд. лет |
| α ↓ | ||
| Ο | Торий - 234 Th | 24.1 суток |
| β ↓ | ||
| Ο | Протактиний - 234 Pa | 1.17 минут |
| β ↓ | ||
| Ο | Уран - 234 U | 245000 лет |
| α ↓ | ||
| Ο | Торий - 230 Th | 8000 лет |
| α ↓ | ||
| Ο | Радий - 226 Ra | 1600 лет |
| α ↓ | ||
| Ο | Полоний - 218 Po | 3,05 минут |
| α ↓ | ||
| Ο | Свинец - 214 Pb | 26,8 минут |
| β ↓ | ||
| Ο | Висмут - 214 Bi | 19,7 минут |
| β ↓ | ||
| Ο | Полоний - 214 Po | 0,000161 секунд |
| α ↓ | ||
| Ο | Свинец - 210 Pb | 22,3 лет |
| β ↓ | ||
| Ο | Висмут - 210 Bi | 5,01 суток |
| β ↓ | ||
| Ο | Полоний - 210 Po | 138,4 суток |
| α ↓ | ||
| Ο | Свинец - 206 Pb | стабильный |
Радиоактивность урана
Естественная радиоактивность - вот что отличает радиоактивный уран от прочих элементов. Атомы урана не зависимо ни от каких факторов и условий постепенно изменяются. При этом испускаются невидимые лучи. После трансформаций, которые происходят с атомами урана, получается иной радиоактивный элемент и процесс повторяется. Он будет повторять столько раз, сколько необходимо, чтобы получился не радиоактивный элемент. К примеру, некоторые цепочки превращений насчитывают до 14 стадий. При этом промежуточным элементом является радий, а последняя стадия - образование свинца. Этот металл не является радиоактивным элементом, поэтому ряд превращений прерывается. Однако для полного превращения урана в свинец необходимо несколько миллиардов лет.
Радиоактивная руда урана часто становится причиной отравлений на предприятиях, занимающихся добычей и переработкой уранового сырья. В человеческом организме уран - общеклеточный яд. Он поражает главным образом почки, но встречаются и поражения печени и желудочно-кишечного тракта.
Уран не имеет полностью стабильных изотопов. Наибольший период жизни отмечается у урана-238. Полу распад урана-238 происходит на протяжении 4,4 млрд лет. Чуть меньше одного миллиарда лет идет полу распад урана-235 — 0,7 млрд лет. Уран-238 занимает свыше 99% всего объема природного урана. Вследствие его колоссального периода полураспада радиоактивность этого металла не высокая, к примеру, альфа-частицы не могут проникнуть через ороговевший слой кожи человека. После ряда проведенных исследований ученые выяснили, что главным источником радиации является не сам уран, а образуемый им газ радон, а также продукты его распада, попадающие в человеческий организм во время дыхания.
Ядерное топливо - материал, используемый в ядерных реакторах для проведения управляемой цепной реакции. Оно чрезвычайно энергоемко и небезопасно для человека, что накладывает ряд ограничений на его использование. Сегодня мы с вами узнаем, что собой представляет топливо ядерного реактора, как оно классифицируется и производится, где применяется.
Ход цепной реакции
Во время цепной ядерной реакции, ядро делится на две части, которые называют осколками деления. Одновременно с этим выделяется несколько (2-3) нейтронов, которые впоследствии вызывают деление следующих ядер. Процесс происходит при попадании нейтрона в ядро исходного вещества. Осколки деления имеют большую кинетическую энергию. Их торможение в веществе сопровождается выделением огромного количества тепла.
Осколки деления, вместе с продуктами их распада, называют продуктами деления. Ядра, которые делятся нейтронами любой энергии, называют ядерным горючим. Как правило, они представляют собой вещества с нечетным количеством атомов. Некоторые ядра делятся сугубо нейтронами, энергия которых выше определенного порогового значения. Это преимущественно элементы с четным числом атомов. Такие ядра называют сырьевым материалом, так как в момент захвата нейтрона пороговым ядром образуются ядра горючего. Комбинация горючего и сырьевого материала называется тем самым ядерным топливом.
Классификация
Ядерное топливо делится на два класса:
- Природное урановое. Оно содержит делящиеся ядра урана-235 и сырье урана-238, которое способно образовывать плутоний-239 при захвате нейтрона.
- Вторичное топливо, не встречающееся в природе. К нему, кроме всего прочего, относится плутоний-239, который получается из топлива первого вида, а также уран-233, образующийся при захвате нейтронов ядрами тория-232.
С точки зрения химического состава, бывают такие виды ядерного топлива:
- Металлическое (в том числе сплавы);
- Оксидное (к примеру, UO 2);
- Карбидное (к примеру PuC 1-x);
- Смешанное;
- Нитридное.
ТВЭЛ и ТВС
Топливо для ядерных реакторов используется в виде таблеток небольшого размера. Они помещаются в герметично-закрытые тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), которые, в свою очередь, по несколько сотен объединяются в тепловыделяющие сборки (ТВС). К ядерному топливу предъявляются высокие требования по совместимости с оболочками ТВЭЛов. Оно должно иметь достаточную температуру плавления и испарения, хорошую теплопроводность и не сильно увеличиваться в объеме при нейтронном облучении. Также во внимание берется технологичность производства.
Применение
На атомные электростанции и другие ядерные установки топливо приходит в виде ТВС. Они могут загружаться в реактор как во время его работы (на место выгоревших ТВС), так и во время ремонтной кампании. В последнем случае тепловыделяющие сборки меняют крупными группами. При этом лишь третья часть топлива заменяется полностью. Наиболее выгоревшие сборки выгружаются из центральной части реактора, а на их место ставятся частично выгоревшие сборки, которые ранее находились в менее активных областях. Следовательно, на место последних устанавливаются новые ТВС. Эта нехитрая схема перестановки считается традиционной и имеет ряд преимуществ, главным из которых является обеспечение равномерного энерговыделения. Конечно же, это условная схема, которая дает лишь общие представления о процессе.
Выдержка
После изъятия отработанного ядерного топлива из активной зоны реактора, его отправляют в бассейн выдержки, который, как правило, находится неподалеку. Дело в том, что в отработанных ТВС содержится огромное количество осколков деления урана. После выгрузки из реактора каждый ТВЭЛ содержит порядка 300 тысяч Кюри радиоактивных веществ, выделяющих 100 кВт/час энергии. За счет нее топливо саморазогревается и становится высокорадиоактивным.
Температура недавно выгруженного топлива может достигать 300°С. Поэтому его выдерживают на протяжении 3-4 лет под слоем воды, температура которой поддерживается в установленном диапазоне. По мере хранения под водой, радиоактивность топлива и мощность его остаточных выделений падает. Примерно через три года саморазогрев ТВС доходит уже до 50-60°С. Тогда топливо извлекают из бассейнов и отправляют на переработку или захоронение.
Металлический уран
Металлический уран используется в качестве топлива для ядерных реакторов относительно редко. Когда вещество достигает температуры 660°С, происходит фазовый переход, сопровождающийся изменением его структуры. Попросту говоря, уран увеличивается в объеме, что может привести к разрушению ТВЭЛа. В случае длительного облучения при температуре 200-500°С вещество подвергается радиационному росту. Суть этого явления заключается в удлинении облученного уранового стержня в 2-3 раза.
Применение металлического урана при температуре более 500°С затрудняется из-за его распухания. После деления ядра образуется два осколка, суммарный объем которых превышает объем того самого ядра. Часть осколков деления представлена атомами газов (ксенон, криптон и др.). Газ накапливается в порах урана и формирует внутреннее давление, которое растет по мере увеличения температуры. За счет увеличения объема атомов и повышения давления газов ядерное топливо начинает распухать. Таким образом, под этим подразумевается относительное изменение объема, связанное с делением ядер.
Сила распухания зависит от температуры ТВЭЛов и выгорания. С увеличением выгорания, возрастает количество осколков деления, а с увеличение температуры и выгорания - внутреннее давление газов. Если топливо обладает более высокими механическими качествами, то оно менее подвержено распуханию. Металлический уран к таким материалам не относится. Поэтому его применение в качестве топлива для ядерных реакторов ограничивает глубину выгорания, являющуюся одной из главных характеристик такого топлива.
Механические свойства урана и его радиационная стойкость улучшаются путем легирования материала. Это процесс предполагает добавление к нему алюминия, молибдена и других металлов. Благодаря легирующим добавкам, число нейтронов деления, необходимое на один захват, снижается. Поэтому для этих целей используются материалы, которые слабо поглощают нейтроны.
Тугоплавкие соединения
Хорошим ядерным топливом считаются некоторые тугоплавкие соединения урана: карбиды, окислы и интерметаллические соединения. Наиболее распространенным из них является диоксид урана (керамика). Его температура плавления составляет 2800°С, а плотность - 10,2 г/см 3 .
Так как у этого материала нет фазовых переходов, он менее подвержен распуханию, нежели сплавы урана. Благодаря этой особенности температуру выгорания можно повысить на несколько процентов. На высоких температурах керамика не взаимодействует с ниобием, цирконием, нержавеющей сталью и прочими материалами. Ее главный недостаток заключается в низкой теплопроводности - 4,5 кДж (м*К), ограничивающей удельную мощность реактора. Кроме того, горячая керамика склонна к растрескиванию.
Плутоний
Плутоний считается низкоплавким металлом. Он плавится при температуре 640°С. Из-за плохих пластических свойств он практически не поддается механической обработке. Токсичность вещества усложняет технологию изготовления ТВЭЛов. В атомной промышленности неоднократно предпринимались попытки использования плутония и его соединений, однако они не увенчались успехом. Использовать топливо для атомных электростанций, содержащее плутоний, нецелесообразно из-за примерно 2-кратного уменьшения периода разгона, на что не рассчитаны стандартные системы управления реакторами.
Для изготовления ядерного топлива, как правило, используют диоксид плутония, сплавы плутония с минералами, а также смесь карбидов плутония с карбидами урана. Высокими механическими свойствами и теплопроводностью обладают дисперсионные топлива, в которые частицы соединений урана и плутония размещаются в металлической матрице из молибдена, алюминия, нержавеющей стали и прочих металлов. От материала матрицы зависит радиационная стойкость и теплопроводность дисперсионного топлива. К примеру, на первой АЭС дисперсионное топливо состояло из частиц уранового сплава с 9% молибдена, которые были залиты молибденом.
Что касается ториевого топлива, то оно на сегодня не используется в силу трудностей производства и переработки ТВЭЛов.
Добыча
Значительные объемы основного сырья для ядерного топлива - урана сконцентрированы в нескольких странах: Россия, США, Франция, Канада и ЮАР. Его залежи, как правило, находятся около золота и меди, поэтому все эти материалы добывают одновременно.
Здоровье людей, работающих на разработках, подвержено большой опасности. Дело в том, что уран является токсичным материалом, и газы, выделяющиеся в процессе его добычи, могут вызывать рак. И это притом, что в руде содержится не более 1% этого вещества.
Получение
Производство ядерного топлива из урановой руды включает в себя такие стадии, как:
- Гидрометаллургическая переработка. Включает в себя выщелачивание, дробление и экстракционное или сорбционное извлечение. Результатом гидрометаллургической переработки является очищенная взвесь закиси оксиурана, диураната натрия или диураната аммония.
- Перевод вещества из оксида в тетрафторид или гексафторид, используемый для обогащения урана-235.
- Обогащение вещества путем центрифугирования или газовой термодиффузии.
- Перевод обогащенного материала в диоксид, из которого производят «таблетки» ТВЭЛов.
Регенерация
Во время работы ядерного реактора топливо не может полностью выгорать, поэтому воспроизводятся свободные изотопы. В этой связи отработанные ТВЭЛЫ подлежат регенерации с целью повторного использования.
На сегодня эту задачу решают путем пьюрекс-процесса, состоящего из таких этапов, как:
- Разрезание ТВЭЛов на две части и растворение их в азотной кислоте;
- Очистка раствора от продуктов деления и частей оболочки;
- Выделение чистых соединений урана и плутония.
После этого полученный диоксид плутония идет на производство новых сердечников, а уран - на обогащение или также изготовление сердечников. Переработка ядерного топлива является сложным и дорогостоящим процессом. Ее стоимость оказывает существенное влияние на экономическую целесообразность использования атомных электростанций. То же самое можно сказать и про захоронение отходов ядерного топлива, не пригодных к регенерации.
(β −)
235 Np ()
239 Pu ()
В отличие от другого, наиболее распространенного изотопа урана 238 U , в 235 U возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция . Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах , а также в ядерном оружии .
Образование и распад
Уран-235 образуется в результате следующих распадов:
Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:
Вынужденное деление
В продуктах деления урана-235 было обнаружено около 300 изотопов различных элементов : от =30 (цинк) до Z=64 (гадолиний). Кривая зависимости относительного выхода изотопов, образующихся при облучении урана-235 медленными нейтронами, от массового числа - симметрична и по форме напоминает букву «M». Два выраженных максимума этой кривой соответствуют массовым числам 95 и 134, а минимум приходится на диапазон массовых чисел от 110 до 125. Таким образом, деление урана на осколки равной массы (с массовыми числами 115-119) происходит с меньшей вероятностью, чем асимметричное деление , такая тенденция наблюдается у всех делящихся изотопов и не связана с какими-то индивидуальными свойствами ядер или частиц, а присуща самому механизму деления ядра. Однако асимметрия уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра и при энергии нейтрона более 100 МэВ распределение осколков деления по массам имеет один максимум, соответствующий симметричному делению ядра. Осколки, образующиеся при делении ядра урана, в свою очередь являются радиоактивными, и подвергаются цепочке β − -распадов , при которых постепенно в течение длительного времени выделяется дополнительная энергия. Средняя энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра урана-235 с учётом распада осколков, составляет приблизительно 202,5 МэВ = 3,244·10 −11 Дж , или 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг .
Деление ядер - лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора .
Цепная ядерная реакция
При распаде одного ядра 235 U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем - 2.416) свободных нейтрона. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра 235 U, при условии взаимодействия с другим ядром 235 U, может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной реакцией деления ядра .
Гипотетически, число нейтронов второго поколения (после второго этапа распада ядер) может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом реакции деления количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. В реальных условиях свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата 235 U, или будучи захваченными как самим изотопом 235 U с превращением его в 236 U, так и иными материалами (например, 238 U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как 149 Sm или 135 Xe).
В реальных условиях достичь критического состояния урана не так просто, поскольку на протекание реакции влияет ряд факторов. Например, природный уран лишь на 0,72 % состоит из 235 U, 99,2745 % составляет 238 U , который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер 235 U. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция деления очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию деления можно несколькими основными путями :
- Увеличить объём образца (для выделенного из руды урана возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
- Осуществить разделение изотопов, повысив концентрацию 235 U в образце;
- Уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
- Использовать вещество - замедлитель нейтронов для повышения концентрации тепловых нейтронов .
Изомеры
- Избыток массы: 40 920,6(1,8) кэВ
- Энергия возбуждения: 76,5(4) эВ
- Период полураспада: 26 мин
- Спин и чётность ядра: 1/2 +
Распад изомерного состояния осуществляется путём изомерного перехода в основное состояние.
Применение
- Уран-235 используется в качестве топлива для ядерных реакторов , в которых осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления;
- Уран с высокой степенью обогащения применяется для создания ядерного оружия . В этом случае для высвобождения большого количества энергии (взрыва) используется неуправляемая цепная ядерная реакция.
См. также
Напишите отзыв о статье "Уран-235"
Примечания
- G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «». Nuclear Physics A 729 : 337-676. DOI :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 . Bibcode : .
- G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «». Nuclear Physics A 729 : 3–128. DOI :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . Bibcode : .
- Гофман К. - 2-е изд. стер. - Л. : Химия, 1987. - С. 130. - 232 с. - 50 000 экз.
- Фиалков Ю. Я. Применение изотопов в химии и химической промышленности. - Киев: Техніка, 1975. - С. 87. - 240 с. - 2 000 экз.
- . Kaye & Laby Online. .
- Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. - М .: Энергоатомиздат, 1982. - С. 512.
Отрывок, характеризующий Уран-235
Милорадович, который говорил, что он знать ничего не хочет о хозяйственных делах отряда, которого никогда нельзя было найти, когда его было нужно, «chevalier sans peur et sans reproche» [«рыцарь без страха и упрека»], как он сам называл себя, и охотник до разговоров с французами, посылал парламентеров, требуя сдачи, и терял время и делал не то, что ему приказывали.– Дарю вам, ребята, эту колонну, – говорил он, подъезжая к войскам и указывая кавалеристам на французов. И кавалеристы на худых, ободранных, еле двигающихся лошадях, подгоняя их шпорами и саблями, рысцой, после сильных напряжений, подъезжали к подаренной колонне, то есть к толпе обмороженных, закоченевших и голодных французов; и подаренная колонна кидала оружие и сдавалась, чего ей уже давно хотелось.
Под Красным взяли двадцать шесть тысяч пленных, сотни пушек, какую то палку, которую называли маршальским жезлом, и спорили о том, кто там отличился, и были этим довольны, но очень сожалели о том, что не взяли Наполеона или хоть какого нибудь героя, маршала, и упрекали в этом друг друга и в особенности Кутузова.
Люди эти, увлекаемые своими страстями, были слепыми исполнителями только самого печального закона необходимости; но они считали себя героями и воображали, что то, что они делали, было самое достойное и благородное дело. Они обвиняли Кутузова и говорили, что он с самого начала кампании мешал им победить Наполеона, что он думает только об удовлетворении своих страстей и не хотел выходить из Полотняных Заводов, потому что ему там было покойно; что он под Красным остановил движенье только потому, что, узнав о присутствии Наполеона, он совершенно потерялся; что можно предполагать, что он находится в заговоре с Наполеоном, что он подкуплен им, [Записки Вильсона. (Примеч. Л.Н. Толстого.) ] и т. д., и т. д.
Мало того, что современники, увлекаемые страстями, говорили так, – потомство и история признали Наполеона grand, a Кутузова: иностранцы – хитрым, развратным, слабым придворным стариком; русские – чем то неопределенным – какой то куклой, полезной только по своему русскому имени…
В 12 м и 13 м годах Кутузова прямо обвиняли за ошибки. Государь был недоволен им. И в истории, написанной недавно по высочайшему повелению, сказано, что Кутузов был хитрый придворный лжец, боявшийся имени Наполеона и своими ошибками под Красным и под Березиной лишивший русские войска славы – полной победы над французами. [История 1812 года Богдановича: характеристика Кутузова и рассуждение о неудовлетворительности результатов Красненских сражений. (Примеч. Л.Н. Толстого.) ]
Такова судьба не великих людей, не grand homme, которых не признает русский ум, а судьба тех редких, всегда одиноких людей, которые, постигая волю провидения, подчиняют ей свою личную волю. Ненависть и презрение толпы наказывают этих людей за прозрение высших законов.
Для русских историков – странно и страшно сказать – Наполеон – это ничтожнейшее орудие истории – никогда и нигде, даже в изгнании, не выказавший человеческого достоинства, – Наполеон есть предмет восхищения и восторга; он grand. Кутузов же, тот человек, который от начала и до конца своей деятельности в 1812 году, от Бородина и до Вильны, ни разу ни одним действием, ни словом не изменяя себе, являет необычайный s истории пример самоотвержения и сознания в настоящем будущего значения события, – Кутузов представляется им чем то неопределенным и жалким, и, говоря о Кутузове и 12 м годе, им всегда как будто немножко стыдно.
А между тем трудно себе представить историческое лицо, деятельность которого так неизменно постоянно была бы направлена к одной и той же цели. Трудно вообразить себе цель, более достойную и более совпадающую с волею всего народа. Еще труднее найти другой пример в истории, где бы цель, которую поставило себе историческое лицо, была бы так совершенно достигнута, как та цель, к достижению которой была направлена вся деятельность Кутузова в 1812 году.
Кутузов никогда не говорил о сорока веках, которые смотрят с пирамид, о жертвах, которые он приносит отечеству, о том, что он намерен совершить или совершил: он вообще ничего не говорил о себе, не играл никакой роли, казался всегда самым простым и обыкновенным человеком и говорил самые простые и обыкновенные вещи. Он писал письма своим дочерям и m me Stael, читал романы, любил общество красивых женщин, шутил с генералами, офицерами и солдатами и никогда не противоречил тем людям, которые хотели ему что нибудь доказывать. Когда граф Растопчин на Яузском мосту подскакал к Кутузову с личными упреками о том, кто виноват в погибели Москвы, и сказал: «Как же вы обещали не оставлять Москвы, не дав сраженья?» – Кутузов отвечал: «Я и не оставлю Москвы без сражения», несмотря на то, что Москва была уже оставлена. Когда приехавший к нему от государя Аракчеев сказал, что надо бы Ермолова назначить начальником артиллерии, Кутузов отвечал: «Да, я и сам только что говорил это», – хотя он за минуту говорил совсем другое. Какое дело было ему, одному понимавшему тогда весь громадный смысл события, среди бестолковой толпы, окружавшей его, какое ему дело было до того, к себе или к нему отнесет граф Растопчин бедствие столицы? Еще менее могло занимать его то, кого назначат начальником артиллерии.
Не только в этих случаях, но беспрестанно этот старый человек дошедший опытом жизни до убеждения в том, что мысли и слова, служащие им выражением, не суть двигатели людей, говорил слова совершенно бессмысленные – первые, которые ему приходили в голову.
Но этот самый человек, так пренебрегавший своими словами, ни разу во всю свою деятельность не сказал ни одного слова, которое было бы не согласно с той единственной целью, к достижению которой он шел во время всей войны. Очевидно, невольно, с тяжелой уверенностью, что не поймут его, он неоднократно в самых разнообразных обстоятельствах высказывал свою мысль. Начиная от Бородинского сражения, с которого начался его разлад с окружающими, он один говорил, что Бородинское сражение есть победа, и повторял это и изустно, и в рапортах, и донесениях до самой своей смерти. Он один сказал, что потеря Москвы не есть потеря России. Он в ответ Лористону на предложение о мире отвечал, что мира не может быть, потому что такова воля народа; он один во время отступления французов говорил, что все наши маневры не нужны, что все сделается само собой лучше, чем мы того желаем, что неприятелю надо дать золотой мост, что ни Тарутинское, ни Вяземское, ни Красненское сражения не нужны, что с чем нибудь надо прийти на границу, что за десять французов он не отдаст одного русского.
И он один, этот придворный человек, как нам изображают его, человек, который лжет Аракчееву с целью угодить государю, – он один, этот придворный человек, в Вильне, тем заслуживая немилость государя, говорит, что дальнейшая война за границей вредна и бесполезна.
Но одни слова не доказали бы, что он тогда понимал значение события. Действия его – все без малейшего отступления, все были направлены к одной и той же цели, выражающейся в трех действиях: 1) напрячь все свои силы для столкновения с французами, 2) победить их и 3) изгнать из России, облегчая, насколько возможно, бедствия народа и войска.
Он, тот медлитель Кутузов, которого девиз есть терпение и время, враг решительных действий, он дает Бородинское сражение, облекая приготовления к нему в беспримерную торжественность. Он, тот Кутузов, который в Аустерлицком сражении, прежде начала его, говорит, что оно будет проиграно, в Бородине, несмотря на уверения генералов о том, что сражение проиграно, несмотря на неслыханный в истории пример того, что после выигранного сражения войско должно отступать, он один, в противность всем, до самой смерти утверждает, что Бородинское сражение – победа. Он один во все время отступления настаивает на том, чтобы не давать сражений, которые теперь бесполезны, не начинать новой войны и не переходить границ России.
Теперь понять значение события, если только не прилагать к деятельности масс целей, которые были в голове десятка людей, легко, так как все событие с его последствиями лежит перед нами.
Но каким образом тогда этот старый человек, один, в противность мнения всех, мог угадать, так верно угадал тогда значение народного смысла события, что ни разу во всю свою деятельность не изменил ему?
Источник этой необычайной силы прозрения в смысл совершающихся явлений лежал в том народном чувстве, которое он носил в себе во всей чистоте и силе его.
Только признание в нем этого чувства заставило народ такими странными путями из в немилости находящегося старика выбрать его против воли царя в представители народной войны. И только это чувство поставило его на ту высшую человеческую высоту, с которой он, главнокомандующий, направлял все свои силы не на то, чтоб убивать и истреблять людей, а на то, чтобы спасать и жалеть их.
Основным способом извлечения урана-235 из природного урана стал газодиффузионный способ. Советские ученые Кикоин, Соболев и Смородинский разработали теорию газодиффузионного процесса. Метод газовой диффузии основан на небольшом различии в скорости перемещения тяжелых ядер урана-238 и менее тяжелых ядер урана-235 при прохождении газообразного соединения урана через специальные пористые перегородки. При однократном прохождении газа, можно повысить содержание изотопа урана-235 всего на 0,2 %. Чтобы обогатить уран изотопом 235 до 90–94 процентов, а именно такой требуется для боевого заряда, необходимо прокачать газ через диффузионную ступень с пористой перегородкой несколько тысяч раз.
Очень сложной проблемой оказалась разработка и изготовление пористых перегородок, от их качества зависели как выход готовой продукции, так и расход электроэнергии на перекачку газа. Непросто было сконструировать и изготовить надежные и простые компрессоры для перекачки газа с высокой степенью герметичности, чтобы токсичный газовый продукт не попадал в производственные помещения.
Газодиффузионный завод начали строить в 1946 году. В начале строительства здесь также применялся ручной труд и конная тяга, лишь в 1948 году сюда прибыл первый экскаватор. Работы велись круглосуточно. Проект завода и его установок был чрезвычайно сложен. Главный корпус завода имел площадь более 100 тысяч квадратных метров. Во время наладки систем происходили многочисленные остановки. Поставщик компрессоров весьма оперативно производил реконструкцию и даже замену оборудования, эти работы находились под личным наблюдением Берии и Сталина. После реконструкции на заводе было установлено несколько тысяч диффузионных машин четырех модификаций.
Несмотря на все трудности дело продвигалось и в 1948 году получен уран-235 с обогащением 75 %. Этого было недостаточно. Тогда приняли промежуточное решение. Уран-235 стали отправлять для дальнейшего обогащения электромагнитным методом, до 90 и более процентов.
В 1950 году газодиффузионный завод повысил обогащение до 90 % и вышел на проектную производительность, в 1951 году обогащение урана превысило 90 %.
Основой завода по электромагнитному разделению изотопов была огромная электромагнитная установка, снабженная специальными камерами из дефицитной латуни. Установку долго налаживали, а в 1949 году она выдала уран с обогащением более 90 %. В дальнейшем завод расширялся.
Таким образом, была решена проблема производства двух видов ядерных взрывчатых веществ: плутония и урана-235 в достаточных количествах для изготовления советского ядерного оружия.