핵분열. 우라늄의 반감기: 주요 특성 및 용도 기타 용도

방사능 현상을 연구할 때 모든 과학자는 반감기와 같은 중요한 특성을 고려합니다. 아시다시피, 세계의 매 순간마다 원자가 붕괴되고 이러한 과정의 정량적 특성은 존재하는 원자의 수와 직접적인 관련이 있다고 말합니다. 특정 기간에 걸쳐 사용 가능한 전체 원자 수의 절반이 붕괴되면 나머지 원자의 1/2이 붕괴되는 데에도 동일한 시간이 필요합니다. 이 기간을 반감기라고 합니다. 예를 들어 우라늄의 반감기의 경우와 같이 1000분의 1밀리초에서 수십억 년까지 다양한 요소에 따라 다릅니다.

우라늄은 지구상의 자연 상태에 존재하는 모든 원소 중 가장 무거운 원소로서 일반적으로 방사능 과정을 연구하는 데 가장 우수한 대상입니다. 이 요소는 독일 과학자 M. Klaproth에 의해 1789년에 발견되었으며, 최근 발견된 행성 천왕성을 기리기 위해 이름을 붙였습니다. 우라늄이 방사성이라는 사실은 19세기 말 프랑스 화학자 A. 베크렐에 의해 아주 우연히 발견되었습니다.

우라늄은 다른 방사성 원소의 유사한 주기와 동일한 공식을 사용하여 계산됩니다.

T_(1/2) = au ln 2 = frac(ln 2)(람다),

여기서 "au"는 원자의 평균 수명이고 "lambda"는 주요 붕괴 상수입니다. ln 2 는 약 0.7이므로 반감기는 원자의 전체 수명보다 평균적으로 30% 더 짧습니다.

오늘날 과학자들이 14개의 우라늄 동위원소를 알고 있음에도 불구하고 자연에는 우라늄-234, 우라늄-235, 우라늄-238 세 개만 존재합니다. 우라늄은 다릅니다. U-234의 경우 "단지" 27만 년이고 우라늄-238의 반감기는 45억을 초과합니다. 우라늄-235의 반감기는 "황금평균"인 7억 1천만년입니다.

자연 조건에서 우라늄의 방사능은 매우 높으며 예를 들어 단 한 시간 내에 사진 판을 조명할 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 동시에 모든 우라늄 동위원소 중에서 U-235만이 충전재 제조에 적합하다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 문제는 산업 조건에서 우라늄-235의 반감기가 "형제"보다 덜 강하다는 것입니다. , 이것이 여기서 불필요한 중성자의 방출이 최소화되는 이유입니다.

우라늄-238의 반감기는 40억년을 크게 초과하지만 현재 원자력 산업에서 활발하게 사용되고 있습니다. 따라서 이 원소의 무거운 핵분열과 관련된 연쇄 반응을 시작하려면 상당한 양의 중성자 에너지가 필요합니다. 우라늄-238은 핵분열 및 핵융합 장치의 보호 장치로 사용됩니다. 그러나 채굴된 우라늄-238의 대부분은 핵무기에 사용되는 플루토늄을 합성하는 데 사용됩니다.

과학자들은 우라늄의 반감기를 사용하여 개별 광물과 천체 전체의 나이를 계산합니다. 우라늄 시계는 이러한 종류의 계산을 위한 상당히 보편적인 메커니즘입니다. 동시에 연대를 다소 정확하게 계산하려면 특정 암석에 포함된 우라늄의 양뿐만 아니라 우라늄 핵이 구성되는 최종 생성물인 우라늄과 납의 비율도 알아야 합니다. 변환되었습니다.

암석과 광물을 계산하는 또 다른 방법이 있습니다. 이것은 소위 자연 조건과 관련이 있습니다. 알려진 바와 같이, 자연 조건에서 우라늄의 자발적인 핵분열의 결과로 그 입자는 근처의 물질에 엄청난 힘을 가해 특별한 흔적을 남깁니다. 트랙.

과학자들은 우라늄의 반감기를 알고 있는 이러한 흔적의 수에 따라 고대 암석이든 상대적으로 "젊은" 꽃병이든 특정 고체의 연대에 대한 결론을 내립니다. 문제는 물체의 나이가 핵에 충격을 가한 우라늄 원자의 양적 지표에 정비례한다는 것입니다.

애플리케이션

우라늄-238은 핵분열에 필요한 고에너지 중성자 때문에 1차 핵분열 물질로 사용할 수 없지만 원자력 산업에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다.

밀도와 원자량이 높은 U-238은 핵융합 및 핵분열 장치의 반사 전하 껍질을 만드는 데 적합합니다. 빠른 중성자에 의해 핵분열된다는 사실은 전하의 에너지 출력을 증가시킵니다. 간접적으로는 반사된 중성자의 증가로 인해; 빠른 중성자에 의한 껍질 핵의 분열 중(융합 중) 직접적으로 발생합니다. 핵분열에 의해 생성된 중성자와 모든 핵융합 중성자의 약 40%는 U-238을 핵분열하기에 충분한 에너지를 가지고 있습니다.

U-238의 자발 핵분열 속도는 U-235보다 35배 더 높으며 5.51 핵분열/s*kg입니다. 적절한 질량(200-300kg)이 너무 높은 중성자 배경을 생성하기 때문에 이로 인해 대포 폭탄의 반사경 충전용 포탄으로 사용할 수 없습니다.

순수한 U-238은 0.333 마이크로퀴리/g의 특정 방사능을 가지고 있습니다.

이 우라늄 동위원소의 중요한 응용 분야는 플루토늄-239의 생산입니다. 플루토늄은 U-238 원자가 중성자를 포착한 후 시작되는 여러 반응을 통해 형성됩니다. 235번째 동위원소에 천연 우라늄 또는 부분 농축 우라늄을 함유한 원자로 연료는 연료 주기가 끝난 후 특정 비율의 플루토늄을 함유합니다.

우라늄-238의 붕괴 사슬

동위원소는 우라늄-238이며, 천연 우라늄의 99% 이상입니다. 이 동위원소는 또한 가장 안정하며, 그 핵은 열중성자에 의해 분리될 수 없습니다. 238U를 분리하려면 중성자 하나에 1.4MeV의 추가 운동 에너지가 필요합니다. 순수한 우라늄-238로 만들어진 원자로는 어떤 상황에서도 작동하지 않습니다.

우라늄-238의 원자로, 핵 안에는 양성자와 중성자가 응집력에 의해 거의 결합되어 있지 않습니다. 때때로 양성자 2개와 중성자 2개(b-입자) 등 4개의 입자로 구성된 조밀한 그룹이 튀어나옵니다. 따라서 우라늄-238은 90개의 양성자와 144개의 중성자를 포함하는 핵인 토륨-234로 변합니다. 그러나 토륨-234도 불안정하다. 그러나 그 변환은 이전 사례와 다르게 발생합니다. 중성자 중 하나가 양성자로 변하고, 토륨-234는 프로트악티늄-234로 변합니다. 그 핵에는 91개의 양성자와 143개의 중성자가 포함되어 있습니다. 핵에서 발생한 이러한 변태는 궤도에서 움직이는 전자에도 영향을 미칩니다. 전자 중 하나가 짝을 이루지 못하고 원자 밖으로 날아갑니다. 프로트악티늄은 매우 불안정하며 변환하는 데 시간이 거의 걸리지 않습니다. 그 다음에는 방사선을 동반하는 다른 변형이 뒤따르며, 이 전체 사슬은 궁극적으로 안정적인 납 핵종으로 끝납니다(그림 7, 부록 B 참조).

원자력 에너지의 가장 중요한 상황은 우라늄의 가장 흔한 동위원소인 238U가 핵연료의 잠재적 원천이기도 한다는 것입니다. 우라늄이 중성자를 흡수하면 새로운 원소가 형성될 것이라고 가정한 실라르드와 페르미 모두 옳았습니다. 실제로 우라늄-238은 열중성자와 충돌할 때 핵분열을 일으키지 않고 대신 핵이 중성자를 흡수합니다. 평균 23.5분 안에 핵의 중성자 중 하나가 양성자로 변하고(전자 방출과 함께 반응은 붕괴됨) 우라늄-239 핵은 넵투늄-239 핵(239Np)이 됩니다. 2.4일 후에 두 번째 c-붕괴가 일어나고 플루토늄-239(239Pu)가 형성됩니다.

원자로에서 중성자가 순차적으로 흡수되면 플루토늄보다 더 무거운 원소가 생성될 수 있습니다.

천연 광물과 우라늄 광석에서는 미량의 239Pu, 244Pu, 237Np만이 발견되므로 우라늄보다 무거운 초우라늄 원소는 자연 환경에서 사실상 발견되지 않습니다.

자연에 존재하는 우라늄 동위원소는 b-붕괴 및 자발적 핵분열과 관련하여 완전히 안정하지는 않지만 매우 느리게 붕괴됩니다. 반감기우라늄-238은 45억년, 우라늄-235는 7억1천만년이다. 핵반응의 빈도가 낮기 때문에 그러한 수명이 긴 동위원소는 위험한 방사선원이 아닙니다. 천연 우라늄 주괴는 건강에 해를 끼치지 않고 손에 쥐고 있을 수 있습니다. 그의 구체적인 활동 0.67 mCi/kg (Ci - 퀴리, 초당 3.7 * 1010 붕괴에 해당하는 전신 활동 단위)과 동일합니다.

천왕성(고명 우라늄)는 주기율표에서 원자 번호 92, 원자 질량 238.029를 갖는 화학 원소입니다. 기호 U( 우라늄)는 악티나이드 계열에 속합니다.

이야기

고대(기원전 1세기)에도 도자기용 황색 유약을 만드는 데 천연 우라늄 산화물이 사용되었습니다. 우라늄에 의한 연쇄반응처럼 발전한 우라늄에 대한 연구. 처음에는 연쇄 반응의 첫 번째 충동과 같은 속성에 대한 정보가 사례별로 오랜 중단을 거쳐 도착했습니다. 우라늄 역사상 최초의 중요한 날짜는 1789년으로, 독일의 자연 철학자이자 화학자인 마틴 하인리히 클라프로트(Martin Heinrich Klaproth)가 색슨족 수지 광석에서 추출한 황금색 "토양"을 흑색 금속 같은 물질로 복원한 때입니다. 그 당시 알려진 가장 먼 행성(8년 전에 Herschel이 발견함)을 기리기 위해 Klaproth는 새로운 물질을 원소로 간주하여 우라늄이라고 명명했습니다.

50년 동안 클라프로스의 우라늄은 금속으로 간주되었습니다. 1841년에야 프랑스 화학자 Eugene Melchior Peligot(1811-1890)은 특유의 금속 광택에도 불구하고 Klaproth의 우라늄이 원소가 아니라 산화물임을 증명했습니다. UO 2. 1840년에 펠리고(Peligo)는 강철 회색의 중금속인 실제 우라늄을 얻고 그 원자량을 측정하는 데 성공했습니다. 우라늄 연구의 다음 중요한 단계는 D. I. Mendeleev에 의해 1874년에 이루어졌습니다. 그는 자신이 개발한 주기율표에 기초하여 탁자에서 가장 먼 칸에 우라늄을 두었습니다. 이전에는 우라늄의 원자량을 120으로 간주했습니다. 위대한 화학자는 이 값을 두 배로 늘렸습니다. 12년 후, 멘델레예프의 예측은 독일 화학자 짐머만의 실험으로 확인되었습니다.

우라늄에 대한 연구는 1896년에 시작되었습니다. 프랑스의 화학자 앙투안 앙리 베크렐(Antoine Henri Becquerel)은 우연히 베크렐선을 발견했는데, 마리 퀴리는 나중에 이를 방사능이라고 이름을 바꿨습니다. 동시에 프랑스의 화학자 앙리 무아상(Henri Moissan)은 순수한 우라늄 금속을 생산하는 방법을 개발했습니다. 1899년에 러더퍼드는 우라늄 제제의 방사선이 불균일하며 방사선에는 알파선과 베타선이라는 두 가지 유형이 있다는 사실을 발견했습니다. 그들은 서로 다른 전하를 가지고 있습니다. 물질의 범위와 이온화 능력은 동일하지 않습니다. 조금 후인 1900년 5월 Paul Villar는 세 번째 유형의 방사선인 감마선을 발견했습니다.

어니스트 러더퍼드는 프레드릭 소디(Soddy, Frederick, 1877-1956; 노벨 화학상, 1921)와 함께 창안한 방사능 이론을 바탕으로 방사성 우라늄과 토륨을 연구하면서 1907년 광물의 나이를 결정하는 첫 번째 실험을 수행했습니다. 1913년에 F. Soddy는 다음과 같은 개념을 도입했습니다. 동위원소(그리스어 ισος - "동일", "동일", τόπος - "장소"에서 유래), 1920년에 그는 동위원소가 암석의 지질 연대를 결정하는 데 사용될 수 있다고 예측했습니다. 1928년에 Niggot이 구현했고, 1939년에 A.O.K. Nier(Nier, Alfred Otto Carl, 1911 - 1994)는 나이를 계산하는 최초의 방정식을 만들었고 질량 분석기를 사용하여 동위원소를 분리했습니다.

1939년 프레데릭 졸리오 퀴리(Frederic Joliot-Curie)와 독일 물리학자 오토 프리슈(Otto Frisch), 리제 마이트너(Lise Meitner)는 우라늄 핵에 중성자를 조사할 때 발생하는 알려지지 않은 현상을 발견했습니다. 우라늄보다 훨씬 가벼운 새로운 원소가 형성되면서 이 핵이 폭발적으로 파괴되었습니다. 이 파괴는 본질적으로 폭발적이었고 음식 조각이 엄청난 속도로 여러 방향으로 흩어졌습니다. 그리하여 핵반응이라는 현상이 발견되었습니다.

1939-1940년 Yu.B. Khariton과 Ya.B. Zeldovich는 우라늄-235로 천연 우라늄을 소량 농축하면 원자핵의 지속적인 핵분열을 위한 조건을 만드는 것이 가능하다는 것을 이론적으로 처음으로 보여주었습니다. 연쇄 문자를 처리합니다.

자연 속에 존재하기

우라니나이트 광석

우라늄은 자연계에 널리 분포되어 있습니다. 우라늄의 클라크는 1·10 -3%(wt.)입니다. 20km 두께의 암석권 층에 들어 있는 우라늄의 양은 1.3 10 14톤으로 추산됩니다.

우라늄의 대부분은 함량이 높은 산성 암석에서 발견됩니다. 규소. 상당량의 우라늄은 퇴적암, 특히 유기물이 풍부한 퇴적암에 집중되어 있습니다. 우라늄은 토륨 및 희토류 광물(orthite, sphene CaTiO 3, monazite (La,Ce)PO 4, zircon ZrSiO 4, xenotime YPO4 등)에 불순물로 다량으로 존재합니다. 가장 중요한 우라늄 광석은 피치블렌드(우라늄 피치), 우라늄광석 및 카르노타이트입니다. 우라늄의 위성인 주요 광물은 몰리브덴산염 MoS 2, 갈레나 PbS, 석영 SiO 2, 방해석 CaCO 3, 하이드로모스코바이트 등입니다.

자연에서 발견되는 우라늄의 주요 형태는 우라닌, 피치블렌드(우라늄 피치) 및 우라늄 블랙입니다. 위치 형태만 다릅니다. 연령 의존성이 있습니다. 우라닌은 주로 고대(선캄브리아기 암석), 피치블렌드(화산 및 열수)에 존재하며 주로 고생대 및 젊은 고온 및 중온층에 존재합니다. 우라늄 블랙 - 주로 젊은 층에서 - 신생대 및 더 젊은 층에서 - 주로 저온 퇴적암에서.

지각의 우라늄 함량은 0.003%이며, 4가지 유형의 퇴적물 형태로 지구 표면층에서 발견됩니다. 첫째, 우라늄이 매우 풍부하지만 희귀한 우라늄 광맥 또는 우라늄 피치(이산화우라늄 UO2)가 있습니다. 그들은 라듐 침전물을 동반합니다. 라듐우라늄 동위원소 붕괴의 직접적인 산물이다. 이러한 정맥은 캐나다 자이르(그레이트 베어 호수)에서 발견되며, 체코 공화국그리고 프랑스. 두 번째 우라늄 공급원은 토륨 및 우라늄 광석과 기타 중요한 광물 광석의 집합체입니다. 대기업은 일반적으로 추출하기에 충분한 양을 함유하고 있습니다. 금그리고 은, 동반 원소는 우라늄과 토륨입니다. 이러한 광석의 대규모 매장지는 캐나다, 남아프리카, 러시아 및 호주. 세 번째 우라늄 공급원은 우라늄 외에도 상당한 양의 카르노타이트(우라닐 바나데이트 칼륨)가 풍부한 퇴적암과 사암입니다. 바나듐그리고 다른 요소. 이러한 광석은 서부 주에서 발견됩니다. 미국. 철-우라늄 셰일과 인산염 광석은 퇴적물의 네 번째 원천을 구성합니다. 셰일에서 발견된 풍부한 매장량 스웨덴. 모로코와 미국의 일부 인산염 광석에는 상당한 양의 우라늄과 인산염 침전물이 포함되어 있습니다. 앙골라중앙아프리카공화국은 우라늄이 훨씬 더 풍부합니다. 대부분의 갈탄과 일부 석탄에는 일반적으로 우라늄 불순물이 포함되어 있습니다. 우라늄이 풍부한 갈탄 퇴적물이 미국 노스다코타주와 사우스다코타주에서 발견되었으며 역청탄도 발견되었습니다. 스페인그리고 체코 공화국

우라늄 동위원소

천연우라늄은 세 가지의 혼합물로 구성되어 있다. 동위원소: 238 U - 99.2739% (반감기 티 1/2 = 4.468×10 9년), 235U - 0.7024% ( 티 1/2 = 7.038×10 8년) 및 234U - 0.0057%( 티 1/2 = 2.455×10 5년). 후자의 동위원소는 일차가 아니지만 방사성이며 방사성 238 U 시리즈의 일부입니다.

천연 우라늄의 방사능은 주로 동위원소 238 U와 234 U에 기인하며, 평형 상태에서 이들의 특정 활동은 동일합니다. 천연 우라늄의 235U 동위원소의 비활성도는 238U의 활성도보다 21배 낮습니다.

질량수가 227부터 240까지인 인공 우라늄 동위원소는 11개 알려져 있습니다. 그 중 가장 오래 지속되는 것은 233 U입니다. 티 1/2 = 1.62×10 5년)은 토륨에 중성자를 조사하여 얻어지며 열 중성자에 의해 자발적으로 핵분열할 수 있습니다.

우라늄 동위원소 238 U와 235 U는 두 방사성 계열의 조상입니다. 이 시리즈의 마지막 요소는 동위원소입니다. 선두 206Pb 및 207Pb.

자연 조건에서 가장 흔한 동위원소는 다음과 같습니다. 234유: 235U : 238U= 0.0054: 0.711: 99.283. 천연 우라늄 방사능의 절반은 동위원소에 기인합니다 234유. 동위 원소 234유부패로 인해 형성된다. 238U. 마지막 두 개는 다른 동위원소 쌍과 달리 우라늄의 높은 이동 능력에 관계없이 비율의 지리적 불변성을 특징으로 합니다. 이 비율의 크기는 우라늄의 나이에 따라 달라집니다. 수많은 현장 측정 결과 약간의 변동이 나타났습니다. 따라서 롤에서 표준에 대한 이 비율의 값은 0.9959 - 1.0042, 염분 - 0.996 - 1.005 범위 내에서 다양합니다. 우라늄 함유 광물(피치 피치, 우라늄 블랙, 시르톨라이트, 희토류 광석)에서 이 비율의 값은 137.30에서 138.51 사이입니다. 더욱이, 형태 U IV와 UV VI 사이의 차이는 확립되지 않았습니다. 스피네에서 - 138.4. 일부 운석에서 동위원소 결핍이 발견됐다 235U. 지상 조건에서 가장 낮은 농도는 1972년 프랑스 연구원 Bujigues에 의해 아프리카 오클로 마을(가봉 매장지)에서 발견되었습니다. 따라서 일반 우라늄에는 0.7025%의 우라늄 235U가 포함되어 있지만 Oklo에는 0.557%로 감소되어 있습니다. 이는 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스의 George W. Wetherill과 시카고 대학교의 Mark G. Inghram, 그리고 University of University의 화학자인 Paul K. Kuroda가 예측한 자연 원자로가 동위원소 연소를 일으킨다는 가설을 뒷받침했습니다. 아칸소 주는 1956년에 그 과정을 설명했습니다. 또한 Okelobondo, Bangombe 등 동일한 지역에서 천연 원자로가 발견되었습니다. 현재 약 17 개의 천연 원자로가 알려져 있습니다.

영수증

우라늄 생산의 첫 번째 단계는 농축입니다. 바위는 부서지고 물과 섞인다. 무거운 서스펜션 부품이 더 빨리 고정됩니다. 암석에 1차 우라늄 광물이 포함되어 있으면 빠르게 침전됩니다. 이는 중광물입니다. 2차 우라늄 광물은 더 가볍기 때문에 무거운 폐석이 더 일찍 침전됩니다. (그러나 항상 완전히 비어 있는 것은 아닙니다. 우라늄을 포함한 많은 유용한 원소가 포함될 수 있습니다.)

다음 단계는 농축물을 침출하여 우라늄을 용액으로 옮기는 것입니다. 산성 및 알칼리성 침출이 사용됩니다. 첫 번째는 우라늄을 추출하는 데 황산을 사용하기 때문에 가격이 더 저렴합니다. 그러나 우라늄과 같은 공급원료에 들어 있는 경우 타르, 우라늄이 4가 상태이면 이 방법은 적용할 수 없습니다. 4가 우라늄은 실제로 황산에 불용성입니다. 이 경우 알칼리 침출을 이용하거나 우라늄을 6가 상태로 사전 산화해야 합니다.

우라늄 정광에 황산과 반응하는 백운석이나 마그네사이트가 포함되어 있는 경우에도 산 침출은 사용되지 않습니다. 이런 경우에는 가성소다(수산화 나트륨).

광석에서 우라늄 침출 문제는 산소 분사로 해결됩니다. 150°C로 가열된 우라늄 광석과 황화물 광물의 혼합물에 산소 흐름이 공급됩니다. 이 경우 유황 광물에서 황산이 형성되어 우라늄을 씻어냅니다.

다음 단계에서는 생성된 용액에서 우라늄을 선택적으로 분리해야 합니다. 추출과 이온 교환이라는 현대적인 방법으로 이 문제를 해결할 수 있습니다.

용액에는 우라늄뿐만 아니라 다른 양이온도 포함되어 있습니다. 그 중 일부는 특정 조건에서 우라늄과 같은 방식으로 거동합니다. 즉, 동일한 유기 용매로 추출되고 동일한 이온 교환 수지에 침전되며 동일한 조건에서 침전됩니다. 따라서 우라늄을 선택적으로 분리하려면 각 단계에서 원치 않는 동반자를 제거하기 위해 많은 산화 환원 반응을 사용해야합니다. 최신 이온교환수지에서는 우라늄이 매우 선택적으로 방출됩니다.

행동 양식 이온 교환 및 추출또한 열악한 용액에서 우라늄을 완전히 추출할 수 있기 때문에 좋습니다(우라늄 함량은 리터당 10분의 1그램입니다).

이러한 작업 후에 우라늄은 고체 상태, 즉 산화물 중 하나 또는 UF 4 사불화물로 변환됩니다. 하지만 이 우라늄은 여전히 ​​큰 열 중성자 포획 단면적을 통해 불순물로부터 정제되어야 합니다. 붕소, 카드뮴, 하프니아. 최종 제품의 함량은 10만분의 1퍼센트와 100만분의 1퍼센트를 초과해서는 안 됩니다. 이러한 불순물을 제거하기 위해 상업적으로 순수한 우라늄 화합물을 질산에 용해시킵니다. 이 경우 우라닐 질산염 UO 2 (NO 3) 2가 형성되며, 이는 트리부틸 인산염 및 기타 물질로 추출하는 동안 필요한 표준에 따라 추가로 정제됩니다. 그런 다음 이 물질을 결정화하고(또는 과산화물 UO 4 ·2H 2 O가 침전됨) 조심스럽게 하소합니다. 이 작업의 결과로 삼산화 우라늄 UO 3이 형성되고, 이는 수소와 함께 UO 2로 환원됩니다.

이산화우라늄 UO 2는 430~600°C의 온도에서 건조 불화수소에 노출되어 UF 4 사불화물을 생성합니다. 다음을 사용하여 이 화합물로부터 우라늄 금속을 회수합니다. 칼슘또는 마그네슘.

물리적 특성

우라늄은 매우 무겁고 은백색의 반짝이는 금속입니다. 순수한 형태에서는 강철보다 약간 더 부드럽고, 가단성이 있고, 유연하며, 약간의 상자성 특성을 가지고 있습니다. 우라늄은 세 가지 동소체 형태를 가지고 있습니다: 알파(기둥형, 최대 667.7°C까지 안정), 베타(정방형, 667.7°C ~ 774.8°C에서 안정), 감마(체심 입방 구조, 774.8°C에서 존재) 녹는점까지).

일부 우라늄 동위원소의 방사성 특성(천연 동위원소는 강조 표시됨):

화학적 특성

우라늄은 +III에서 +VI까지의 산화 상태를 나타낼 수 있습니다. 우라늄(III) 화합물은 불안정한 적색 용액을 형성하며 강력한 환원제입니다.

4UCl3 + 2H2O → 3UCl4 + UO2 + H2

우라늄(IV) 화합물은 가장 안정적이며 녹색 수용액을 형성합니다.

우라늄(V) 화합물은 수용액에서 불안정하고 쉽게 불균형을 이룹니다.

2UO 2 Cl → UO 2 Cl 2 + UO 2

화학적으로 우라늄은 매우 활동적인 금속입니다. 공기 중에서 빠르게 산화되어 무지개색의 산화물막으로 덮이게 됩니다. 미세한 우라늄 분말은 공기 중에서 자연 발화하며 150-175 ° C의 온도에서 발화하여 U 3 O 8을 형성합니다. 1000°C에서 우라늄은 질소와 결합하여 황색 질화우라늄을 형성합니다. 물은 금속을 부식시킬 수 있는데, 낮은 온도에서는 천천히, 높은 온도에서는 빠르게, 우라늄 분말을 미세하게 분쇄할 때에도 마찬가지입니다. 우라늄은 염산, 질산 및 기타 산에 용해되어 4가 염을 형성하지만 알칼리와 상호 작용하지 않습니다. 천왕성이 대체됩니다 수소무기산과 금속염 용액으로부터 수은, 은, 구리, 주석, 백금그리고금. 세게 흔들면 우라늄의 금속 입자가 빛나기 시작합니다. 우라늄에는 III-VI의 네 가지 산화 상태가 있습니다. 6가 화합물에는 삼산화우라늄(우라닐 산화물) UO 3 및 우라늄 우라닐 염화물 UO 2 Cl 2 가 포함됩니다. 사염화우라늄 UCl4와 이산화우라늄 UO2는 4가 우라늄의 예입니다. 4가 우라늄을 함유한 물질은 일반적으로 불안정하며 장기간 공기에 노출되면 6가가 됩니다. 염화우라닐과 같은 우라닐염은 밝은 빛이나 유기물이 있으면 분해됩니다.

애플리케이션

핵연료

가장 큰 적용은 동위 원소우라늄 235U는 자립적인 핵연쇄반응이 가능하다. 따라서 이 동위원소는 원자로와 핵무기의 연료로 사용됩니다. 천연 우라늄에서 U 235 동위원소를 분리하는 것은 복잡한 기술 문제입니다(동위원소 분리 참조).

U 238 동위원소는 고에너지 중성자에 의한 충격의 영향으로 핵분열이 가능하며, 이 기능은 열핵무기(열핵반응에 의해 생성된 중성자가 사용됨)의 위력을 높이는 데 사용됩니다.

중성자를 포획한 후 β-붕괴를 하면 238U가 239Pu로 변환되어 핵연료로 사용될 수 있습니다.

토륨(토륨-232는 중성자를 포획하여 토륨-233으로 변하고, 이는 프로트악티늄-233으로 붕괴한 다음 우라늄-233으로 변함)으로부터 원자로에서 인공적으로 생산된 우라늄-233은 미래에 원자력 발전을 위한 일반적인 핵 연료가 될 수 있습니다. 발전소(이미 인도의 KAMINI와 같이 이 핵종을 연료로 사용하는 원자로가 있음)와 원자폭탄 생산(임계 질량 약 16kg)이 있습니다.

우라늄-233은 또한 가스상 핵 로켓 엔진에 가장 유망한 연료이다.

지질학

우라늄의 주요 용도는 지질학적 과정의 순서를 결정하기 위해 광물과 암석의 나이를 결정하는 것입니다. 이것이 지구연대학과 이론지구연대학이 하는 일입니다. 물질의 혼합과 근원 문제를 해결하는 것도 필수적이다.

문제에 대한 해결책은 방정식으로 설명되는 방사성 붕괴 방정식을 기반으로 합니다.

어디 238 우오, 235 우오- 현대의 우라늄 동위원소 농도; ; — 붕괴 상수 각각 우라늄 원자 238U그리고 235U.

이들의 조합은 매우 중요합니다.

암석에는 서로 다른 농도의 우라늄이 포함되어 있기 때문에 방사능도 다릅니다. 이 속성은 지구물리학적 방법을 사용하여 암석을 식별할 때 사용됩니다. 이 방법은 우물의 지구물리학적 조사 중 석유 지질학에서 가장 널리 사용되며, 이 복합체에는 특히 γ-로깅 또는 중성자 감마 로깅, 감마-감마 로깅 등이 포함됩니다.

기타 애플리케이션

우라늄을 소량 첨가하면 유리(우라늄 유리)에 아름다운 황록색 형광이 나타납니다.

우라늄산나트륨 Na 2 U 2 O 7 은 회화에서 노란색 안료로 사용되었습니다.

우라늄 화합물은 도자기 페인팅용 페인트, 세라믹 유약 및 에나멜용 페인트로 사용되었습니다(산화 정도에 따라 노란색, 갈색, 녹색 및 검정색으로 칠함).

일부 우라늄 화합물은 감광성입니다.

20세기 초 우라닐 질산염네거티브 및 컬러(틴트) 포지티브(사진 인쇄)를 갈색으로 향상시키는 데 널리 사용됩니다.

니오븀 카바이드 및 지르코늄 카바이드와 합금된 우라늄-235 카바이드는 핵 제트 엔진(작동유체 - 수소 + 헥산)의 연료로 사용됩니다.

철과 열화우라늄(우라늄-238)의 합금은 강력한 자기왜곡 물질로 사용됩니다.

열화우라늄

열화우라늄

천연우라늄에서 235U와 234U를 추출한 후 남은 물질(우라늄-238)은 235동위원소가 고갈되어 있기 때문에 '열화우라늄'이라고 부른다. 일부 데이터에 따르면 미국에는 약 56만톤의 열화육불화우라늄(UF 6)이 저장되어 있다.

열화우라늄은 주로 천연 우라늄에서 234U를 제거하기 때문에 방사능이 천연 우라늄의 절반 수준입니다. 우라늄의 주요 용도는 에너지 생산이므로 열화 우라늄은 경제적 가치가 낮은 저사용 제품입니다.

그 사용은 주로 우라늄의 밀도가 높고 상대적으로 저렴한 비용과 관련이 있습니다. 열화우라늄은 (아이러니하게도) 방사선 차폐에 사용되며 항공기 제어 표면과 같은 항공우주 응용 분야의 안정기로 사용됩니다. 각 보잉 747 항공기에는 이러한 목적을 위해 1,500kg의 감손 우라늄이 포함되어 있습니다. 이 소재는 고속 자이로스코프 로터, 대형 플라이휠, 우주 착륙선 및 경주용 요트의 밸러스트, 유정 시추에도 사용됩니다.

갑옷 관통 발사체 코어

직경 약 20mm의 30mm 구경 발사체(A-10 항공기의 GAU-8 총)의 팁(라이너)은 열화 우라늄으로 만들어졌습니다.

열화우라늄의 가장 유명한 용도는 갑옷을 관통하는 발사체의 코어로 사용되는 것입니다. 2% Mo 또는 0.75% Ti로 합금화하고 열처리(물이나 기름 속에서 850°C로 가열된 금속을 빠르게 담금질하고 450°C에서 5시간 동안 유지)하면 우라늄 금속은 강철보다 단단하고 강해집니다. 순수 우라늄의 경우 강도가 450MPa라는 사실에도 불구하고 강도는 1600MPa 이상입니다. 높은 밀도와 결합하여 경화된 우라늄 주괴는 더 비싼 텅스텐과 효율성이 비슷한 매우 효과적인 갑옷 관통 장치가 됩니다. 무거운 우라늄 팁은 또한 발사체의 질량 분포를 변경하여 공기 역학적 안정성을 향상시킵니다.

Stabilla 유형의 유사한 합금은 탱크 및 대전차 포병용 스위프 핀 발사체에 사용됩니다.

갑옷 파괴 과정에는 우라늄 돼지를 분쇄하여 먼지로 만들고 갑옷 반대편의 공기 중에서 점화하는 과정이 수반됩니다(발화성 참조). 사막의 폭풍 작전 동안 전장에는 약 300톤의 고갈 우라늄이 남아 있었습니다(대부분 A-10 공격기의 30mm GAU-8 대포 포탄 잔해, 각 포탄에는 272g의 우라늄 합금이 포함되어 있음).

이러한 포탄은 유고슬라비아 영토에서의 전투 작전에서 NATO 군대에 의해 사용되었습니다. 적용 후 국가 영토의 방사선 오염 환경 문제가 논의되었습니다.

우라늄은 제3제국에서 처음으로 발사체의 핵으로 사용되었습니다.

열화우라늄은 M-1 Abrams 탱크와 같은 현대식 탱크 장갑에 사용됩니다.

생리적 작용

이는 식물, 동물 및 인간의 조직에서 미량(10−5–10−8%)으로 발견됩니다. 일부 곰팡이와 조류에 의해 가장 많이 축적됩니다. 우라늄 화합물은 위장관(약 1%), 폐(50%)에 흡수됩니다. 신체의 주요 저장소: 비장, 신장, 골격, 간, 폐 및 기관지폐 림프절. 인간과 동물의 장기와 조직의 함량은 10 −7 g을 초과하지 않습니다.

우라늄과 그 화합물 독성. 우라늄 에어로졸과 그 화합물은 특히 위험합니다. 수용성 우라늄 화합물 에어로졸의 경우 공기 중 MPC는 0.015mg/m3이고, 불용성 우라늄 형태의 MPC는 0.075mg/m3입니다. 우라늄이 몸에 들어가면 모든 장기에 영향을 미치며 일반적인 세포 독이 됩니다. 우라늄의 분자 작용 메커니즘은 효소 활성을 억제하는 능력과 관련이 있습니다. 신장이 주로 영향을 받습니다(소변에 단백질과 설탕이 나타남, 핍뇨). 만성 중독의 경우 조혈 및 신경계 장애가 발생할 수 있습니다.

2005-2006년 U 함량별 국가별 생산량(톤)입니다.

2006년 회사별 생산량:

카메코 - 8.1천톤

리오 틴토(Rio Tinto) - 7,000톤

AREVA - 5천톤

Kazatomprom - 3.8천톤

JSC TVEL - 35,000톤

BHP Billiton - 3천톤

Navoi MMC - 2.1천톤( 우즈베키스탄, 나보이)

우라늄 1 - 1,000톤

Heathgate - 0.8천톤

데니슨 광산 - 0.5천 톤

러시아 생산

소련의 주요 우라늄 광석 지역은 우크라이나(Zheltorechenskoye, Pervomaiskoye 매장지 등), 카자흐스탄(북부 - Balkashin 광석 필드 등, 남부 - Kyzylsay 광석 ​​필드 등, Vostochny였으며 모두 주로 화산-열수 유형); Transbaikalia(Antey, Streltsovskoe 등); 중앙 아시아, 주로 우즈베키스탄은 Uchkuduk 시를 중심으로 흑색 셰일의 광물이 존재합니다. 작은 광석의 발생과 발현이 많이 있습니다. 러시아에서는 Transbaikalia가 주요 우라늄 광석 지역으로 남아 있습니다. 러시아 우라늄의 약 93%가 치타 지역(크라스노카멘스크 시 근처) 매장지에서 채굴됩니다. 채굴은 OJSC Atomredmetzoloto(Uranium Holding)의 일부인 Priargunskoye Production Mining and Chemical Association(PPMCU)의 샤프트 방식을 사용하여 수행됩니다.

나머지 7%는 JSC Dalur(Kurgan 지역) 및 JSC Khiagda(Buryatia)의 지하 침출을 통해 얻습니다.

생성된 광석과 우라늄 정광은 체페츠크 기계 공장에서 처리됩니다.

카자흐스탄 생산

세계 우라늄 매장량의 약 5분의 1이 카자흐스탄에 집중되어 있습니다(21%로 세계 2위). 총 우라늄 자원량은 약 150만톤이며, 이 중 현장 침출을 통해 약 110만톤을 채굴할 수 있다.

2009년 카자흐스탄은 우라늄 생산량에서 세계 1위를 차지했습니다.

우크라이나 생산

주요 기업은 Zhovti Vody시의 동부 광산 및 가공 공장입니다.

가격

우라늄 킬로그램당 수만 달러 또는 심지어 그램 양의 우라늄에 대한 일반적인 전설에도 불구하고 시장에서의 실제 가격은 그다지 높지 않습니다. 농축되지 않은 우라늄 산화물 U 3 O 8의 가격은 킬로그램 당 100 미국 달러 미만입니다. 이는 농축되지 않은 우라늄을 사용하여 원자로를 가동하려면 수십 톤, 심지어 수백 톤의 연료가 필요하고, 핵무기를 제조하려면 폭탄을 만드는 데 적합한 농도를 얻기 위해 많은 양의 우라늄을 농축해야 하기 때문입니다.

원소번호 92번인 우라늄은 자연에서 발견되는 원소 중 가장 무거운 원소입니다. 이것은 우리 시대 초기에 사용되었으며 노란색 유약(1% 이상의 우라늄 산화물 함유)이 있는 도자기 조각이 폼페이와 헤르쿨라네움 유적에서 발견되었습니다.

우라늄은 1789년 독일 화학자 Marton Heinrich Klaproth에 의해 우라늄 타르에서 발견되었으며, 클라프로트는 1781년 발견된 행성 우라늄의 이름을 따서 명명했습니다. 금속 우라늄은 1841년 프랑스 화학자 Eugene Peligo가 무수 사염화우라늄을 칼륨으로 환원하여 처음 얻었습니다. 1896년 앙투안 앙리 베크렐(Antoine-Henri Becquerel)은 실수로 사진 건판을 인근 우라늄염 조각의 전리 방사선에 노출시켜 우라늄 방사능 현상을 발견했습니다.

물리적, 화학적 특성

우라늄은 매우 무겁고 은백색의 반짝이는 금속입니다. 순수한 형태에서는 강철보다 약간 더 부드럽고, 가단성이 있고, 유연하며, 약간의 상자성 특성을 가지고 있습니다. 우라늄은 세 가지 동소체 형태를 가지고 있습니다: 알파(기둥형, 667.7°C까지 안정), 베타(정방형, 667.7~774.8°C에서 안정), 감마(체심 입방 구조, 774.8°C에서 녹는점까지 존재) ), 우라늄은 가장 가단성이 있고 가공하기 쉽습니다. 알파상은 극도로 비대칭인 프리즘 격자에 물결 모양의 원자 층으로 구성된 매우 놀라운 유형의 프리즘 구조입니다. 이러한 이방성 구조는 우라늄을 다른 금속과 합금하는 것을 어렵게 만듭니다. 오직 몰리브덴과 니오븀만이 우라늄과 고체상 합금을 만들 수 있습니다. 사실, 우라늄 금속은 많은 합금과 상호작용하여 금속간 화합물을 형성할 수 있습니다.

우라늄의 기본 물리적 특성:
융점 1132.2°C(+/- 0.8);
끓는점 3818 °C;
밀도 18.95(알파 단계);
비열 용량 6.65 cal/mol/°C(25C);
인장강도 450 MPa.

화학적으로 우라늄은 매우 활동적인 금속입니다. 공기 중에서 빠르게 산화되어 무지개색의 산화물막으로 덮이게 됩니다. 미세한 우라늄 분말은 공기 중에서 자연 발화하며, 150~175°C의 온도에서 발화하여 U를 형성합니다. 3 영형 8 . 1000°C에서 우라늄은 질소와 결합하여 황색 질화우라늄을 형성합니다. 물은 낮은 온도에서는 서서히 금속을 부식시키고, 높은 온도에서는 빠르게 금속을 부식시킬 수 있습니다. 우라늄은 염산, 질산 및 기타 산에 용해되어 4가 염을 형성하지만 알칼리와 상호 작용하지 않습니다. 우라늄은 무기산과 수은, 은, 구리, 주석, 백금, 금과 같은 금속 염 용액에서 수소를 대체합니다. 세게 흔들면 우라늄의 금속 입자가 빛나기 시작합니다.
우라늄에는 III-VI의 네 가지 산화 상태가 있습니다. 6가 화합물에는 우라닐 삼산화물 UO가 포함됩니다. 3 우라늄 염화우라늄 UO 2 Cl 2 . 사염화우라늄 UCl 4 이산화우라늄 UO 2 - 4가 우라늄의 예. 4가 우라늄을 함유한 물질은 일반적으로 불안정하며 장기간 공기에 노출되면 6가 우라늄으로 변합니다. 염화우라닐과 같은 우라닐염은 밝은 빛이나 유기물이 있으면 분해됩니다.

우라늄에는 안정 동위원소가 없지만 방사성 동위원소 중 33개가 알려져 있습니다. 천연 우라늄은 세 가지 방사성 동위원소로 구성됩니다. 238U (99.2739%, T=4.47⋅10 9 년, α 방출체, 방사성 계열(4n+2)의 조상), 235U (0.7205%, T=7.04⋅10 9 년, 방사성 계열(4n+3)의 조상) 및 234U (0.0056%, T=2.48⋅10 5 년, α-방출체). 마지막 동위원소는 1차 동위원소가 아니지만 방사성 동위원소이며 방사성 계열의 일부입니다. 238 U. 천연 우라늄의 원자 질량은 238.0289+0.0001입니다.

천연 우라늄의 방사능은 주로 동위원소에 기인합니다 238U 및 234 U, 균형 상태에서 그들의 특정 활동은 동일합니다. 천연 우라늄의 비방사능은 0.67 마이크로퀴리/g으로 거의 절반으로 나뉜다. 234U 및 238U; 235 U는 작은 기여를 합니다(동위원소의 특정 활동 235 천연 우라늄의 U는 활성이 21배나 낮습니다. 238 유). 천연 우라늄은 약 한 시간 안에 사진 건판을 노출시킬 만큼 방사능이 높습니다. 열중성자 포획 단면 233U 4.6 10 -27m2, 235U 9.8 10 -27m2, 238U 2.7 10 -28 m2; 핵분열 단면 233U 5.27 10 -26m2, 235U 5.84 10 -26 m2, 동위원소의 천연 혼합물 4.2 10-28m2.

우라늄 동위원소는 일반적으로 α-방출체입니다. 평균 α-복사 에너지 230U, 231U, 232U, 233U, 234U, 235U, 236U, 238 U는 각각 5.97이다. 3.05⋅10 -4 ; 5.414; 4.909; 4.859; 4.679; 4.572; 4.270MeV. 이와 동시에 다음과 같은 동위원소도 존재한다. 233U, 238U 및 239 알파 외에도 U는 또 다른 유형의 붕괴, 즉 자발적 핵분열을 겪습니다. 그러나 핵분열 확률은 α 붕괴 확률보다 훨씬 적습니다.

실제 응용의 관점에서 볼 때 천연 동위원소는 233U 및 235 열 및 고속 중성자의 영향을 받는 U 핵분열( 235 U는 자발적인 핵분열이 가능하며) 핵 238 U는 1MeV보다 큰 에너지를 가진 중성자를 포획할 때만 핵분열이 가능합니다. 낮은 원자력 에너지로 중성자를 포획할 때 238 U가 먼저 핵으로 변해 239 U는 β-붕괴를 거쳐 먼저 239 Np, 그 다음 - 239 핵 특성이 가까운 Pu 235 U. 핵의 열중성자에 대한 효과적인 포획 단면적 234 U, 235 U 및 238 U는 98⋅10 -28, 683⋅10 -28 및 2.7⋅10 -28과 같습니다. 각각 m2입니다. 완전한 분할 235 U는 "열에너지 등가물" 2⋅10을 방출합니다. 7kWh/kg.

우라늄의 기술적 동위원소

현대의 원자로는 질량수가 227에서 240에 이르는 11개의 인공 방사성 동위원소를 생산하며, 그 중 가장 오래 지속되는 동위원소는 233U(T = 1.62 10 5 연령); 이는 토륨의 중성자 조사에 의해 얻어집니다. 질량수가 240보다 큰 우라늄 동위원소는 원자로에서 형성될 시간이 없습니다. 우라늄-240의 수명은 너무 짧고, 중성자를 포착하기 전에 붕괴됩니다. 그러나 열핵폭발의 초강력 중성자 플럭스에서 우라늄 핵은 100만분의 1초에 최대 19개의 중성자를 포착합니다. 이 경우 질량수가 239에서 257까지인 우라늄 동위원소가 탄생하는데, 그 존재는 무거운 우라늄 동위원소의 후손인 원거리 초우라늄 원소의 열핵폭발 생성물에 나타나는 것을 통해 알게 되었습니다. "속의 창시자" 자체는 β-붕괴하기에는 너무 불안정하며 폭발로 인해 혼합된 암석에서 핵 반응 생성물이 추출되기 오래 전에 더 높은 원소로 전달됩니다.

열중성자 동력로에서는 동위원소가 핵연료로 사용됩니다. 235U 및 233 U, 그리고 고속 중성자로 238 유, 즉 핵분열 연쇄반응을 일으킬 수 있는 동위원소.

U-232

232 U – 기술 생성 핵종, 자연에서는 발견되지 않음, α-방출체, T=68.9년, 모 동위원소 236 Pu(α), 232 Np(β+) 및 232 Pa(β-), 딸 핵종 228 목. 자발적인 분할이 가능합니다. 232 U의 자연 핵분열 속도는 0.47 Divisions/s⋅kg입니다. 원자력 산업에서는 232 U는 토륨 연료 주기에서 핵분열성(무기급) 핵종 233U가 합성되는 동안 부산물로 생성됩니다. 조사되면 232 주요 반응은 다음과 같습니다.

232 목 + n → 233 Th → (22.2분, β-붕괴) → 233 Pa → (27.0일, β-붕괴) → 233U

그리고 2단계 부반응:

232 Th + n → 231 Th + 2n, 231 Th → (25.5 h, β) → 231 Pa + n → 232 Pa → (1.31일, β) → 232U.

러닝타임 232 2단계 반응 중 U는 빠른 중성자의 존재에 따라 달라집니다(적어도 6MeV의 에너지를 갖는 중성자가 필요함). 왜냐하면 첫 번째 반응의 단면적이 열 속도에 비해 작기 때문입니다. 소수의 핵분열 중성자는 6 MeV 이상의 에너지를 가지며, 토륨 증식 구역이 중간 속도 중성자(~500 keV)가 조사되는 원자로의 일부에 위치하는 경우 이 반응은 실질적으로 제거될 수 있습니다. 원래 물질에 함유된 경우 230 Th, 그러면 교육 232 U는 다음 반응으로 보완됩니다. 230 목 + n → 231 Th 이상은 위와 같습니다. 이 반응은 열중성자와도 잘 작동합니다. 그래서 교육을 억압한다. 232 U(아래에 표시된 이유 때문에 필요함)는 최소 농도의 토륨을 적재해야 합니다. 230일

동력로에서 생성된 동위원소 232 U는 다음과 같이 분해되기 때문에 건강 및 안전 문제를 제기합니다. 212 Bi 및 208 고에너지 γ-양자를 방출하는 Te. 따라서 이 동위원소를 다량 함유한 제제는 뜨거운 챔버에서 처리되어야 합니다. 유효성 232 조사된 우라늄의 U는 원자무기 취급의 관점에서도 위험합니다.

축적 232 U 생산에 불가피하다 233 에너지 부문으로의 도입을 방해하는 토륨 에너지 순환의 U. 특이한 점은 짝수 동위원소라는 것이다. 232 U는 중성자의 영향으로 높은 핵분열 단면적(열 중성자의 경우 75반, 공명 적분 380)과 높은 중성자 포획 단면적(73반(공명 적분 280))을 갖습니다.

232의 혜택도 있어요 U: 화학적, 물리적 연구에서 방사성추적자 방법에 자주 사용됩니다.

U-233

233 U는 Seaborg, Hoffmann 및 Stoughton에 의해 발견되었습니다. 우라늄-233 - α-방출체, T=1.585⋅105년, 모핵종 237 푸(α) 233 Np(β+) 233 Pa(β-), 딸 핵종 229 목. 우라늄-233은 원자로에서 토륨으로부터 생산됩니다. 232Th는 중성자를 포획하여 233 Th는 다음과 같이 분류됩니다. 233 Ra, 그리고 233 U. Nuclei 233 U(홀수 동위원소)는 모든 에너지의 중성자의 영향으로 자연 분열과 핵분열이 모두 가능하므로 원자무기와 원자로 연료 생산에 적합합니다(핵연료의 확장 재생산 가능). 우라늄-233은 또한 가스상 핵 로켓 엔진에 가장 유망한 연료이다. 고속 중성자의 유효 핵분열 단면적은 533반이고, 반감기는 1,585,000년이며 자연에서는 발생하지 않습니다. 임계질량 233 U는 임계질량보다 3배 적습니다. 235U(약 16kg). 233 U의 자연 핵분열 속도는 720 핵분열/s⋅kg입니다. 235U는 중성자 조사를 통해 232Th에서 얻을 수 있습니다.

232 목 + n → 233 Th → (22.2분, β-붕괴) → 233 Pa → (27.0일, β-붕괴) → 233U

중성자가 흡수되면 핵이 233 U는 보통 핵분열을 하지만 가끔 중성자를 포획하여 234 U, 비핵분열 공정의 비율은 다른 핵분열성 연료보다 적지만 ( 235 유, 239 푸, 241 Pu) 모든 중성자 에너지에서 작게 유지됩니다. 프로트악티늄이 중성자를 흡수할 기회를 갖기 전에 물리적으로 격리되는 용융염 원자로 설계가 있다는 점에 유의하십시오. 하지만 233 U는 중성자를 흡수한 후 보통 분열하지만 때로는 중성자를 보유하여 234 U (이 과정은 핵분열보다 확률이 훨씬 낮습니다).

러닝타임 233 토륨 산업 원료로부터의 U는 상당한 토륨 매장량을 보유하고 있는 인도 원자력 산업 발전을 위한 장기 전략입니다. 번식은 고속 반응로나 열 반응로에서 수행될 수 있습니다. 인도 이외의 지역에서는 전 세계 토륨 매장량이 우라늄 매장량의 3배에 달하지만 토륨 기반 연료 사이클에 대한 관심이 많지 않습니다. 233 U는 무기 혐의를 받고 있습니다. 지금은 거의 그렇게하지 않습니다. 1955년 미국은 무기 품질을 테스트했습니다. 233 U Operation Teapot에서 이를 기반으로 폭탄을 터뜨립니다. 무기의 관점에서 233U, 239와 비슷함 Pu: 방사능은 1/7(T=159200년 대 플루토늄의 경우 24100년), 임계 질량은 60% 더 높으며(16kg 대 10kg), 자연 핵분열 속도는 20배 더 높습니다(6⋅10-9 대 3⋅10 -10 ). 그러나 비방사능이 낮기 때문에 중성자 밀도는 233 U는 그것보다 3배나 더 높아 239 푸. 다음을 기반으로 핵 전하 생성 233 U는 플루토늄보다 더 많은 노력이 필요하지만 기술적 노력은 거의 같습니다.

가장 큰 차이점은 233 U 불순물 232 U, 그래서 일하기가 힘들어 233 U를 사용하면 완성된 무기를 쉽게 찾을 수 있습니다.

232 무기 등급 233의 U 함량 U는 5ppm(0.0005%)을 초과해서는 안 됩니다. 상업용 핵연료주기에는 232 U는 무기 목적으로 우라늄이 확산될 가능성을 감소시키기 때문에 큰 단점은 아니며 바람직할 수도 있습니다. 연료를 절약하기 위해 레벨을 재활용하고 재사용한 후 232 U는 0.1-0.2%에 도달합니다. 특별히 설계된 시스템에서 이 동위원소는 0.5-1%의 농도로 축적됩니다.

생산 후 첫 2년 동안 232U, 228을 포함하는 233U Th는 일정한 수준을 유지하며 자체 붕괴와 균형을 유지합니다. 이 기간 동안 γ-방사선의 배경 값이 설정되고 안정화됩니다. 따라서 처음 몇 년 동안 대량 생산되었습니다. 233 U는 상당한 γ 방사선을 방출합니다. 10킬로그램의 구체 233 무기 등급 U(5ppm 232U)는 생산 후 1개월 후 1m 거리에서 시간당 11밀리렘의 배경을 생성합니다.

1년 후에는 밀리렘/h, 2년 후에는 200밀리렘/h입니다. 연간 선량한도인 5rem은 해당 물질을 사용한 작업 25시간만에 초과되었습니다. 심지어 신선하다 233 U(제조일로부터 1개월)는 조립 시간을 주당 10시간으로 제한합니다. 완전히 조립된 무기에서는 신체가 전하를 흡수하여 방사선 수준이 감소합니다. 최신 경량 장치에서는 감소량이 10배를 초과하지 않아 안전 문제가 발생합니다. 더 무거운 전하에서는 흡수가 100~1000배 더 강해집니다. 베릴륨 반사체는 중성자 배경 수준을 증가시킵니다: 9Be + γ-양자 → 8Be + n. γ선 232 U는 특징적인 시그니처를 형성하며 이를 감지하고 원자 전하의 움직임과 존재를 추적할 수 있습니다. 특별히 변성된 토륨 회로를 사용하여 생산됨 233U(0.5~1.0% 232 U), 더 큰 위험을 초래합니다. 이러한 재료로 만들어진 10kg의 구는 1개월 후에 1m 거리에서 11rem/시간, 1년 후에는 110rem/시간, 2년 후에는 200rem/시간의 배경을 만듭니다. 그러한 원자폭탄과의 접촉은 방사선이 1000배 감소하더라도 연간 25시간으로 제한됩니다. 눈에 띄는 점유율의 존재 232 핵분열성 물질의 U는 군사용으로 사용하기 매우 불편합니다.

우라늄의 천연 동위원소

U-234

우라늄-234(우라늄 II)는 천연 우라늄(0.0055%)의 일부이며, T = 2.445⋅10 5 연도, α 방출체, 모 방사성 핵종: 238 Pu(α), 234 Pa(β-), 234 Np(β+), 딸 동위원소 230일 목차 234 광석 내 U는 상대적으로 짧은 반감기로 인해 매우 미미합니다. 234 U는 다음 반응에 의해 형성됩니다.

238 U → (45억 1천만년, 알파붕괴) → 234일

234 Th → (24.1일, 베타붕괴) → 234파

234 Pa → (6.75시간, 베타붕괴) → 234U

보통 234 U는 다음과 균형을 이루고 있습니다. 238 U, 같은 속도로 부패하고 형성됩니다. 그러나 붕괴하는 원자 238 U는 한동안 토륨과 프로트악티늄의 형태로 존재하므로 광석(지하수에 의해 침출됨)에서 화학적으로 또는 물리적으로 분리될 수 있습니다. 왜냐하면 234 U는 상대적으로 짧은 반감기를 가지며, 광석에서 발견되는 이 동위원소는 모두 지난 수백만 년 동안 형성되었습니다. 천연 우라늄 방사능의 약 절반은 다음과 같습니다. 234 유.

집중력 234 고농축 우라늄의 U는 광동위원소의 우선적 농축으로 인해 상당히 높습니다. 왜냐하면 234 U는 강력한 γ-방출체이므로 연료로 가공하기 위한 우라늄의 농도에는 제한이 있습니다. 기본적으로 레벨이 올라감 234 U는 현대식 원자로에 허용되지만 재처리된 사용후핵연료에는 허용할 수 없는 수준의 이 동위원소가 포함되어 있습니다.

흡수 단면적 234 열 중성자의 U는 100 barn이고, 다양한 중간 중성자에 대한 평균 공명 적분은 700 barn입니다. 그러므로 원자로에서는

열중성자는 핵분열성 물질로 변환됩니다. 235 훨씬 더 많은 양보다 더 빠른 속도로 238 U(단면적 2.7 barn)는 다음으로 변환됩니다. 239 푸. 결과적으로 사용후핵연료에는 더 적은 양의 234U보다 더 신선합니다.

U-235

우라늄-235(악티누라늄)는 빠르게 성장하는 핵분열 연쇄 반응을 일으킬 수 있는 동위원소입니다. 1935년 아서 제프리 뎀스터(Arthur Jeffrey Dempster)가 발견했습니다.

이것은 중성자의 영향으로 강제 핵분열 반응이 발견된 최초의 동위원소입니다. 중성자를 흡수 235 U는 236으로 갑니다 U는 두 부분으로 나뉘어 에너지를 방출하고 여러 개의 중성자를 방출합니다. 모든 에너지의 중성자에 의해 핵분열성이며 자발적인 핵분열이 가능한 동위원소 235 U는 천연 우라늄의 일부(0.72%), α 방출체(에너지 4.679 MeV), T=7.038⋅10 8 년, 모핵종 235 Pa, 235 Np 및 239 Pu, 딸 - 231 목. 자연분열의 강도 235 U 0.16구분/s⋅kg. 하나의 핵이 분열할 때 235 U는 200MeV 에너지를 방출했습니다=3.2⋅10 -11 J, 즉 18TJ/몰=77TJ/kg. 그러나 이 에너지의 5%는 사실상 감지할 수 없는 중성자에 의해 운반됩니다. 열 중성자의 핵 단면적은 약 1000 barn이고 고속 중성자의 경우 약 1 barn입니다.

순중량 60kg 235 U는 초당 9.6번의 핵분열만 생성하므로 대포 설계를 사용하여 원자폭탄을 만드는 것이 충분히 간단합니다. 238 U는 킬로그램당 35배 더 많은 중성자를 생성하므로 이 동위원소의 작은 비율이라도 이 수치를 여러 번 높입니다. 234 U는 22배 더 많은 중성자를 생성하며 다음과 유사합니다. 238 U 바람직하지 않은 행동. 특정 활동 235 U는 2.1 마이크로큐리/g에 불과합니다. 오염도는 0.8% 234 U는 그것을 51 마이크로큐리/g으로 높였습니다. 무기급 우라늄의 임계질량. (93.5% 235 U) 수용액의 경우 1kg 미만, 열린 공의 경우 약 50kg, 반사경이 있는 공의 경우 15~23kg입니다.

천연 우라늄에서는 상대적으로 희귀한 단 하나의 동위원소만이 원자폭탄의 핵심을 만들거나 원자로에서 반응을 유지하는 데 적합합니다. 농축 정도에 따라 235 원자력 발전소용 핵연료의 U는 2~4.5% 범위이고, 무기용으로는 최소 80%, 더욱 바람직하게는 90%입니다. 미국에서 235 무기급 U는 93.5%까지 농축됩니다(업계에서는 97.65%를 생산할 수 있음). 이러한 우라늄은 해군용 원자로에 사용됩니다.

논평. 내용물이 들어있는 우라늄 235 U 85% 이상을 무기급 우라늄이라고 하며 그 함량은 20% 이상 85% 미만입니다. 우라늄은 "나쁜"(비효과적인 폭탄)을 만드는 데 사용될 수 있기 때문에 무기용으로 적합합니다. 그러나 내파, 중성자 반사경 및 일부 고급 기술을 사용하면 "좋은" 폭탄을 만드는 데에도 사용할 수 있습니다. 다행히도 전 세계에서 이러한 트릭을 실제로 구현할 수 있는 국가는 2~3개국에 불과합니다. 오늘날 우라늄 폭탄은 어디에서도 생산되지 않는 것으로 보입니다(플루토늄은 핵무기에서 우라늄을 대체했습니다). 그러나 우라늄 폭탄의 대포 설계가 단순하고 이러한 폭탄의 생산 확대 가능성으로 인해 우라늄-235에 대한 전망은 여전히 ​​남아 있습니다. 갑자기 필요성이 생깁니다.

더 가벼워짐 234 U는 비례적으로 훨씬 더 풍부해졌습니다. 235 U는 질량 차이를 기반으로 천연 우라늄 동위원소를 분리하는 모든 과정에서 원자폭탄 생산에 특정 문제를 야기합니다. 고농축 235 U는 보통 1.5-2.0%를 포함합니다. 234 유.

제235과 U는 원자무기, 에너지 생산, 중요한 악티늄족의 합성에 사용됩니다. 천연 우라늄은 원자로에서 중성자를 생성하는 데 사용됩니다. 연쇄반응은 핵분열로 생성된 과도한 중성자에 의해 유지됩니다. 235 U, 동시에, 연쇄반응에 의해 발견되지 않은 과잉 중성자는 또 다른 천연 동위원소에 의해 포획됩니다. 238 U는 중성자의 영향으로 핵분열이 가능한 플루토늄을 생성합니다.

U-236

자연에서 불순물 양으로 발견됨, α-방출체, T=2.3415⋅10 7 년,로 헤어진다 232 목. 중성자 충격으로 형성됨 235 그런 다음 U는 바륨 동위원소와 크립톤 동위원소로 분리되어 두 개의 중성자, 감마선을 방출하고 에너지를 방출합니다.

소량에서는 새로운 연료의 일부입니다. 우라늄은 원자로에서 중성자와 함께 조사될 때 축적되므로 사용후 우라늄 핵연료에 대한 "신호 장치"로 사용됩니다. 236 U는 사용후핵연료를 재생하는 경우 기체확산에 의한 동위원소 분리 과정에서 부산물로 생성된다. 이 동위원소는 원자로의 표적 물질로서 어느 정도 중요한 의미를 갖습니다. 재활용(가공) 우라늄을 원자로에 사용할 경우 천연 우라늄을 사용할 때와 중요한 차이가 있습니다. 사용후핵연료에서 분리된 우라늄에는 동위원소가 포함되어 있습니다. 236 U(0.5%)는 새로운 연료에 사용될 때 동위원소 생성을 촉진합니다. 238 푸. 이는 에너지급 플루토늄의 품질 저하로 이어지지만 핵 비확산 문제의 맥락에서는 긍정적인 요인이 될 수 있습니다.

동력로에서 형성됨 236 U는 중성자 독이므로 핵연료에 존재하는 U는 더 높은 수준의 농축으로 보상되어야 합니다. 235U.

U-238

우라늄-238(우라늄 I) - 고에너지 중성자(1MeV 이상)에 의한 핵분열성, 자연 분열 가능, 천연 우라늄(99.27%), α-방출체, T = 4.468⋅10의 기초를 형성함 9 년으로 직접 분류됩니다. 234 Th는 유전적으로 관련된 다수의 방사성 핵종을 형성하고 18개의 제품을 통해 206 납. 계열의 일정한 붕괴율로 인해 방사성 연대 측정에서 모 핵종과 딸 핵종의 농도 비율을 사용할 수 있습니다. 자연분열에 의한 우라늄-238의 반감기는 정확하게 확립되지 않았지만 매우 길다(약 10년). 16 따라서 주요 과정(알파 입자의 방출)과 관련된 핵분열 확률은 10에 불과합니다. -7 . 1kg의 우라늄은 초당 10번의 자발적 핵분열만을 생성하며, 동시에 α 입자는 2천만 개의 핵을 방출합니다. 모핵종: 242 Pu(α), 238 Pa(β-) 234 Th, 딸 - 234 Th.

우라늄-238은 핵분열에 필요한 고에너지 중성자 때문에 1차 핵분열 물질로 사용할 수 없지만 원자력 산업에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 밀도가 높고 원자량이 크며, 238 U는 원자폭탄과 수소폭탄의 전하/반사체 껍질을 만드는 데 적합합니다. 고속 중성자에 의해 핵분열된다는 사실은 전하의 에너지 출력을 증가시킵니다. 간접적으로, 반사 중성자의 곱셈에 의해 또는 직접적으로 고속 중성자에 의한 전하 껍질의 핵분열(융합 중)에 의해 증가합니다. 핵분열에 의해 생성된 중성자의 약 40%와 모든 핵융합 중성자는 핵분열에 충분합니다. 238 U 에너지. 238 U의 자연분열 속도는 U보다 35배 더 높습니다. 235 U, 5.51구간/s⋅kg. 이는 적절한 질량(200-300kg)이 너무 높은 중성자 배경을 생성하기 때문에 대포형 폭탄의 전하/반사체 껍질로 사용하는 것을 불가능하게 만듭니다. 깨끗한 238 U의 특정 방사능은 0.333 마이크로퀴리/g입니다. 이 우라늄 동위원소의 중요한 적용 분야는 생산입니다. 239 푸. 플루토늄은 원자에 포획된 후 시작되는 여러 반응을 통해 형성됩니다. 238 U 중성자. 235번째 동위원소에 천연 우라늄 또는 부분 농축 우라늄을 함유한 원자로 연료는 연료 주기가 끝난 후 특정 비율의 플루토늄을 함유합니다.

열화우라늄

추출 후 235 U는 천연 우라늄이고, 남은 물질을 열화우라늄이라고 부르는데, 그 이유는 동위원소가 고갈되어 있다 235 너와 234 U. 축소된 콘텐츠 234 U(약 0.001%)는 천연 우라늄에 비해 방사능을 거의 절반으로 감소시키며, 함량이 감소하면 235 U는 열화우라늄의 방사능에 사실상 영향을 미치지 않습니다.

세계의 거의 모든 열화우라늄은 육불화물 형태로 저장됩니다. 미국은 3개의 가스 확산 농축 공장에 560,000톤의 감손육불화우라늄(UF6)을 보유하고 있으며 러시아에는 수십만 톤이 있습니다. 열화우라늄은 천연 우라늄의 절반 정도의 방사성을 갖고 있는데, 이는 주로 234 U. 우라늄의 주요 용도는 에너지 생산이기 때문에 열중성자를 갖춘 원자로에서 열화 우라늄은 경제적 가치가 낮은 쓸모없는 제품입니다.

안전의 관점에서 보면 열화육불화우라늄 가스를 고체인 산화우라늄으로 변환하는 것이 일반적인 관행입니다. 산화우라늄은 방사성 폐기물 형태로 매장되거나 고속 중성자로에서 사용되어 플루토늄을 생산할 수 있습니다.

산화우라늄 처리 방법에 대한 결정은 국가가 열화우라늄을 어떻게 처리해야 하는 방사성 폐기물로 보는지 또는 향후 사용에 적합한 물질로 보는지에 따라 달라집니다. 예를 들어, 미국에서는 최근까지 열화우라늄이 향후 사용을 위한 원료로 간주되었습니다. 그러나 2005년부터 이러한 관점이 바뀌기 시작했고 이제 미국에서는 열화우라늄 매장이 가능해졌습니다. 프랑스에서는 열화우라늄을 방사성 폐기물로 간주하지 않고 산화우라늄 형태로 저장해야 한다고 되어 있습니다. 러시아에서는 연방원자력청 지도부가 육불화우라늄을 폐기할 수 없는 귀중한 물질로 간주하고 있습니다. 폐육불화우라늄을 산화우라늄으로 변환하기 위한 산업 시설을 만드는 작업이 시작되었습니다. 생성된 우라늄 산화물은 고속 중성자로에서 추가로 사용하거나 추가 농축을 위해 장기간 저장되어야 합니다. 235 U 다음에는 열 반응기에서 연소됩니다.

열화우라늄을 사용하는 방법을 찾는 것은 농축 시설에 큰 어려움을 안겨줍니다. 그 사용은 주로 우라늄의 밀도가 높고 상대적으로 저렴한 비용과 관련이 있습니다. 열화우라늄의 가장 중요한 두 가지 용도는 방사선 차폐와 항공기 제어 표면과 같은 항공우주 응용 분야의 안정기입니다. 각 보잉 747 항공기에는 이러한 목적을 위해 1,500kg의 감손 우라늄이 포함되어 있습니다. 열화우라늄은 주로 충격봉(유선 시추) 형태로 석유 시추에 사용되며, 그 무게로 인해 굴착 유체가 채워진 유정으로 공구가 이동됩니다. 이 소재는 고속 자이로스코프 로터, 대형 플라이휠, 우주 착륙선 및 경주용 요트의 밸러스트로 사용됩니다.

그러나 우라늄의 가장 유명한 용도는 갑옷을 관통하는 발사체의 코어로 사용되는 것입니다. 다른 금속과의 특정 합금 및 열처리(2% Mo 또는 0.75% Ti 합금, 물이나 기름 속에서 850°로 가열된 금속의 급속 담금질, 추가로 450°에서 5시간 동안 유지)를 통해 우라늄 금속은 더 단단해지고 강철보다 강합니다(간극 강도 > 1600 MPa). 높은 밀도와 결합된 경화 우라늄은 훨씬 더 비싼 단결정 텅스텐과 효율성이 유사하게 장갑 관통에 매우 효과적입니다. 갑옷 파괴 과정에는 우라늄의 주요 부분이 먼지로 분쇄되고, 먼지가 보호 대상에 침투하고 그곳에서 점화되는 과정이 수반됩니다. 사막의 폭풍 동안 전장에는 300톤의 고갈 우라늄이 남아 있었습니다(대부분 A-10 공격기의 30mm GAU-8 포탄 잔해, 각 포탄에는 272g의 우라늄 합금이 포함되어 있음). 열화우라늄은 M-1 Abrams 탱크(미국)와 같은 탱크 장갑에 사용됩니다. -4 중량%(지역에 따라 2-4ppm), 산성 화성암 내 3.5 10 -4 %, 점토 및 셰일에서 3.2 10 -4 %, 기본 암석 5·10에서 -5 %, 초염기성 맨틀 암석 3·10 -7 %. 20km 두께의 암석권 층에 있는 우라늄의 양은 1.3⋅10로 추정됩니다. 14 t. 지각을 구성하는 모든 암석의 일부이며, 자연수와 생물체에도 존재합니다. 두꺼운 침전물을 형성하지 않습니다. 우라늄의 대부분은 실리콘 함량이 높은 산성 암석에서 발견됩니다. 우라늄 농도는 초염기성 암석에서 가장 낮고 퇴적암(인산염 및 탄소질 셰일)에서 가장 높습니다. 바다에는 10개의 10 우라늄 t. 토양의 우라늄 농도는 0.7~11ppm(인 비료로 비옥해진 농경지 토양에서는 15ppm), 해수에서는 0.003ppm 범위에서 다양합니다.

우라늄은 지구에서 자유 형태로 발견되지 않습니다. U 함량이 1% 이상인 우라늄 광물은 100가지가 알려져 있습니다. 이들 광물 중 약 1/3은 우라늄이 4가이고 나머지는 6가입니다. 이들 우라늄 광물 중 15개는 단순 산화물 또는 수산기이고, 20개는 복합 티타네이트 및 니오브산염, 14개는 규산염, 17개는 인산염, 10개는 탄산염, 6개는 황산염, 8개는 바나듐산염, 8개는 비산염입니다. 확인되지 않은 형태의 우라늄 화합물은 해양 기원의 일부 탄소성 셰일, 갈탄 및 석탄뿐만 아니라 화성암의 입계 막에서도 발생합니다. 15개의 우라늄 광물은 산업적으로 중요합니다.

대규모 광석 매장지의 주요 우라늄 광물은 산화물(우라늄 피치, 우라닌산염, 코피니타이트), 바나듐산염(카르노타이트 및 튜야무나이트) 및 복합 티타네이트(브라너라이트 및 다비다이트)로 대표됩니다. 티탄산염은 산업적으로도 중요합니다(예: branerite UTi). 2오 6 , 규산염 - 공동 유한 U 1-x(OH) 4x , 탄탈로늄 베이트 및 수화 인산염 및 우라닐 비산염 - 우라늄 운모. 우라늄은 자연에서 천연 원소로 발생하지 않습니다. 우라늄은 여러 산화 단계로 존재할 수 있기 때문에 매우 다양한 지질 환경에서 발견됩니다.

우라늄의 응용

선진국에서는 우라늄 생산이 주로 핵분열성 핵종 생성을 목표로 하고 있습니다. 235U 및 233U, 239 Pu) - 무기급 핵종과 핵무기 구성 요소(전략 및 전술적 목적을 위한 원자폭탄 및 발사체, 중성자 폭탄, 수소폭탄 방아쇠 등) 생산을 위한 산업용 원자로의 연료. 원자폭탄의 농도 235 U가 75%를 초과합니다. 나머지 세계에서는 우라늄 금속 또는 그 화합물이 발전 및 연구용 원자로의 핵 연료로 사용됩니다. 우라늄 동위원소의 천연 또는 저농축 혼합물은 원자력 발전소의 고정형 원자로에 사용되며, 고농축 제품은 원자력 발전소(열, 전기 및 기계 에너지, 방사선 또는 빛의 소스) 또는 고속으로 작동하는 원자로에 사용됩니다. 중성자. 원자로는 종종 합금 및 비합금 우라늄 금속을 사용합니다. 그러나 일부 유형의 원자로는 고체 화합물 형태의 연료를 사용합니다(예: UO 2 ), 우라늄의 수성 화합물 또는 우라늄과 다른 금속의 액체 합금.

우라늄의 주요 용도는 원자력 발전소의 핵연료 생산입니다. 설치 용량이 1,400MW인 가압수형 원자로는 50개의 새로운 연료 요소를 생산하는 데 연간 225톤의 천연 우라늄이 필요하며, 이는 해당 수의 사용된 연료봉으로 교환됩니다. 이 원자로를 적재하려면 약 130톤의 SWU(분리 작업 장치)가 필요하며 연간 4천만 달러 수준의 비용이 필요합니다. 원자로 연료의 우라늄-235 농도는 2~5%이다.

우라늄 광석은 그로부터 라듐(광석 3톤당 약 1g의 함량)과 기타 천연 방사성 핵종을 추출한다는 관점에서 여전히 관심을 끌고 있습니다. 우라늄 화합물은 유리 산업에서 유리를 빨간색이나 녹색으로 착색하거나 아름다운 녹황색 색조를 부여하는 데 사용됩니다. 또한 형광 유리 생산에도 사용됩니다. 우라늄을 소량 첨가하면 유리에 아름다운 황록색 형광이 나타납니다.

1980년대까지 천연 우라늄은 세라믹을 포함하여 치과의사들이 널리 사용하여 의치와 크라운에서 자연스러운 색상을 얻고 원래의 형광을 유도할 수 있었습니다. (우라늄 턱은 당신의 미소를 더 밝게 만듭니다!) 1942년의 최초 특허에서는 우라늄 함량을 0.1%로 권장합니다. 이후 천연우라늄은 열화우라늄으로 대체됐다. 여기에는 더 저렴하고 방사능이 적다는 두 가지 장점이 있습니다. 우라늄은 또한 램프 필라멘트, 가죽 및 목재 산업에서 염료 성분으로 사용되었습니다. 우라늄염은 양모와 가죽의 매염제와 염색 용액에 사용됩니다. 우라닐 아세테이트와 우라닐 포메이트는 투과전자현미경에서 전자흡수 장식제로 사용되며 생물학적 물체의 얇은 부분의 대비를 높이고 바이러스, 세포 및 거대분자를 염색하는 데 사용됩니다.

Na 2 U 2 O 7 유형의 우라네이트 (“황색 우라닐”)은 세라믹 유약과 에나멜의 안료로 사용됩니다(산화 정도에 따라 노란색, 녹색, 검은색으로 표시됨). 나 2U2O7 그림에서 노란색 페인트로도 사용됩니다. 일부 우라늄 화합물은 감광성입니다. 20세기 초 우라닐 질산염은 네거티브를 강화하고 착색된 사진 인쇄물(포지티브를 갈색 또는 갈색으로 착색)을 생성하기 위한 진동제로 널리 사용되었습니다. 우라닐 아세테이트 UO 2 (H3COOH) 2 분석 화학에 사용됩니다. 나트륨과 함께 불용성 염을 형성합니다. 인 비료에는 상당히 많은 양의 우라늄이 포함되어 있습니다. 우라늄 금속은 고에너지 X선을 생성하도록 설계된 X선관의 표적으로 사용됩니다.

일부 우라늄 염은 방향족 탄화수소의 산화, 식물성 기름의 탈수 등과 같은 화학 반응에서 촉매로 사용됩니다. 탄화물 235 니오븀 카바이드와 지르코늄 카바이드가 포함된 합금의 U는 핵 제트 엔진(작동 유체 - 수소 + 헥산)의 연료로 사용됩니다. 철과 열화우라늄의 합금( 238 U)는 강력한 자기 변형 재료로 사용됩니다.

국가 경제에서 열화우라늄은 항공기 평형추와 의료 방사선 치료 장비용 방사선 방지 스크린 제조에 사용됩니다. 열화우라늄은 방사성 화물과 핵폐기물을 운반하기 위한 운송 컨테이너는 물론 생물학적 보호를 위한 제품(예: 보호막)을 만드는 데 사용됩니다. γ선 흡수 측면에서 우라늄은 납보다 5배 더 효과적이므로 보호막의 두께를 크게 줄이고 방사성 핵종 운반용 용기의 부피를 줄일 수 있습니다. 방사성 폐기물을 위한 건조 저장 시설을 만들기 위해 자갈 대신 열화우라늄 산화물을 기반으로 한 콘크리트가 사용됩니다.

열화우라늄은 천연 우라늄의 절반 정도의 방사성을 갖고 있는데, 이는 주로 234 U. 특히 발사체의 장갑 관통 특성을 향상시키기 위해 장갑강 합금에 사용됩니다. 2% Mo 또는 0.75% Ti와 합금하고 열처리(물이나 기름 속에서 850°C로 가열된 금속을 급속 담금질하고 5시간 동안 450°에서 유지)하면 우라늄 금속은 강철보다 단단하고 강해집니다(인장 강도가 더 높습니다). 순수 우라늄의 경우 450MPa임에도 불구하고 1600MPa 이상입니다. 높은 밀도와 결합하여 경화된 우라늄 주괴는 더 비싼 텅스텐과 효율성이 비슷한 매우 효과적인 갑옷 관통 장치가 됩니다. 무거운 우라늄 팁은 또한 발사체의 질량 분포를 변경하여 공기 역학적 안정성을 향상시킵니다. 이러한 발사체(예: 우라늄과 티타늄의 합금)가 갑옷에 부딪히면 부서지지 않지만 자체적으로 날카롭게 되어 관통력이 더 커집니다. 갑옷 파괴 과정에는 우라늄 돼지를 분쇄하여 먼지로 만들고 탱크 내부의 공기 중에서 점화하는 과정이 수반됩니다. 열화우라늄은 현대식 탱크 장갑에 사용됩니다.

강철에 소량의 우라늄을 첨가하면 부서지기 쉬우면서도 경도가 높아지고 산에 대한 저항성이 높아집니다. 왕수와 관련하여 특히 내산성은 녹는점이 1200인 우라늄과 니켈(우라늄 66%, 니켈 33%) 합금입니다.영형 . 열화우라늄은 항공기 조종면과 같은 항공우주 응용 분야의 밸러스트로도 사용됩니다. 이 소재는 고속 자이로스코프 로터, 대형 플라이휠, 우주 착륙선과 경주용 요트의 밸러스트, 석유 시추에 사용됩니다.

이미 언급했듯이 우라늄 원자폭탄은 우리 시대에는 제조되지 않습니다. 그러나 현대의 플루토늄 폭탄에서는 238 U(열화우라늄 포함)는 여전히 사용되고 있습니다. 이는 중성자를 반사하고 내파 폭발 방식으로 플루토늄 전하의 압축에 관성을 추가하는 전하 껍질을 형성합니다. 이는 무기의 효율성을 크게 높이고 임계 질량을 감소시킵니다(즉, 핵분열 연쇄 반응을 생성하는 데 필요한 플루토늄의 양을 감소시킵니다). 열화우라늄은 수소폭탄에도 사용되는데, 이를 열핵 충전물로 포장하여 초고속 중성자의 강력한 흐름을 핵분열로 유도함으로써 무기의 에너지 출력을 증가시킵니다. 이러한 폭탄은 3단계의 폭발을 거쳐 핵분열-융합-분열무기라고 불린다. 그러한 무기의 폭발로 인해 발생하는 대부분의 에너지는 핵분열에서 나옵니다. 238 U, 상당한 양의 방사성 제품을 생산하고 있습니다. 예를 들어, 아이비 마이크(Ivy Mike) 실험(1952)에서 10.4 메가톤의 출력을 지닌 수소폭탄이 폭발하는 동안 에너지의 77%는 우라늄 껍질의 핵분열 과정에서 나왔습니다. 열화우라늄은 임계질량이 없기 때문에 폭탄에 무제한으로 추가할 수 있습니다. 1961년 Novaya Zemlya에서 "단지" 50메가톤의 출력으로 폭발한 소련의 수소 폭탄(Tsar Bomba - Kuzkina의 어머니)에서 껍질이 다음과 같이 만들어졌기 때문에 출력의 90%는 열핵 융합 반응으로 인한 것입니다. 238 U는 폭발의 마지막 단계에서 납으로 대체되었습니다. 쉘이 (처음에 조립된 대로) 만들어진 경우 238 아, 그러면 폭발력은 100메가톤을 초과했고 방사성 낙진은 전 세계 핵무기 실험 총액의 1/3에 달했습니다.

천연 우라늄 동위원소는 지질연대학에서 암석과 광물의 절대 연대를 측정하는 데 사용됩니다. 1904년에 어니스트 러더퍼드는 지구의 나이와 가장 오래된 광물이 우라늄의 반감기와 같은 크기라는 사실에 주목했습니다. 동시에 그는 밀도가 높은 암석에 포함된 헬륨과 우라늄의 양으로 연대를 결정하자고 제안했습니다. 그러나 이 방법의 단점은 곧 명백해졌습니다. 이동성이 매우 뛰어난 헬륨 원자는 밀도가 높은 암석에서도 쉽게 확산됩니다. 그들은 주변 광물에 침투하고 모 우라늄 핵 근처에는 방사성 붕괴 법칙에 따라 따르는 것보다 훨씬 적은 양의 헬륨이 남아 있습니다. 따라서 암석의 나이는 우라늄 핵 붕괴의 최종 산물인 우라늄과 방사성 납의 비율로 계산됩니다. 예를 들어 운모와 같은 일부 물체의 나이는 결정하기가 훨씬 쉽습니다. 물질의 나이는 붕괴된 우라늄 원자의 수에 비례하며, 이는 흔적의 수에 의해 결정됩니다. 물질. 우라늄 농도와 트랙 농도의 비율에 따라 고대 보물(꽃병, 보석 등)의 연대를 계산할 수 있습니다. 지질학에서는 '우라늄 시계'라는 특별한 용어도 만들어졌습니다. 우라늄 시계는 매우 다재다능한 도구입니다. 우라늄 동위원소는 많은 암석에서 발견됩니다. 지각의 우라늄 농도는 평균 3ppm입니다. 이것은 우라늄과 납의 비율을 측정하고 방사성 붕괴 공식을 사용하여 광물의 결정화 이후 경과된 시간을 계산하기에 충분합니다. 우라늄-납 방법을 이용하면 가장 오래된 광물의 나이를 측정할 수 있었고, 운석의 나이를 이용하면 행성 지구의 탄생일을 알아낼 수 있었다. 달 토양의 나이도 알려져 있습니다. 달 토양의 가장 어린 조각은 가장 오래된 육상 광물보다 오래되었습니다.

천왕성
원소번호 92번인 우라늄은 자연에서 발견되는 원소 중 가장 무거운 원소입니다. 이것은 우리 시대 초기에 사용되었으며 노란색 유약(1% 이상의 우라늄 산화물 함유)이 있는 도자기 조각이 폼페이와 헤르쿨라네움 유적에서 발견되었습니다.
우라늄은 1789년 독일 화학자 Marton Heinrich Klaproth에 의해 우라늄 타르에서 발견되었으며, 클라프로트는 1781년에 발견된 행성 우라늄의 이름을 따서 명명했습니다. 금속 우라늄은 1841년 프랑스 화학자 Eugene Peligot에 의해 무수 사염화우라늄을 칼륨으로 환원시켜 처음 얻었습니다. 1896년 앙투안 앙리 베크렐(Antoine-Henri Becquerel)은 실수로 사진 건판을 인근 우라늄염 조각의 전리 방사선에 노출시켜 우라늄 방사능 현상을 발견했습니다.

화학적 및 물리적 특성
우라늄은 매우 무겁고 은백색의 반짝이는 금속입니다. 순수한 형태에서는 강철보다 약간 더 부드럽고, 가단성이 있고, 유연하며, 약간의 상자성 특성을 가지고 있습니다. 우라늄은 세 가지 동소체 형태를 가지고 있습니다: 알파(기둥형, 667.7°C까지 안정), 베타(정방형, 667.7~774.8°C에서 안정), 감마(체심 입방 구조, 774.8°C에서 녹는점까지 존재) ), 우라늄은 가장 가단성이 있고 가공하기 쉽습니다. 알파상은 극도로 비대칭인 프리즘 격자에 물결 모양의 원자 층으로 구성된 매우 놀라운 유형의 프리즘 구조입니다. 이러한 이방성 구조는 우라늄을 다른 금속과 합금하는 것을 어렵게 만듭니다. 오직 몰리브덴과 니오븀만이 우라늄과 고체상 합금을 만들 수 있습니다. 사실, 우라늄 금속은 많은 합금과 상호작용하여 금속간 화합물을 형성할 수 있습니다.

우라늄의 기본 물리적 특성:
융점 1132.2°C(+/- 0.8);
끓는점 3818 °C;
밀도 18.95(알파 단계);
비열 용량 6.65 cal/mol/°C(25C);
인장강도 450 MPa.

화학적으로 우라늄은 매우 활동적인 금속입니다. 공기 중에서 빠르게 산화되어 무지개색의 산화물막으로 덮이게 됩니다. 미세한 우라늄 분말은 공기 중에서 자연 발화하며, 150~175°C의 온도에서 발화하여 U3O8을 형성합니다. 1000°C에서 우라늄은 질소와 결합하여 황색 질화우라늄을 형성합니다. 물은 낮은 온도에서는 서서히 금속을 부식시키고, 높은 온도에서는 빠르게 금속을 부식시킬 수 있습니다. 우라늄은 염산, 질산 및 기타 산에 용해되어 4가 염을 형성하지만 알칼리와 상호 작용하지 않습니다. 우라늄은 무기산과 수은, 은, 구리, 주석, 백금, 금과 같은 금속 염 용액에서 수소를 대체합니다. 세게 흔들면 우라늄의 금속 입자가 빛나기 시작합니다.
우라늄에는 III-VI의 네 가지 산화 상태가 있습니다. 6가 화합물에는 우라닐 삼산화물 UO 3 및 우라늄 우라닐 염화물 UO 2 Cl 2 가 포함됩니다. 사염화우라늄 UCl4와 이산화우라늄 UO2는 4가 우라늄의 예입니다. 4가 우라늄을 함유한 물질은 일반적으로 불안정하며 장기간 공기에 노출되면 6가 우라늄으로 변합니다. 염화우라닐과 같은 우라닐염은 밝은 빛이나 유기물이 있으면 분해됩니다.

우라늄 동위원소
우라늄에는 14개의 동위원소가 있지만 그 중 3개만이 자연적으로 발생합니다. 천연 우라늄의 대략적인 동위원소 조성은 다음과 같습니다.

U-235 동위원소 함량은 일반적으로 일정하지만, U-235 농도가 현재보다 훨씬 높았을 때 발생한 핵분열 반응으로 인한 광석 고갈로 인해 그 양에 약간의 변동이 있을 수 있습니다. 19억년 된 가장 유명한 천연 "원자로"는 1972년 가봉의 오클로 광산에서 발견되었습니다. 이 원자로가 작동 중일 때 천연 우라늄에는 현대 원자력 발전소 연료와 동일한 양인 U-235가 3% 포함되어 있었습니다. 이제 광산의 코어는 소실되어 고갈되어 U-235가 0.44%만 포함되어 있습니다. 오클로(Oklo)의 천연 원자로와 근처에서 발견된 여러 다른 원자로는 지금까지 이런 종류의 유일한 원자로입니다.
광석의 U-234 함량은 매우 적습니다. U-235 및 U-238과 달리 수명이 짧기 때문에 이 동위원소의 전체 양은 U-238 원자의 붕괴로 인해 형성됩니다.
U 238 -> (45억 1천만년, 알파붕괴) -> Th 234
Th 234 -> (24.1일, 베타붕괴) -> Pa 234
Pa 234 -> (6.75시간, 베타붕괴) -> U 234
일반적으로 U-234는 U-238과 평형 상태로 존재하며 동일한 속도로 붕괴되고 형성됩니다. 그러나 부패하는 U-238 원자는 한동안 토륨과 프로트악티늄으로 존재하므로 광석(지하수에 의해 침출됨)에서 화학적으로 또는 물리적으로 분리될 수 있습니다. U-234는 상대적으로 짧은 반감기를 갖고 있기 때문에 광석에서 발견되는 이 동위원소는 모두 지난 수백만 년 동안 형성되었습니다. 천연 우라늄 방사능의 약 절반은 U-234에서 나옵니다.
U-236의 반감기는 2,390만 년이며 자연적으로는 상당한 양이 발생하지 않습니다. 우라늄이 원자로에서 중성자에 의해 조사되면 축적되므로 사용후 우라늄 핵연료에 대한 "신호 장치"로 사용됩니다.

천연 우라늄의 비방사능은 0.67 마이크로퀴리/g입니다(U-234와 U-238 사이에서 거의 절반으로 나뉘며, U-235는 작은 기여를 합니다). 천연 우라늄은 약 한 시간 안에 사진 건판을 노출시킬 만큼 방사능이 높습니다.

U-235.
천연 우라늄에서는 상대적으로 희귀한 단 하나의 동위원소만이 원자폭탄의 핵심을 만들거나 원자로에서 반응을 유지하는 데 적합합니다. 원자력 발전소용 핵연료의 U-235 농축 정도는 2~4.5%(무기용)이며, 최소 80%, 더욱 바람직하게는 90%입니다. 미국에서는 무기급 우라늄-235가 93.5%까지 농축되어 있으며, 업계에서는 97.65%를 생산할 수 있습니다. 이 품질의 우라늄은 해군용 원자로에 사용됩니다.
1998년에 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)의 동위원소 부서는 $53/g의 비용으로 93%의 U-235를 공급했습니다.
훨씬 더 가벼운 U-234는 질량 차이를 기반으로 하는 모든 분리 공정에서 U-235보다 훨씬 더 많은 비율로 농축됩니다. 고농축 U-235에는 일반적으로 U-234가 1.5~2.0% 포함되어 있습니다.
U-235의 자연 핵분열 강도는 0.16 핵분열/s*kg입니다. U-235의 순수 60kg 질량은 9.6 fis/s만 생성하므로 대포 회로를 제조하기가 매우 간단합니다. U-238은 킬로그램당 35배 더 많은 중성자를 생성하므로 이 동위원소의 작은 비율이라도 이 수치를 여러 배로 높입니다. U-234는 중성자를 22배 더 많이 생성하며 U-238과 비슷한 바람직하지 않은 영향을 미칩니다.
U-235의 특정 활성은 2.1 마이크로퀴리/g에 불과합니다. 0.8% U-234로 오염되면 51 마이크로큐리/g으로 증가합니다.

U-238.
우라늄-238은 핵분열에 필요한 고에너지 중성자 때문에 1차 핵분열 물질로 사용할 수 없지만 원자력 산업에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다.
밀도와 원자량이 높은 U-238은 핵융합 및 핵분열 장치의 전하/반사체 껍질을 만드는 데 적합합니다. 빠른 중성자에 의해 핵분열된다는 사실은 전하의 에너지 출력을 증가시킵니다. 간접적으로는 반사된 중성자의 증가로 인해; 빠른 중성자에 의한 껍질 핵의 분열 중(융합 중) 직접적으로 발생합니다. 핵분열에 의해 생성된 중성자와 모든 핵융합 중성자의 약 40%는 U-238을 핵분열하기에 충분한 에너지를 가지고 있습니다.
U-238의 자발 핵분열 속도는 U-235보다 35배 더 높으며 5.51 핵분열/s*kg입니다. 이는 적절한 질량(200-300kg)이 너무 높은 중성자 배경을 생성하기 때문에 대포 폭탄의 전하/반사체 껍질로 사용하는 것을 불가능하게 만듭니다.
순수한 U-238은 0.333 마이크로퀴리/g의 특정 방사능을 가지고 있습니다.
이 우라늄 동위원소의 중요한 응용 분야는 플루토늄-239의 생산입니다. 플루토늄은 U-238 원자가 중성자를 포착한 후 시작되는 여러 반응을 통해 형성됩니다. 235번째 동위원소에 천연 우라늄 또는 부분 농축 우라늄을 함유한 원자로 연료는 연료 주기가 끝난 후 특정 비율의 플루토늄을 함유합니다.

U-233 및 U-232.
반감기가 162,000년인 이 우라늄 동위원소는 자연에 존재하지 않습니다. 플루토늄 생산과 유사하게 중성자를 조사하여 토륨-232에서 생산할 수 있습니다.
목 232 + n -> 목 233
Th 233 -> (22.2 m, 베타 붕괴) -> Pa 233
Pa 233 -> (27.0일, 베타붕괴) -> U 233
이와 함께 2단계 부반응이 일어나 U-232가 형성될 수 있습니다.
목 232 + n -> T 231 + 2n
Th 231 -> (25.5 h, 베타 붕괴) -> Pa 231
Pa 231 + n -> Pa 232
Pa 232 -> (1.31일, 베타붕괴) -> U 232
이 반응 동안 우라늄-232의 생성은 상당한 양의 빠른(비열) 중성자의 존재에 달려 있습니다. 왜냐하면 이 주기의 첫 번째 반응의 단면적이 열 속도에 비해 너무 작기 때문입니다. Th-230이 출발 물질에 존재하는 경우 U-232의 형성은 다음 반응으로 보완됩니다.
목 230 + n -> 목 231
그리고 위에서 언급한 대로 추가로.
U-232의 존재는 붕괴 순서 때문에 매우 중요합니다.
U 232 -> (76년, 알파 붕괴) -> Th 228
Th 228 -> (1.913년, 알파붕괴) -> Ra 224
Ra 224 -> (3.64일, 알파 및 감마 붕괴) -> Rn 220
Rn 220 -> (55.6초, 알파 붕괴) -> Po 216
Po 216 -> (0.155 s, 알파 붕괴) -> Pb 212
P -212 -> (10.64h, 베타 및 감마 붕괴) -> Bi 212
Bi 212 -> (60.6분, 베타 및 감마 붕괴) -> Po 212
알파 및 감마 붕괴) -> Tl 208
Po 212 -> (3x10 -7 s, 알파 붕괴) -> Pb 208(안정)
Tl 208 -> (3.06분, 베타 및 감마 붕괴) -> Pb 208
Ra-224가 급속한 붕괴 과정을 시작하면서 다량의 에너지 감마선이 방출됩니다. 총 에너지의 약 85%는 계열의 마지막 구성원인 탄탈륨-208이 붕괴되는 동안 형성됩니다. 감마선의 에너지는 최대 2.6MeV입니다.
U-233을 생산하는 과정에서 U-232의 축적은 불가피하다. 이는 Pu-239 외에 다른 플루토늄 동위원소의 축적과 유사하지만 그 정도는 훨씬 적습니다. 사이클의 첫 번째 반응에는 최소 6MeV의 에너지를 가진 중성자가 필요합니다. 매우 적은 수의 핵분열 중성자가 이러한 에너지를 갖고 있으며, 토륨 증식 구역이 중간 속도 중성자(~500keV)가 조사되는 원자로의 일부에 위치하는 경우 이 반응은 실질적으로 제거될 수 있습니다. 두 번째 반응(Th-230 사용)도 열 중성자와 훌륭하게 작동합니다. 따라서 U-232의 형성을 줄이려면 최소 농도의 Th-230으로 토륨을 로딩해야 합니다.
위의 예방 조치를 따르면 U-232가 5ppm(0.0005%) 함유된 무기 등급 U-233이 생성됩니다.
상업용 핵연료 주기에서 U-232를 농축하는 것은 우라늄이 무기 목적으로 유통될 가능성을 줄이기 때문에 큰 단점은 아니며 바람직하기조차 합니다. 연료를 절약하기 위해 처리 및 재사용 후 U-232 수준은 0.1-0.2%에 도달합니다. 특별히 설계된 시스템에서 이 동위원소는 0.5-1%의 농도로 축적됩니다.
U-232를 포함하는 U-233이 생산된 후 처음 2년 동안 Th-228은 자체 붕괴와 평형을 이루며 일정한 수준을 유지합니다. 이 기간 동안 감마선의 배경 값이 설정되고 안정화됩니다. 따라서 처음 몇 년 동안 생산된 U-233 덩어리는 상당한 감마선을 방출할 수 있습니다. 무기급 U-233(5ppm U-232)의 10kg 구체는 생산 후 1개월에 1m 거리에서 11밀리렘/시간, 1년 후에는 110밀리렘/시간, 200밀리렘/시간의 배경을 생성합니다. 2년 후. 폭탄 코어를 조립하는 데 사용되는 기존 글러브 박스는 직원의 안전 문제를 빠르게 야기합니다. 연간 선량한도인 5rem은 해당 물질을 사용한 작업 25시간만에 초과되었습니다. 최신 U-233(제조일로부터 1개월)도 조립 시간을 주당 10시간으로 제한합니다.
완전히 조립된 무기의 경우 신체가 전하를 흡수하면 방사선 수준이 감소할 수 있습니다. 최신 경량 장치에서는 감소량이 10배를 초과하지 않아 안전 문제가 발생합니다. 더 무거운 전하에서는 흡수가 100~1000배로 훨씬 더 강해집니다. 베릴륨 반사경은 중성자 배경 수준을 증가시킵니다.
Be 9 + 감마 양자 -> Be 8 + 중성자
U-232의 감마선은 특징적인 신호를 형성하며 원자 전하의 움직임과 존재를 감지하고 추적할 수 있습니다.
토륨 회로에 의해 생성된 특별히 변성된 U-233(0.5~1.0% U-232)은 훨씬 더 큰 위험을 야기합니다. 위에서 설명한 것과 동일한 10kg의 구는 동일한 재료로만 만들어졌으며 1개월 후 1m 거리에서 11rem/시간, 1년 후 110rem/시간, 2년 후 200rem/시간의 배경을 생성합니다. . 이러한 우라늄의 처리 및 생산은 기계식 조작기를 사용하여 특수 상자에서만 이루어집니다(원자력 발전소용 연료 집합체를 만드는 데 사용됨). 이 물질로 원자폭탄을 만들려고 하면 방사선이 1000배 감소하더라도 해당 제품과의 직접적인 접촉은 연간 25시간으로 제한됩니다. 따라서 핵분열성 물질에 눈에 띄는 비율의 U-232가 존재하면 군사용으로 사용하기가 매우 불편합니다.
U-232의 짧은 반감기는 알파 입자의 매우 활동적인 공급원이 됩니다. U-232가 1% 함유된 U-233은 무기급 플루토늄보다 알파 ​​방사능이 3배 더 높으므로 방사능 독성도 더 높습니다. 이 알파 활동은 가벼운 전하 원소에서 중성자를 생성하여 베릴륨과 감마선의 반응보다 훨씬 더 심각한 문제를 제시합니다. 이 문제를 최소화하려면 베릴륨, 붕소, 불소, 리튬과 같은 원소의 존재가 가능한 한 적어야 합니다. 중성자 배경의 존재는 플루토늄보다 여전히 적기 때문에 내파 시스템에 전혀 영향을 미치지 않습니다. 대포 프로젝트의 경우 경량 재료에 필요한 순도 수준은 백만 분의 1입니다. 이러한 우라늄 정제는 사소한 작업은 아니지만 표준 화학적 정제 방법을 넘어서는 것은 아닙니다. 이는 적어도 훨씬 더 높은 순도의 실리콘을 생산할 수 있는 전자 산업의 능력을 통해 입증됩니다.
U-233의 자연 핵분열 속도는 0.47 핵분열/s*kg입니다. U-233의 자연 핵분열 속도는 720 핵분열/s*kg입니다. U-233의 특정 방사능은 9.636밀리큐리/g이며 알파 활동(및 방사성 독성)은 플루토늄의 약 15%입니다. 단 1%의 U-232만으로도 방사능이 212밀리큐리/g으로 증가합니다.
강한 감마선과 중성자 방사능이라는 단점에도 불구하고 U-233은 원자폭탄의 핵심으로 사용되는 탁월한 핵분열성 물질입니다. U-235보다 임계질량이 낮고 핵 특성은 플루토늄과 유사하다. 미국은 1957년 Teapot 작전에서 U-233 기반 탄약을 테스트했습니다. 인도는 무기 연구 및 생산의 일환으로 U-233을 매우 중요하게 여기며 공식적으로 핵 프로그램에 동위원소 생산을 포함시켰습니다.

열화우라늄.
천연우라늄에서 U-235를 추출한 뒤 남은 물질을 '열화우라늄'이라고 부른다. 235번째 동위원소가 고갈됩니다. 미국에서는 약 560,000톤의 열화육불화우라늄(UF 6)이 미국 에너지부의 가스 확산 농축 플랜트 3곳에 저장되어 있습니다. 오하이오주 포츠머스; 테네시주 오크리지에도 있습니다.
열화우라늄은 주로 U-234를 제거하기 때문에 천연 우라늄의 절반 정도의 방사성을 갖고 있습니다. 우라늄의 주요 용도는 에너지 생산이기 때문에 열화우라늄은 경제적 가치가 거의 없는 쓸모없는 제품입니다. 열화우라늄을 사용하는 방법을 찾는 것은 농축 시설에 큰 어려움을 안겨줍니다.
그 사용은 주로 우라늄의 밀도가 높고 상대적으로 저렴한 비용과 관련이 있습니다. 열화우라늄의 가장 중요한 두 가지 용도는 방사선 보호(이상하게도)와 항공기 제어 표면과 같은 항공우주 응용 분야의 안정기입니다. 각 보잉 747 항공기에는 이러한 목적을 위해 1,500kg의 감손 우라늄이 포함되어 있습니다. 열화우라늄은 주로 충격봉(유선 시추) 형태로 석유 시추에 사용되며, 그 무게로 인해 굴착 유체가 채워진 유정으로 공구가 이동됩니다. 이 소재는 고속 자이로스코프 로터, 대형 플라이휠, 우주 착륙선 및 경주용 요트의 밸러스트로도 사용됩니다.
그러나 우라늄의 가장 유명한 용도는 미국의 갑옷 관통 발사체의 코어로 사용되는 것입니다. 다른 금속과의 특정 합금 및 열처리(2% Mo 또는 0.75% Ti 합금, 물이나 기름 속에서 850°C로 가열된 금속의 급속 담금질, 추가로 450°C에서 5시간 동안 유지)를 통해 우라늄 금속은 다음과 같이 변합니다. 강철보다 단단하고 강합니다(인장 강도 > 1600 MPa). 높은 밀도와 결합된 경화 우라늄은 훨씬 더 비싼 단결정 텅스텐과 비슷한 효과로 장갑 관통에 매우 효과적입니다. 갑옷 파괴 과정에는 대부분의 우라늄이 먼지로 분쇄되고 먼지가 보호 대상에 침투하며 반대편 공기 중에서 점화되는 과정이 수반됩니다. 사막의 폭풍 동안 전장에는 약 300톤의 고갈 우라늄이 남아 있었습니다(대부분 A-10 공격기의 30mm GAU-8 포탄 잔해, 각 포탄에는 272g의 우라늄 합금이 포함되어 있음).
열화우라늄은 M-1 Abrams 탱크와 같은 현대식 탱크 장갑에 사용됩니다.

중성자 포획 U-235 및 U-238

우라늄 농축
맨해튼 프로젝트 동안 천연 우라늄은 프로젝트의 튜브 합금 부서로 인해 "tuballoy"(약어로 "Tu")라는 이름이 부여되었으며, 이 이름은 여전히 ​​천연 우라늄 또는 열화 우라늄과 관련하여 발견됩니다. 고농축 우라늄(특히 무기급 우라늄)의 코드명은 "oralloy"(약어로 "Oy")입니다. "Q-metal", "depletalloy", "D-38"이라는 이름은 열화우라늄만을 의미합니다.
실질적으로 중요한 우라늄 화합물은 육불화우라늄 UF 6입니다. 이는 동위원소 분리(가스 확산 및 원심분리)에 사용되는 유일한 안정적이고 휘발성이 높은 우라늄 화합물입니다. 이러한 응용 측면에서, 불소는 단 하나의 동위원소만을 갖고 있으며(이로 인해 추가적인 질량 차이가 발생하지 않음) UF 6이 화학양론적 화합물(정확히 6개의 불소 원자와 1개의 우라늄 원자로 구성됨)이라는 점이 중요합니다. 실온에서는 무색 결정으로 나타나고 56°C로 가열하면 승화됩니다(액상으로 들어가지 않고 증발함). 녹는점은 64°C, 밀도는 고체 4.87, 액체 3.86입니다. 이 불화물은 알루미늄(얇은 산화막으로 인해)과 니켈(불화니켈막으로 인해)을 제외한 대부분의 금속과 산화물을 부식시킵니다. 육불화우라늄을 다루는 대부분의 장비는 알루미늄으로 만들어지거나 니켈 층으로 코팅되어 있습니다.
다른 화합물 중에서 우라늄 수소화물 UH 3에 주목할 가치가 있습니다. 원자폭탄의 재료로서 맨해튼 프로젝트의 일환으로 로스앨러모스에서 연구되었습니다. 이론에 따르면, 존재하는 수소 원자는 중성자를 U-235 원자가 흡수하는 단면적이 훨씬 더 커질 정도로 속도를 늦춰야 합니다. 이로 인해 폭탄의 효율성이 떨어지더라도 필요한 우라늄 질량을 줄일 수 있다는 희망은 여전히 ​​남아 있었습니다. 이미 전후 연구에서는 예상외로 낮은 수소화물 밀도(단지 8개)와 작은 실제 포집 단면적을 보여주어 이 계획을 실행 불가능하게 만들었습니다. 1953년 UH 3 코어가 포함된 내폭 폭탄에 대한 Upshot-Knothole 작전 테스트에서 이를 확인했으며 "팝핑"이 거의 발생하지 않았습니다.

제2차 세계대전 이전에는 우라늄이 희귀금속으로 여겨졌습니다. 현재 우라늄은 수은이나 은보다 더 풍부하고 산업용 광석에서 비소나 몰리브덴과 거의 같은 농도로 발견되는 것으로 알려져 있습니다. 지각의 평균 농도는 약 2백만 분의 1이며, 결정질 암석의 함량 측면에서 48위를 차지합니다. 암석권에서 우라늄은 4g/t의 농도로 존재하는 아연이나 붕소와 같은 값싼 물질보다 더 풍부합니다. 화강암 암석의 우라늄 함량은 붕괴 생성물인 방사성 가스 라돈이 화강암이 표면으로 나오는 장소에서 심각한 생물학적 위험을 야기하기에 충분합니다. 우라늄은 바닷물에서도 150μg/m 3 농도로 발견되었습니다.
우라늄은 150가지의 다양한 광물에 충분한 농도로 존재하며, 다른 50가지 광물에서는 소량으로 존재합니다. 우라늄은 원래 우라닌과 피치블렌드를 포함한 마그마 열수 정맥과 페그마타이트에서 발견되었습니다. 이 광석에는 산화 정도에 따라 UO 2에서 UO 2.67까지의 평균 조성을 갖는 이산화물 형태의 우라늄이 포함되어 있습니다. 경제적으로 중요한 기타 광석: 아우타나이트, 칼슘 수화물 우라닐 인산염; 토버나이트, 구리 우라닐 인산염 수화물; 관, 수화된 우라늄 규산염; 카르노타이트, 칼륨 수화물 우라닐 바나데이트. 우라늄 광석은 전 세계에서 발견됩니다. 매장량과 상업 거래는 U 3 O 8 등가 질량으로 표시됩니다. U 3 O 8 1kg의 평균 가격은 약 40달러입니다.
가장 풍부한 우라늄 광석인 피치블렌드 매장지는 주로 캐나다, 콩고 및 미국에 위치해 있습니다. 미국에서 채굴되는 우라늄의 대부분은 유타, 콜로라도, 뉴멕시코, 애리조나, 와이오밍 주에서 얻은 카르노타이트에서 생산됩니다. 1955년 콜로라도에서 발견된 코피닛(Coffinit)이라는 광물은 우라늄 함량이 ~61%로 매우 풍부한 광석입니다. Coffinit은 이후 와이오밍과 애리조나에서 발견되었습니다. 1990년 미국의 우라늄 정광 생산량은 3,417톤에 달했다.

우라늄 광석에는 일반적으로 소량의 우라늄 함유 광물이 포함되어 있으므로 예비 추출 및 농축이 필요합니다. 우라늄에는 물리적 분리(중력, 부유, 정전기)가 적용되지 않으며 습식 제련 방법이 사용됩니다. 침출은 광석 처리의 일반적인 첫 번째 단계입니다.
고전적인 산 침출 방법에서는 광석을 초기에 파쇄하고 탈수를 위해 배소한 다음, 탄소 함유 유분을 제거하고 황산화하며 침출에 장애가 될 수 있는 환원제를 산화시킵니다. 그런 다음 혼합물을 황산과 질산으로 처리합니다. 우라늄은 황산우라닐로 변하고, 우라늄 타르에 들어 있는 라듐과 기타 금속은 황산염 형태로 퇴적됩니다. 수산화나트륨을 첨가하면 우라늄은 이우라늄나트륨 Na 2 U 2 O 7 .6H 2 O의 형태로 침전됩니다.
광석에서 우라늄을 추출하는 전통적인 방법은 이제 용매 추출, 이온 교환 및 증발과 같은 절차로 보완되었습니다.
용매 추출 중에 등유에 포함된 트리부틸 인산염과 같은 용매 혼합물을 사용하여 산성화된 암석 침출액에서 우라늄 광석을 제거합니다. 현대 산업 방법에서는 알킬 인산(예: 디(2-에틸헥실) 인산)과 2차 및 3차 알킬아민을 용매로 사용합니다.
일반적으로, 산 침출 용액의 우라늄 함량이 리터당 1g을 초과하는 경우 이온 교환 방법보다 용매 추출이 선호됩니다. 그러나 탄산염 용액에서 우라늄을 회수하는 데는 적용할 수 없습니다.
무기급 우라늄은 일반적으로 트리부틸 인산염 정제 공정을 사용하여 추가 정제를 통해 이우라늄산나트륨에서 얻습니다. 먼저 Na2U2O7·6H2O를 질산에 용해시켜 원료용액을 제조한다. 우라늄은 트리부틸 인산염과 등유 또는 다른 적합한 탄화수소 혼합물로 용액을 희석하여 선택적으로 제거됩니다. 마지막으로 우라늄은 인산트리부틸에서 산성수로 옮겨져 고도로 정제된 질산우라닐이 생성됩니다. 질산염은 하소되어 UO 3 로 되고, 이는 수소 대기에서 UO 2 로 환원됩니다. UO 2는 무수 불화수소(HF)에서 UF 4로 변환됩니다.
우라늄 금속은 밀봉된 용기(주로 강철)인 "폭탄"(보통 강철로 되어 있음) 내에서 발열 반응을 통해 할로겐화우라늄(보통 사불화우라늄)을 마그네슘과 환원시켜 생성되는데, 이 방법은 "테르밋 공정"으로 알려진 일반적인 기술입니다. 사불화마그네슘의 환원에 의한 금속 우라늄 생산은 1942년 화학자 F.H. 스페딩(F.H. Spedding)과 그의 그룹이 이 공정을 개발한 아이오와 대학교 에임스(Ames)의 이름을 따서 에임스 공정(Ames process)이라고도 불립니다.
"폭탄"에서의 반응은 1300°C를 초과하는 온도에서 발생합니다. 내부의 높은 압력을 견디려면 내구성이 뛰어난 강철 본체가 필요합니다. "폭탄"은 UF 4 과립으로 채워지고 과량의 미세 분산된 마그네슘으로 채워지며 500~700°C로 가열되며, 이 시점부터 자체 가열 반응이 시작됩니다. 반응열은 금속 우라늄과 슬래그(불화마그네슘 MF 2)로 구성된 "폭탄"의 충전물을 녹이기에 충분합니다. 이 슬래그는 분리되어 떠오릅니다. "폭탄"이 냉각되면 우라늄 금속 주괴가 생성되는데, 이는 수소를 포함하고 있음에도 불구하고 상업적으로 이용 가능한 최고 품질이며 원자력 발전소 연료에 매우 적합합니다.
금속은 또한 고온에서 우라늄 산화물을 칼슘, 알루미늄 또는 탄소로 환원하여 얻습니다. 또는 CaCl 2 및 NaCl의 용융물에 용해된 KUF 5 또는 UF 4의 전기분해에 의해. 얇은 필라멘트 표면에서 할로겐화 우라늄을 열분해하면 고순도 우라늄을 얻을 수 있습니다.

우라늄 농축 공정이 완료되면 일반적으로 0.25-0.4%의 U-235가 폐기물에 남습니다. 왜냐하면 이 동위원소를 완전히 추출하는 것은 경제적으로 수익성이 없기 때문입니다(더 많은 원자재를 구입하는 것이 더 저렴합니다). 미국의 경우 천연우라늄 가격 하락으로 인해 생산 후 원자재 중 잔류 U-235 함량이 1963년 0.2531%에서 70년대 0.30%로 증가했다.

선광 시설의 분리 용량은 단위 시간당 가공 물질의 질량(MRP)으로 측정됩니다(예: MRP-kg/년 또는 MRP-톤/년). 주어진 용량의 공장에서 농축된 제품의 생산량은 입력 암석, 출력 폐기물 및 최종 제품의 원하는 동위원소 농도에 따라 달라집니다. 유용한 동위원소의 초기 함량은 일반적으로 자연 함량에 따라 고정됩니다. 그러나 다른 두 매개변수는 변경될 수 있습니다. 출발 물질에서 동위원소 추출 정도를 줄이면 방출 속도를 높일 수 있지만 이에 대한 대가는 필요한 원료 질량이 증가하게 됩니다. 이는 다음 관계의 적용을 받습니다:

여기서 P는 생성물의 수율, U는 분리 용량, N P, NF, N W는 최종 생성물, 원료 및 폐기물의 동위원소 몰 농도입니다. V(N P), V(N W), V(N F) 분리 전위는 각 농도에 대한 함수입니다. 이는 다음과 같이 정의됩니다.

잔류 농도를 0.25%로 가정하면, 연간 3,100MPP-kg 용량의 공장은 천연 우라늄으로부터 연간 90% U-235 15kg을 생산하게 됩니다. U-235(원자력 발전소용 연료)를 3% 원료로 사용하고 생산 폐기물의 농도를 0.7%로 가정하면 동일한 출력에 연간 886MPP-kg의 전력이면 충분합니다.

분리 방법. 우라늄을 분리하기 위해 때때로 다음 기술이 사용되었습니다.