Розподіл ядер. Період напіврозпаду урану: основні характеристики та застосування Інші сфери застосування

Вивчаючи явище радіоактивності, кожен вчений звертається до такої найважливішої його характеристики як період напіврозпаду. Як відомо, говорить, що кожної секунди у світі відбувається розпад атомів, причому кількісна характеристика цих процесів безпосередньо пов'язана з кількістю наявних атомів. Якщо за певний період часу відбудеться розпад половини від всього наявної кількості атомів, то розпад ½ від атомів, що залишилися, вимагатиме такої ж кількості часу. Саме цей часовий проміжок і називається періодом напіврозпаду. У різних елементів він різний - від тисячних часток мілісекунди до мільярдів років, як, наприклад, у разі коли йдеться про період напіврозпаду урану.

Уран, як найважчий із усіх існуючих у природному стані елементів Землі, є взагалі найпрекраснішим об'єктом вивчення процесу радіоактивності. Цей елемент було відкрито ще 1789 року німецьким вченим М. Клапротом, який дав йому назву на честь нещодавно відкритої планети Уран. Те, що уран радіоактивний, було випадково встановлено наприкінці ХІХ століття французьким хіміком А. Беккерелем.

Уран розраховується за тією ж формулою, що і аналогічні періоди інших радіоактивних елементів:

T_(1/2) = au ln 2 = frac(ln 2)(lambda),

де "au" - середній час існування атома, "lambda" - основна стала розпаду. Оскільки ln 2 дорівнює приблизно 0,7, період напіврозпаду лише на 30% коротше в середньому, ніж загальний час життя атома.

Незважаючи на те, що на сьогоднішній день вченим відомо 14 ізотопів урану, у природі їх зустрічаються лише три: уран-234, уран-235 та уран-238. урану різний: так для U-234 він становить «всього» 270 тисяч років, а період напіврозпаду урану-238 перевищує 4,5 мільярда. Період напіврозпаду урану-235 знаходиться у «золотій середині» - 710 мільйонів років.

Радіоактивність урану в природних умовах досить висока і дозволяє, наприклад, засвітити фотопластинки протягом всього лише години. У той же час варто відзначити, що з усіх ізотопів урану тільки U-235 придатний для виготовлення начинки для дрібних нейтронів. тут мінімальний.

Період напіврозпаду урану-238 значно перевищує 4 мільярди років, проте він зараз активно використовується в атомній промисловості. Так, як для того, щоб запустити ланцюгову реакцію з поділу важких ядер цього елемента, потрібна значна кількість енергії нейтронів. Уран-238 використовують як захист в апаратах поділу та синтезу. Однак більша частина видобутого урану-238 використовується для синтезу плутонію, що використовується в ядерній зброї.

Тривалість періоду напіврозпаду урану вчені використовують у тому, щоб розрахувати вік окремих мінералів і небесних тіл загалом. Урановий годинник є досить універсальний механізм для такого роду розрахунків. У той же час, щоб вік був розрахований більш-менш точно, необхідно знати не тільки кількість урану в тих чи інших породах, але й співвідношення урану та свинцю як кінцевого продукту, на який перетворюються ядра урану.

Є ще один спосіб розрахунку порід і мінералів, він пов'язаний з так званим спонтанним Як відомо, в результаті спонтанного поділу урану в природних умовах його частинки з колосальною силою бомбардують речовини, що знаходяться поруч, залишаючи за собою особливі сліди - треки.

Саме за кількістю цих треків, знаючи при цьому період напіврозпаду урану, вчені і роблять висновок про вік того чи іншого твердого тіла - чи то стародавня порода, чи відносно молода ваза. Справа в тому, що вік об'єкта прямо пропорційний кількісному показнику атомів урану, ядра якого бомбардували його.

Застосування

Хоча уран-238 не може бути використаний як первинний матеріал, що діляється, через високу енергію нейтронів, необхідних для його поділу, він займає важливе місце в ядерній галузі.

Маючи високу щільність і атомну вагу, U-238 придатний виготовлення з нього оболонок заряду рефлектора у пристроях синтезу і поділу. Той факт, що він ділиться швидкими нейтронами, збільшує енерговихід заряду: побічно розмноженням відбитих нейтронів; безпосередньо при розподілі ядер оболонки швидкими нейтронами (при синтезі). Приблизно 40% нейтронів, утворених при розподілі і всі нейтрони синтезу мають достатні для розподілу U-238 енергіями.

U-238 має інтенсивність спонтанного поділу в 35 разів вищу, ніж U-235, 5.51 поділів/с*кг. Це унеможливлює застосування його як оболонки заряду рефлектора в гарматних бомбах, бо відповідна його маса (200-300 кг) створить занадто високий нейтронний фон.

Чистий U-238 має питому радіоактивність 0.333 мікрокюрі/р.

Важлива сфера застосування цього ізотопу урану - виробництво плутонію-239. Плутоній утворюється в ході кількох реакцій, що починаються після захоплення атомом U-238 нейтрону. Будь-яке реакторне паливо, що містить природний або частково збагачений по 235-му ізотопу уран, після закінчення паливного циклу містить певну частку плутонію.

Ланцюжок розпаду урану-238

Ізотоп уран-238, його у природному урані більше, ніж 99%. Цей ізотоп є найстійкішим, тепловими нейтронами його ядро ​​розщепити не можна. Щоб розділити 238U, нейтрону потрібна додаткова кінетична енергія 1.4 МеВ. Ядерний реактор із чистого урану-238 за жодних умов не працюватиме.

Атом урану-238, у ядрі якого протони та нейтрони ледве утримуються разом силами зчеплення. Іноді з нього виривається компактна група з чотирьох частинок: двох протонів та двох нейтронів (б-частка). Уран-238 перетворюється, таким чином, на торій-234, в ядрі якого містяться 90 протонів і 144 нейтрони. Але торій-234 також нестабільний. Його перетворення відбувається, однак, не так, як у попередньому випадку: один з його нейтронів перетворюється на протон, і торій-234 перетворюється на протактіній-234, в ядрі якого містяться 91 протон і 143 нейтрони. Ця метаморфоза, що сталася в ядрі, позначається і на електронах, що рухаються по своїх орбітах: один з них стає неспареним і вилітає з атома. Протактіній дуже нестабільний, і йому потрібно зовсім небагато часу на перетворення. Далі йдуть інші перетворення, що супроводжуються випромінюваннями, і весь цей ланцюжок закінчується стабільним нуклідом свинцю (див. малюнок № 7, додаток Б).

Найважливішою обставиною для ядерної енергетики виявляється те, що найпоширеніший ізотоп урану238U також є потенційним джерелом ядерного палива. І Сциллард, і Фермі мали рацію, припускаючи, що поглинання нейтронів ураном призведе до утворення нових елементів. Справді, під час зіткнення з тепловим нейтроном уран-238 не ділиться, натомість ядро ​​поглинає нейтрон. У середньому за 23.5 хвилин один з нейтронів в ядрі перетворюється на протон (з вильотом електрона, реакція в - розпаду), і ядроурану-239 стає ядром нептунія-239 (239Np). Через 2.4 діб відбувається другий - розпад і утворюється плутоній-239 (239Pu).

В результаті послідовного поглинання нейтронів в ядерному реакторі можуть бути напрацьовані елементи ще важчі, ніж плутоній.

У природних мінералах і урановій руді виявлялися тільки мікрокількості 239Pu, 244Pu і 237Np, так що в природному середовищі трансуранові елементи (важчі, ніж уран), практично не зустрічаються.

Ізотопи урану, що існують у природі, не зовсім стабільні по відношенню до б-розпаду та спонтанного поділу, проте розпадаються дуже повільно: період напіврозпадуурану-238 дорівнює 4.5 мільярдам років, а урану-235 - 710 мільйонам років. Через малу частоту ядерних реакцій такі довгоживучі ізотопи не є небезпечними джерелами радіації. Зливок природного урану можна тримати в руках без шкоди здоров'ю. Його питома активністьдорівнює 0.67 мКі/кг (Кі - кюрі, позасистемна одиниця активності, що дорівнює 3.7 * 1010 розпадів за секунду).

Уран(стара назва Ураній) - Хімічний елемент з атомним номером 92 в періодичній системі, атомна маса 238,029; позначається символом U ( Uranium), відноситься до сімейства актиноїдів.

Історія

Ще в найдавніші часи (I століття до нашої ери) природний окис урану використовувався для виготовлення жовтої глазурі для кераміки. Дослідження урану розвивалися, подібно породжуваної ним ланцюгової реакції. Спочатку відомості про його властивості, як і перші імпульси ланцюгової реакції, надходили з великими перервами, час від часу. Перша важлива дата в історії урану - 1789, коли німецький натурфілософ і хімік Мартін Генріх Клапрот відновив витягнуту з саксонської смоляної руди золотисто-жовту «землю» до чорної металоподібної речовини. На честь найдальшої з відомих тоді планет (відкритої Гершелем вісім років тому) Клапрот, вважаючи нову речовину елементом, назвав його ураном.

П'ятдесят років уран Клапроту вважався металом. Тільки в 1841 р. Ежен Мелькіор Пеліго - французький хімік (1811-1890)] довів, що, незважаючи на характерний металевий блиск, уран Клапрота не елемент, а оксид UO 2. У 1840 р. Пеліго вдалося отримати справжній уран - важкий метал сіро сталевого кольору і визначити його атомну вагу. Наступний важливий крок у вивченні урану зробив у 1874 р. Д. І. Менделєєв. Спираючись на розроблену ним періодичну систему, він помістив уран у найдальшій клітині своєї таблиці. Насамперед атомну вагу урану вважали рівною 120. Великий хімік подвоїв це значення. Через 12 років передбачення Менделєєва було підтверджено дослідами німецького хіміка Циммермана.

Вивчення урану почалося з 1896 року: французький хімік Антуан Анрі Беккерель випадково відкрив Лучі Беккереля, які пізніше Марія Кюрі перейменувала на радіоактивність. У цей час французькому хіміку Анрі Муассану вдалося розробити спосіб отримання чистого металевого урану. У 1899 р. Резерфорд виявив, що випромінювання уранових препаратів неоднорідно, що є два види випромінювання - альфа-і бета-промені. Вони мають різний електричний заряд; далеко не однакові їх пробіг у речовині та іонізуюча здатність. Трохи згодом, у травні 1900 р., Поль Війар відкрив третій вид випромінювання — гамма-промені.

Ернест Резерфорд провів у 1907 р. перші досліди щодо визначення віку мінералів при вивченні радіоактивних урану та торію на основі створеної ним спільно з Фредеріком Содді (Soddy, Frederick, 1877—1956; Нобелівська премія з хімії, 1921) теорії радіо У 1913 р. Ф. Содді ввів поняття про ізотопах(від грец. ισος - "рівний", "однаковий", і τόπος - "місце"), а в 1920 р.передбачив, що ізотопи можна використовувати для визначення геологічного віку гірських порід. У 1928 р. Ніггот реалізував, а 1939 р. A.O.К.Нир (Nier,Alfred Otto Carl,1911 — 1994) створив перші рівняння до розрахунку віку і застосував мас-спектрометр поділу ізотопів.

У 1939 році Фредерік Жоліо-Кюрі і німецькі фізики Отто Фріш і Ліза Мейтнер відкрили невідоме явище, що відбувається з ядром урану при опроміненні його нейтронами. Відбувалося вибухове руйнування цього ядра з утворенням нових елементів набагато легших, ніж уран. Ця руйнація мала вибухоподібний характер, уламки продуктів розліталися в різні боки з величезними швидкостями. Таким чином, було відкрито явище, назване ядерною реакцією.

У 1939-1940 pp. Ю. Б. Харитон та Я. Б. Зельдович вперше теоретично показали, що при невеликому збагаченні природного урану ураном-235 можна створити умови для безперервного поділу атомних ядер, тобто надати процесу ланцюгового характеру.

Знаходження у природі

Уранінітова руда

Уран широко поширений у природі. Кларк урану становить 1 · 10 -3% (ваг.). Кількість урану в шарі літосфери завтовшки 20 км оцінюється в 1,3 10 14 т.

Основна маса урану знаходиться у кислих породах з високим вмістом кремнію. Значна маса урану сконцентрована в осадових породах, особливо збагачених органікою. У великих кількостях як домішка уран присутній у торієвих та рідкісноземельних мінералах (ортит, сфен CaTiO 3 , монацит (La, Ce) PO 4 , циркон ZrSiO 4 , ксенотим YPO4 та ін.). Найважливішими урановими рудами є настуран (уранова смолка), уранініт і карнотит. Основними мінералами - супутниками урану є молібденіт MoS 2 , галеніт PbS, кварц SiO 2 , кальцит CaCO 3 , гідромусковіт та ін.

Основними формами знаходження урану в природі є уранініт, настуран (уранова смолка) та уранові черні. Вони відрізняються лише формами знаходження; є вікова залежність: уранініт присутній переважно в древніх (докембрійських породах), настуран - вулканогенний і гідротермальний - переважно в палеозойських та молодших високо-і середньотемпературних утвореннях; уранові черні — в основному в молодих — кайнозойських та молодших утвореннях — переважно в низькотемпературних осадових породах.

Зміст урану у земної корі становить 0,003 %, він у поверхневому шарі землі як чотирьох видів відкладень. По-перше, це жили уранініту, або уранової смолки (діоксид урану UO2), дуже багаті на уран, але рідко зустрічаються. Їм супроводжують відкладення радію, оскільки радійє прямим продуктом ізотопного розпаду урану. Такі жили зустрічаються в Заїрі, Канаді (Велике Ведмеже озеро), Чехіїі Франції. Другим джерелом урану є конгломерати торієвої та уранової руди разом із рудами інших важливих мінералів. Конгломерати зазвичай містять достатні для отримання кількості золотаі срібла, а супутніми елементами стають уран і торій. Великі родовища цих руд знаходяться в Канаді, ПАР, Росії та Австралії. Третім джерелом урану є осадові породи та пісковики, багаті мінералом карнотитом (ураніл-ванадат калію), який містить, крім урану, значну кількість ванадіята інших елементів. Такі руди зустрічаються у західних штатах США. Залізоранові сланці та фосфатні руди становлять четверте джерело відкладень. Багаті відкладення виявлено у глинистих сланцях Швеції. Деякі фосфатні руди Марокко та США містять значні кількості урану, а фосфатні поклади Анголіі Центральноафриканській Республіці ще багаті ураном. Більшість лігнітів і деякі вугілля зазвичай містять домішки урану. Багаті ураном відкладення лігнітів виявлені в Північній та Південній Дакоті (США) та бітумному вугіллі Іспаніїі Чехії

Ізотопи урану

Природний уран складається із суміші трьох ізотопів: 238 U - 99,2739% (період напіврозпаду). T 1/2 = 4,468 × 109 років), 235 U - 0,7024% ( T 1/2 = 7,038 × 10 8 років) і 234 U - 0,0057% ( T 1/2 = 2,455 10 5 років). Останній ізотоп не є первинним, а радіогенним, він входить до складу радіоактивного ряду 238 U.

Радіоактивність природного урану обумовлена ​​переважно ізотопами 238 U і 234 U, у рівновазі їх питомі активності рівні. Питома активність ізотопу 235 U в природному урані у 21 разів менша за активність 238 U.

Відомо 11 штучних радіоактивних ізотопів урану з масовими числами від 227 до 240. Найбільш довгоживучий з них - 233 U ( T 1/2 = 1,62×10 5 років) виходить при опроміненні торію нейтронами і здатний до спонтанного поділу тепловими нейтронами.

Ізотопи урану 238 U та 235 U є родоначальниками двох радіоактивних рядів. Кінцевими елементами цих рядів є ізотопи свинцю 206 Pb та 207 Pb.

У природних умовах поширені переважно ізотопи 234 U: 235 U : 238 U= 0,0054: 0,711: 99,283. Половина радіоактивності природного урану обумовлена ​​ізотопом 234 U. Ізотоп 234 Uутворюється за рахунок розпаду 238 U. Для двох останніх на відміну від інших пар ізотопів і незалежно від високої міграційної здатності урану характерна географічна сталість відношення. Розмір цього відношення залежить від віку урану. Численні натурні виміри показали його незначні коливання. Так, у ролах величина цього відношення щодо еталона змінюється в межах 0,9959 -1,0042, у солях - 0,996 - 1,005. У мінералах, що містять уран (настуран, уранова чернь, циртоліт, рідкоземельні руди) величина цього відношення коливається в межах 137,30 - 138,51; причому різницю між формами U IV і U VI не встановлено; у сфені - 138,4. В окремих метеоритах виявлено нестачу ізотопу 235 U. Найменша його концентрація у земних умовах знайдено у 1972 р. французьким дослідником Бужигесом у містечку Окло в Африці (родовище в Габоні). Так у нормальному урані міститься 0,7025 % урану 235 U, тоді як Окло воно зменшуються до 0,557 %. Це послужило підтвердженням гіпотези про наявність природного ядерного реактора, що веде до вигоряння ізотопу, передбаченої Джордж Ветрилл (George W. Wetherill) з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Марк Інгремом (Mark G. Inghram) з університету Чикаго і Полом Курода. Kuroda), хіміком з Університету Арканзасу, який ще в 1956 р. описав процес. Крім цього, у цих округах знайдено природні ядерні реактори: Окелобондо, Бангомбе (Bangombe) та ін. В даний час відомо близько 17 природних ядерних реакторів.

Отримання

Найперша стадія уранового виробництва - концентрування. Породу дроблять і змішують із водою. Тяжкі компоненти суспензії осаджуються швидше. Якщо порода містить первинні мінерали урану, всі вони осаджуються швидко: це важкі мінерали. Вторинні мінерали урану легші, у разі раніше осідає важка порожня порода. (Втім, далеко не завжди вона справді порожня; в ній можуть бути багато корисних елементів, у тому числі й уран).

Наступна стадія - вилуговування концентратів, переведення урану в розчин. Застосовують кислотне та лужне вилуговування. Перше – дешевше, оскільки для вилучення урану використовують сірчану кислоту. Але якщо у вихідній сировині, як, наприклад, в урановій смолке, Уран знаходиться в чотиривалентному стані, то цей спосіб не застосовується: чотиривалентний уран у сірчаній кислоті практично не розчиняється. У цьому випадку потрібно або вдатися до лужного вилуговування, або заздалегідь окислювати уран до шестивалентного стану.

Не застосовують кислотне вилуговування і в тих випадках, якщо урановий концентрат містить доломіт або магнезит, що реагують із сірчаною кислотою. У цих випадках користуються їдким натром (гідроксідом натрію).

Проблему вилуговування урану з руд вирішує кисневе продування. У нагріту до 150 °C суміш уранової руди з сульфідними мінералами подають потік кисню. При цьому із сірчистих мінералів утворюється сірчана кислота, яка і вимиває уран.

На наступному етапі отриманого розчину потрібно вибірково виділити уран. Сучасні методи – екстракція та іонний обмін – дозволяють вирішити цю проблему.

Розчин містить не тільки уран, а й інші катіони. Деякі з них у певних умовах поводяться так само, як уран: екстрагуються тими ж органічними розчинниками, осідають на тих самих іонообмінних смолах, випадають в осад за тих же умов. Тому для селективного виділення урану доводиться використовувати багато окислювально-відновних реакцій, щоб на кожній стадії позбавлятися того чи іншого небажаного попутника. На сучасних іонообмінних смолах уран виділяється дуже селективно.

Методи іонного обміну та екстракціїхороші ще й тим, що дозволяють досить повно витягувати уран із бідних розчинів (зміст урану - десяті частки грама на літр).

Після цих операцій уран переводять у твердий стан - в один із оксидів або в тетрафторид UF 4 . Але цей уран ще треба очистити від домішок із великим перерізом захоплення теплових нейтронів. бору, кадмію, гафнію. Їх вміст у кінцевому продукті не повинен перевищувати стотисячних та мільйонних часток відсотка. Для видалення цих домішок технічно чисту сполуку урану розчиняють у азотній кислоті. При цьому утворюється уранілнітрат UO 2 (NO 3) 2 який при екстракції трибутил-фосфатом і деякими іншими речовинами додатково очищається до потрібних кондицій. Потім цю речовину кристалізують (або беруть в облогу пероксид UO 4 ·2H 2 O) і починають обережно прожарювати. В результаті цієї операції утворюється трикіс урану UO 3 , яку відновлюють воднем до UO 2 .

На діоксид урану UO 2 за температури від 430 до 600 °C впливають сухим фтористим воднем для отримання тетрафториду UF 4 . З цього з'єднання відновлюють металевий уран за допомогою кальціюабо магнію.

Фізичні властивості

Уран - дуже важкий, сріблясто-білий глянсуватий метал. У чистому вигляді він трохи м'якший за стали, ковкий, гнучкий, має невеликі парамагнітні властивості. Уран має три алотропні форми: альфа (призматична, стабільна до 667,7 °C), бета (чотирикутна, стабільна від 667,7 °C до 774,8 °C), гама (з об'ємно центрованою кубічною структурою, що існує від 774, 8 °C до плавлення).

Радіоактивні властивості деяких ізотопів урану (виділено природні ізотопи):

Хімічні властивості

Уран може виявляти ступеня окиснення від +III до +VI. Сполуки урану(III) утворюють нестійкі розчини червоного кольору і є сильними відновниками:

4UCl 3 + 2H 2 O → 3UCl 4 + UO 2 + H 2

З'єднання урану(IV) є найбільш стійкими та утворюють водні розчини зеленого кольору.

З'єднання урану(V) нестійкі та легко диспропорціонують у водному розчині:

2UO 2 Cl → UO 2 Cl 2 + UO 2

Хімічно уран дуже активний метал. Швидко окислюючись на повітрі, він покривається райдужною плівкою оксиду. Дрібний порошок урану самозаймається повітрям, він запалюється при температурі 150—175 °C, утворюючи U 3 O 8 . При 1000 C уран з'єднується з азотом, утворюючи жовтий нітрид урану. Вода здатна роз'їдати метал, повільно за низької температури, і швидко за високої, і навіть при дрібному подрібненні порошку урану. Уран розчиняється в соляній, азотній та інших кислотах, утворюючи чотиривалентні солі, проте не взаємодіє з лугами. Уран витісняє воденьз неорганічних кислот та сольових розчинів таких металів, як ртуть, срібло, мідь, олово, платинаізолото. При сильному струшуванні металеві частинки урану починають світитися. Уран має чотири ступені окислення - III-VI. Шестивалентні сполуки включають триокис урану (окис ураніла) UO 3 і уранілхлорид урану UO 2 Cl 2 . Тетрахлорид урану UCl 4 та діоксид урану UO 2 – приклади чотиривалентного урану. Речовини, що містять чотиривалентний уран, зазвичай нестабільні і звертаються до шестивалентних при тривалому перебуванні на повітрі. Уранілові солі, такі як уранілхлорид, розпадаються у присутності яскравого світла чи органіки.

Застосування

Ядерне паливо

Найбільше застосування має ізотопурану 235 U, в якому можлива ланцюгова ядерна реакція, що самопідтримується. Тому цей ізотоп використовується як паливо у ядерних реакторах, а також у ядерній зброї. Виділення ізотопу U 235 з природного урану - складна технологічна проблема (див. розділ ізотопів).

Ізотоп U 238 здатний ділитися під впливом бомбардування високоенергетичними нейтронами, цю його особливість використовують для збільшення потужності термоядерної зброї (використовуються нейтрони, породжені термоядерною реакцією).

В результаті захоплення нейтрону з наступним β-розпадом 238 U може перетворюватися на 239 Pu, який потім використовується як ядерне паливо.

Уран-233, що штучно одержується в реакторах з торію (торій-232 захоплює нейтрон і перетворюється на торій-233, який розпадається на протактіній-233 і потім на уран-233), може в майбутньому стати поширеним ядерним паливом для атомних електростанцій (вже зараз існують реактори, які використовують цей нуклід як паливо, наприклад KAMINI в Індії) та виробництва атомних бомб (критична маса близько 16 кг).

Уран-233 також є найперспективнішим паливом для газофазних ядерних ракетних двигунів.

Геологія

Основна галузь використання урану - визначення віку мінералів та гірських порід з метою з'ясування послідовності протікання геологічних процесів. Цим займаються Геохронологія та Теоретична геохронологія. Істотне значення має також вирішення задачі про змішування та джерела речовини.

В основі розв'язання задачі лежать рівняння радіоактивного розпаду, що описуються рівняннями.

де 238 U o, 235 U o- Сучасні концентрації ізотопів урану; ; - постійні розпаду атомів відповідно урану 238 Uі 235 U.

Дуже важливим є їхня комбінація:

У зв'язку з тим, що гірські породи містять різні концентрації урану, вони мають різну радіоактивність. Ця властивість використовується при виділенні гірських порід геофізичними методами. Найбільш широко цей метод застосовується в нафтовій геології при геофізичних дослідженнях свердловин, в цей комплекс входить, зокрема, - каротаж або нейтронний гамма-каротаж, гамма-гамма-каротаж і т. д. З їх допомогою відбувається виділення колекторів і флюїдоупорів.

Інші сфери застосування

Невелика добавка урану надає красиву жовто-зелену флуоресценцію склу (уранове скло).

Уранат натрію Na 2 U 2 O 7 використовувався як жовтий пігмент у живописі.

З'єднання урану застосовувалися як фарби для живопису за порцеляною та для керамічних глазурів та емалей (фарбують у кольори: жовтий, бурий, зелений та чорний, залежно від ступеня окислення).

Деякі сполуки урану світлочутливі.

На початку XX ст. уранілнітратшироко застосовувався для посилення негативів та фарбування (тонування) позитивів (фотографічних відбитків) у бурий колір.

Карбід урану-235 у сплаві з карбідом ніобію та карбідом цирконію застосовується як паливо для ядерних реактивних двигунів (робоче тіло — водень + гексан).

Сплави заліза та збідненого урану (уран-238) застосовуються як потужні магнітострикційні матеріали.

Збіднений уран

Збіднений уран

Після вилучення 235 U і 234 U з природного урану, матеріал (уран-238), що залишився, носить назву «збіднений уран», оскільки він збіднений 235-м ізотопом. За деякими даними, США зберігається близько 560 000 тонн збідненого гексафториду урану (UF 6).

Збіднений уран вдвічі менш радіоактивний, ніж природний уран, переважно рахунок видалення з нього 234 U. Через те, що основне використання урану — виробництво енергії, збіднений уран — малокорисний продукт із низькою економічною цінністю.

В основному його використання пов'язане з великою густиною урану і відносно низькою його вартістю. Збіднений уран використовується для радіаційного захисту (хоч як це дивно) і як баластна маса в аерокосмічних застосуваннях, таких як рульові поверхні літальних апаратів. У кожному літаку «Боїнг-747» міститься 1500 кг збідненого урану для цього. Ще цей матеріал застосовується у високошвидкісних роторах гіроскопів, великих маховиках, як баласт у космічних апаратах, що спускаються, і гоночних яхтах, при бурінні нафтових свердловин.

Сердечники бронебійних снарядів

Наконечник (вкладиш) снаряда калібру 30 мм (гармати GAU-8 літака A-10) діаметром близько 20 мм із збідненого урану.

Найвідоміше застосування збідненого урану - як осердя для бронебійних снарядів. При сплавленні з 2 % Mo або 0,75 % Ti та термічній обробці (швидке загартування розігрітого до 850 °C металу у воді або маслі, подальше витримування при 450 °C 5 годин) металевий уран стає твердішим і міцнішим за сталі (міцність на розрив більше 1600 МПа, при тому що у чистого урану вона дорівнює 450 МПа). У поєднанні з великою щільністю це робить загартовану уранову болванку надзвичайно ефективним засобом для пробивання броні, аналогічним за ефективністю більш дорогому вольфраму. Тяжкий урановий наконечник також змінює розподіл мас у снаряді, покращуючи його аеродинамічну стійкість.

Подібні сплави типу «Стабілла» застосовуються в стрілоподібних оперних снарядах танкових та протитанкових артилерійських знарядь.

Процес руйнування броні супроводжується подрібненням у пил уранової болванки і займанням її повітря з іншого боку броні (див. Пірофорність). Близько 300 тонн збідненого урану залишилися на полі бою під час операції «Буря в Пустелі» (переважно це залишки снарядів 30-мм гармати GAU-8 штурмових літаків A-10, кожен снаряд містить 272 г уранового сплаву).

Такі снаряди були використані військами НАТО у бойових діях на території Югославії. Після їхнього застосування обговорювалася екологічна проблема радіаційного забруднення території країни.

Вперше уран як осердя для снарядів був застосований у Третьому рейху.

Збіднений уран використовують у сучасної танкової броні, наприклад, танка M-1 «Абрамс».

Фізіологічна дія

У мікрокількості (10 -5 -10 -8%) виявляється в тканинах рослин, тварин і людини. Найбільшою мірою накопичується деякими грибами та водоростями. З'єднання урану всмоктуються у шлунково-кишковому тракті (близько 1%), у легенях – 50%. Основні депо в організмі: селезінка, нирки, скелет, печінка, легкі та бронхолегеневі лімфатичні вузли. Вміст в органах та тканинах людини та тварин не перевищує 10 -7 р.

Уран та його сполуки токсичні. Особливо небезпечні аерозолі урану та його сполук. Для аерозолів розчинних у воді сполук урану ГДК у повітрі 0,015 мг/м³, для нерозчинних форм урану ГДК 0,075 мг/м³. При попаданні в організм уран діє на всі органи, будучи загальноклітинною отрутою. Молекулярний механізм дії урану пов'язаний із його здатністю пригнічувати активність ферментів. Насамперед уражаються нирки (з'являються білок і цукор у сечі, олігурія). При хронічній інтоксикації можливі порушення кровотворення та нервової системи.

Видобуток країнами в тоннах за вмістом U на 2005—2006 роки.

Видобуток по компаніях у 2006 р.:

Cameco - 8,1 тис. тонн

Rio Tinto - 7 тис. тонн

AREVA - 5 тис. тонн

Козатомпром - 3,8 тис.тонн

ВАТ ТВЕЛ - 3,5 тис. тонн

BHP Billiton - 3 тис. тонн

Навоійський ГМК - 2,1 тис. тонн ( Узбекистан, Навої)

Uranium One - 1 тис. тонн

Heathgate - 0,8 тис. тонн

Denison Mines - 0,5 тис. тонн

Видобуток у Росії

У СРСР основними уранорудними регіонами були Україна (родовище Желтореченське, Первомайське та ін.), Казахстан (Північний — Балкашинське рудне поле та ін.; Південний — Кизилсайське рудне поле та ін.; Східний; всі вони належать переважно вулканогенно-гідротермальному типу); Забайкалля (Антей, Стрільцівське та ін); Середня Азія, переважно Узбекистан з орудненнями у чорних сланцях із центром у м. Учкудук. Є маса дрібних рудопроявів та проявів. У Росії її основним урановорудным регіоном залишилося Забайкалля. На родовищі Читинської області (біля міста Краснокаменськ) видобувається близько 93 % російського урану. Видобуток здійснює шахтним способом «Пріаргунське виробниче гірничо-хімічне об'єднання» (ППДГЗ), що входить до складу ВАТ «Атомредметзолото» (Урановий холдинг).

Інші 7% отримують методом підземного вилуговування ЗАТ «Далур» (Курганська область) та ВАТ «Хіагда» (Бурятія).

Отримані руди та урановий концентрат переробляються на Чепецькому механічному заводі.

Видобуток у Казахстані

У Казахстані зосереджена приблизно п'ята частина світових запасів урану (21% та 2 місце у світі). Загальні ресурси урану близько 1,5 млн. тонн, їх близько 1,1 млн. тонн можна видобувати методом підземного вилуговування.

У 2009 році Казахстан вийшов на перше місце у світі з видобутку урану.

Видобуток в Україні

Основне підприємство - Східний гірничо-збагачувальний комбінат у місті Жовті Води.

Вартість

Незважаючи на існуючі легенди про десятки тисяч доларів за кілограмові або навіть грамові кількості урану, реальна його ціна на ринку не дуже висока — незбагачений окис урану U 3 O 8 коштує менше 100 американських доларів за кілограм. Пов'язано це з тим, що для запуску атомного реактора на незбагаченому урані потрібні десятки або навіть сотні тонн палива, а для виготовлення ядерної зброї слід збагатити велику кількість урану для отримання придатних для створення бомби концентрацій

Уран, елемент з порядковим номером 92, найважчий із природи, що зустрічаються. Використовувався він ще на початку нашої ери, уламки кераміки з жовтою глазур'ю (що містять понад 1% оксиду урану) знаходилися серед руїн Помпеї та Геркуланума.

Уран був відкритий у 1789 році в урановій смолці німецьким хіміком Мартоном Генріхом Клапротом, який назвав його на честь планети уран, відкритою в 1781 році. У 1896 році Антуан-Анрі Беккерель відкриває явище радіоактивності урану випадковим засвічуванням фотопластинок іонізуючим випромінюванням від шматка солі урану, що опинився поблизу.

Фізичні та хімічні властивості

Уран дуже важкий, сріблясто-білий глянсуватий метал. У чистому вигляді він трохи м'якший за стали, ковкий, гнучкий, має невеликі парамагнітні властивості. Уран має три алотропні форми: альфа (призматична, стабільна до 667.7 °C), бета (чотирикутна, стабільна від 667.7 до 774.8 °C), гама (з об'ємно центрованою кубічною структурою, що існує від 774.8 °C до точки плавлення) Уран найбільш податливий і зручний для обробки. Альфа-фаза - дуже примітний тип призматичної структури, що складається з хвилястих шарів атомів у надзвичайно асиметричних призматичних гратах. Така анізотропна структура ускладнює сплав урану коїться з іншими металами. Тільки молібден та ніобій можуть створювати з ураном твердофазні сплави. Щоправда, металевий уран може вступати у взаємодію з багатьма сплавами, утворюючи інтерметалічні з'єднання.

Основні фізичні властивості урану:
температура плавлення 1132.2 ° C (+/- 0.8);
температура кипіння 3818 ° C;
густина 18.95 (в альфа-фазі);
питома теплоємність 6.65 кал/моль/°C (25 °C);
міцність на розрив 450 МПа.

Хімічно уран дуже активний метал. Швидко окислюючись на повітрі, він покривається райдужною плівкою оксиду. Дрібний порошок урану самозаймається на повітрі, він запалюється при температурі 150-175 ° C, утворюючи U 3 O 8 . При 1000 C уран з'єднується з азотом, утворюючи жовтий нітрид урану. Вода здатна роз'їдати метал, повільно за низької температури, і швидко за високої. Уран розчиняється в соляній, азотній та інших кислотах, утворюючи чотиривалентні солі, проте не взаємодіє з лугами. Уран витісняє водень з неорганічних кислот та сольових розчинів таких металів як ртуть, срібло, мідь, олово, платина та золото. При сильному струшуванні металеві частинки урану починають світитися.
Уран має чотири ступені окислення – III-VI. Шестивалентні сполуки включають в себе триокис уранілу UO 3 та уранілхлорид урану UO 2 Cl 2 . Тетрахлорид урану UCl 4 та діоксид урану UO 2 - Приклади чотиривалентного урану. Речовини, що містять чотиривалентний уран, зазвичай нестабільні і звертаються в шестивалентні при тривалому перебуванні на повітрі. Уранілові солі, такі як уранілхлорид, розпадаються в присутності яскравого світла або органіки.

Уран стабільних ізотопів не має, але відомо 33 його радіоактивні ізотопи. Природний уран складається із трьох радіоактивних ізотопів: 238 U (99,2739%, T=4.47⋅10 9 років, α-випромінювач, родоначальник радіоактивного ряду (4n+2)), 235 U (0.7205%, T=7,04⋅10 9 років, родоначальник радіоактивного ряду (4n+3)) та 234 U (0.0056%, T=2.48⋅10 5 років, α-випромінювач). Останній ізотоп є не первинним, а радіогенним, він входить до складу радіоактивного ряду 238 U. Атомна маса природного урану 238,0289+0,0001.

Радіоактивність природного урану обумовлена ​​в основному ізотопами 238 U та 234 U, у рівновазі їх питомі активності рівні. Питома радіоактивність природного урану 0.67 мікрокюрі/г, розділяється практично навпіл 234 U та 238 U; 235 U робить малий внесок (питома активність ізотопу 235 U у природному урані в 21 разів менше активності 238 U). Природний уран досить радіоактивний для засвічування фотопластинки протягом години. Поперечний переріз захоплення теплових нейтронів 233 U 4,6 · 10 -27 м2, 235 U 9,8 10 -27 м2, 238 U 2,7 10 -28 м2; переріз поділу 233 U 5,27 · 10 -26 м2, 235 U 5,84 · 10 -26 м2, природної суміші ізотопів 4,2·10-28 м2.

Ізотопи урану, як правило, α-випромінювачі. Середня енергія α-випромінювання 230 U, 231 U, 232 U, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U дорівнює відповідно 5,97; 3,05⋅10 -4 ; 5,414; 4,909; 4,859; 4,679; 4,572; 4,270 МеВ. Водночас такі ізотопи, як 233 U, 238 U та 239 U крім альфа-зазнають і інший тип розпаду - спонтанний поділ, хоча ймовірність поділу набагато менше ймовірності α-розпаду.

З погляду практичних додатків важливо, що природні ізотопи 233 U та 235 U діляться під дією як теплових, і швидких нейтронів ( 235 U здатний до спонтанного поділу), а ядра 238 U здатні до поділу тільки при захопленні нейтронів з енергією понад 1 МеВ. При захопленні нейтронів із меншою енергією ядра 238 U перетворюються спочатку на ядра 239 U, які далі відчувають β-розпад і переходять спочатку в 239 Np, а потім - у 239 Pu, ядерні властивості якого близькі до 235 U. Ефективні перерізи захоплення теплових нейтронів ядер 234 U, 235 U і 238 U дорівнюють 98⋅10 -28 , 683⋅10 -28 та 2,7⋅10 -28 м2 відповідно. Повний поділ 235 U призводить до виділення «теплового енергетичного еквівалента» 2⋅10 7 кВт.год/кг.

Техногенні ізотопи урану

У сучасних атомних реакторах напрацьовуються 11 штучних радіоактивних ізотопів з масовими числами від 227 до 240, з яких найбільш довгоживучий 233 U (T = 1,62 · 10 5 років); він виходить при нейтронному опроміненні торію. Ізотопи урану з масовим числом більше 240 у реакторах не встигають утворитися. Занадто мало часу життя урану-240, і він розпадається, не встигнувши захопити нейтрон. Однак у надпотужних нейтронних потоках термоядерного вибуху ядро ​​урану за мільйонну частку секунди встигає захопити до 19 нейтронів. При цьому народжуються ізотопи урану з масовими числами від 239 до 257. Про їхнє існування дізналися про появу в продуктах термоядерного вибуху далеких трансуранових елементів – нащадків важких ізотопів урану. Самі «засновники роду» надто нестійкі до β-розпаду і переходять у вищі елементи задовго до вилучення продуктів ядерних реакцій із перемішаної вибухом породи.

В енергетичних реакторах на теплових нейтронах як ядерне паливо використовують ізотопи. 235 U та 233 U, а реакторах на швидких нейтронах 238 U, тобто. ізотопи, здатні підтримувати ланцюгову реакцію поділу.

U-232

232 U – техногенний нуклід, у природі не зустрічається, α-випромінювач, Т=68,9 років, материнські ізотопи 236 Pu(α), 232 Np(β+) та 232 Pa(β-), дочірній нуклід 228 Тh. Здатний до спонтанного поділу. 232 U має інтенсивність спонтанного поділу 0.47 поділів/с⋅кг. У ядерній промисловості 232 U напрацьовується як побічний продукт при синтезі нукліду 233U в торієвому паливному циклі. При опроміненні 232 Th відбувається основна реакція:

232 Th + n → 233 Th → (22.2 хв, β-розпад) → 233 Pa → (27.0 днів, β-розпад) → 233 U

та побічна двостадійна реакція:

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

Напрацювання 232 U під час двостадійної реакції залежить від присутності швидких нейтронів (потрібні нейтрони з енергією щонайменше 6 МеВ), бо перетин першої реакції мало теплових швидкостей. Енергіями більше 6 МеВ має невелике число нейтронів поділу і якщо зона відтворення торію знаходиться в такій частині реактора, де вона опромінюється помірно швидкими нейтронами (~ 500 кэВ), то ця реакція може бути практично виключена. Якщо у вихідній речовині знаходиться 230 Th, то освіта 232 U доповнюється реакцією: 230 Th + n → 231 Th і далі, як зазначено вище. Ця реакція чудово і з тепловими нейтронами. Тому придушення освіти 232 U (а це потрібно з наведених нижче причин) вимагає завантаження торію з мінімальною концентрацією 230 Th.

Ізотоп, що утворюється в енергетичному реакторі 232 U представляє проблему для охорони праці, оскільки він розпадається на 212 Bi та 208 Te, які випромінюють γ-кванти високих енергій. Тому препарати, що містять велику кількість цього ізотопу, слід переробляти в гарячій камері. Наявність 232 U в опроміненому урані небезпечно і з погляду поводження з атомною зброєю.

Накопичення 232 U неминуче при виробництві 233 U в торієвому енергетичному циклі, що стримує впровадження його в енергетику. Незвичайним є те, що парний ізотоп 232 U має високий переріз розподілу під дією нейтронів (для теплових нейтронів 75 барн, резонансний інтеграл 380), а також високий переріз захоплення нейтронів – 73 бар (резонансний інтеграл 280).

Є і користь від 232 U: він часто застосовується у методі радіоактивних індикаторів у хімічних та фізичних дослідженнях.

U-233

233 U відкритий Сиборгом, Гофманом та Стоутоном. Уран-233 - α-випромінювач, Т=1,585⋅105 років, материнські нукліди 237 Pu(α) 233 Np(β+) 233 Pa(β-), дочірній нуклід 229 Th. Уран-233 виходить в атомних реакторах з торію: 232Th захоплює нейтрон і перетворюється на 233 Th, який розпадається на 233 Ра, а потім у 233 U. Ядра 233 U (непарний ізотоп) здатні як до спонтанного поділу, так і поділу під дією нейтронів будь-яких енергій, що робить його придатним до виробництва як атомної зброї, так і реакторного палива (можливе розширене відтворення ядерного пального). Уран-233 також є найперспективнішим паливом для газофазних ядерних ракетних двигунів. Ефективний переріз розподілу швидкими нейтронами 533 барн, період напіврозпаду 1585000 років, у природі не зустрічається. Критична маса 233 U втричі менше критичної маси 235 U (близько 16 кг). 233 U має інтенсивність спонтанного поділу рівну 720 поділів/с⋅кг. 235U можна отримати з 232Th, опроміненням нейтронами:

232 Th + n → 233 Th → (22.2 хв, β-розпад) → 233 Pa → (27.0 днів, β-розпад) → 233U

При поглинанні нейтрону, ядро 233 U зазвичай ділиться, але зрідка захоплює нейтрон, переходячи в 234 U, хоча частка процесів розподілу менше, ніж в інших палив ( 235 U, 239 Pu, 241 Pu) вона залишається малою за всіх енергій нейтронів. Зазначимо, що існує проект реактора на основі розплаву солей, в якому протактіній фізично ізолюють, перш ніж він встигне поглинути нейтрон. Хоча 233 U, поглинувши нейтрон, зазвичай ділиться, все ж таки він іноді зберігає нейтрон, переходячи в 234 U (цей процес значно менш ймовірний, ніж розподіл).

Напрацювання 233 U із сировини для торієвої промисловості - довгострокова стратегія розвитку ядерної промисловості Індії, що має суттєві запаси торію. Бридинг можна здійснити або в швидких або теплових реакторах. Поза Індією, інтерес до паливного циклу на основі торію не надто великий, хоча світові запаси торію втричі перевищують запаси урану. Крім палива в атомних реакторах, можна використовувати 233 U у збройовому заряді. Хоча зараз це роблять рідко. У 1955 США перевірили збройові якості 233 U, підірвавши бомбу на його основі в операції Teapot (заварний чайник). Зі збройової точки зору 233 U, порівняємо з 239 Pu: його радіоактивність – 1/7 (Т=159200 років проти 24100 років у плутонію), його критична маса на 60% вище (16 кг проти 10 кг), а швидкість спонтанного поділу вища у 20 разів (6⋅10-9 проти 3⋅10 -10 ). Однак, оскільки його питома радіоактивність нижче, то нейтронна щільність 233 U втричі вище, ніж у 239 Pu. Створення ядерного заряду на основі 233 U вимагає більших зусиль, ніж плутонії, але технологічні зусилля приблизно самі.

Основна відмінність – наявність у 233 U домішки 232 U, яка ускладнює роботи з 233 U і дозволяє легко виявити готову зброю.

Зміст 232 U у збройовому 233 U не повинне перевищувати 5 частин на мільйон (0.0005%). У комерційному ядерному паливному циклі наявність 232 U не є великою вадою, навіть бажано, оскільки це знижує можливість поширення урану для збройових цілей. Для економії палива, після його переробки та повторного використання рівень 232 U сягає 0.1-0.2%. У спеціально спроектованих системах цей ізотоп накопичується у концентраціях 0.5-1%.

Протягом перших двох років після виробництва 233 U, що містить 232 U, 228 Th зберігається постійному рівні, перебуваючи у рівновазі з власним розпадом. У цьому періоді фонове значення γ-випромінювання встановлюється та стабілізується. Тому перші кілька років вироблена маса 233 U випускає значне γ-випромінювання. Десятикілограмова сфера 233 U збройової чистоти (5 мільйонних часток 232U) створює фон 11 мілібер/годину на відстані 1 м через 1 місяць після виробництва, 110

мілібер/год через рік, 200 мілібер/год через 2 роки. Щорічна гранична доза 5 бер перевищується вже через 25 годин роботи з таким матеріалом. Навіть свіжий 233 U (1 місяць з дня виготовлення) обмежує час складання десятьма годинами на тиждень. У повністю зібраному зброї рівень радіації знижують поглинанням корпусом заряду. У полегшених сучасних пристроях зниження не перевищує 10 разів, створюючи проблеми з безпекою. У більш зарядах поглинання сильніше - в 100 - 1000 разів. Рефлектор із берилію збільшує рівень нейтронного фону: 9Be + γ-квант → 8Be + n. γ-промені 232 U утворюють характерну сигнатуру, їх можна виявити та відстежити пересування та наявність атомного заряду. Спеціально денатурований за торієвим циклом 233 U (0.5 - 1.0% 232 U) створює ще більшу небезпеку. 10-кілограмова сфера, виготовлена ​​з такого матеріалу, на відстані 1 м через 1 місяць створює фон 11 бер/год, 110 бер/год через рік та 200 бер/год через 2 роки. Контакт із такою атомною бомбою, навіть при скороченні випромінювання у 1000 разів, обмежується 25 годинами на рік. Наявність помітної частки 232 U в речовині, що ділиться робить його вкрай незручним для військового застосування.

Природні ізотопи урану

U-234

Уран-234 (уран II) входить до складу природного урану (0,0055%), Т=2,445⋅10 5 років, α-випромінювач, материнські радіонукліди: 238 Pu(α), 234 Pa(β-), 234 Np(β+), дочірній ізотоп 230 Th. Зміст 234 U в руді дуже небагато через його порівняно короткий період напіврозпаду. 234 U утворюється за реакціями:

238 U → (4.51 мільярда років, альфа-розпад) → 234 Th

234 Th → (24.1 днів, бета-розпад) → 234 Pa

234 Pa → (6.75 годин, бета-розпад) → 234 U

Зазвичай 234 U знаходиться в рівновазі з 238 U, розпадаючись та утворюючись з однаковою швидкістю. Однак атоми, що розпадаються 238 U існують деякий час у вигляді торію і протактинію, тому можуть хімічно або фізично відокремитися від руди (вилуговуватися підземними водами). Оскільки 234 U має відносно короткий час напіврозпаду, весь цей ізотоп, що знаходиться в руді, утворився останні кілька мільйонів років. Приблизно половину радіоактивності природного урану становить внесок 234 U.

Концентрація 234 U у високозбагаченому урані досить висока через переважне збагачення легкими ізотопами. Оскільки 234 U є сильним γ-випромінювачем, є обмеження на його концентрацію в урані, призначеному для переробки паливо. В принципі, підвищений рівень 234 U прийнятний для сучасних реакторів, але піддане переробці відпрацьоване паливо містить вже неприйнятні рівні цього ізотопу.

Перетин поглинання 234 U теплових нейтронів 100 барн, а для резонансного інтеграла, усередненого різними проміжними нейтронами 700 барн. Тому в реакторах на

теплових нейтронах він конвертується в ділиться 235 U з більшою швидкістю, ніж набагато більша кількість 238 U (з поперечним перерізом 2,7 барн) конвертується в 239 Pu. В результаті відпрацьоване ядерне паливо містить менше 234 U, ніж свіже.

U-235

Уран-235 (актиноуран) - ізотоп, здатний давати ланцюгову реакцію поділу, що швидко розвивається. Відкритий Демпстером (Arthur Jeffrey Dempster) у 1935 році.

Це перший ізотоп, на якому була відкрита реакція вимушеного поділу ядер під дією нейтронів. Поглинаючи нейтрон, 235 U переходить у 236 U, який ділиться на дві частини, виділяючи енергію та випускаючи кілька нейтронів. Що ділиться нейтронами будь-яких енергій, здатний до мимовільного поділу, ізотоп 235 U входить до складу природного урану (0,72%), α-випромінювач (енергія 4.679 МеВ), Т=7,038⋅10 8 років, материнські нукліди 235 Pa, 235 Np та 239 Pu, дочірній - 231 Th. Інтенсивність спонтанного поділу 235 U 0.16 поділів/с⋅кг. При розподілі одного ядра 235 U виділяється 200 МеВ енергії = 3,2⋅10 -11 Дж, тобто. 18 ТДж/моль = 77 ТДж/кг. Однак 5% цієї енергії уноситься віртуально недектується нейтронами. Ядерний переріз тепловими нейтронами становить приблизно 1000 барн, а швидкими нейтронами – близько 1 барна.

Чиста 60-кілограмова маса 235 U виробляє всього 9.6 поділів/с, роблячи досить простий виготовлення атомної бомби за гарматною схемою. 238 U створює в 35 разів більше нейтронів на кілограм, тому навіть маленький відсоток цього ізотопу піднімає цей показник у кілька разів. 234 U створює в 22 рази більше нейтронів і має схоже з 238 U небажана дія. Питома активність 235 U всього 2.1 мікрокюрі/г; забруднення його 0.8% 234 U піднімають її до 51 мікрокюрі/г. Критична маса збройового урану. (93,5%) 235 U) у водних розчинах становить менше 1 кг, для відкритої кулі – близько 50 кг, для кулі з відбивачем – 15 – 23 кг.

У природному урані лише один, щодо рідкісний, ізотоп підходить виготовлення ядра атомної бомби чи підтримки реакції в енергетичному реакторі. Ступінь збагачення по 235 U ядерному паливі для АЕС коливається не більше 2-4.5%, для збройового використання - мінімум 80%, а більш переважно 90%. В США 235 U збройової якості збагачений до 93.5% (промисловість здатна видати 97.65%). Такий уран використовують у реакторах для військово-морського флоту.

Зауваження. Уран зі змістом 235 U більше 85% називається збройовим ураном, з вмістом понад 20% і менше 85% - ураном, придатним до застосування зброї, оскільки з нього можна приготувати «погану» (неефективну бомбу). Але з нього можна виготовити і «хорошу» бомбу, якщо застосувати імплозію, нейтронні відбивачі та деякі доповнені хитрощі. На щастя, реалізувати такі хитрощі на практиці поки що можуть лише 2-3 країни у світі. Зараз, бомби з урану, мабуть, ніде не виробляються (плутоній витіснив уран з ядерної зброї), але перспективи урану-235 зберігаються завдяки простоті гарматної схеми уранової бомби та можливості розширеного виробництва таких бомб за несподіваної необхідності.

Будучи легшим, 234 U пропорційно збагачується навіть ще більшою мірою, ніж 235 U у всіх процесах поділу природних ізотопів урану, заснованих на різниці в масах, що становить певну проблему при виробництві зарядів атомних бомб. Високозбагачений 235 U зазвичай містить 1.5-2.0% 234 U.

Поділ 235 U використовується в атомній зброї, для виробництва енергії та для синтезу важливих актинідів. Уран природного складу використовують у ядерних реакторах для нейтронів. Ланцюгова реакція підтримується завдяки надлишку нейтронів, що утворюються при розподілі 235 U, в той же час надлишкові нейтрони, незатребувані ланцюговою реакцією, захоплюються іншим природним ізотопом, 238 U, що призводить до одержання плутонію, також здатного ділитися під дією нейтронів.

U-236

Зустрічається у природі у домішкових кількостях, α-випромінювач, Т=2,3415⋅10 7 років, розпадається на 232 Th. Утворюється під час бомбардування нейтронами 235 U, потім ділиться на ізотоп барію та ізотоп криптону з виділенням двох нейтронів, гамма-променів та вивільненням енергії.

У незначній кількості входить до складу свіжого палива; накопичується при опроміненні урану нейтронами в реакторі, і тому використовується як сигналізатор відпрацьованого уранового ядерного палива. 236 U утворюється як побічний продукт при сепарації ізотопів методом газової дифузії у разі регенерації використаного ядерного палива. Цей ізотоп має певне значення як матеріал для мішені у ядерних реакторах. При використанні рециклованого (переробленого) урану в атомному реакторі виникає важлива відмінність порівняно з використанням природного урану. Виділений з ВЯП уран містить ізотоп 236 U (0,5%), який при його використанні у свіжому паливі стимулює напрацювання ізотопу 238 Pu. Це призводить до погіршення якості енергетичного плутонію, але може бути позитивним фактором у контексті проблеми ядерного нерозповсюдження.

Утворюється в енергетичному реакторі 236 U - нейтронна отрута, її присутність у ядерному паливі доводиться компенсувати вищим рівнем збагачення. 235 U.

U-238

Уран-238 (уран I) - розподілений нейтронами високих енергій (більше 1 МеВ), здатний до мимовільного поділу, становить основу природного урану (99,27%), α-випромінювач, Т=4,468⋅10 9 років, безпосередньо розпадається на 234 Th, утворює ряд генетично зв'язкових радіонуклідів, і через 18 продуктів перетворюється на 206 Pb. Постійна швидкість розпаду ряду дає можливість використання відношення концентрацій материнського нукліду до дочірнього радіометричному датуванні. Період напіврозпаду урану-238 за спонтанним поділом точно не встановлений, але він дуже великий – близько 10 16 років, так що ймовірність поділу по відношенню до основного процесу - випромінювання альфа-частинки - складає всього 10 -7 . Один кілограм урану дає всього 10 спонтанних поділів на секунду, а за цей час α-частинки випромінюють 20 мільйонів ядер. Материнські нукліди: 242 Pu(α), 238 Pa(β-) 234 Th, дочірній - 234 Th.

Хоча уран-238 не може бути використаний як первинний матеріал, що діляється, через високу енергію нейтронів, необхідних для його поділу, він займає важливе місце в ядерній галузі. Маючи високу щільність та атомну вагу, 238 U придатний виготовлення з нього оболонок заряду/рефлектора в атомної і водневої бомбах. Той факт, що він ділиться швидкими нейтронами, збільшує енерговихід заряду: побічно, розмноженням відбитих нейтронів або безпосередньо при розподілі ядер оболонки заряду швидкими нейтронами (при синтезі). Приблизно 40% нейтронів, утворених при розподілі і всі нейтрони синтезу мають достатні для поділу 238 U енергіями. 238 U має інтенсивність спонтанного поділу у 35 разів більш високу, ніж 235 U, 5.51 поділів/с⋅кг. Це унеможливлює застосування його як оболонки заряду/рефлектора в бомбах гарматної схеми, бо відповідна його маса (200-300 кг) створить занадто високий нейтронний фон. Чистий 238 U має питому радіоактивність 0.333 мікрокюрі/р. Важлива сфера застосування цього ізотопу урану - виробництво 239 Pu. Плутоній утворюється в ході кількох реакцій, що починаються після захоплення атомом 238 U нейтрону. Будь-яке реакторне паливо, що містить природний або частково збагачений по 235-му ізотопу уран, після закінчення паливного циклу містить певну частку плутонію.

Збіднений уран

Після вилучення 235 U з природного урану, матеріал, що залишився, носить назву «збіднений уран», т.к. він збіднений ізотопам 235 U та 234 U. Зменшений зміст 234 U (близько 0,001%) знижує радіоактивність майже вдвічі в порівнянні з природним ураном, при цьому зменшення вмісту 235 U практично не позначається на радіоактивності збідненого урану.

У світі майже весь збіднений уран зберігається як гексафторида. США мають 560000 тонн збідненого гексафториду урану (UF6) на трьох газодифузійних збагачувальних виробництвах, у Росії – сотні тисяч тонн. Збіднений уран вдвічі менш радіоактивний, ніж природний уран, в основному за рахунок видалення з нього 234 U. Через те, що основне використання урану - виробництво енергії, на атомних реакторах тепловими нейтронами, збіднений уран - марний продукт з низькою економічною цінністю.

З точки зору безпеки, загальноприйнято переводити газоподібний гексафторид збідненого урану в оксид урану, який є твердою речовиною. Оксид урану або підлягає похованню, як вид радіоактивних відходів, або може бути використаний в реакторах на швидких нейтронах для напрацювання плутонію.

Рішення про спосіб утилізації оксиду урану залежить від того, як та чи інша країна розглядає збіднений уран: як радіоактивні відходи, що підлягають похованню, або як матеріал, придатний для подальшого використання. Наприклад, у США збіднений уран донедавна розглядався як сировина для подальшого використання. Але з 2005 року така думка почала змінюватися і зараз у США можливе поховання збідненого оксиду урану. У Франції збіднений уран не сприймається як радіоактивні відходи, але передбачається зберігання у вигляді оксиду урану. У Росії керівництво Федерального агентства з атомної енергії вважає відвальний гексафторид урану цінним матеріалом, що не підлягає похованню. Розпочато роботи зі створення промислової установки з переведення відвального гексафториду урану в оксид урану. Окисні оксиди урану передбачається зберігати тривалий час для подальшого їх використання в реакторах на швидких нейтронах або дозбагачення його 235 U з подальшим спалюванням теплових реакторах.

Знаходження шляхів використання збідненого урану є великою проблемою для збагачувальних підприємств. В основному його використання пов'язане з великою густиною урану і відносно низькою його вартістю. Дві найважливіші сфери використання збідненого урану: як радіаційний захист і як баластна маса в аерокосмічних застосуваннях, таких як рульові поверхні літальних апаратів. У кожному літаку Боїнг-747 міститься 1500 кг збідненого урану для цього. Збіднений уран значною мірою застосовується при бурінні нафтових свердловин як ударних штанг (при канатному бурінні), його вага занурює інструмент у свердловини, наповнені буровим розчином. Цей матеріал застосовується у високошвидкісних роторах гіроскопів, великих маховиках, як баласт у космічних апаратах, що спускаються, і гоночних яхтах.

Але найвідоміше застосування урану - як осердя для бронебійних снарядів. При певному сплаві з іншими металами та термічній обробці (сплавлення з 2% Mo або 0.75% Ti, швидке загартування розігрітого до 850° металу у воді або маслі, подальше витримування при 450° 5 годин) металевий уран стає твердішим і міцнішим за сталі (міцність на розрив > 1600 МПа). У поєднанні з великою щільністю, це робить загартований уран надзвичайно ефективним для пробивання броні, аналогічним за ефективністю значно дорожчого монокристалічного вольфраму. Процес руйнування броні супроводжується подрібненням у пил основної частини урану, проникненням пилу всередину захищеного об'єкта та займанням його там. 300 тонн збідненого урану залишилися на полі бою під час Бурі в Пустелі (переважно це залишки снарядів 30-мм гармати GAU-8 штурмових літаків A-10, кожен снаряд містить 272 г уранового сплаву). Збіднений уран використовують у танкової броні, наприклад, танка M-1 " Абрамс " (США). -4 % по масі (2-4 ppm залежно від регіону), у кислих вивержених породах 3,5 · 10 -4 %, у глинах та сланцях 3,2·10 -4 %, в основних породах 5 · 10 -5 %, в ультраосновних породах мантії 3·10 -7 %. Кількість урану у шарі літосфери товщиною 20 км оцінюють у 1.3⋅10 14 т. Він входить до складу всіх порід, що складають земну кору, а також присутній у природних водах та живих організмах. Потужних родовищ не утворює. Основна маса урану міститься у кислих, з високим вмістом кремнію, породах. Найменша концентрація урану має місце в ультраосновних породах, максимальна – в осадових породах (фосфоритах та кулистих сланцях). В океанах міститься 10 10 т урану. Концентрація урану в грунтах варіюється в інтервалі 0,7 - 11 ppm (15 ppm в сільськогосподарських грунтах, фосфорними добривами, що удобрюються), в морській воді 0,003 ррm.

У вільному вигляді уран землі не зустрічається. Відомо 100 мінералів урану із вмістом U понад 1%. Приблизно в одній третині цих мінералів уран чотиривалентний, в інших – шестивалентний. 15 із цих уранових мінералів є простими оксидами або гідроксилами, 20 – комплексними титанатами та ніобатами, 14 – силікатами, 17 – фосфатами, 10 – карбонатами, 6 – сульфатами, 8 – ванадатами, 8 – арсенатами. Невизначені форми уранових сполук зустрічаються в деяких кулистих сланцях морського походження, лігніті та вугіллі, а також у міжзернових плівках у вивержених породах. Промислове значення мають 15 мінералів урану.

Головні уранові мінерали у великих рудних родовищах представлені оксидами (уранова смолка, уранініт, кофініт), ванадатами (карнотит та тюямуніт) та комплексними титанатами (браннерит і давидит). Промислове значення мають також титанати, наприклад браннерит UTi 2 O 6 , силікати - кофініт U 1-x (OH) 4x , танталоніобати та гідритовані фосфати та арсенати уранілу - уранові слюдки. Уран не зустрічається у природі як самородний елемент. Внаслідок того, що уран може перебувати в кількох стадіях окислення, він зустрічається у дуже різноманітній геологічній обстановці.

Застосування урану

У розвинених країнах виробництво урану в основному спрямоване на генерацію нуклідів, що діляться ( 235 U та 233 U, 239 Pu) - палива промислових реакторів, призначених для напрацювання як збройових нуклідів, так і компонентів ядерної зброї (атомні бомби та снаряди стратегічного та тактичного призначення, нейтронні бомби, тригери водневих бомб тощо). В атомній бомбі концентрація 235 U перевищує 75%. В інших країнах світу металевий уран або його сполуки використовуються як ядерне паливо в енергетичних та дослідних ядерних реакторах. Природна або малозбагачена суміш ізотопів урану застосовується у стаціонарних реакторах атомних електростанцій, продукт високого ступеня збагачення – у ядерних силових установках (джерелах теплової, електричної та механічної енергії, випромінювання чи світла) або у реакторах, що працюють на швидких нейтронах. У реакторах часто використовують металевий уран, легований та нелегований. Однак у деяких типах реакторів застосовують пальне у формі твердих сполук (наприклад, UO 2 ), а також водних сполук урану або рідкого сплаву урану з іншим металом.

Основне застосування урану – виробництво ядерного палива для АЕС. Для ядерного реактора з водою під тиском встановленою потужністю 1400 МВт потрібно на рік 225 тонн природного урану для виготовлення 50 нових паливних елементів, які обмінюються на відповідну кількість використаних ТВЕЛів. Для завантаження даного реактора необхідно близько 130 тонн ЕРР (одиниця роботи поділу) та рівень витрат у 40 млн дол. на рік. Концентрація урану-235 у паливі для атомного реактора 2–5%.

Як і раніше, певний інтерес уранові руди представляють з точки зору вилучення з них радію (зміст якого приблизно 1 г у 3 т руди) та деяких інших природних радіонуклідів. Уранові сполуки застосовуються в скляній промисловості, для фарбування стекол у червоний або зелений колір, або надання їм красивого зеленувато-жовтого відтінку. Використовують їх і у виробництві флуоресцентного скла: невелика добавка урану надає красиву жовто-зелену флуоресценцію склу.

До 1980-х природний уран широко застосовували дантисти, включаючи його до складу кераміки, що дозволяло досягти природного кольору і викликати оригінальну флуоресценцію зубних протезів і коронок. (Уранова щелепа робить вашу посмішку яскравішою!) Оригінальний патент від 1942 р. рекомендує вміст урану 0.1%. Згодом природний уран замінили збідненим. Це дало дві переваги – дешевше та менш радіоактивно. Уран також використовувався в нитках ламп, і в шкіряній та деревообробній промисловості у складі барвників. Солі урану застосовують у розчинах протрави та моріння вовни та шкіри. Уранілацетат і уранілформіат використовуються як поглинаючі електрони декоруючі речовини в електронній мікроскопії, що просвічує, для збільшення контрасту тонких зрізів біологічних об'єктів, а також для фарбування вірусів, клітин і макромолекул.

Уранати типу Na 2 U 2 O 7 («жовтий ураніл») знайшли застосування як пігменти для керамічних глазурів та емалей (фарбують у кольори жовтий, зелений та чорний, залежно від ступеня окислення). Na 2 U 2 O 7 використовується також як жовта фарба у живописі. Деякі сполуки урану світлочутливі. На початку ХХ століття уранілнітрат широко застосовувався як віруючий агент для посилення негативів та отримання тонованих фотографічних відбитків (фарбування позитивів у коричневий або бурий колір). Уранілацетат UO 2 (H 3 COOH) 2 використовується в аналітичній хімії – він утворює нерозчинну сіль із натрієм. Фосфорні добрива містять досить велику кількість урану. Металевий уран використовується як мішеня в рентгенівській трубці, що призначена для генерації високоенергетичного рентгенівського випромінювання.

Деякі солі урану використовуються як каталізатори при хімічних реакціях, таких, як окислення ароматичних вуглеводнів, зневоднення рослинних олій, та ін. 235 U в сплаві з карбідом ніобію і карбідом цирконію застосовується як паливо для ядерних реактивних двигунів (робоче тіло - водень + гексан). Сплави заліза та збідненого урану ( 238 U) застосовуються як потужні магнітострикційні матеріали.

У народному господарстві збіднений уран використовується при виготовленні літакових противаг та протирадіаційних екранів медичної радіотерапевтичної апаратури. З обіднього урану виготовляють транспортні контейнери для перевезення радіоактивних вантажів та ядерних відходів, а також вироби надійного біологічного захисту (наприклад, захисні екрани). З точки зору поглинання γ-випромінювання, уран у п'ять разів ефективніший за свинець, що дозволяє істотно знизити товщину захисних екранів і зменшити обсяг контейнерів, призначених для транспортування радіонуклідів. Бетон на основі оксиду збідненого урану використовують замість гравію для створення сухих сховищ радіоактивних відходів.

Збіднений уран вдвічі менш радіоактивний, ніж природний уран, переважно рахунок видалення з нього 234 U. Його використовують для легування броньової сталі, зокрема для покращення бронебійних характеристик снарядів. При сплавленні з 2% Mo або 0,75% Ti і термічній обробці (швидке загартування розігрітого до 850°C металу у воді або маслі, подальше витримування при 450° 5 годин) металевий уран стає твердішим і міцнішим за сталі (міцність на розрив більше 1600 МПа, при тому що у чистого урану вона дорівнює 450 МПа). У поєднанні з великою щільністю це робить загартовану уранову болванку надзвичайно ефективним засобом для пробивання броні, аналогічним за ефективністю більш дорогому вольфраму. Тяжкий урановий наконечник також змінює розподіл мас у снаряді, покращуючи його аеродинамічну стійкість. При попаданні в броню такий снаряд (наприклад, сплав урану з титаном) не ламається, а як самозаточується, чим і досягається велика пробиваність. Процес руйнування броні супроводжується подрібненням у пил уранової болванки і займанням її повітря всередині танка. Збіднений уран використовується в сучасній танковій броні.

Додавання невеликих кількостей урану до сталі збільшує її твердість, не повідомляючи їй крихкості та підвищуючи її кислотостійкість. Особливо кислотостійким, навіть по відношенню до царської горілки, є сплав урану з нікелем (66% урану та 33% нікелю) з точкою плавлення 1200о . Збіднений уран використовується як баластна маса в аерокосмічних застосуваннях, таких як рульові поверхні літальних апаратів. Цей матеріал застосовується у високошвидкісних роторах гіроскопів, великих маховиках, як баласт у космічних апаратах, що спускаються, і гоночних яхтах, при бурінні нафтових свердловин.

Як ми вже згадували, у наш час уранові атомні бомби не виготовляються. Однак у сучасних плутонієвих бомбах 238 U (у тому числі – збіднений уран) все ж таки застосовується. Він становить оболонку заряду, відбиваючи нейтрони і додаючи інерцію в стиск плутонієвого заряду імплозивної схемою підриву. Це суттєво підвищує ефективність зброї та зменшує критичну масу (тобто зменшує кількість плутонію, необхідного для створення ланцюгової реакції поділу). Застосовують збіднений уран і водневих бомбах, запаковуючи їм термоядерний заряд, спрямовуючи сильний потік надшвидких нейтронів на розподіл ядер і збільшуючи цим енергетичний вихід зброї. Така бомба називається зброєю поділ-синтез-поділ на честь трьох стадій вибуху. Більшість енергетичного виходу під час вибуху подібної зброї припадає саме на поділ 238 U, що виробляє значну кількість радіоактивних продуктів. Наприклад, 77% енергії при вибуху водневої бомби у випробуванні Ivy Mike (1952) потужністю 10,4 мегатонн припало саме на процеси поділу в урановій оболонці. Оскільки збіднений уран немає критичної маси, його можна додавати в бомбу в необмежених кількостях. У радянській водневій бомбі (Цар Бомба – Кузькіна мати), підірваній на Новій Землі в 1961 потужністю «тільки» 50 мегатонн 90% виходу довелося на реакцію термоядерного синтезу, оскільки оболонку з 238 U на кінцевій стадії вибуху замінили свинцем. Якби оболонку виготовили (як і збиралися на початку) з 238 U, то потужність вибуху перевищила 100 мегатонн і випадання радіоактивних опадів склало 1/3 від суми всіх світових випробувань ядерної зброї.

Природні ізотопи урану знайшли застосування в геохронології для вимірювання абсолютного віку гірських порід та мінералів. Ще в 1904 р. Ернест Резерфорд звернув увагу на те, що вік Землі та найдавніших мінералів - величина того ж порядку, що і період напіврозпаду урану. Тоді ж він запропонував за кількістю гелію та урану, що містяться у щільній породі, визначати її вік. Але незабаром з'ясувалися недолік методу: вкрай рухливі атоми гелію легко дифундують навіть у цупких породах. Вони проникають у навколишні мінерали, а поблизу материнських уранових ядер залишається значно менше гелію, ніж слід за законами радіоактивного розпаду. Тому вік порід обчислюють за співвідношенням урану та радіогенного свинцю – кінцевого продукту розпаду уранових ядер. Вік деяких об'єктів, наприклад, слюд, визначити ще простіше: вік матеріалу пропорційний числу атомів урану, що розпалися в ньому, яке визначається числом слідів - треків, що залишаються осколками в речовині. Щодо концентрації урану до концентрації треків можна обчислити вік будь-якого стародавнього скарбу (вази, прикраси тощо). У геології навіть винайшли спеціальний термін «урановий годинник». Урановий годинник - дуже універсальний інструмент. Ізотопи урану містяться у багатьох породах. Концентрація урану в земній корі в середньому дорівнює трьом частинам на мільйон. Цього достатньо, щоб виміряти співвідношення урану та свинцю, а потім за формулами радіоактивного розпаду розрахувати час, що минув з кристалізації мінералу. Урано-свинцевим способом вдалося виміряти вік найдавніших мінералів, а за віком метеоритів визначили дату народження планети Земля. Відомий і вік місячного ґрунту. Наймолодші шматки місячного ґрунту старіші за найдавніші земні мінерали.

Уран
Уран, елемент з порядковим номером 92, найважчий із природи, що зустрічаються. Використовувався він ще на початку нашої ери, уламки кераміки з жовтою глазур'ю (що містять понад 1% оксиду урану) знаходилися серед руїн Помпеї та Геркуланума.
Уран був відкритий у 1789 році в урановій смолці німецьким хіміком Мартоном Генріхом Клапротом, який назвав його на честь планети уран, відкритою в 1781 році. У 1896 році Антуан-Анрі Беккерель відкриває явище радіоактивності урану випадковим засвічуванням фотопластинок іонізуючим випромінюванням від шматка солі урану, що опинився поблизу.

Хімічні та фізичні властивості
Уран дуже важкий, сріблясто-білий глянсуватий метал. У чистому вигляді він трохи м'якший за стали, ковкий, гнучкий, має невеликі парамагнітні властивості. Уран має три алотропні форми: альфа (призматична, стабільна до 667.7 °C), бета (чотирикутна, стабільна від 667.7 до 774.8 °C), гама (з об'ємно центрованою кубічною структурою, що існує від 774.8 °C до точки плавлення) Уран найбільш податливий і зручний для обробки. Альфа-фаза - дуже примітний тип призматичної структури, що складається з хвилястих шарів атомів у надзвичайно асиметричних призматичних гратах. Така анізотропна структура ускладнює сплав урану коїться з іншими металами. Тільки молібден та ніобій можуть створювати з ураном твердофазні сплави. Щоправда, металевий уран може вступати у взаємодію з багатьма сплавами, утворюючи інтерметалічні з'єднання.

Основні фізичні властивості урану:
температура плавлення 1132.2 ° C (+/- 0.8);
температура кипіння 3818 ° C;
густина 18.95 (в альфа-фазі);
питома теплоємність 6.65 кал/моль/°C (25 °C);
міцність на розрив 450 МПа.

Хімічно уран дуже активний метал. Швидко окислюючись на повітрі, він покривається райдужною плівкою оксиду. Дрібний порошок урану запалюється на повітрі, він запалюється при температурі 150-175 °C, утворюючи U 3 O 8 . При 1000 C уран з'єднується з азотом, утворюючи жовтий нітрид урану. Вода здатна роз'їдати метал, повільно за низької температури, і швидко за високої. Уран розчиняється в соляній, азотній та інших кислотах, утворюючи чотиривалентні солі, проте не взаємодіє з лугами. Уран витісняє водень з неорганічних кислот та сольових розчинів таких металів як ртуть, срібло, мідь, олово, платина та золото. При сильному струшуванні металеві частинки урану починають світитися.
Уран має чотири ступені окислення – III-VI. Шестивалентні сполуки включають триокис уранулу UO 3 і уранілхлорид урану UO 2 Cl 2 . Тетрахлорид урану UCl 4 та діоксид урану UO 2 - приклади чотиривалентного урану. Речовини, що містять чотиривалентний уран, зазвичай нестабільні і звертаються в шестивалентні при тривалому перебуванні на повітрі. Уранілові солі, такі як уранілхлорид, розпадаються в присутності яскравого світла або органіки.

Ізотопи урану
Уран має 14 ізотопів, при цьому лише три з них зустрічаються у природі. Зразковий ізотопний склад природного урану наступний:

Хоча вміст ізотопу U-235 взагалі постійно, можуть бути деякі коливання його кількості, внаслідок збіднення руди через реакції розподілу, що мали місце, коли концентрація U-235 була набагато вищою, ніж сьогодні. Найвідоміший такий природний "реактор", віком 1.9 мільярда років, виявлено 1972 року в шахті Окло в Габоні. Коли цей реактор діяв, у природному урані містилося 3% U-235, стільки ж, скільки й у паливі для атомних електростанцій. Тепер ядро ​​шахти вигоріло та збіднене, містить лише 0.44% U-235. Природні реактори в Окло і дещо ще, відкритих поблизу, є єдиними у своєму роді досі.
Зміст U-234 у руді дуже незначний. На відміну від U-235 і U-238, через своє коротке життя, вся кількість цього ізотопу утворюється внаслідок розпаду атомів U-238:
U 238 -> (4.51 мільярда років, альфа-розпад) -> Th 234
Th 234 -> (24.1 днів, бета-розпад) -> Pa 234
Pa 234 -> (6.75 годин, бета-розпад) -> U 234
Зазвичай U-234 існує у рівновазі з U-238, розпадаючись та утворюючись з однаковою швидкістю. Однак атоми U-238, що розпадаються, існують деякий час у вигляді торію і протактинію, тому можуть хімічно або фізично відокремитися від руди (вилуговуватися підземними водами). Оскільки U-234 має відносно короткий час напіврозпаду, весь цей ізотоп, що знаходиться в руді, утворився останні кілька мільйонів років. Приблизно половину радіоактивності природного урану становить вклад U-234.
U-236 має період напіврозпаду 23.9 мільйона років і не зустрічається в природі у значних кількостях. Він накопичується, якщо уран опромінюється нейтронами в реакторах, і тому використовується як сигналізатор відпрацьованого уранового ядерного палива.

Питома радіоактивність природного урану 0.67 микрокюри/г (поділяється майже навпіл між U-234 і U-238, U-235 робить невеликий внесок). Природний уран досить радіоактивний для засвічування фотопластинки протягом години.

U-235.
У природному урані лише один, щодо рідкісний, ізотоп підходить виготовлення ядра атомної бомби чи підтримки реакції в енергетичному реакторі. Ступінь збагачення U-235 в ядерному паливі для АЕС коливається в межах 2-4.5%, для збройового використання - мінімум 80%, а більш переважно 90%. У США уран-235 збройової якості збагачено до 93.5%, промисловість здатна видавати 97.65% - уран такої якості використовується в реакторах для військово-морського флоту.
1998 року ізотопне відділення Ок-Ріджської Національної лабораторії (ORNL) постачало 93% U-235 за ціною 53$/р.
Ще більш легким, U-234 пропорційно збагачується навіть ще більшою мірою, ніж U-235 у всіх процесах поділу, заснованих на різниці в масах. Високозбагачений U-235 зазвичай містить 1.5-2.0% U-234.
Інтенсивність спонтанного поділу U-235 0.16 поділів/с*кг. Чиста 60-кілограмова маса U-235 виробляє всього 9.6 поділів/с, роблячи досить простою для виготовлення гарматну схему. U-238 створює в 35 разів більше нейтронів на кілограм, тому навіть маленький відсоток цього ізотопу піднімає цей показник у кілька разів. U-234 створює в 22 рази більше нейтронів і має схожу на U-238 небажану дію.
Питома активність U-235 лише 2.1 мікрокюрі/г; забруднення його 0.8% U-234 піднімають до 51 мікрокюрі/г.

U-238.
Хоча уран-238 не може бути використаний як первинний матеріал, що діляється, через високу енергію нейтронів, необхідних для його поділу, він займає важливе місце в ядерній галузі.
Маючи високу щільність і атомну вагу, U-238 придатний для виготовлення оболонок заряду/рефлектора в пристроях синтезу і поділу. Той факт, що він ділиться швидкими нейтронами, збільшує енерговихід заряду: побічно розмноженням відбитих нейтронів; безпосередньо при розподілі ядер оболонки швидкими нейтронами (при синтезі). Приблизно 40% нейтронів, утворених при розподілі і всі нейтрони синтезу мають достатні для розподілу U-238 енергіями.
U-238 має інтенсивність спонтанного поділу в 35 разів вищу, ніж U-235, 5.51 поділів/с*кг. Це унеможливлює застосування його як оболонки заряду/рефлектора в гарматних бомбах, бо відповідна його маса (200-300 кг) створить занадто високий нейтронний фон.
Чистий U-238 має питому радіоактивність 0.333 мікрокюрі/р.
Важлива сфера застосування цього ізотопу урану - виробництво плутонію-239. Плутоній утворюється в ході кількох реакцій, що починаються після захоплення атомом U-238 нейтрону. Будь-яке реакторне паливо, що містить природний або частково збагачений по 235-му ізотопу уран, після закінчення паливного циклу містить певну частку плутонію.

U-233 та U-232.
Цей ізотоп урану з періодом напіврозпаду 162 000 років не зустрічається у природі. Його можна отримати з торію-232, опроміненням нейтронами, на зразок виробництва плутонію:
Th 232 + n -> Th 233
Th 233 -> (22.2 м, бета-розпад) -> Pa 233
Pa 233 -> (27.0 днів, бета-розпад) -> U 233
Поряд з цією може протікати двостадійна побічна реакція, що увінчується утворенням U-232:
Th 232 + n -> T 231 + 2n
Th 231 -> (25.5 год, бета-розпад) -> Pa 231
Pa 231 + n -> Pa 232
Pa 232 -> (1.31 днів, бета-розпад) -> U 232
Напрацювання урану-232 у ході цієї реакції залежить від присутності у значних кількостях швидких (нетеплових) нейтронів, бо перетин першої реакції цього циклу замало для теплових швидкостей. Якщо у вихідній речовині знаходиться Th-230, то утворення U-232 доповнюється реакцією:
Th 230 + n -> Th 231
і далі, як зазначено вище.
Наявність U-232 дуже важлива через послідовність розпаду:
U 232 -> (76 років, альфа-розпад) -> Th 228
Th 228 -> (1.913 років, альфа-розпад) -> Ra 224
Ra 224 -> (3.64 днів, альфа- і гамма-розпад) -> Rn 220
Rn 220 -> (55.6 с, альфа-розпад) -> Po 216
Po 216 -> (0.155 с, альфа-розпад) -> Pb 212
P -212 -> (10.64 год, бета- і гамма-розпад) -> Bi 212
Bi 212 -> (60.6 хв, бета-і гамма-розпад) -> Po 212
альфа- і гамма-розпад) -> Tl 208
Po 212 -> (3x10 -7 с, альфа-розпад) -> Pb 208 (стабілен)
Tl 208 -> (3.06 хв, бета-і гамма-розпад) -> Pb 208
Велика кількість енергійних гамма-променів виділяється з початком швидкої послідовності розпаду Ra-224. Близько 85% усієї загальної енергії утворюється при розпаді останнього члена послідовності – танталу-208 – енергія гамма-променів до 2.6 МеВ.
Накопичення U-232 неминуче при виробництві U-233. Це аналогічно накопиченню крім Pu-239 інших ізотопів плутонію, тільки значно меншою мірою. Перша реакція циклу вимагає нейтронів з енергією щонайменше 6 МеВ. Такими енергіями має дуже невелика кількість нейтронів поділу і якщо зона відтворення торію знаходиться в такій частині реактора, де вона опромінюється помірно швидкими нейтронами (~ 500 кеВ), ця реакція може бути практично виключена. Друга реакція (з Th-230) чудово йде і з тепловими нейтронами. Звідси зниження освіти U-232 вимагає завантаження торію з мінімальною концентрацією Th-230.
Вищеописані запобіжні заходи ведуть до змісту в збройовому U-233 U-232 у кількості 5 частин на мільйон (0.0005%).
У комерційному ядерному паливному циклі зосередження U-232 не є великою вадою, навіть бажано, оскільки це знижує можливість поширення урану для збройових цілей. Для економії палива після його переробки та повторного використання рівень U-232 досягає 0.1-0.2%. У спеціально спроектованих системах цей ізотоп накопичується у концентраціях 0.5-1%.
Протягом перших кількох років після виробництва U-233, що містить U-232, Th-228 зберігається на постійному рівні, перебуваючи в рівновазі з власним розпадом. У цьому періоді фонове значення гамма-випромінювання встановлюється та стабілізується. Таким чином, перші кілька років вироблена маса U-233 може випромінювати значне гамма-випромінювання. Десятикілометрова сфера U-233 збройової чистоти (5 мільйонних часток U-232) створює фон 11 мілібер/год на відстані 1 м через 1 місяць після виробництва, 110 мілібер/год через рік, 200 мілібер/год через 2 роки. Звичайна камера з рукавичками, що використовується для збирання ядер бомб, швидко створює труднощі з безпекою для працівників. Щорічна гранична доза 5 бер перевищується вже через 25 годин роботи з таким матеріалом. Навіть свіжий U-233 (1 місяць з дня виготовлення) обмежує час збирання десятьма годинами на тиждень.
У повністю зібраній зброї рівень радіації може знижуватись поглинанням корпусом заряду. У полегшених сучасних пристроях зниження не перевищує 10 разів, створюючи проблеми з безпекою. У більш зарядах поглинання багато сильніше - в 100 - 1000 разів. Рефлектор із берилію збільшує рівень нейтронного фону:
Be 9 + гама-квант -> Be 8 + нейтрон
Гамма-промені U-232 утворюють характерну сигнатуру, їх можна виявити та відстежити пересування та наявність атомного заряду.
Вироблений за торієвим циклом спеціально денатурований U-233 (0.5 - 1.0% U-232), створює ще більшу небезпеку. Така сама 10-кілограмова сфера, як описана вище, тільки виготовлена ​​з такого матеріалу, на відстані 1 м через 1 місяць створює фон 11 бер/год, 110 бер/год через рік та 200 бер/год через 2 роки. Обробка та виготовлення такого урану йде лише у спеціальних боксах, із застосуванням механічних маніпуляторів (вони використовуються при створенні тепловиділяючих збірок для атомних станцій). Якщо спробувати зробити атомну бомбу з цієї речовини, навіть при скороченні випромінювання у 1000 разів, безпосередній контакт з таким виробом обмежується 25 годинами на рік. Таким чином, наявність помітної частки U-232 в речовині, що ділиться робить його вкрай незручним для військового застосування.
Короткий період напіврозпаду у U-232 робить його дуже активним джерелом альфа-часток. U-233 з 1% U-232 має втричі сильнішу альфа-радіоактивність, ніж збройовий плутоній і, відповідно, більшу радіотоксичність. Ця альфа-активність викликає народження нейтронів у легких елементах заряду, представляючи навіть серйознішу проблему, ніж реакція берилію з гамма-квантами. Для мінімізації цієї проблеми присутність таких елементів як берилій, бор, фтор, літій має бути якнайменшою. Наявність нейтронного фону зовсім не впливає на імплозійні системи, оскільки він все одно менший, ніж у плутонію. Для гарматних проектів необхідний рівень чистоти за легкими матеріалами – одна частина мільйона. Хоча таке очищення урану нетривіальне завдання, вона не виходить за межі стандартних хімічних методів очищення. Це демонструють хоча б можливості електронної промисловості з виготовлення кремнію навіть вищої чистоти.
U-233 має інтенсивність спонтанного поділу 0.47 поділів/с*кг. U-233 має інтенсивність спонтанного поділу 720 поділів/с*кг. Питома радіоактивність U-233 9.636 мілікюрі/г, даючи альфа-активність (і радіотоксичність) приблизно 15% плутонію. Усього 1% U-232 збільшує радіоактивність до 212 мілікюрі/р.
Незважаючи на недолік у вигляді сильної гамма-і нейтронної радіоактивності, U-233 - прекрасний матеріал, що ділиться для ядра атомної бомби. Він має меншу критичну масу, ніж U-235 і його ядерні характеристики подібні до плутонію. США проводили випробування зарядів на основі U-233 в операції Teapot у 1957 році. Індія надає великого значення U-233 як частини дослідження та виробництва зброї та офіційно включила виробництво ізотопу до своєї ядерної програми.

Збіднений уран.
Після вилучення U-235 з природного урану, матеріал, що залишився, носить назву "збіднений уран", т.к. він збіднений 235 ізотопом. У США зберігається близько 560 000 тонн збідненого гексафториду урану (UF 6) на трьох газодифузійних збагачувальних виробництвах міненергетики США: м. Пад'юка (Paducah), штат Кентуккі; у м. Портсмут (Portsmouth), Огайо; та в Ок-Ріджі (Oak Ridge), Теннессі.
Збіднений уран вдвічі менш радіоактивний, ніж природний уран, переважно з допомогою видалення з нього U-234. Через те, що основне використання урану - виробництво енергії, збіднений уран - марний продукт з низькою економічною цінністю. Знаходження шляхів використання збідненого урану є великою проблемою для збагачувальних підприємств.
В основному його використання пов'язане з великою густиною урану і відносно низькою його вартістю. Дві найважливіші сфери використання збідненого урану: використання його для радіаційного захисту (як це не дивно) і як баластна маса в аерокосмічних застосуваннях, таких як кермові поверхні літальних апаратів. У кожному літаку Боїнг-747 міститься 1500 кг збідненого урану для цього. Збіднений уран значною мірою застосовується при бурінні нафтових свердловин як ударних штанг (при канатному бурінні), його вага занурює інструмент у свердловини, наповнені буровим розчином. Ще цей матеріал застосовується у високошвидкісних роторах гіроскопів, великих маховиках, як баласт у космічних апаратах, що спускаються, і гоночних яхтах.
Але найвідоміше застосування урану - як осердя для американських бронебійних снарядів. При певному сплаві з іншими металами та термічній обробці (сплавлення з 2% Mo або 0.75% Ti, швидке загартування розігрітого до 850 °С металу у воді або маслі, подальше витримування при 450 °С 5 годин) металевий уран стає твердішим і міцнішим за сталі ( міцність на розрив >1600 МПа). У поєднанні з великою щільністю, це робить загартований уран надзвичайно ефективним для пробивання броні, аналогічним за ефективністю набагато дорожчому монокристалічному вольфраму. Процес руйнування броні супроводжується подрібненням у пил більшості урану, проникненням пилу всередину захищеного об'єкта та займанням його на повітрі з іншого боку. Близько 300 тонн збідненого урану залишилися на полі бою під час Бурі в Пустелі (переважно це залишки снарядів 30-мм гармати GAU-8 штурмових літаків A-10, кожен снаряд містить 272 г уранового сплаву).
Збіднений уран використовують у сучасної танкової броні, наприклад, танка M-1 " Абрамс " .

Захоплення нейтронів U-235 та U-238

Збагачення урану
Під час Манхеттенського проекту природний уран отримав назву "tuballoy" (скорочено "Tu") через підрозділ проекту "Tube Alloy Division", ця назва все ще іноді зустрічається щодо природного або збідненого урану. Кодове ім'я високозбагаченого урану (особливо збройного збагачення) - "oralloy" (скорочено "Oy"). Назви "Q-metal", "depletalloy", і "D-38" відносяться лише до збідненого урану.
Практично важлива сполука урану - гексафторид урану UF 6 . Це єдина стабільна і легколетюча сполука урану, що використовується при поділі його ізотопів - газової дифузії та центрифугування. У цьому аспекті його застосування важливо і те, що фтор має всього один ізотоп (це не вносить додаткової різниці в масах, що ускладнює) і те, що UF 6 - стехіометричне з'єднання (що складається в точності з 6 атомів фтору і 1 атома урану). При кімнатній температурі воно є безбарвними кристалами, а при нагріванні до 56 °С сублімується (випаровується без переходу в рідку фазу). Його температура плавлення 64 °C, щільність - 4.87 тверда та 3.86 рідка фази. Ця фториста речовина роз'їдає більшість металів та оксидів, крім алюмінію (внаслідок наявності тонкої плівки оксиду) та нікелю (завдяки утворенню плівки фториду нікелю). Більшість обладнання для роботи з гексафторидом урану виготовлена ​​з алюмінію або вкрита шаром нікелю.
Серед інших сполук варто відзначити гідрид урану UH 3 . Він вивчався у Лос-Аламосі ще у рамках Манхеттенського проекту як матеріал для атомної бомби. За теорією, присутні атоми водню повинні уповільнювати нейтрони до таких швидкостей, у яких перетин поглинання їх атомами U-235 було набагато більше. Хоча це могло б зробити бомбу менш ефективною, залишалося сподівання скорочення необхідної маси урану. Вже післявоєнні дослідження показали несподівано низьку щільність гідриду (всього 8) і невеликий реальний переріз захоплення, що зробили цю схему непрацездатною. Випробування в 1953 в операції Upshot-Knothole імплозійних бомб з ядрами з UH 3 підтвердили це, зробивши дуже незначні "бавовни".

До Другої світової війни уран вважався рідкісним металом. Зараз відомо, уран більш поширений, ніж ртуть або срібло і міститься в промислових рудах приблизно таких концентраціях, як миш'як або молібден. Його середня концентрація в земній корі приблизно 2 частини до 1 мільйона займає 48 місце за вмістом у кристалічних породах. У літосфері уран більш поширений, ніж такі недорогі речовини як цинк і бор, які у концентраціях 4 г/т. Вміст урану в гранітних породах цілком достатній, щоб радіоактивний газ радон, продукт розпаду, представляв серйозну біологічну небезпеку у місцях виходу граніту поверхню. Уран виявлений і морській воді, в концентрації 150 мкг/м 3 .
Уран входить у достатню концентрацію в 150 різних мінералів, і в невеликій кількості - ще в 50. Спочатку його знайшли в магматичних гідротермальних жилах і пегматитах, включаючи уранініт і смоляну обманку. У цих рудах уран міститься у вигляді діоксиду, який, залежно від ступеня окиснення, має середній від UO 2 до UO 2.67 . Ще руди, що мають економічне значення: аутаніт, гідраткальцієвий уранільний фосфат; тоберніт, гідратмедний уранільний фосфат; кофініт, гідратований силікат урану; карнотит, гідраткалієвий уранільний ванадат. Уранові руди є у всьому світі. Запаси та комерційні угоди виражаються в еквівалентних масах U 3 O 8 . Один кілограм U 3 O 8 коштує в середньому близько 40 $.
Родовища смоляної обманки, найбагатшої ураном руди, розташовуються головним чином Канаді, Конго і США. Більшість з урану, що видобувається в США, виробляється з одержуваного в штатах Юта, Колорадо, Нью-Мексико, Арізона, Вайомінг карнотиту. Мінерал, названий кофініт, відкритий 1955 року в Колорадо, дуже багата руда - вміст урану ~61%. Згодом кофініт знайшли у Вайомінгу та Аризоні. У 1990 року виробництво уранового концентрату США становило 3417 тонн.

Уранові руди зазвичай містять невелику кількість ураносодержащего мінералу, так що необхідні попереднє вилучення і збагачення. Фізичний поділ (гравітація, флотація, електростатика) не застосовується для урану, у справу йдуть методи гідрометалургії - вилуговування - звичайний перший крок обробки руди.
У класичному способі кислотного вилуговування руда спочатку подрібнюється і обпалюється для зневоднення, видаляються вуглецевмісні фракції, сульфатується, відновники, які можуть бути перешкодою для вилуговування окислюються. Потім суміш обробляється сірчаною та азотною кислотами. Уран переходить у сульфат ураніла, радій та інші метали в урановій смолці осідають у вигляді сульфатів. З додаванням їдкого натру уран осідає у вигляді діуранату натрію Na 2 U 2 O 7 .6H 2 O.
Класичні методи вилучення урану з руди нині поповнені такими процедурами як екстракція розчинниками, іонним обміном, випарюванням.
Під час екстракції розчинниками уранова руда видаляється з лугу від вилуговування підкисленої породи за допомогою суміші розчинників, наприклад розчину трибутилфосфату в гасі. У сучасних промислових методах як розчинники фігурують алкіл-фосфорні кислоти (наприклад, ді(2-етилгексил)-фосфорна кислота) і вторинні та третинні алкіламіни.
Як загальне правило, екстракція розчинниками вважається за краще іонообмінних методів при вмісті урану в розчині після кислотного вилуговування більше 1 грама на літр. Однак воно не застосовується для відновлення урану з карбонатних розчинів.
Уран, що задовольняє умовам збройової чистоти, зазвичай отримують з натрію діуранату через проходження додаткового очищення, використовуючи трибутилфосфатний очищувальний процес. Спочатку, Na 2 U 2 O 7 .6H 2 O розчиняють у азотній кислоті для підготовки сировинного розчину. З нього вибірково видаляється уран при розведенні розчину трибутилфосфатом з гасом або іншою вуглеводневою сумішшю. Нарешті, уран переходить із трибутилфосфату в підкислену воду виділення високоочищеного уранільного нітрату. Нітрат кальцинується в UO 3 який відновлюється у водневій атмосфері до UO 2 . UO 2 конвертується в UF 4 безводному фтористому водні (HF).
Металевий уран отримують відновленням уранових галогененідів (зазвичай тетрафториду урану) магнієм в екзотермічній реакції в "бомбі" - герметичному контейнері, зазвичай сталевому, загальна методика відома як "термітний процес". Виробництво металевого урану відновленням магнієм тетрафториду іноді називають способом Амеса (Ames), на честь університету Айови, Амеса, де хімік Ф. Х. Спеддінг (F.H. Spedding) та його група розробили цей процес у 1942 році.
Реакції "бомби" протікають при температурах, що перевищують 1300 °C. Міцний сталевий корпус необхідний, щоб витримати високий тиск усередині нього. "Бомба" заряджається гранулами UF 4 і в надлишку засипається тонко диспергованим магнієм і нагрівається до 500-700 °C, з цього моменту починається реакція, що саморозігрівається. Теплоти реакції достатньо для розплавлення начинки "бомби", що складається з металевого урану та шлаку - фториду магнію MF 2 . Цей самий шлак відокремлюється і спливе нагору. Коли "бомба" охолоджується, виходить зливок металевого урану, який, незважаючи на вміст у ньому водню, найякісніший з комерційно доступних і добре підходить для палива АЕС.
Метал виходить при відновленні оксидів урану кальцієм, алюмінієм або вуглецем при високих температурах; або електролізом KUF 5 або UF 4 розчинених у розплаві CaCl 2 і NaCl. Уран високої чистоти можна отримати термічним розкладанням галогененідів урану на поверхні тонкої нитки.

При завершенні процесу збагачення урану зазвичай у відходах залишається 0.25-0.4% U-235, так як витягувати цей ізотоп до кінця економічно невигідно (дешевше закуповувати більшу кількість сировини). У залишковий вміст U-235 в сировину після виробництва зросла з 0.2531% в 1963 до 0.30% в 70-х, через зниження вартості природного урану.

Роздільна здатність збагачувального заводу вимірюється в масі переробленої речовини (МПП) за одиницю часу, наприклад МПП-кг/рік або МПП-тон/рік. Вихід збагаченого продукту з підприємства заданої потужності так само залежить від концентрації потрібного ізотопу у вхідній породі, вихідних відходах та кінцевому продукті. Вихідний вміст корисного ізотопу зазвичай зафіксовано природним його змістом. Зате два інші параметри можуть змінюватися. Якщо зменшити рівень вилучення ізотопу з вихідної речовини, можна збільшити швидкість його виходу, але платою за це буде збільшення необхідної маси сировини. Це підпорядковується відношенню:

де P - вихід продукту, U - розділова здатність, N P , N F , N W - молярні концентрації ізотопу в кінцевому продукті, сировині та відходах. V(N P), V(N W), V(N F) роздільні потенційні функції кожної концентрації. Вони визначаються як:

Приймаючи залишкову концентрацію 0.25%, завод з продуктивністю 3100 МПП-кг/рік виробить 15 кг 90% U-235 щорічно з натурального урану. Якщо взяти як сировину тривідсотковий U-235 (паливо для АЕС) та концентрацію 0.7% у відходах виробництва, тоді достатньо потужності 886 МПП-кг/рік для того ж виходу.

Методи розподілу. Для поділу урану в той чи інший час використовувалися такі технології: