Основные области применения урана

Использование урана в технике

Краткое содержание раздела

Основные области применения урана.

Развитие ЯЭ. Достигнутый уровень и перспективы. Оценка необходимого для этих целей количества урана.

Запасы урана и уранодобывающая промышленность. Уровень производства урановых концентратов. Тенденции и конъюнктура развития производства и потребления урана.

Основные этапы (переделы) в технологии получения соединений, металла, сплавов урана, изготовления тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) и тепловыделяющих сборок (ТВС).

Уран относится к радиоактивным элементам и области его применения в значительной степени определяются изотопным составом. Природный уран состоит из трёх изотопов:

U-238 - содержание 99,2739-99,2836 %; период полураспада 4,46-4,51 млрд. лет,

U-235 - содержание 0,7202-0,7204 %; период полураспада 704-710 млн. лет,

U-234 - содержание 0,0055-0,0057 %; период полураспада 245-247 тыс. лет.

Удельная радиоактивность природного урана составляет 0,67 микрокюри/г (разделяется практически пополам между U-234 и U-238, U-235 вносит маленький вклад). Природный уран достаточно радиоактивен для засвечивания фотопластинки за время около часа.

Ещё в древнейшие времена (I-й век до нашей эры) природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики. Осколки керамики с желтой глазурью (содержащие более 1% оксида урана) находили среди развалин Помпеи и Геркуланума. Появление уранового стекла оценивается, по крайней мере, 79 г н.э., которым датируют мозаику, найденную на римской вилле на мысе Посиллипо в Неаполитанском заливе (Италия) в 1912 году и содержащей жёлтое стекло с содержанием оксида урана около 1% (см. Дополнительные материалы к разделу 3). Начиная с конца средних веков настуран (уранит) начал добываться из серебряных рудников Габсбургов вблизи города Яхимов в Богемии (в настоящее время Яхимов, Чехия) и был использован как краситель в местном стекольном производстве.

В современной истории первым применением технологически произведённых соединений урана также было приготовление окрашенных (главным образом красных, оранжевых и коричневых) глазурей для керамических изделий, а также изготовление уранового стекла, имеющего жёлто-зелёную окраску и способного флуоресцировать под действием солнечного или ультрафиолетового света.

Изделия из уранового стекла (справа при облучении УФ светом).

Широкое производство изделий из уранового стекла было начато в Европе в 20-30-е годы XIX века и продолжалось до 50-х годов ХХ века. Богемский мастер Джозеф Ридль разработал способ варки стекла новых оттенков — желтого и зеленого, причем такое таинственное свечение давал им урановый краситель. Ридль занимался производством изделий из уранового стекла с 1830 по 1848 г. В 1830-е годы новомодное урановое стекло начали выпускать и в России на Гусевском заводе. Для урановых стёкол рекомендуются кальциевые, цинковые, бариевые составы предпочтительно с высоким содержанием калия и бора, это обеспечивает более интенсивную флуоресценцию стекла. Свинцовые стёкла не дают флуоресценцию, потому что поглощают ультрафиолетовые лучи. Для урановых стекол без флуоресценции могут быть применены и свинцовые составы стёкол, например в ювелирных изделиях для имитации топаза — такие стекла имеют жёлтый цвет, сравнимый с топазами. Содержание урана должно быть сравнительно большим, так как красящая способность урана в стеклянных составах невелика. Содержание урана колеблется от 0,3…1,5 % UO₃ до 4…6 % UO₃. Однако, при более высоком введении оксида урана флуоресценция стекла постепенно слабеет. Уран вводят в шихту в виде оксидов (UO₂, U₃O₈ или UO₃), ураната натрия (Na₂UO₄ или Na₂U₂O₇) или нитрата уранила.

В настоящее время незначительное количество уранового стекла и изделий из него производится в Чехии. Также уран вводится в некоторые сорта оптических стёкол, например боро-силикатное оптическое стекло жёлтое ЖС19, содержащее 1,37% UO₃, или цинк-фосфатное оптическое стекло зелёное ЗС7, содержащее 2,8% UO₃.

Наибольшее применение в современной технологии имеет изотоп урана ²³⁵U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Выделение изотопа U²³⁵ из природного урана - сложная технологическая проблема. Степень обогащения по U-235 в ядерном топливе для АЭС колеблется в пределах 2-4.5%, для оружейного использования - минимум 80%, а более предпочтительно 90%. В США уран-235 оружейного качества обогащен до 93.5%; промышленность способна выдавать 97.65% - уран такого качества используется в реакторах для военно-морского флота. В 1998 году изотопное отделение Оак-Риджской Национальной лаборатории (ORNL) поставляло 93% U-235 по цене 53$/г.

Изотоп U²³⁸ способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порожденные термоядерной реакцией). Термоядерные боезаряды часто содержат слой обеднённого урана, окружающий основной термоядерный заряд. Этот слой изначально служит реакционной массой, позволяющей достичь более сильного сжатия при детонации и более полного возникновения термоядерной реакции. Высокий поток высокоэнергетичных нейтронов, образующийся в результате термоядерной реакции приводит к делению U-238, что повышает мощность боезаряда. Такое оружие относят к типу оружия, работающего по схеме «деление-синтез-деление», представляющей три последовательные этапа взрыва. Энергия, выделяющаяся при завершающем делении обеднённого урана, составляет значительную долю общей мощности термоядерного устройства. Например, 77% от 10,4 мегатонн мощности термоядерного взрыва Айви Майк в 1952 г. происходило от деления обеднённого урана. Поскольку обеднённый уран не имеет критической массы, его можно добавлять к термоядерному заряду практически в неограниченном количестве. Мощность, выделившаяся при испытании «царь бомбы» в СССР в 1961 г. составила «только» 50 мегатонн (90% которой происходило от самой термоядерной реакции) потому что на финальной стадии сборки обеднённый уран заменили свинцом. При использовании обеднённого урана мощность взрыва составила бы 100 мегатонн.

Важная область применения этого изотопа урана - производство плутония-239. В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом ²³⁸U может превращаться в ²³⁹Pu, который затем используется как ядерное топливо. Любое реакторное топливо, содержащее природный или частично обогащенный по 235-му изотопу уран, после окончания топливного цикла содержит в себе определенную долю плутония.

После извлечения U-235 из природного урана, оставшийся материал носит название "обедненный уран", т.к. он обеднен 235-ым изотопом. В США хранится около 560 тыс. т. обедненного гексафторида урана (UF₆), в России – около 700 тыс. т.

Обедненный уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счет удаления из него U-234. Из-за того, что основное использование урана - производство энергии, обедненный уран является бесполезным продуктом с низкой экономическое ценностью. Нахождение путей использования обедненного урана представляет собой большую проблему для обогатительных предприятий.

В основном его использование связано с большой плотностью урана и относительно низкой его стоимостью. Две важнейшие сферы использования обедненного урана: использование его для радиационной защиты (как это не странно) и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолете Боинг-747, выпущенном до середины 1980-х годов, содержится 400-1500 кг обедненного урана для этих целей. Проблема, связанная с использованием урана в гражданских самолётах, состоит в том, что в случае аварии уран сгорает при пожаре и попадает в окружающую среду в виде оксида. При столкновении двух Боингов-747 в аэропорту Тенериф в 1977 при пожаре сгорело 3000 кг урана. Другой известный случай аварии такого рода, приведшей к попаданию крана в окружающую среду, - это катастрофа в 1992 г. в Амстердаме. В настоящее время Боинг и МакДоннелл-Дуглас не используют урановые противовесы в гражданских самолётах.

Обедненный уран в значительной степени применяется при бурении нефтяных скважин в виде ударных штанг (при канатном бурении), его вес погружает инструмент в скважины, наполненные буровым раствором. Еще этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах. Несколько неожиданным применением является использование урана в гоночных автомобилях Формулы 1. Согласно правилам, минимальный вес автомобиля должен составлять 600 кг, но конструкторы изначально пытаются уменьшить массу насколько это возможно, а затем доводят её до 600 кг, размещая балласты из обеднённого урана и добиваясь при этом наилучшей балансировки.

Но самое известное применение обеднённого урана - в качестве сердечников для бронебойных снарядов (подкалиберные снаряды с супертяжелым сердечником). При определенном сплаве с другими металлами и термической обработке (сплавление с 2% Mo или 0,75-3,5% Ti, быстрая закалка разогретого до 850 °С металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450 °С 5 часов) металлический уран становиться тверже и прочнее стали (прочность на разрыв > 1600 МПа). В сочетании с большой плотностью, это делает закаленный уран чрезвычайно эффективным для пробивания брони, аналогичным по эффективности значительно более дорогому монокристаллическому вольфраму. Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль большинства урана, проникновением пыли внутрь защищенного объекта и воспламенением ее на воздухе с другой стороны. Около 300 тонн обедненного урана остались на поле боя во время Бури в Пустыне (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолетов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава). Армия США использует уран в снарядах для танковых пушек калибра 120 или 105 мм (М1 Абрамс и М60А3) и калибра 25-мм пушки М242, смонтированной на М2 Брэдли и LAV-AT. Пули с урановыми сердечниками (калибра 20, 25 и 30 мм) используются морской пехотой, ВВС и ВМФ США. Российская (советская) армия использует обеднённый уран в снарядах для танковых пушек с конца 1970-х, главным образом для 115-мм пушки танка Т-62 и 125-мм пушки танков Т-64, Т-72, Т-80 и Т-90. Снаряды для танковых пушек и орудий флота, содержащие обеднённый уран, также используются армиями Великобритании, Израиля, Франции, Китая, Пакистана и т.д. Всего подобные вооружения производятся в 18 странах.

По причине высокой плотности обедненный уран также используется в современной танковой броне (в виде «сэндвича» между двумя листами броневой стали), например, танков M-1 "Абрамс" (модификации M1A1HA и M1A2), построенных после 1998 г.

В настоящее время ведутся разработки по замене свинца обеднённым ураном при производстве противовесов для лифтов и подъёмных кранов.

Дата добавления: 2014-01-07