Радиоактивные элементы в основе ядерного топлива

Март 05, 2013 / Ольга Шейдина, Редактор

Запасов урана, имеющихся на Земле, с избытком хватит для того, чтобы обеспечить полностью энергией все страны мира. В данное время на земном шаре выработано примерно 84 тысячи млрд. кВт-ч. Для этого нужно сжечь около 15 млрд. тонн угля, либо 4000 тонн урана.

Радиоактивные элементы в основе ядерного топлива

Нужно ли говорить, что производство урана перевалило через данный показатель. Если в 1956 году в капиталистических странах получали закись-окиси урана около 13 тысяч тонн, то в 1959 году данная цифра увеличилась в три раза – было получено 39 тысяч тонн закись-окиси.

Уран находится практически везде. Русский ученый академик В.И. Вернадский еще в 1934 году писал, что «уран открывается всюду. Он имеется не только в породах, но и во всех минералах». Большая часть данного радиоактивного элемента содержится в рассеянном состоянии.

Тепло, которое выделяет уран при ядерном распаде, считается одним из главных источников разогрева внутренностей Земли. Свыше 42% тепла, получаемого нашей планетой в ходе ядерного распада, дает уран, практически 45% - торий, 12% - калий.

И здесь выявляется интересная вещь. Если бы все породы, составляющие Землю, до самого ее центра включали такое же количество радиоактивных элементов, как и породы, из которых состоит ее кора, то количество тепла, производимого при распаде, должно быть больше в 100 раз, чем есть сейчас. Земля бы имела абсолютно другой климат, и вряд ли на ней могла существовать жизнь. Скорее всего, она бы была раскаленным, расплавленным шаром, наподобие маленького солнца.

Раз этого не наблюдается, значит, внутренняя поверхность нашей планеты не содержит радиоактивных элементов. Ими, ураном в том числе, богата лишь земная кора. Почему это произошло – загадка, над ответом на которую сегодня бьются ученые. Возможно, радиоактивные элементы попали на Землю позднее всех других, например, при прохождении нашей планеты сквозь какое-нибудь облако пыли, из которого и сформировались ее верхние слои?.. Или во время взрыва Солнца, который произошел в незапамятные времена, наша планета была облита веществом, содержащим торий и уран?.. Или…

Впрочем, определить, когда именно образовалась твердая кора нашей планеты, можно. И в этом помогает именно содержание урана в ней.

Мы уже говорили, что уран распадается непрерывно, а итоговым продуктом данного распада является свинец. Если взять горную породу, в которой содержится уран, и вычислить, сколько его осталось в первоначальном виде и сколько преобразовалось в свинец, то можно вычислить, когда это превращение началось в данной горной породе, то есть, когда она образовалась.

Исследования дали возможность установить, что земной коре не менее 3 и не более 5 млрд. лет. Аналогичным методом вычисляют возраст земных пород, залежей полезных ископаемых, остатков органических растений и животных и по распаду других радиоактивных элементов.

Ядро атома – новое горючее

Одна из самых важных характеристик горючего – количество энергии, которое выделяется при его сжигании. В данном отношении атомному горючему нет равных.

Один килограмм самого калорийного, самого лучшего топлива, нефти, при полном сжигании выделяет 11,6 киловатт-часа энергии.

Один килограмм урана – 22900 тыс. кВт-ч энергии!

В сутки тепловая электростанция мощностью 600 тыс. кВт сжигает 5 эшелонов каменного угля. Электростанция аналогичной мощности, функционирующая на атомном горючем, в год потребует около тонны урана.

Несоизмеримые величины! Так почему же до сих пор не построены повсеместно только атомные электростанции? Почему мы все еще возимся с добычей нефти и угля, строим дорогие и громоздкие гидроэлектростанции?

Может быть, атомное горючее, вернее торий и уран, слишком редкие элементы? Ведь немного больше 20 лет назад только в немногих академических лабораториях была возможность найти среди коллекций пробирку кусочками урана сероватого цвета на дне, только немногие физики хоть раз в жизни держали непривычно тяжелые крупинки данного вещества на ладони.

Нет, уран не редкий элемент. Кора Земли состоит на 0,0005% из урана. Примерно такое же количество свинца содержится в земной коре. А разве свинец можно назвать редким металлом? Меньше всего в коре нашей планеты содержится таких металлов как серебро, висмут, платина, золото.

В 1,5 раза больше, чем урана земная кора содержит другого металла, который тоже может являться ядерным горючим, - тория – 0,0008%.

Но уран редко находится в значительных количествах. Как правило, он присутствует в качестве добавки в рудах других элементов. Даже в процессе переработки богатых урановых руд из 100 тонн руды получают только 70 кг чистого металла, а из этого только незначительная часть (около 500 г) является изотопом урана, так называемым «ураном-235», который можно сразу использовать в качестве ядерного горючего. Металлургия урана и тория чрезвычайно сложна. Руду урана измельчают, обогащают, последовательно многократно растворяют в разных химических реактивах и только потом происходит сам металлургический процесс, то есть восстановление металлического урана и получение его соединения в газообразном соединении – шестифтористого урана.

Эти процессы осложняются ядовитыми свойствами такого радиоактивного элемента, как уран. Необходимо следить внимательно за тем, чтобы ни пыль, ни пары урана не проникли в окружающую атмосферу. Огнеопасны и ядовиты некоторые растворители соединений урана, поэтому заводы по производству урана имеют сверхмощную защиту против пожаров. И все-таки, когда получен металлический слиток урана, можно говорить только о том, что еще пройдена лишь половина пути преобразования желтовато-зеленых камней земной руды в горючее, пригодное для атомных электростанций.

Металлический уран состоит из двух изотопов – урана-238 и урана-235. В первую очередь в качестве ядерного горючего используется уран-235. Его нужно выделить из общей массы урана в металлическом виде.

Химические методы, используемые для разделения веществ, в этом случае бессильны. Не существует такого растворителя, который бы мог растворить уран-238 и позволил бы отделить уран-235 в виде нерастворимого осадка. Не существует вещества, которое бы могло вступить в реакцию с ураном-235 и могло бы остаться нейтральным по отношению к урану-238. Оба изотопа урана, как и любые другие изотопы с точки зрения научной химии являются неразделимыми близнецами.

Атом одного изотопа отличается от атома другого изотопа только в одном – в их массе, да и эта разница лишь немного больше процента. Но разница эта – единственное, чем можно воспользоваться с целью разделения изотопов урана. Физикам известно множество способов разделения веществ, которые отличаются по весу. Одним из приборов, выполняющих подобное разделение, является сепаратор. В приемный бак данного устройства наливают простое молоко, а из выводного устройства отдельно вытекают желтые сливки и обезжиренная сыворотка синего цвета. Разделение было произведено внутри сепаратора центробежной силой, которая в струях молока в завихренном состоянии отделила, отжала к периферии сыворотку, которая более тяжелая, а над ней подняла легкие частицы жира.

И этот и другие методы разделения подходят к жидким, газообразным, сыпучим телам. А металлический уран – тело твердое, и перемолоть его в порошок, чтобы частицы его стали величиной в один атом, естественно, невозможно.

Поэтому разделение изотопов урана выполняют, используя не металлический уран, а в соединении его с фтором – шестифтористый уран.

В обычных условиях это тоже твердое вещество. Но оно испаряется при достаточно невысокой температуре, и тогда его можно было бы направить в центрифугу для разделения изотопов.

Но в атомной промышленности используется другой метод разделения изотопов – метод газовой диффузии. Метод применения центрифуг был бы слишком дорогим.

Это интересно ...

Последние новости и статьи:



Оставить комментарий