После долгих химических изысканий Клапрот смог получить массу с вкраплениями крошечных зерен металла. Этот новый элемент был назван ученым ураном (uranium) в честь планеты, открытой незадолго до этого события английским астрономом Гершелем. Сам Клапрот так объяснил название элемента: «Ранее признавалось существование лишь семи планет, соответствовавших семи металлам, которые и обозначались знаками планет. В связи с этим целесообразно, следуя традиции, назвать новый металл именем вновь открытой планеты. Слово уран происходит от греч. “ουρανóς” (небо) и, таким образом, может означать “небесный металл”».
Название «урановая смолка» тоже было введено в обиход с легкой руки немецкого химика, который стал так называть «смоляную обманку».
Хотя Клапрот внес огромный вклад в процесс изучения свойств и характеристик урана, некоторые из его выводов были впоследствии опровергнуты.
Так, в 1840 г., спустя 50 лет после открытия урана, французский химик Эжен-Мельхиор Пелиго сумел доказать, что полученное Клапротом вещество является не чистым ураном, а лишь его окислом UO2. Именно Пелиго сумел первым получить уран в качестве самостоятельного металла.
Из-за весьма небольших объемов добычи урана ученые того времени не могли проводить более обстоятельные исследования. В связи с этим на протяжении почти 100 лет после открытия этого элемента никакой новой информации о нем не появлялось. В небольших количествах уран использовался для создания красок и при фотосъемке, другого практического применения он не находил.
Следующей вехой в истории изучения урана стали исследования русского ученого Дмитрия Ивановича Менделеева, который в 1874 г. поместил уран на 92-ю клетку своей периодической системы и предположил, что атомный вес данного элемента не 120, как считалось ранее, а в два раза больше, т. е. 240. В 1896 г. немецкий химик Иоганн Циммерман опытным путем подтвердил гипотезу русского ученого.
Менделеев позже признавался: «Для меня лично уран весьма знаменателен уже потому, что играл выдающуюся роль в утверждении периодического закона, так как перемена его атомного веса вызвана была признанием закона и оправдана действительностью, а для меня (вместе с атомными весами Ce и Be) служила пробным камнем общности периодического закона».
Дальнейшая история исследования урана тесно переплетается с открытием радиоактивности. В 1885 г. немецкий физик Вильгельм Рентген обнародовал свои исследования проникающего излучения, Х-лучей. Долгие научные диспуты привели научное сообщество к вопросу опытного изучения процесса возникновения «рентгеновских» лучей в процессе фосфоресценции вообще. В 1896 г. этой темой занялся французский физик Антуан-Анри Беккерель, в семье которого изучение фосфоресценции уже стало традицией.
Свои эксперименты Беккерель начал с кристаллов уранилсульфата калия. Ученый обернул фотопластину черной бумагой и положил сверху тонкие кристаллы минерала. Предположив, что Х-лучи могут быть задержаны металлом, физик поместил между кристаллами и бумагой металлическое кольцо, очертания которого действительно четко проявились на фотопластине по окончании опыта.
После долгих исследований Беккерель сделал вывод о том, что между фосфоресценцией и проникающим излучением не существует никакой связи, а Х-лучи являются следствием наличия в минерале урана. Так была открыта радиоактивность. Вскоре Беккерель сделал еще одно открытие, касавшееся интенсивности излучения: оно тем выше, чем больше атомов урана в веществе. Но из этого правила возникло одно исключение – урановая смоляная руда, излучение от которой превышало излучение от чистого урана (его удалось получить французскому химику Анри Муассану в это же время). На основе этого исключения Пьером и Марией Кюри были открыты продукты распада урана – полоний и радий.
Дальнейшее изучение урана шло все более быстрыми темпами. В 1899 г. английский физик Эрнест Резерфорд делает вывод о неоднородности излучения урановых фракций. Им были открыты альфа- и бета-лучи. А в мае 1900 г. французский физик Поль Вийар говорит об еще одном излучении – гамма-лучах.
В том же году английский ученый Уильям Крукс обнаруживает, что существуют разновидности урана, и получает первый изотоп – «уран-Х», а затем и другие – «уран-I» и «уран-II».
В начале XX в. ученые ищут практическое применение накопленным знаниям об уране. В 1907 г. Резерфорд исследует возможность определения возраста геологических пород, базируясь на теории радиоактивности урана и тория. В 1913 г. Фредерик Содди, английский радиохимик, обобщил данные об открытых ранее разновидностях урана и ввел понятие «изотоп».
В 1932 г. англичанин Джеймс Чедвик сделал открытие, которое потрясло научное сообщество и дало новый толчок к изучению свойств урана. Он обнаружил новую элементарную частицу, которая была названа нейтроном. В 1934 г. американский физик Энрико Ферми начинает опыты по бомбардировке различных химический элементов нейтронами, что привело к появлению в уране новых радиоактивных веществ.
За этими опытами последовали жаркие научные диспуты: были ли открыты новые трансурановые элементы или бомбардировка нейтронами привела к расщеплению ядра урана на изотопы известных уже элементов? Споры не прекращались в течение четырех лет, пока в 1938 г. немецкие ученые Отто Ганн и Фриц Штрассман не установили, что продуктами бомбардировки урана нейтронами являются элементы со свойствами бария и лантана.
Объяснение этому феномену было дано учеными Лизе Майтнер и Отто Фришем в номере английского журнала Nature от 16 января 1939 г., где описывалось деление ядра и приводился расчет выделяемой при этом энергии.
Это событие стало первой ступенью в изучении цепных реакций, происходящих с использованием урана.
Гипотеза о расщеплении ядер урана была подтверждена в лабораториях многих стран. Было доказано, что ядерная реакция может поддерживаться сама собой, поскольку расщепление урана происходит с высвобождением дополнительных нейтронов.
Одновременно с этим информация о проводимых опытах становится засекреченной и ученые разных стран перестают обмениваться своими наработками.
Неоценимый вклад в изучение цепных реакций внесли советские ученые. В 1939–1940 гг. Ю. Б. Харитон, Я. Б. Зельдович, К. А. Петржак и Г. Н. Флеров обнаружили, что процесс деления ядер урана может стать непрерывным, если обогатить элементарный уран его изотопом 235U. Практический смысл этого открытия был подтвержден физиками Чикагского университета, которые под руководством Э. Ферми сконструировали первый ядерный реактор СР-1.
Исследование и создание ядерных реакторов в СССР проводились под руководством академика И. В. Курчатова. 25 декабря 1946 г. был пущен первый советский реактор Ф-1. Он послужил основой для создания более мощных установок. 27 июня 1954 г. в городе Обнинске Калужской области была пущена первая в мире атомная электростанция мощностью 5 МВт.
В настоящее время изучение урана направлено на более эффективное мирное применение внутриатомной энергии, на оптимизацию методов извлечения урана и другие вопросы, носящие прикладной характер. Но кто знает, какие еще тайны хранит в себе этот элемент, перевернувший в XX в. законы физики и заставивший человека по-новому взглянуть на законы природы.
Природный уран в мировом ядерном топливном цикле (ЯТЦ). Военное и гражданское применение урана
Основным потребителем природного урана является атомная энергетика, обеспечивающая в настоящее время около 14 % мировых потребностей в электроэнергии. По состоянию на ноябрь 2012 г., по данным МАГАТЭ, в мире эксплуатировалось 437 энергетических реакторов в 30 странах общей установленной мощностью около 372 ГВт. На стадии строительства на тот период находилось 64 реактора.
В атомной энергетике добыча природного урана и производство уранового концентрата (U3O8) является первым этапом современного ядерного топливного цикла (см. рис. 1).
Топливный цикл атомной энергетики условно можно разделить на три стадии.
Начальная стадия ЯТЦ (Front-End) охватывает операции от добычи урановой руды до поставки изготовленных тепловыделяющих сборок на площадку АЭС.
Добыча урановой руды осуществляется преимущественно открытым, подземным способами или методом подземного выщелачивания (более подробно см. разделы 1.3 и 1.4). Добытое минеральное сырье подвергают обогащению на гидрометаллургических заводах (ГМЗ). После переработки урановой руды на ГМЗ получается урановый концентрат в форме закиси-окиси природного урана (U3O8), который в дальнейшем поступает на конверсию и изотопное обогащение.
Концентрат природного урана переводится на конверсионном заводе в гексафторид урана (UF6), который является наиболее подходящей формой для дальнейшего изотопного обогащения. UF6 сублимируется (переходит из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу) при температуре 53 °C.
Обогащение урана – производственный процесс, в ходе которого в уране повышается концентрация делящегося изотопа 235U. Природный уран содержит два вида изотопов – 238U, концентрация которого в природном уране составляет свыше 99 %, и 235U с концентрацией около 0,711 %. Большинство современных энергетических реакторов работает на урановом топливе, в котором концентрация изотопа 235U составляет от 3 до 5 %.
В процессе обогащения концентрация 235U доводится до уровня, требующегося для определенного типа реакторов. Обогащение урана осуществляется путем разделения изотопов 235U и 238U.
Единицей измерения работы по обогащению урана является ЕРР – единица работы разделения. Она имеет физическую размерность массы, поэтому иногда употребляют обозначения кгЕРР или тЕРР.
В настоящее время в мире эксплуатируются в промышленном масштабе две технологии разделения изотопов урана: газодиффузионная и газоцентрифужная. Центрифужный метод – разделение изотопов урана с помощью газовых центрифуг – является наиболее распространенной технологией, обеспечивающей значительные технические и экономические преимущества по сравнению с энергозатратной газовой диффузией. Согласно прогнозам Всемирной ядерной ассоциации (ВЯА), центрифужная технология в будущем займет доминирующее положение (см. табл. 1). В дальнейшем возможно опережающее развитие перспективной лазерной технологии изотопного обогащения урана, реализуемой в США консорциумом General Electric – Hitachi Global Laser Enrichment LLC.
25 сентября 2012 г. Комиссия по ядерному регулированию США (NRC) выдала компании General Electric – Hitachi Global Laser Enrichment LLC (GLE) лицензию на строительство и эксплуатацию завода по изотопному обогащению урана в Уилмингтоне, штат Северная Каролина, на основе лазерной технологии. Лицензия дает разрешение на обогащение урана до 8 % по изотопу 235U. Полученный низкообогащенный уран будет использоваться при изготовлении ядерного топлива для АЭС. GLE планирует создание нового промышленного производства на площадке действующего завода по фабрикации топлива компании Global Nuclear Fuel – America.
На заводе будет применена технология, разработанная австралийской Silex Systems Ltd., исключительные права на которую принадлежат GLE. Начало производства планируется на 2014 г. с выходом на проектную мощность к 2020 г. Отработка технико-экономических параметров промышленного производства на базе лазерной технологии обогащения началась на площадке в Уилмингтоне в июле 2009 г.
23 ноября 2012 г. Silex Systems Ltd. сообщила о том, что GLE обсуждает с Министерством энергетики США возможность строительства второго завода по обогащению урана на основе лазерной технологии. Предприятие предполагается разместить на площадке газодиффузионного завода в Падуке, штат Кентукки.
Обогащенный по изотопу 235U гексафторид урана (UF6) поступает на завод по производству ядерного топлива для изготовления порошка диоксида урана (UO2), из которого, в свою очередь, изготавливаются топливные таблетки для начинки тепловыделяющих элементов. Тепловыделяющие элементы (твэлы) формируют тепловыделяющую сборку (ТВС), или кассету.
Тепловыделяющие сборки являются составной частью активной зоны ядерного реактора и предназначены для генерирования тепловой энергии. Конструкция ТВС отличается для различных типов реакторов, но в общем виде ТВС состоит из несущей структуры (каркаса), с одной стороны которой расположена головка, с другой – хвостовик, и включает в себя тепловыделяющие элементы (твэлы), собранные в пучки. Твэлы располагаются в пучках с равномерным шагом, который обеспечивают дистанционирующие решетки. Твэл представляет собой герметичную тонкостенную трубу из циркониевого сплава с приваренными на концах заглушками, снаряженную цилиндрическими спеченными топливными таблетками из обогащенного диоксида урана.
Вторая стадия ЯТЦ – использование ядерного топлива в реакторе для выработки электроэнергии, включая временное хранение отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) на площадке АЭС.
ТВС доставляются на электростанции в специальных контейнерах, предотвращающих возникновение цепной реакции. Далее они размещаются в активной зоне ядерного реактора. С помощью источника нейтронов реактор запускается. Твэлы вырабатывают энергию, избыточные нейтроны поглощаются специальными графитовыми стержнями.
Одна треть или четверть твэлов ежегодно выгружается из реактора, на их место ставятся новые твэлы. ОЯТ перегружается в приреакторное хранилище – наполненный водой бассейн, где оно хранится в течение нескольких лет до снижения радиоактивности до определенного уровня. Вода охлаждает отработавшее топливо и служит надежной защитой от радиации. После нескольких лет охлаждения в приреакторном бассейне сборки транспортируются либо в специальное хранилище для длительного хранения, либо на перерабатывающий завод для переработки и регенерации.
Заключительная стадия ЯТЦ (Back-End) предполагает несколько операций: от отправки отработавшего топлива на захоронение (открытый ЯТЦ) или на завод по переработке ОЯТ (замкнутый ЯТЦ) до захоронения высокоактивных остеклованных отходов переработки.
Переработка ОЯТ и регенерация урана осуществляются на радиохимических заводах, где облученные и охлажденные твэлы освобождаются от оболочки и израсходованные топливные таблетки помещаются в ванну с азотной кислотой. Таблетки растворяются в кислоте, после чего получившийся раствор вводится в противоточную экстрактивную систему.
Обычно в первом цикле выделения около 99 % продуктов распада деления удаляются. В дальнейшем идет обработка оставшегося вещества – очищение и разделение плутония и урана. Конечными продуктами второй стадии обычно являются UO2 и РuО2, которые могут быть повторно использованы.
Оставшиеся после регенерации урана и плутония небольшие по объему высокоактивные отходы (менее 3 % от массы урана в свежем ядерном топливе) подлежат кондиционированию – специальной обработке (цементирование, остекловывание, трансмутация) и захоронению в специализированных могильниках.
Кондиционированные высокоактивные отходы и отработавшее топливо, не подлежащее дальнейшей переработке, перевозятся в централизованное хранилище и захораниваются. Такие хранилища (могильники) являются специализированными высокотехнологичными предприятиями, на них принимаются все необходимые меры для максимально безопасного хранения в течение длительного времени (сотни и тысячи лет).