Уран: Химиялық элемент және қасиеттері

Кіріспе

Уран – химиялық элемент, символы U, атомдық нөмірі 92. Ол периодтық кестедегі актинидтер қатарына жататын күміс сұр металл. Уран атомында 92 протон және 92 электрон бар, оның 6-сы – валенттілік электрондары. Уран радиоактивті түрде ыдырайды, көбінесе альфа бөлшегін шығарады. Бұл ыдыраудың жартылай ыдырау периоды әртүрлі изотоптар үшін 159 200 жылдан 4,5 миллиард жылға дейін өзгереді, бұл оларды Жердің жасын анықтау үшін пайдалы етеді. Табиғи уранның ең көп таралған изотоптары – уран-238 (146 нейтроны бар және Жердегі уранның 99%-дан астамын құрайды) және уран-235 (143 нейтроны бар). Уранның атомдық салмағы барлық табиғатта кездесетін элементтердің арасында ең жоғары. Оның тығыздығы қорғасыннан шамамен 70% жоғары, ал алтын мен вольфрамнан сәл төмен. Ол топырақта, тау жыныстарында және суда аз мөлшерде, миллионнан бір бөлігідей концентрацияда кездеседі және ураннит сияқты уранды қамтитын минералдардан коммерциялық түрде өндіріледі. Уранның көптеген қазіргі қолданыстары оның ерекше ядролық қасиеттерін пайдаланады. Уран-235 – табиғи түрде кездесетін жалғыз бөлінетін изотоп, сондықтан ол ядролық электр станцияларында және ядролық қаруларда кеңінен қолданылады. Дегенмен, табиғи урандағы уран-235-тің аз мөлшеріне байланысты (көбінесе уран-238) уранды байыту қажет, осылайша жеткілікті уран-235 қамтамасыз етіледі. Уран-238 жылдам нейтрондармен бөлінеді және құнарлы, яғни оны ядролық реакторда бөлінетін плутоний-239-ға айналдыруға болады. Тағы бір бөлінетін изотоп – уран-233 табиғи торийден өндірілуі мүмкін және болашақта ядролық технологияда өнеркәсіптік қолдану үшін зерттеледі. Уран-238 жылдам нейтрондармен спонтанды түрде немесе индукциялық бөлінуге ұшырау ықтималдығы төмен; уран-235 және уран-233 (аздау дәрежеде) баяу нейтрондар үшін бөліну қимасы әлдеқайда жоғары. Бұл изотоптар жеткілікті концентрацияда тұрақты ядролық тізбекті реакцияны қамтамасыз етеді. Бұл ядролық реакторларда жылуды тудырады және ядролық қару үшін бөлінетін материалды өндіреді. Кедейленген уран (U) кинетикалық энергияны өткізгіш құралдар мен броньды қаптамаларда қолданылады. 1789 жылы Мартин Генрих Клапрот пичбленде минералында уранды ашқан, ол жаңа элементті жақында ашылған Уран планетасының құрметіне атады. Евгений Мельхиор Пелиго алғаш рет металлды бөліп алды, ал оның радиоактивті қасиеттерін 1896 жылы Анри Беккерель ашты. Отто Хан, Лиза Мейтнер, Энрико Ферми және басқалар, мысалы, 1934 жылдан бастап Ж. Роберт Оппенгеймер оны ядролық энергетика саласында отын ретінде пайдалануға және соғыста қолданылған алғашқы ядролық қару Little Boy-да қолдануға әкелді. АҚШ пен КСРО арасындағы суық соғыс кезіндегі қарулану жарысы ондаған мыңдаған ядролық қаруларды жасады, олар металл уран мен ураннан алынған плутоний-239-ды пайдаланды. Бұл қаруларды және олармен байланысты ядролық объектілерді жою әртүрлі ядролық қарусыздану бағдарламалары аясында жүзеге асырылады және миллиардтаған долларға бағаланады. Ядролық қарудан алынған қаруға жарамды уран уран-238-бен араластырылып, ядролық реакторлар үшін отын ретінде қайта қолданылады. Осы ядролық реакторларды дамыту және пайдалану жалғасуда, өйткені олар көміртегі шығарылымсыз энергияның қуатты көзі болып табылады. Пайдаланылған ядролық отын радиоактивті қалдықтарды құрайды, олар негізінен уран-238-ден тұрады және денсаулыққа және қоршаған ортаға қауіпті.

the chemical element

Uranium is a chemical element; it has symbol U and atomic number 92. It is a silvery grey metal in the actinide series of the periodic table. A uranium atom has 92 protons and 92 electrons, of which 6 are valence electrons. Uranium radioactively decays, usually by emitting an alpha particle. The half life of this decay varies between 159,200 and 4.5 billion years for different isotopes, making them useful for dating the age of the Earth. The most common isotopes in natural uranium are uranium 238 (which has 146 neutrons and accounts for over 99% of uranium on Earth) and uranium 235 (which has 143 neutrons). Uranium has the highest atomic weight of the primordially occurring elements. Its density is about 70% higher than that of lead and slightly lower than that of gold or tungsten. It occurs naturally in low concentrations of a few parts per million in soil, rock and water, and is commercially extracted from uranium bearing minerals such as uraninite. Many contemporary uses of uranium exploit its unique nuclear properties. Uranium 235 is the only naturally occurring fissile isotope, which makes it widely used in nuclear power plants and nuclear weapons. However, because of the low abundance of uranium 235 in natural uranium (which is, overwhelmingly, mostly uranium 238), uranium needs to undergo enrichment so that enough uranium 235 is present. Uranium 238 is fissionable by fast neutrons and is fertile, meaning it can be transmuted to fissile plutonium 239 in a nuclear reactor. Another fissile isotope, uranium 233, can be produced from natural thorium and is studied for future industrial use in nuclear technology. Uranium 238 has a small probability for spontaneous fission or even induced fission with fast neutrons; uranium 235, and to a lesser degree uranium 233, have a much higher fission cross section for slow neutrons. In sufficient concentration, these isotopes maintain a sustained nuclear chain reaction. This generates the heat in nuclear power reactors and produces the fissile material for nuclear weapons. Depleted uranium (U) is used in kinetic energy penetrators and armor plating. The 1789 discovery of uranium in the mineral pitchblende is credited to Martin Heinrich Klaproth, who named the new element after the recently discovered planet Uranus. Eugène Melchior Péligot was the first person to isolate the metal, and its radioactive properties were discovered in 1896 by Henri Becquerel. Research by Otto Hahn, Lise Meitner, Enrico Fermi and others, such as J. Robert Oppenheimer starting in 1934 led to its use as a fuel in the nuclear power industry and in Little Boy, the first nuclear weapon used in war. An ensuing arms race during the Cold War between the United States and the Soviet Union produced tens of thousands of nuclear weapons that used uranium metal and uranium derived plutonium 239. Dismantling of these weapons and related nuclear facilities is carried out within various nuclear disarmament programs and costs billions of dollars. Weapon grade uranium obtained from nuclear weapons is diluted with uranium 238 and reused as fuel for nuclear reactors. The development and deployment of these nuclear reactors continue globally as they are powerful sources of CO free energy. Spent nuclear fuel forms radioactive waste, which mostly consists of uranium 238 and poses a significant health threat and environmental impact.

Азаматтық

Уранды азаматтық секторда негізінен ядролық электр станцияларына отын ретінде пайдаланады. Теориялық тұрғыдан алғанда, 1 кг 235 уранның толық бөлінуі болғанда, 20 тераджоуль энергия (2 джоуль) шығарады; 1,5 миллион килограмм (1500 тонна) көмірге тең энергия. Коммерциялық атом электр станциялары әдетте 3%-ға жуық уран-235 байытылған отынды пайдаланады. CANDU және Magnox конструкциялары байытылмаған уран отынын пайдалана алатын жалғыз коммерциялық реакторлар болып табылады. АҚШ Әскери-теңіз күштерінің реакторларында қолданылатын отын әдетте уран-235-пен жоғары байытылған (нақты мәндері құпия). Көбейтуші реакторда уран-238 келесі реакция арқылы плутоний-239-ға айналуы мүмкін:

Мари Кюридің уран кенінен (пичбленде) радийді ашуы және оқшаулауы радийді алу үшін уран өндіруді дамытуға ықпал етті, ол сағаттар мен ұшақтардың циферблаттарында жарқырау үшін қолданылды. Бұл уранның үлкен мөлшерін қалдық ретінде қалдырды, өйткені бір грамм радийді алу үшін үш тонна уран қажет болды. Бұл қалдық өнім шыны жасау өнеркәсібінде пайдаланылды, сондықтан уран глазурьдары өте арзан және көп болды. Төңкеріштерден басқа, уран плиткаларының глазурьдары негізгі бөлігін құрады, оның ішінде жасыл, сары, қызғылт, қара, көк, қызыл және басқа да түстерде шығарылатын әдеттегі ванна және ас үй плиткалары бар. Уран фотохимиялық заттарда (әсіресе уран нитраты тонер ретінде), тіс протездерінің сыртқы түрін жақсарту үшін, сондай-ақ былғары және ағаш өнеркәсібінде бояулар мен дақтар үшін қолданылды. Уран тұздары жібек пен жүн үшін бекіткіштер болып табылады. Уранил ацетаты мен уранил форматы электрондық микроскопияда биологиялық үлгілердің контрастын арттыру үшін, сондай-ақ вирустардың, оқшауланған жасуша органеллаларының және макромолекулалардың теріс бояуында электрондық тығыз "белгілер" ретінде қолданылады. Уранның радиоактивтілігін ашу, элементтің қосымша ғылыми және практикалық қолданылуына жол ашты. Уран-238-дің ұзақ жартылай ыдырау периоды (4,47 жыл) оны ең ерте магмалық тау жыныстарының жасын анықтау және радиометриялық жас анықтаудың басқа түрлері үшін, соның ішінде уран-торийлік, уран-қорғасындық және уран-урандық жас анықтау үшін өте қолайлы етеді. Уран металлы жоғары энергиялы рентген сәулелерін жасауда рентген нысаналары ретінде қолданылады.

Ашылу

Элементті неміс химигі Мартин Генрих Клапрот ашқан. 1789 жылы Берлиндегі тәжірибелік зертханасында жұмыс істеп жатқанда, Клапрот пичбленді азот қышқылында ерітіп, содан кейін натрий гидроксидімен ерітіндіні бейтараптандыру арқылы сары түсті қоспаны (вероятно, натрий диуранаты) шөккізуге қол жеткізді. Клапрот бұл сары зат әлі ашылмаған элементтің оксиді деп есептеді және оны қара ұнтақ алу үшін көмірмен қыздырды, бұл жаңадан ашқан металл деп ойлады (іс жүзінде, бұл ұнтақ уранның оксиді еді). Ол жаңа ашқан элементті Уран планетасының құрметіне атады (бұл планета алғашқы грек аспан құдайының атымен аталған), ол Уильям Гершельмен сегіз жыл бұрын ашылған болатын. 1841 жылы Париждегі Ұлттық консерваториясының (Көркем өнер және өндіріс орталық мектебі) аналитикалық химия профессоры Эжен Мелхиор Пелиго уран тетрахлоридін калиймен қыздырып, уран металл үлгісін алғаш рет бөліп алды. Анри Беккерель 1896 жылы уранды пайдалану арқылы радиоактивтілікті ашты. Бұл Манхэттен жобасы мен Суық соғысқа дейін уранға ядролық бөліну зерттеулері мен қару жасау саласында үлкен сұраныс тудырды.

Бөліну зерттеулері

1934 жылы Энрико Ферми басқарыған топ уранды нейтрондармен бомбалау нәтижесінде бета-сәулелер (элементтердің құрамында пайда болатын электрондар немесе позитрондар; бета бөлшегін қараңыз) шығаратынын анықтады. Бөліну өнімдері бастапқыда 93 және 94 атомдық нөмірлері бар жаңа элементтер деп қате түсінілді, ал Римдегі Сапиенца университетінің деканы Орсо Марио Корбино оларды сәйкесінше аузений және геспериум деп атады. Уранның жеңіл элементтерге бөлінуі (үзілуі) және байланысу энергиясын босату қабілетін ашуға әкелген тәжірибелерді Отто Хан мен Фриц Страссманн Берлиндегі Ханның зертханасында жүргізді. Лиза Мейтнер және оның жүйесі, физик Отто Роберт Фриш 1939 жылдың ақпан айында физикалық түсіндірмені жариялады және бұл процеске «ядролық бөліну» деп ат қойды. Содан кейін Ферми уранның бөлінуі бөліну реакциясын жалғастыру үшін жеткілікті нейтрондарды босатады деген гипотеза ұсынды. Бұл гипотеза 1939 жылы расталды, ал кейінгі зерттеулерде уран-235 әр бөлінуінен орташа есеппен 2,5 нейтрон шығарылатыны анықталды. Ферми Альфред О.К. Ниерге уран изотоптарын бөліп, бөлінуге қабілетті компонентті анықтауды ұсынды, ал 1940 жылдың 29 ақпанында Ниер Миннесота университетінде өзі құрастырған құралды пайдаланып, Тейт зертханасында әлемдегі алғашқы уран-235 үлгісін бөліп алды. Колумбия университетінің циклотронын қолданып, Джон Даннинг 1 наурызда алынған үлгінің бөлінуге қабілетті материал екенін растады. Тағы да жүргізілген зерттеулер уран-238 изотопын плутонийге айналдыруға болатынын көрсетті, ол уран-235 сияқты термиялық нейтрондармен де бөлінеді. Осы жаңалықтар көптеген елдерді ядролық қару мен ядролық энергияны әзірлеуге итермеледі. Германияда ядролық бөліну ашылғанына қарамастан, Германияның соғыс кезіндегі «Уран клубы» (Uranverein) жобасы, ядролық энергияны және/немесе қаруды зерттеуге бағытталған, шектеулі ресурстармен, ішкі кикіреулермен, саланың бірнеше көрнекті ғалымдарының елден шығарылуымен немесе қатыспауымен және қолда бар графит үлгілеріндегі қоспаларды ескермеу сияқты бірнеше маңызды қателіктерге тап болды, бұл оны шын мәнінде нейтрондық тежегіш ретінде тиімсіз көрсетті. Германияның табиғи уран/ауыр су реакторын құруға жасаған тырысыстары, американдықтар соңғы неміс реактор эксперименті болған Хайгерлохқа жеткен кезде, маңыздылық деңгейіне жетпеді. 1942 жылдың 2 желтоқсанында Манхэттен жобасының аясында Энрико Ферми басқарыған тағы бір команда алғашқы жасанды, өздігінен жалғасатын ядролық тізбекті реакцияны, Чикаго Пайлы 1-ді (Chicago Pile 1) іске қоса алды. Байытылған уран-235 пайдалану жоспары жеткілікті мөлшерде қолжетімді болмағандықтан тоқтатылды. Чикаго университетінің Стагг-Филд трибунасының астындағы зертханада жұмыс істеп, команда 360 тонна графит, 53 тонна уран оксиді және 5,5 тонна уран металлын жинап, мұндай реакция үшін қажетті жағдайларды жасады, оның көп бөлігі Westinghouse Lamp Plant-та жасалған.

A team led by Enrico Fermi in 1934 found that bombarding uranium with neutrons produces beta rays (electrons or positrons from the elements produced; see beta particle). The fission products were at first mistaken for new elements with atomic numbers 93 and 94, which the Dean of the Sapienza University of Rome, Orso Mario Corbino, named ausenium and hesperium, respectively. The experiments leading to the discovery of uranium's ability to fission (break apart) into lighter elements and release binding energy were conducted by Otto Hahn and Fritz Strassmann in Hahn's laboratory in Berlin. Lise Meitner and her nephew, physicist Otto Robert Frisch, published the physical explanation in February 1939 and named the process "nuclear fission". Soon after, Fermi hypothesized that fission of uranium might release enough neutrons to sustain a fission reaction. Confirmation of this hypothesis came in 1939, and later work found that on average about 2.5 neutrons are released by each fission of uranium 235. Fermi urged Alfred O. C. Nier to separate uranium isotopes for determination of the fissile component, and on 29 February 1940, Nier used an instrument he built at the University of Minnesota to separate the world's first uranium 235 sample in the Tate Laboratory. Using Columbia University's cyclotron, John Dunning confirmed the sample to be the isolated fissile material on 1 March. Further work found that the far more common uranium 238 isotope can be transmuted into plutonium, which, like uranium 235, is also fissile by thermal neutrons. These discoveries led numerous countries to begin working on the development of nuclear weapons and nuclear power. Despite fission having been discovered in Germany, the Uranverein ("uranium club") Germany's wartime project to research nuclear power and/or weapons was hampered by limited resources, infighting, the exile or non involvement of several prominent scientists in the field and several crucial mistakes such as failing to account for impurities in available graphite samples which made it appear less suitable as a neutron moderator than it is in reality. Germany's attempts to build a natural uranium / heavy water reactor had not come close to reaching criticality by the time the Americans reached Haigerloch, the site of the last German wartime reactor experiment. On 2 December 1942, as part of the Manhattan Project, another team led by Enrico Fermi was able to initiate the first artificial self sustained nuclear chain reaction, Chicago Pile 1. An initial plan using enriched uranium 235 was abandoned as it was as yet unavailable in sufficient quantities. Working in a lab below the stands of Stagg Field at the University of Chicago, the team created the conditions needed for such a reaction by piling together 360 tonnes of graphite, 53 tonnes of uranium oxide, and 5.5 tonnes of uranium metal, most of which was supplied by Westinghouse Lamp Plant in a makeshift production process.

Ядролық қару-жарақ

Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде АҚШ екі типті атом бомбасын жасады: уранға негізделген құрылғы (кодтық атауы "Кішкентай бала"), оның бөлінетін материалы жоғары тазартылған уран, және плутонийге негізделген құрылғы (Тринити сынағы мен "Жұқа жібек" қараңыз), оның плутонийі уран-238-ден алынған. "Кішкентай бала" 1945 жылғы 6 тамызда Хиросимада жарылғанда соғыста қолданылған алғашқы ядролық қару болды. 12 500 тонна тротилге тең қуатпен жарылған бомбаның жарылысы мен жылу толқыны шамамен 50 000 ғимаратты қиратты және 75 000-ге жуық адамды қаза қылды (Хиросима мен Нагасакидегі атомдық бомбалауды қараңыз). Алғашқыда уранның салыстырмалы түрде сирек екеніне және барлық белгілі уран қорын сатып алып, ядролық қару таралуына тосқау қоюға болатынына сенді, бірақ он жыл ішінде оның ірі кен орындары әлемнің көптеген аймақтарында табылды.

Реакторлар

Теннесси штатының Оук Ридж қаласындағы Оук Ридж ұлттық зертханасындағы (ORNL) X 10 графит реакторы, бұрын Клинтон үймесі және X 10 үймесі деп аталатын, әлемдегі екінші жасанды ядролық реактор (Энрико Фермидің Чикаго үймесінен кейін) және үздіксіз жұмыс істеу үшін жобаланған және салынған алғашқы реактор болды. Аргонн ұлттық зертханасының I эксперименталды көбейткіш реакторы, Атом энергиясы комиссиясының Аракко, Айдахо қаласына жақын орналасқан Ұлттық реакторды сынау станциясында орналасқан, 1951 жылғы 20 желтоқсанда электр энергиясын өндірген алғашқы ядролық реактор болды. Бастапқыда реактор төрт 150 ваттты шамды жарықтандырды, бірақ жақсартулар оған бүкіл кешенді қуаттандыруға мүмкіндік берді (кейіннен Арко қаласы әлемде бірінші болып ядролық энергиядан алынған барлық электр қуатын пайдаланды. Әлемдегі алғашқы коммерциялық масштабтағы ядролық электр станциясы, КСРО-дағы Обнинск, 1954 жылғы 27 маусымда AM 1 реакторымен энергия өндіруді бастады. Басқа да ерте атом электр станциялары – Англиядағы Кальдер Холл, ол 1956 жылғы 17 қазанда энергия өндіруді бастады, және Пенсильваниядағы Шиппингпорт атом электр станциясы, ол 1958 жылғы 26 мамырда жұмысын бастады. Ядролық энергия алғаш рет 1954 жылы USS Nautilus су асты кемесінің қозғалтқышы ретінде қолданылды.

Тарихиға дейінгі табиғи бөліну

1972 жылы француз физигі Фрэнсис Перрин Африканың Габон еліндегі Окло кенішінде үш бөлек кен орнында он бес көне және қазірде белсенді емес табиғи ядролық бөліну реакторларын тапты, олар жиынтығында Оклоның қазба реакторлары деп аталады. Кен орны 1,7 миллиард жыл бұрын пайда болған, сол кезде уран-235 Жердегі уранның шамамен 3% құраған. Бұл, егер басқа да қажетті жағдайлар орындалса, тізбекті реакцияны ұстап тұруға жеткілікті деңгейде. Айналасындағы шөгінділердің денсаулыққа зиян келтіретін ядролық қалдықтарды сіңіру қабілеті АҚШ федералдық үкіметі тарапынан Юкка тауы ядролық қалдықтар қоймасында қолданылған ядролық отынды сақтаудың мүмкіндігін растайтын дәлел ретінде келтірілді. Сонымен қатар, бірнеше ядролық апаттардың салдарынан да қосымша радиоактивті ластанулар болды. Уран кеншілерінде қатерлі ісікке шалдығу ықтималдығы жоғары. Мысалы, Навахо тайпасының уран кеншілері арасында өкпе қатерлі ісігіне шалдығу қаупі артып, бұл олардың кәсібімен байланысты екені анықталды. АҚШ-та 1990 жылы қабылданған «Радиациялық әсерге өтемақы туралы» заңда, қатерлі ісік немесе тыныс алу мүшелерінің басқа да ауруларымен ауырған уран кеншілеріне 100 000 АҚШ доллары көлемінде «иесіміздің кеңшілігінен» төлем жасау көзделген. Кеңес Одағы мен АҚШ арасындағы суық соғыс кезеңінде уранның үлкен қоры жиналды және байытылған уран мен ураннан алынған плутонийді пайдалана отырып, ондаған мыңдаған ядролық қарулар жасалды. 1991 жылы Кеңес Одағының ыдырауынан кейін, Ресей Федерациясы мен бірқатар бұрынғы Кеңес мемлекеттеріндегі көбінесе тиісті қорғаусыз нысандарда 600 тоннаға жуық (540 метрикалық тонна) жоғары байытылған қару-жараққа жарамды уран (40 000 ядролық оқ-дәрі жасауға жететін көлем) сақталған. 2000 жылға қарай оның көлемі айтарлықтай азайды. 2015 жылдың қарашасында Ресей үкіметі 2016-2030 жылдарға арналған ядролық және радиациялық қауіпсіздік федералдық бағдарламасын, 562 миллиард рубльдік (шамамен 8 миллиард АҚШ доллары) бюджетпен бекітті. Бағдарламаның негізгі мәселесі – «ядролық өнеркәсіптің 70 жылдық тарихында, әсіресе Кеңес Одағы кезеңінде жинақталған ұзақ мерзімді міндеттемелер». Бюджеттің шамамен 73% ескірген және қолданыстан шыққан ядролық реакторларды және ядролық объектілерді, әсіресе мемлекеттік қорғаныс бағдарламаларына қатыстыларын жабуға жұмсалады; 20% ядролық отынды және радиоактивті қалдықтарды өңдеуге және жоюға, ал 5% ядролық және радиациялық қауіпсіздікті бақылауға және қамтамасыз етуге бағытталатын болады.

In 1972, French physicist Francis Perrin discovered fifteen ancient and no longer active natural nuclear fission reactors in three separate ore deposits at the Oklo mine in Gabon, Africa, collectively known as the Oklo Fossil Reactors. The ore deposit is 1.7 billion years old; then, uranium 235 constituted about 3% of uranium on Earth. This is high enough to permit a sustained chain reaction, if other supporting conditions exist. The capacity of the surrounding sediment to contain the health threatening nuclear waste products has been cited by the U. S. federal government as supporting evidence for the feasibility to store spent nuclear fuel at the Yucca Mountain nuclear waste repository. Additional fallout and pollution occurred from several nuclear accidents. Uranium miners have a higher incidence of cancer. An excess risk of lung cancer among Navajo uranium miners, for example, has been documented and linked to their occupation. The Radiation Exposure Compensation Act, a 1990 law in the US, required $100,000 in "compassion payments" to uranium miners diagnosed with cancer or other respiratory ailments. During the Cold War between the Soviet Union and the United States, huge stockpiles of uranium were amassed and tens of thousands of nuclear weapons were created using enriched uranium and plutonium made from uranium. After the break up of the Soviet Union in 1991, an estimated 600 short tons (540 metric tons) of highly enriched weapons grade uranium (enough to make 40,000 nuclear warheads) had been stored in often inadequately guarded facilities in the Russian Federation and several other former Soviet states. saw a strong decline around 2000. In November 2015, the Russian government approved a federal program for nuclear and radiation safety for 2016 to 2030 with a budget of 562 billion rubles (ca. 8 billion USD). Its key issue is "the deferred liabilities accumulated during the 70 years of the nuclear industry, particularly during the time of the Soviet Union". About 73% of the budget will be spent on decommissioning aged and obsolete nuclear reactors and nuclear facilities, especially those involved in state defense programs; 20% will go in processing and disposal of nuclear fuel and radioactive waste, and 5% into monitoring and ensuring of nuclear and radiation safety.

Пайда болуы

Уран – барлық тау жыныстарында, топырақта және суда аз мөлшерде кездесетін табиғи элемент. Уран Жер бетінде табиғи түрде маңызды көлемде кездесетін ең жоғары атомдық санды элемент және ол көбінесе басқа элементтермен бірігіп табылады. Уран Жердің сыртқы ядросын сұйық күйде ұстап, мантия конвекциясын қозғайды, ал ол өз кезегінде тектоникалық плиталардың қозғалысын қамтамасыз етеді. Уранның Жер қыртысындағы концентрациясы (атап көрсетілген мәліметтерге байланысты) миллионға 2-4 бөлік, яғни күмістен 40 есе көп. Теңіз суындағы концентрациясы миллиардқа 3 бөлікке тең. Уран антимон, қалайы, кадмий, сынап немесе күмістен гөрі көп, ал мырыш және молибденмен шамалас. Бастапқы торий мен уран тек r-процесінде ғана түзіледі, себебі s-процесі (баяу нейтронды сіңіру) тым баяу және висмуттан кейінгі тұрақсыздық кезеңіннен өте алмайды. Екі бастапқы уран изотопынан – U және U-дан басқа, r-процесі U-дың да маңызды мөлшерін өндірді, ол жартылай ыдырау мерзімі қысқарақ және қазірде жойылған радионуклид, өте ұзақ уақыттан бері Th-ға толық ыдырап кеткен. Сонымен қатар, Pu-дың ыдырауы нәтижесінде уран-236 пайда болды, бұл торийдің күтілгеннен жоғары, ал уранның күтілгеннен төмен мөлшерде болуын түсіндіреді. Уранның табиғи мөлшері жойылған Pu (жартылай ыдырау мерзімі 375 000 жыл) және Cm (жартылай ыдырау мерзімі 16 миллион жыл) ыдырауының нәтижесінде толықтырылды, бұл U және U-ны құрады. Алайда, бұл процестердің нәтижесі шамалы болды, себебі бұл элементтердің жартылай ыдырау мерзімі қысқа және олардың торийдің бастапқы элементтерінен – U және Pu-дан өндірілу деңгейі төмен болды: Күн жүйесінің қалыптасу кезінде Cm/U қатынасы 7.0e 5 құрады.

Биотикалық және абиотикалық

Кейбір бактериялар, мысалы, Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens және Burkholderia fungorum кейбір штаммдары, өсу үшін уранды пайдаланады және U(VI) U(IV) түріне айналдырады. Жақындағы зерттеулер бұл жолдың ерігіш U(VI) аралық U(V) пентавалентті күйі арқылы тотығуын қамтиды деп болжайды. Басқа организмдер, мысалы, Trapelia involuta лишайкасы немесе Citrobacter бактериясы сияқты микроорганизмдер, қоршаған ортадағы уранның 300 есеге дейін концентрациясын сіңіре алады. Citrobacter түрлері глицерол фосфатын (немесе басқа ұқсас органикалық фосфаттарды) алғанда уранил иондарын сіңіреді. Бір күннен кейін бір грамм бактериялар тоғыз грамм уранил фосфат кристалдарымен қапталады, бұл осы организмдерді уранмен ластанған суды тазарту үшін биоремедиацияда пайдалану мүмкіндігін тудырады. Протеобактерия Geobacterдің жер асты суларындағы уранды биоремедиациялайтыны да көрсетілген. Микоризалық саңырауқұлақ Glomus intraradices өз симбиоздық өсімдігінің тамырларында уран мөлшерін арттырады. Табиғатта уран(VI) сілтілік pH-де жоғары ерігіш карбонат кешендерін құрайды. Бұл ядролық қалдықтардан уранның жер асты сулары мен топыраққа өтуіне және оның жылжу белсенділігіне әкеледі, бұл денсаулыққа қауіп төндіреді. Дегенмен, сілтілік pH-де артық карбонаттың болуында уранды фосфат түрінде тұндыру қиын. Sphingomonas sp. BSAR 1 штаммы жоғары белсенділікті сілтілік фосфатазаны (PhoK) экспрессиялейтіні анықталды, ол сілтілік ерітінділерден уранил фосфаты түрінде уранды биопреципитация үшін қолданылды. PhoK протеинінің E. coli-де экспрессиялануын арттыру тұндыру қабілетін жақсартты. Өсімдіктер топырақтан уранның бір бөлігін сіңіреді. Өсімдіктердегі уранның құрғақ салмақ концентрациясы миллиардқа 5-тен 60 бөлікке дейін, ал күйген ағаштан алынған күлде миллионға 4 бөлікке дейін болуы мүмкін. Тағамдық өсімдіктердегі уранның құрғақ салмақ концентрациясы әдетте төмен, адамдар тамақ арқылы тәулігіне бір-екі микрограммға дейін сіңіреді.

Some bacteria, such as Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens and some strains of Burkholderia fungorum, use uranium for their growth and convert U(VI) to U(IV). Recent research suggests that this pathway includes reduction of the soluble U(VI) via an intermediate U(V) pentavalent state. Other organisms, such as the lichen Trapelia involuta or microorganisms such as the bacterium Citrobacter, can absorb concentrations of uranium that are up to 300 times the level of their environment. Citrobacter species absorb uranyl ions when given glycerol phosphate (or other similar organic phosphates). After one day, one gram of bacteria can encrust themselves with nine grams of uranyl phosphate crystals; this creates the possibility that these organisms could be used in bioremediation to decontaminate uranium polluted water. The proteobacterium Geobacter has also been shown to bioremediate uranium in ground water. The mycorrhizal fungus Glomus intraradices increases uranium content in the roots of its symbiotic plant. In nature, uranium(VI) forms highly soluble carbonate complexes at alkaline pH. This leads to an increase in mobility and availability of uranium to groundwater and soil from nuclear wastes which leads to health hazards. However, it is difficult to precipitate uranium as phosphate in the presence of excess carbonate at alkaline pH. A Sphingomonas sp. strain BSAR 1 has been found to express a high activity alkaline phosphatase (PhoK) that has been applied for bioprecipitation of uranium as uranyl phosphate species from alkaline solutions. The precipitation ability was enhanced by overexpressing PhoK protein in E. coli. Plants absorb some uranium from soil. Dry weight concentrations of uranium in plants range from 5 to 60 parts per billion, and ash from burnt wood can have concentrations up to 4 parts per million. Dry weight concentrations of uranium in food plants are typically lower with one to two micrograms per day ingested through the food people eat.

Ресурстар мен резервтер

Болады деген болжам бойынша, 1 кг уранға 130 АҚШ долларынан экономикалық тұрғыдан тиімді кендерде 6,1 млн тонна уран бар, ал әлемдегі ең ірі уран кен орны Оңтүстік Австралиядағы Олимпиадалық бөгет кенішінде орналасқан. Орталық Африка Республикасындағы Мбому префектурасының Бакума кіші ауданында уранның маңызды қоры бар. Уранның бір бөлігі бұрынғы ядролық қаруларды бөлшектеуден де алынады. Мысалы, 1993–2013 жылдары Ресей «Мегатоннан мегаваттқа» бағдарламасы аясында АҚШ-қа 15 000 тонна төмен байытылған уранды жеткізді. Сонымен қатар, 4,6 млрд тонна уран теңіз суында еріген деп есептеледі (жапон ғалымдары 1980 жылдары ион алмастырғыштарды пайдаланып теңіз суынан уранды алу техникалық жағынан мүмкін екенін көрсетті). Теңіз суынан уранды алу тәжірибелері жүргізілді, бірақ судағы карбонаттың болуына байланысты алынған өнім аз болды. 2012 жылы ORNL зерттеушілері Тынық мұхитының солтүстік-батыс ұлттық зертханасының зерттеушілері растаған нәтижелерге сәйкес, қатты немесе газ молекулаларын, атомдарын немесе иондарын беткейде ұстап тұратын және судан зиянды металдарды тиімді түрде кетіретін HiCap деп аталған жаңа сіңіруші материалды сәтті жасағандарын хабарлады.

Жабдықтар

2005 жылы әлемдегі уран тотықтарының басым бөлігі он елде шоғырланды: Канада (27,9%), Австралия (22,8%), Қазақстан (10,5%), Ресей (8,0%), Намибия (7,5%), Нигер (7,4%), Өзбекстан (5,5%), АҚШ (2,5%), Аргентина (2,1%) және Украина (1,9%). 2008 жылы Қазақстан өндірісті ұлғайтып, 2009 жылға қарай әлемдегі ең ірі уран жеткізушісіне айналуы күтілді; Қазақстан 2010 жылдан бері әлемдік уран нарығында басымдық танытуда. 2021 жылы оның үлесі 45,1% құрады, одан кейін Намибия (11,9%), Канада (9,7%), Австралия (8,7%), Өзбекстан (7,2%), Нигер (4,7%), Ресей (5,5%), Қытай (3,9%), Үндістан (1,3%), Украина (0,9%) және Оңтүстік Африка (0,8%) келеді, әлемдік жалпы өндіріс 48 332 тоннаны құрады. 1960 жылдардың соңында БҰҰ геологтары Сомалиде уранның ірі кен орындарын және басқа да сирек кездесетін минералдық қорларды ашты. Бұл жағдай осы сияқты ең ірі кен орыны болды, сарапшылардың пікірінше, кен орнындағы уранның 800 000 тонналық әлемдік қорының 25% астам бөлігі бар. Күтілетіндей, бұл қор кеміндегі 85 жылға жетеді, бірақ кейбір зерттеулер ХХ ғасырдың соңындағы инвестициялардың жеткіліксіздігі ХХІ ғасырда жеткізілім мәселелерін тудыруы мүмкін екенін көрсетеді. Уран кен орындары логарифмдік түрде таралған сияқты. Кеннің сапасы он есе төмендеген сайын, өндірілетін уран мөлшері 300 есеге артады. Яғни, жоғары сапалы кен аз, ал төмен сапалы кенге қатысты көбірек қол жеткізуге болады.

Қозғалтқыштың әсері және алдын алу шаралары

Бүйрек, ми, бауыр, жүрек және басқа да жүйелердің қалыпты жұмыс істеуі уранға ұшырау салдарынан бұзылуы мүмкін, себебі уран әлсіз радиоактивті болумен қатар, улы металл болып табылады. Уран репродуктивтік токсин да болып саналады. Радиологиялық әсерлер көбінесе жергілікті болады, өйткені U ыдырауының негізгі түрі – альфа-сәулесінің өте қысқа таралу қашықтығы бар және ол теріге енбейді. Тыныспен ішке тартылған ураннан шығатын альфа-сәулесінің әсерінен ядролық саласындағы жұмысшылардың өкпесінде қатерлі ісік пайда болатыны дәлелденген. АҚДМ (CDC) жариялаған зерттеулерде табиғи немесе қысқартылған уранға ұшырау нәтижесінде адамдарда қатерлі ісіктердің пайда болмағаны көрсетілсе де, уранның және оның ыдырау өнімдерінің, әсіресе радонның әсері адам денсаулығына қауіпті. Стронций-90, йод-131 және басқа да ыдырау өнімдеріне ұшырау уранға ұшыраумен байланысты емес, бірақ медициналық процедуралар немесе қолданылған реактор отынынан немесе ядролық қарудан түскен радиоактивтік жауын-шашыннан туындауы мүмкін. Уран гексафторидінің жоғары концентрациясына кездейсоқ ұшырау салдарынан адам өліміне келгенімен, бұл өлімдер уранның өзіне емес, өте улы фторсутек қышқылы мен уран фторидінің түзілуіне байланысты болды. Ұсақ дисперсті уран металлы өрт қаупін тудырады, себебі уран пирофорлы, яғни бөлме температурасында ауадағы ұсақ бөлшектері өздігінен тұтанады. Уран концентраты адамдардың оны жұтып қоймауы үшін тиісті сақталады және қадағаланады.