방사성 우라늄 235 92. 원자 무기. 원자력의 장점과 단점

우란-235(영문 우라늄-235), 역사적 명칭 악티누라늄(위도 액틴 우라늄, 기호로 표시됨) AcU)는 원자 번호 92, 질량 번호 235인 화학 원소 우라늄의 방사성 핵종입니다. 자연에서 우라늄-235의 동위원소 존재비는 0.7200(51)%입니다. 악티늄 계열이라고 불리는 방사성 4n+3 계열의 창시자입니다. 1935년 Arthur Jeffrey Dempster가 발견했습니다.

다른 우라늄 238U의 가장 일반적인 동위원소와 달리 235U에서는 자립적인 핵 연쇄 반응이 가능합니다. 따라서 이 동위원소는 원자로와 핵무기의 연료로 사용됩니다.

이 핵종 1g의 활동도는 약 80kBq입니다.

1 형성과 붕괴
2 강제분할

2.1 핵연쇄반응

3 이성질체

4 적용

5 또한 참조하십시오

6개의 메모

형성과 붕괴

우라늄-235는 다음과 같은 붕괴의 결과로 형성됩니다.

β− 핵종 235Pa의 붕괴(반감기는 24.44(11)분):

핵종 235Np에 의해 수행된 K-포획(반감기는 396.1(12)일):

핵종 239Pu의 α-붕괴(반감기는 2.411(3)·104년):

우라늄-235의 붕괴는 다음과 같은 방향으로 일어난다.

231Th의 α-붕괴(100% 확률, 붕괴 에너지 4,678.3(7) keV):

자연분열(확률 7(2)·10−9%);
핵종 20Ne, 25Ne 및 28Mg의 형성에 따른 클러스터 붕괴(확률은 각각 8(4)·10−10%, 8·10−10%, 8·10−10%입니다):

강제분할

주요 기사: 핵분열다양한 핵분열 중성자 에너지에 대한 우라늄-235 핵분열 생성물 수율 곡선.

1930년대 초. 엔리코 페르미(Enrico Fermi)는 초우라늄 원소를 얻기 위해 우라늄에 중성자를 조사했습니다. 그러나 1939년에 O. Hahn과 F. Strassmann은 중성자가 우라늄 핵에 흡수될 때 강제 핵분열 반응이 일어난다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 일반적으로 핵은 두 개의 조각으로 분할되고 2-3개의 중성자가 방출됩니다(다이어그램 참조).

우라늄-235의 핵분열 생성물에서는 Z=30(아연)부터 Z=64(가돌리늄)까지 다양한 원소의 동위원소 약 300개가 발견되었습니다. 질량수가 느린 중성자와 함께 우라늄-235를 조사하는 동안 형성된 동위원소의 상대 수율 곡선은 대칭이며 모양이 문자 "M"과 유사합니다. 이 곡선의 두 개의 뚜렷한 최대값은 질량수 95와 134에 해당하고 최소값은 110에서 125까지의 질량수 범위에서 발생합니다. 따라서 우라늄이 동일한 질량의 조각(질량수 115-119)으로 분열하는 일이 발생합니다. 비대칭 핵분열보다 확률이 낮습니다. 이러한 경향은 모든 핵분열성 동위원소에서 관찰되며 핵이나 입자의 개별 특성과 관련이 없지만 핵분열 메커니즘 자체에 내재되어 있습니다. 그러나 핵분열성 핵의 여기 에너지가 증가함에 따라 비대칭성은 감소하고 중성자 에너지가 100MeV를 초과하면 핵분열 파편의 질량 분포는 핵의 대칭 핵분열에 해당하는 최대값을 갖습니다.

중성자 흡수 후 우라늄-235의 강제 핵분열 옵션 중 하나(도표)

우라늄 핵이 분열하는 동안 형성된 파편은 방사성이며 일련의 β-붕괴를 거치며, 이 과정에서 장기간에 걸쳐 추가 에너지가 점차적으로 방출됩니다. 평균 에너지파편의 붕괴를 고려하면 하나의 우라늄-235 핵이 붕괴하는 동안 방출되는 는 대략 202.5 MeV = 3.244·10−11 J 또는 19.54 TJ/mol = 83.14 TJ/kg입니다.

핵분열은 중성자와 핵이 상호 작용하는 동안 가능한 많은 과정 중 하나일 뿐이며 모든 원자로 작동의 기초가 되는 과정입니다.

핵연쇄반응

주요 기사: 핵연쇄반응

하나의 235U 핵이 붕괴하는 동안 일반적으로 1~8개(평균 2.5개)의 자유 중성자가 방출됩니다. 235U 핵이 붕괴하는 동안 생성된 각 중성자는 다른 235U 핵과 상호작용하여 새로운 붕괴를 일으킬 수 있으며, 이 현상을 핵분열의 연쇄 반응이라고 합니다.

가정적으로, 2세대 중성자의 수(핵 붕괴의 두 번째 단계 이후)는 3² = 9를 초과할 수 있습니다. 핵분열 반응의 각 후속 단계에서 생성되는 중성자의 수는 눈사태처럼 증가할 수 있습니다. 실제 조건에서 자유 중성자는 새로운 핵분열 사건을 생성하지 않을 수 있으며, 235U를 포착하기 전에 샘플을 떠나거나 235U 동위원소 자체에 의해 포착되어 236U로 변환되거나 다른 물질(예: 238U 또는 결과 조각)에 의해 포착될 수 있습니다. 149Sm 또는 135Xe와 같은 핵분열의 경우).

평균적으로 각 핵분열 행위가 또 다른 새로운 핵분열 행위를 생성한다면 그 반응은 자립적이 됩니다. 이 상태를 치명적이라고 합니다. (중성자 곱셈 인자 참조)

실제 조건에서 우라늄의 임계 상태를 달성하는 것은 여러 가지 요인이 반응 과정에 영향을 미치기 때문에 쉽지 않습니다. 예를 들어, 천연 우라늄은 0.72%의 235U로만 구성되어 있으며, 99.2745%는 238U로, 235U 핵이 분열할 때 생성되는 중성자를 흡수합니다. 이는 천연 우라늄의 핵분열 연쇄 반응이 현재 매우 빠르게 붕괴된다는 사실로 이어집니다. 연속 핵분열 연쇄 반응은 여러 가지 주요 방법으로 수행될 수 있습니다.

샘플의 양을 늘리십시오(광석에서 분리된 우라늄의 경우 다음을 달성할 수 있음). 임계 질량볼륨 증가로 인해);
시료 중 235U의 농도를 높여 동위원소 분리를 수행합니다.
다양한 유형의 반사경을 사용하여 시료 표면을 통한 자유 중성자의 손실을 줄입니다.
열중성자 농도를 높이기 위해 중성자 감속재 물질을 사용합니다.

이성질체

유일하게 알려진 이성질체는 다음 특성을 지닌 235Um입니다.

과잉 질량: 40,920.6(1.8) keV
여기 에너지: 76.5(4) eV
반감기: 26분
핵 스핀 및 패리티: 1/2+

이성질체 상태의 분해는 바닥 상태로의 이성질체 전이를 통해 발생합니다.

애플리케이션

우라늄-235는 제어된 핵분열 연쇄반응을 수행하는 원자로의 연료로 사용됩니다.
고농축 우라늄은 핵무기를 만드는 데 사용됩니다. 이 경우 통제되지 않은 핵연쇄반응을 이용해 대량의 에너지를 방출(폭발)한다.

또한보십시오

우라늄 동위원소
동위원소 분리

노트

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Uran-235 정보

우란-235
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Uran-235 정보 영상

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우라늄-235 무엇, 우라늄-235 누구, 우라늄-235 설명

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우라늄은 방사성 금속이다. 자연에서 우라늄은 우라늄-238, 우라늄-235, 우라늄-234의 세 가지 동위원소로 구성됩니다. 가장 높은 수준의 안정성은 우라늄-238에 기록됩니다.

특성가치

일반 정보
이름, 기호	우라늄-238, 238U
대체 이름	우라늄 1, UI
중성자	146
양성자	92
핵종 특성
원자 질량	238.0507882(20) 가. 먹다.
과잉 질량	47 308.9(19)keV
비결합 에너지(핵자당)	7 570.120(8) keV
동위원소 풍부도	99,2745(106) %
반감기	4.468(3) 109년
분해산물	234번째, 238Pu
모 동위원소	238Pa(β-) 242Pu(α)
핵의 스핀과 패리티	0+
부패 채널	에너지 붕괴
α 붕괴	4.2697(29) MeV
SF
ββ	1.1442(12) MeV

우라늄의 방사성 붕괴

방사성 붕괴는 구성이나 내부 구조의 급격한 변화 과정입니다. 원자핵, 불안정성을 특징으로 합니다. 이 경우 기본 입자, 감마선 및/또는 핵 파편이 방출됩니다. 방사성 물질에는 방사성 핵이 포함되어 있습니다. 방사성 붕괴로 인한 딸핵도 방사성으로 변할 수 있으며 일정 시간이 지나면 붕괴됩니다. 이 과정은 방사능이 없는 안정된 핵이 형성될 때까지 계속됩니다. E. Rutherford는 1899년에 우라늄 염이 세 가지 유형의 광선을 방출한다는 것을 실험적으로 증명했습니다.

α선 - 양으로 하전된 입자의 흐름
베타선 - 음으로 하전된 입자의 흐름
γ선 - 자기장에 편차를 일으키지 않습니다.

방사선의 종류 핵종 반감기

Ο	우라늄 - 238U	44억 7천만년
α ↓
Ο	토륨 - 234 목	24.1일
β ↓
Ο	프로트악티늄 - 234 Pa	1분 17초
β ↓
Ο	우라늄 - 234U	245,000년
α ↓
Ο	토륨 – 230Th	8000년
α ↓
Ο	라듐 – 226Ra	1600년
α ↓
Ο	폴로늄 - 218 Po	3분 05초
α ↓
Ο	납 - 214Pb	26.8분
β ↓
Ο	비스무트 - 214 Bi	19.7분
β ↓
Ο	폴로늄 - 214 Po	0.000161초
α ↓
Ο	납 - 210Pb	22.3년
β ↓
Ο	비스무트 - 210 Bi	5.01일
β ↓
Ο	폴로늄 - 210 Po	138.4일
α ↓
Ο	납 - 206Pb	안정적인

우라늄의 방사능

자연 방사능은 방사성 우라늄을 다른 원소와 구별하는 요소입니다. 우라늄 원자는 어떤 요인이나 조건에 관계없이 점차 변합니다.

우라늄(원소)

이 경우 보이지 않는 광선이 방출됩니다. 우라늄 원자에서 변형이 발생한 후 다른 방사성 원소가 얻어지고 이 과정이 반복됩니다. 그는 비방사성 원소를 얻기 위해 필요한 만큼 반복할 것입니다. 예를 들어 일부 변환 체인에는 최대 14단계가 있습니다. 이 경우 중간 원소는 라듐이고 마지막 단계는 납의 형성입니다. 이 금속은 방사성 원소가 아니므로 일련의 변환이 중단됩니다. 그러나 우라늄이 완전히 납으로 변하는 데는 수십억 년이 걸립니다.
방사성 우라늄 광석은 우라늄 원료 채굴 및 가공과 관련된 기업에서 종종 중독을 유발합니다. 인체에서 우라늄은 일반적인 세포 독입니다. 주로 신장에 영향을 미치지만 간과 위장관에도 영향을 미칩니다.
우라늄에는 완전히 안정한 동위원소가 없습니다. 우라늄-238의 수명이 가장 길다. 우라늄-238의 반붕괴는 44억년에 걸쳐 일어난다. 10억년이 조금 넘는 시간 동안 우라늄-235의 반붕괴가 일어나는데, 이는 7억년입니다. 우라늄-238은 천연 우라늄 전체 부피의 99% 이상을 차지합니다. 엄청난 반감기로 인해 이 금속의 방사능은 높지 않습니다. 예를 들어 알파 입자는 인간 피부의 각질층을 통과할 수 없습니다. 일련의 연구 끝에 과학자들은 방사선의 주요 원인이 우라늄 자체가 아니라 우라늄이 생성하는 라돈 가스와 호흡 중에 인체에 들어가는 붕괴 생성물이라는 사실을 발견했습니다.

방사성 우라늄, 방사능, 방사성 붕괴

동위원소 및 우라늄 생산

천연 우라늄은 세 가지 동위원소의 혼합물로 구성됩니다: 238U - 99.2739%(반감기 티 1/2 = 4.468×109년), 235U - 0.7024%( 티 1/2 = 7.038×108년) 및 234U - 0.0057%( 티 1/2 = 2.455×105년). 후자의 동위원소는 일차가 아니지만 방사성이며 방사성 238U 시리즈의 일부입니다.

천연 우라늄의 방사능은 주로 동위원소 238U와 234U에 기인하며, 평형 상태에서는 이들의 특정 활동이 동일합니다. 천연 우라늄의 235U 동위원소의 비활성도는 238U의 활성도보다 21배 낮습니다.

질량수가 227부터 240까지인 인공 우라늄 동위원소는 11개 알려져 있습니다. 그 중 가장 오래 사는 것은 233U입니다. 티 1/2 = 1.62×105년)은 토륨 중성자를 조사하여 얻어지며 열 중성자에 의해 자발적으로 분열할 수 있습니다.

우라늄 동위원소 238U와 235U는 두 방사성 계열의 조상입니다. 이 시리즈의 마지막 요소는 납 동위원소 206Pb 및 207Pb입니다.

안에 자연 조건가장 일반적인 동위원소는 234U:235U:238U = 0.0054:0.711:99.283입니다. 천연 우라늄 방사능의 절반은 동위원소 234U에 기인합니다. 234U 동위원소는 238U의 붕괴로 인해 형성됩니다. 마지막 두 개는 다른 동위원소 쌍과 달리 우라늄의 높은 이동 능력에 관계없이 U238/U235 = 137.88 비율의 지리적 불변성을 특징으로 합니다. 이 비율의 크기는 우라늄의 나이에 따라 달라집니다. 수많은 현장 측정 결과 약간의 변동이 나타났습니다. 따라서 롤에서 표준에 대한 이 비율의 값은 0.9959 - 1.0042, 염분 - 0.996 - 1.005 범위 내에서 다양합니다. 우라늄 함유 광물(피치 피치, 우라늄 블랙, 시르톨라이트, 희토류 광석)에서 이 비율의 값은 137.30에서 138.51 사이입니다. 더욱이 UIV와 UVI 형식의 차이점은 확립되지 않았습니다. 스피네에서 - 138.4. 일부 운석에서는 235U 동위원소 결핍이 발견되었습니다. 지상 조건에서 가장 낮은 농도는 1972년 프랑스 연구원 Bujigues에 의해 아프리카 오클로 마을(가봉 매장지)에서 발견되었습니다. 따라서 일반 우라늄에는 0.7025%의 우라늄 235U가 포함되어 있지만 Oklo에는 0.557%로 감소되어 있습니다. 이는 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스의 조지 W. 웨더릴(George W. Wetherill)과 시카고 대학교의 마크 G. 잉그람(Mark G. Inghram), 이 대학교의 화학자인 폴 K. 쿠로다(Paul K. Kuroda)가 예측한 자연 원자로가 동위원소 연소를 일으킨다는 가설을 확증했다. 1956년에 그 과정을 설명한 아칸소의 또한 Okelobondo, Bangombe 등 동일한 지역에서 천연 원자로가 발견되었습니다. 현재 약 17 개의 천연 원자로가 알려져 있습니다.

영수증

우라늄 생산의 첫 번째 단계는 농축입니다. 바위는 부서지고 물과 섞인다. 무거운 서스펜션 부품이 더 빨리 고정됩니다. 암석에 1차 우라늄 광물이 포함되어 있으면 빠르게 침전됩니다. 이는 중광물입니다. 2차 우라늄 광물은 더 가볍기 때문에 무거운 폐석이 더 일찍 침전됩니다. (그러나 항상 완전히 비어 있는 것은 아닙니다. 우라늄을 포함한 많은 유용한 원소가 포함될 수 있습니다.)

다음 단계는 농축물을 침출하여 우라늄을 용액으로 옮기는 것입니다. 산성 및 알칼리성 침출이 사용됩니다. 첫 번째는 우라늄을 추출하는 데 황산을 사용하기 때문에 가격이 더 저렴합니다. 그러나 우라늄과 같은 공급원료에 들어 있는 경우 타르, 우라늄이 4가 상태이면 이 방법은 적용할 수 없습니다. 4가 우라늄은 실제로 황산에 불용성입니다. 이 경우 알칼리 침출을 이용하거나 우라늄을 6가 상태로 사전 산화해야 합니다.

우라늄 정광에 황산과 반응하는 백운석이나 마그네사이트가 포함되어 있는 경우에도 산 침출은 사용되지 않습니다.

이런 경우에는 가성소다(수산화나트륨)를 사용하세요.

광석에서 우라늄 침출 문제는 산소 분사로 해결됩니다. 150°C로 가열된 우라늄 광석과 황화물 광물의 혼합물에 산소 흐름이 공급됩니다. 이 경우 유황 광물에서 황산이 형성되어 우라늄을 씻어냅니다.

다음 단계에서는 생성된 용액에서 우라늄을 선택적으로 분리해야 합니다. 추출과 이온 교환이라는 현대적인 방법으로 이 문제를 해결할 수 있습니다.

용액에는 우라늄뿐만 아니라 다른 양이온도 포함되어 있습니다. 그 중 일부는 특정 조건에서 우라늄과 같은 방식으로 거동합니다. 즉, 동일한 유기 용매로 추출되고 동일한 이온 교환 수지에 침전되며 동일한 조건에서 침전됩니다. 따라서 우라늄을 선택적으로 분리하려면 각 단계에서 원치 않는 동반자를 제거하기 위해 많은 산화환원 반응을 사용해야 합니다. 최신 이온교환수지에서는 우라늄이 매우 선택적으로 방출됩니다.

행동 양식 이온 교환 및 추출또한 열악한 용액에서 우라늄을 완전하게 추출할 수 있기 때문에 좋습니다(우라늄 함량은 리터당 10분의 1그램입니다).

이러한 작업 후에 우라늄은 고체 상태, 즉 산화물 중 하나 또는 UF4 사불화물로 변환됩니다. 그러나 이 우라늄은 여전히 붕소, 카드뮴, 하프늄과 같은 큰 열 중성자 포획 단면적을 사용하여 불순물로부터 정제되어야 합니다. 최종 제품의 함량은 10만분의 1퍼센트와 100만분의 1퍼센트를 초과해서는 안 됩니다. 이러한 불순물을 제거하기 위해 상업적으로 순수한 우라늄 화합물을 용해시킵니다. 질산. 이 경우 질산우라닐 UO2(NO3)2가 형성되며, 이는 인산트리부틸 및 기타 물질로 추출하는 동안 필요한 표준에 따라 추가로 정제됩니다. 그런 다음 이 물질을 결정화하고(또는 과산화물 UO4·2H2O가 침전됨) 조심스럽게 소성합니다. 이 작업의 결과로 삼산화우라늄 UO3가 형성되고, 이는 수소와 함께 UO2로 환원됩니다.

이산화우라늄 UO2는 430~600°C의 온도에서 건조 불화수소에 노출되어 UF4 사불화물을 생성합니다. 우라늄 금속은 칼슘이나 마그네슘을 사용하여 이 화합물에서 환원됩니다.

열화우라늄

천연 우라늄에서 235U와 234U를 추출한 후 남은 물질(우라늄-238)은 235 동위원소가 고갈되어 있기 때문에 '열화우라늄'이라고 부른다. 일부 추산에 따르면 미국은 약 560,000톤의 열화육불화우라늄(UF6)을 저장하고 있습니다.

열화우라늄은 234U가 제거되기 때문에 천연 우라늄의 절반 정도의 방사성을 갖고 있습니다. 우라늄의 주요 용도는 에너지 생산이기 때문에 열화우라늄은 경제적 가치가 낮은 저사용 제품입니다.

그 사용은 주로 우라늄의 밀도가 높고 상대적으로 저렴한 비용과 관련이 있습니다. 열화우라늄은 (아이러니하게도) 방사선 차폐에 사용되며 항공기 제어 표면과 같은 항공우주 응용 분야의 안정기로 사용됩니다. 각 보잉 747 항공기에는 이러한 목적을 위해 1,500kg의 감손 우라늄이 포함되어 있습니다. 이 소재는 고속 자이로스코프 로터, 대형 플라이휠, 우주 착륙선 및 경주용 요트의 밸러스트, 유정 시추에도 사용됩니다.

생리적 작용

이는 식물, 동물 및 인간의 조직에서 미량(10-5-10-8%)으로 발견됩니다. 일부 곰팡이와 조류에 의해 가장 많이 축적됩니다. 우라늄 화합물은 위장관(약 1%), 폐(50%)에 흡수됩니다. 신체의 주요 저장소: 비장, 신장, 골격, 간, 폐 및 기관지폐 림프절. 인간과 동물의 장기 및 조직 함량은 10-7g을 초과하지 않습니다.

우라늄과 그 화합물은 독성이 있습니다. 우라늄 에어로졸과 그 화합물은 특히 위험합니다. 수용성 우라늄 화합물 에어로졸의 경우 공기 중 MPC는 0.015mg/m3이고, 불용성 우라늄 형태의 MPC는 0.075mg/m3입니다. 우라늄이 몸에 들어가면 모든 장기에 영향을 미치며 일반적인 세포 독이 됩니다. 다른 많은 중금속과 마찬가지로 우라늄은 단백질, 주로 아미노산의 황화물 그룹에 거의 비가역적으로 결합하여 기능을 방해합니다. 우라늄의 분자 작용 메커니즘은 효소 활성을 억제하는 능력과 관련이 있습니다. 신장이 주로 영향을 받습니다(소변에 단백질과 설탕이 나타남, 핍뇨). 만성 중독의 경우 조혈 및 신경계 장애가 발생할 수 있습니다.

세계의 우라늄 채굴

세계 우라늄 생산량의 94%를 담당하는 10개국

OECD 우라늄 레드북(Red Book of Uranium)에 따르면 2005년에 41,250톤의 우라늄이 채굴되었다(2003년에는 35,492톤). OECD 데이터에 따르면 전 세계적으로 440개의 상업용 원자로가 운영되고 있으며 연간 67,000톤의 우라늄을 소비합니다. 이는 생산이 소비의 60%만을 제공한다는 것을 의미합니다(나머지는 오래된 핵탄두에서 회수됩니다). 2005-2006년 U 함량별 국가별 생산량(톤)입니다. (표 13, 부록 A 참조)

러시아 생산

소련의 주요 우라늄 광석 지역은 우크라이나(Zheltorechenskoye, Pervomaiskoye 매장지 등), 카자흐스탄(북부 - Balkashin 광석 필드 등, 남부 - Kyzylsay 광석 필드 등, Vostochny였으며 모두 주로 화산열수형); Transbaikalia(Antey, Streltsovskoe 등); 중앙 아시아, 주로 우즈베키스탄은 Uchkuduk 시를 중심으로 흑색 셰일의 광물이 존재합니다. 작은 광석 발생 및 발생이 많습니다. 러시아에서는 Transbaikalia가 주요 우라늄 광석 지역으로 남아 있습니다. 러시아 우라늄의 약 93%가 치타 지역(크라스노카멘스크 시 근처) 매장지에서 채굴됩니다. 채굴은 OJSC Atomredmetzoloto(Uranium Holding)의 일부인 Priargunskoye Production Mining and Chemical Association(PPMCU)의 샤프트 방식을 사용하여 수행됩니다.

나머지 7%는 JSC Dalur(Kurgan 지역) 및 JSC Khiagda(Buryatia)의 지하 침출을 통해 얻습니다.

생성된 광석과 우라늄 정광은 체페츠크 기계 공장에서 처리됩니다.

카자흐스탄 생산

세계 우라늄 매장량의 약 5분의 1이 카자흐스탄에 집중되어 있습니다(21%로 세계 2위). 총 우라늄 자원량은 약 150만톤이며, 이 중 현장 침출을 통해 약 110만톤을 채굴할 수 있다.

2009년 카자흐스탄은 우라늄 생산량(13,500톤 채굴)에서 세계 1위를 차지했습니다.

우크라이나 생산

주요 기업은 Zhovti Vody시의 동부 광산 및 가공 공장입니다.

애플리케이션

우라늄-238은 핵분열에 필요한 고에너지 중성자 때문에 1차 핵분열 물질로 사용할 수 없지만 원자력 산업에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다.

밀도와 원자량이 높은 U-238은 핵융합 및 핵분열 장치의 반사 전하 껍질을 만드는 데 적합합니다. 빠른 중성자에 의해 핵분열된다는 사실은 전하의 에너지 출력을 증가시킵니다. 간접적으로는 반사된 중성자의 증가로 인해; 빠른 중성자에 의한 껍질 핵의 분열 중(융합 중) 직접적으로 발생합니다. 핵분열에 의해 생성된 중성자와 모든 핵융합 중성자의 약 40%는 U-238을 핵분열하기에 충분한 에너지를 가지고 있습니다.

U-238의 자발 핵분열 속도는 U-235보다 35배 더 높으며 5.51 핵분열/s*kg입니다. 적절한 질량(200-300kg)이 너무 높은 중성자 배경을 생성하기 때문에 이로 인해 대포 폭탄의 반사경 충전용 포탄으로 사용할 수 없습니다.

순수한 U-238은 0.333 마이크로퀴리/g의 특정 방사능을 가지고 있습니다.

이 우라늄 동위원소의 중요한 응용 분야는 플루토늄-239의 생산입니다. 플루토늄은 U-238 원자가 중성자를 포착한 후 시작되는 여러 반응을 통해 형성됩니다. 235번째 동위원소에 천연 우라늄 또는 부분 농축 우라늄을 함유한 원자로 연료는 연료 주기가 끝난 후 특정 비율의 플루토늄을 함유합니다.

우라늄-238의 붕괴 사슬

동위원소 우라늄은 238로 천연 우라늄의 99% 이상에서 발견됩니다. 이 동위원소는 또한 가장 안정하며, 그 핵은 열중성자에 의해 분리될 수 없습니다. 238U를 분리하려면 중성자 하나에 1.4MeV의 추가 운동 에너지가 필요합니다. 순수한 우라늄-238로 만들어진 원자로는 어떤 상황에서도 작동하지 않습니다.

우라늄-238의 원자로, 핵 안에는 양성자와 중성자가 응집력에 의해 거의 결합되어 있지 않습니다. 때때로 양성자 2개와 중성자 2개(α 입자)라는 4개의 입자로 구성된 조밀한 그룹이 튀어나옵니다. 따라서 우라늄-238은 90개의 양성자와 144개의 중성자를 포함하는 핵인 토륨-234로 변합니다. 그러나 토륨-234도 불안정하다. 그러나 그 변환은 이전 사례와 다르게 발생합니다. 중성자 중 하나가 양성자로 변하고, 토륨-234는 프로트악티늄-234로 변합니다. 그 핵에는 91개의 양성자와 143개의 중성자가 포함되어 있습니다. 핵에서 발생한 이러한 변태는 궤도를 따라 움직이는 전자에도 영향을 미칩니다. 전자 중 하나가 짝을 이루지 못하고 원자 밖으로 날아갑니다. 프로트악티늄은 매우 불안정하며 변환하는 데 시간이 거의 걸리지 않습니다. 그 다음에는 방사선을 수반하는 다른 변환이 따르며, 이 전체 사슬은 궁극적으로 안정적인 납 핵종으로 끝납니다(그림 7, 부록 B 참조).

원자력 에너지의 가장 중요한 상황은 우라늄의 가장 흔한 동위원소인 238U가 핵연료의 잠재적 원천이기도 한다는 것입니다. 우라늄이 중성자를 흡수하면 새로운 원소가 형성될 것이라고 가정한 실라르드와 페르미 모두 옳았습니다.

우라늄 동위원소

실제로 우라늄-238은 열중성자와 충돌할 때 핵분열을 일으키지 않고 대신 핵이 중성자를 흡수합니다. 평균적으로 23.5분 안에 핵의 중성자 중 하나가 양성자로 변하고(전자 방출, β 붕괴 반응) 우라늄-239 핵은 넵투늄-239 핵(239Np)이 됩니다. 2.4일 후에 두 번째 β-붕괴가 일어나고 플루토늄-239(239Pu)가 형성됩니다.

원자로에서 중성자가 순차적으로 흡수되면 플루토늄보다 더 무거운 원소가 생성될 수 있습니다.

천연 광물과 우라늄 광석에서는 미량의 239Pu, 244Pu, 237Np만이 발견되므로 우라늄보다 무거운 초우라늄 원소는 자연 환경에서 사실상 발견되지 않습니다.

자연에 존재하는 우라늄 동위원소는 α붕괴 및 자연분열에 있어서 완전히 안정하지는 않지만 매우 느리게 붕괴됩니다. 반감기우라늄-238은 45억년, 우라늄-235는 7억1천만년이다. 핵반응의 빈도가 낮기 때문에 이러한 수명이 긴 동위원소는 위험한 방사선원이 아닙니다. 천연 우라늄 주괴는 건강에 해를 끼치지 않고 손에 쥐고 있을 수 있습니다. 그의 구체적인 활동 0.67 mCi/kg(Ci – 퀴리, 초당 3.7 * 1010 붕괴에 해당하는 전신 활동 단위)과 같습니다.

수신 - 우라늄

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신문은 국내 석탄재에서 우라늄을 생산하는 것은 해결된 문제로 간주될 수 있다고 썼습니다. 일부 석탄에서 나오는 재 1톤에는 석탄 6,000톤에 해당하는 원자력이 포함되어 있습니다.

우라늄, 금 획득; 우라늄 핵분열 생성물의 분리; 비철금속 및 희토류 원소를 얻습니다.

우라늄과 토륨의 생산은 광석 원료의 복잡한 통합 처리가 선행됩니다.

우라늄을 생산하려면 고체 UF4를 칼슘이나 마그네슘으로 환원해야 합니다.

우라늄, 토륨 및 기타 금속 생산과 유기 합성에 사용됩니다.

반응 혼합물에서 이상적으로 냉각된 우라늄을 생산하기 위한 에너지 소비는 금속 원자당 71eV입니다.

우라늄의 주요 공급원은 광물 우라닌산염과 그 종류(레진 블렌드, 우라늄 운모, 피치블렌드, 우라늄 블랙)입니다. 큰 중요성우라늄과 그 화합물을 얻기 위해 그들은 우라늄 운모라고 불리는 우라늄-바나듐, 우라늄-인, 칼슘, 구리, 바륨의 우라늄-비소산염을 사용합니다.

최근에는 우라늄을 얻기 위해 지하 침출과 후속 용액 정제가 사용되었습니다. 지하 침출에는 황산과 탄산염 용액이 사용됩니다.

미국의 또 다른 주요 우라늄 공급원은 테네시, 켄터키, 인디애나, 일리노이 및 오하이오 주에 위치한 셰일입니다.

사불화우라늄을 생산하는 방법에는 250℃에서 시작하여 수소 분위기에서 불화수소와 소형 금속 우라늄을 반응시키는 방법을 포함하여 사불화우라늄을 생산하는 다른 많은 방법이 있습니다.

우라늄 생산용 도가니로를 계산하는 방법은 사실상 없습니다. 설계 시 반응에 의해 방출되어 주변 공간으로 손실되는 열의 양과 (마그네슘-열 환원의 경우) 다음을 사용하여 공급해야 하는 열의 양과 같은 요소만 고려할 수 있습니다. 외부 히터.

일본은 인산 비료 생산에 사용되는 인산 용액에서 우라늄을 생산하는 새로운 기술을 개발했습니다. 일본이 비료 생산용 원료로 매년 수입하는 300만~400만톤의 인산염으로부터 우라늄을 추출하는 공장을 건설하기 전에 시범 공장을 건설할 계획이다.

우라늄을 얻는 과정은 여기에 설명된 것만큼 간단하지 않다는 점을 강조해야 합니다. 모든 공정은 특수 재료로 만들어진 복잡한 장비에서 수행된다는 점을 기억해야 합니다. 이 경우 매우 정확한 시약 투여량을 준수해야 하며 필요한 온도를 유지해야 합니다. 우라늄 생산 공정에는 소위 화학적으로 순수한 물질보다 더 순수해야 하는 극도로 순수한 시약이 대량으로 필요합니다.

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가스확산법은 천연 우라늄에서 우라늄-235를 추출하는 주요 방법이 됐다. 소련 과학자 Kikoin, Sobolev 및 Smorodinsky는 가스 확산 과정 이론을 개발했습니다. 가스 확산 방식은 무거운 우라늄-238 핵과 덜 무거운 우라늄-235 핵이 통과할 때 이동 속도의 약간의 차이를 기반으로 합니다. 기체 화합물특수 다공성 칸막이를 통해 우라늄을 추출합니다. 가스를 한 번만 통과시키면 우라늄-235 동위원소 함량을 0.2%만 늘릴 수 있습니다. 235 동위원소로 우라늄을 탄두에 정확히 필요한 수준인 90~94%까지 농축하려면 다공성 칸막이가 있는 확산 단계를 통해 가스를 수천 번 펌핑해야 합니다.

다공성 파티션의 개발 및 생산은 매우 어려운 문제로 판명되었으며 완제품의 수율과 가스 펌핑을 위한 에너지 소비는 품질에 따라 달라졌습니다. 유독가스 제품이 생산 현장에 유입되지 않도록 기밀도가 높은 가스를 펌핑하는 신뢰성 있고 간단한 압축기를 설계하고 제조하는 것은 쉽지 않았습니다.

가스 확산 공장 건설은 1946년에 시작되었습니다. 건설 초기에는 육체 노동과 마차 견인도 사용되었으며 1948년에야 최초의 굴착기가 이곳에 도착했습니다. 작업은 24시간 내내 이루어졌습니다. 공장 설계와 설치는 매우 복잡했습니다. 공장 본관의 면적은 10만 평방미터가 넘었습니다. 시스템을 설정하는 동안 수많은 중지가 발생했습니다. 압축기 공급업체는 재건축과 장비 교체까지 매우 신속하게 수행했는데, 이 작업은 Beria와 Stalin의 개인 감독하에 이루어졌습니다. 재건축 후 공장에는 네 가지 수정을 거친 수천 대의 확산 기계가 설치되었습니다.

모든 어려움에도 불구하고 작업은 계속 진행되어 1948년에 농축도 75%의 우라늄-235를 획득했습니다. 충분하지 않았습니다. 그런 다음 임시 결정이 내려졌습니다. 우라늄-235는 전자기 방식을 통해 최대 90% 이상의 추가 농축을 위해 보내지기 시작했습니다.

1950년에 가스확산공장은 농축도를 90%까지 증가시켜 설계 용량에 도달했으며, 1951년에는 우라늄 농축도가 90%를 초과했습니다.

전자기 동위원소 분리 공장의 기초는 희귀한 황동으로 만든 특수 챔버를 갖춘 거대한 전자기 시설이었습니다. 이 시설은 설치하는 데 오랜 시간이 걸렸으며 1949년에는 90% 이상의 농축 우라늄을 생산했습니다. 이후 공장을 확장했다.

따라서 소련 핵무기 제조에 충분한 양의 플루토늄과 우라늄-235라는 두 가지 유형의 핵폭발물을 생산하는 문제가 해결되었습니다.

()
239푸()

핵의 스핀과 패리티 7/2 − 부패 채널 에너지 붕괴 α 붕괴 4.6783(7) MeV 20Ne, 25Ne, 28Mg

우라늄 238 U의 가장 흔한 동위원소와 달리 235 U에서는 자립적인 핵 연쇄 반응이 가능합니다. 따라서 이 동위원소는 원자로와 핵무기의 연료로 사용됩니다.

형성과 붕괴

우라늄-235는 다음과 같은 붕괴의 결과로 형성됩니다.

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우라늄-235의 붕괴는 다음과 같은 방향으로 일어난다.

표현식을 구문 분석할 수 없습니다(실행 파일 texvc찾을 수 없습니다. 설정 도움말은 math/README를 참조하세요.): \mathrm(^(235)_(92)U) \rightarrow \mathrm(^(231)_(90)Th) + \mathrm(^(4)_( 2) 그); 표현식을 구문 분석할 수 없습니다(실행 파일 texvc찾을 수 없습니다. 설정 도움말은 math/README를 참조하세요.): \mathrm(^(235)_(92)U) \rightarrow \mathrm(^(215)_(82)Pb) + \mathrm(^(20)_( 10) 네); 표현식을 구문 분석할 수 없습니다(실행 파일 texvc찾을 수 없습니다. 설정 도움말은 math/README를 참조하세요.): \mathrm(^(235)_(92)U) \rightarrow \mathrm(^(210)_(82)Pb) + \mathrm(^(25)_( 10) 네); 표현식을 구문 분석할 수 없습니다(실행 파일 texvc찾을 수 없습니다. 설정 도움말은 math/README를 참조하세요.): \mathrm(^(235)_(92)U) \rightarrow \mathrm(^(207)_(80)Hg) + \mathrm(^(28)_( 12) 마그네슘).

강제분할

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다양한 핵분열 중성자 에너지에 대한 우라늄-235 핵분열 생성물 수율 곡선.

우라늄-235의 핵분열 생성물에서 =30(아연)부터 Z=64(가돌리늄)까지 다양한 원소의 동위원소 약 300개가 발견되었습니다. 질량수가 느린 중성자와 함께 우라늄-235를 조사하는 동안 형성된 동위원소의 상대 수율 곡선은 대칭이며 모양이 문자 "M"과 유사합니다. 이 곡선의 두 개의 뚜렷한 최대값은 질량수 95와 134에 해당하고 최소값은 110에서 125까지의 질량수 범위에서 발생합니다. 따라서 우라늄이 동일한 질량의 조각(질량수 115-119)으로 분열하는 것은 다음과 같습니다. 비대칭 핵분열보다 확률이 낮습니다. 이러한 경향은 모든 핵분열성 동위원소에서 관찰되며 핵이나 입자의 개별 특성과 관련이 없지만 핵분열 자체의 메커니즘에 내재되어 있습니다. 그러나 핵분열성 핵의 여기 에너지가 증가함에 따라 비대칭성은 감소하고 중성자 에너지가 100MeV를 초과하면 핵분열 파편의 질량 분포는 핵의 대칭 핵분열에 해당하는 최대값을 갖습니다.

우라늄 핵이 분열하는 동안 형성된 파편은 방사성이며 일련의 β - 붕괴를 거치며, 이 동안 추가 에너지가 오랜 시간에 걸쳐 점차적으로 방출됩니다. 파편의 붕괴를 고려하면 하나의 우라늄-235 핵이 붕괴하는 동안 방출되는 평균 에너지는 대략 202.5 MeV = 3.244·10 −11 J 또는 19.54 TJ/mol = 83.14 TJ/kg입니다.

핵분열은 중성자와 핵이 상호 작용하는 동안 가능한 많은 과정 중 하나일 뿐이며 모든 원자로 작동의 기초가 되는 과정입니다.

핵연쇄반응

235U 핵 하나가 붕괴하는 동안 일반적으로 1~8개(평균 2.416개)의 자유 중성자가 방출됩니다. 235U 핵이 붕괴하는 동안 생성된 각 중성자는 다른 235U 핵과 상호작용하여 새로운 붕괴 현상을 일으킬 수 있습니다. 이 현상을 핵분열 연쇄반응.

가정적으로, 2세대 중성자의 수(핵 붕괴의 두 번째 단계 이후)는 3² = 9를 초과할 수 있습니다. 핵분열 반응의 각 후속 단계에서 생성되는 중성자의 수는 눈사태처럼 증가할 수 있습니다. 실제 조건에서 자유 중성자는 새로운 핵분열 사건을 생성하지 않을 수 있으며, 235U를 포착하기 전에 샘플을 떠나거나 236U로 변환되는 235U 동위원소 자체에 의해 포착되거나 다른 물질(예: 238U, 또는 149 Sm 또는 135 Xe와 같은 핵분열의 결과 조각).

실제 조건에서 우라늄의 임계 상태를 달성하는 것은 여러 가지 요인이 반응 과정에 영향을 미치기 때문에 쉽지 않습니다. 예를 들어, 천연 우라늄은 0.72% 235U, 99.2745%는 238U로 구성되어 있으며, 이는 235U 핵의 핵분열 중에 생성된 중성자를 흡수합니다. 이는 천연 우라늄에서 핵분열 연쇄 반응이 현재 매우 빠르게 약화된다는 사실로 이어집니다. 연속 핵분열 연쇄 반응은 여러 가지 주요 방법으로 수행될 수 있습니다.

샘플의 부피를 늘리십시오(광석에서 분리된 우라늄의 경우 부피를 늘려 임계 질량을 달성하는 것이 가능합니다).
시료 내 농도를 235U로 높여 동위원소 분리를 수행합니다.
다양한 유형의 반사경을 사용하여 시료 표면을 통한 자유 중성자의 손실을 줄입니다.
열중성자 농도를 높이기 위해 중성자 감속재 물질을 사용합니다.

이성질체

과잉 질량: 40,920.6(1.8) keV
여기 에너지: 76.5(4) eV
반감기: 26분
핵 스핀 및 패리티: 1/2 +

이성질체 상태의 분해는 바닥 상태로의 이성질체 전이를 통해 발생합니다.

애플리케이션

우라늄-235는 원자로의 연료로 사용됩니다. 통제된핵분열 연쇄반응;
고농축 우라늄은 핵무기를 만드는 데 사용됩니다. 이 경우, 많은 양의 에너지를 방출(폭발)하려면, 통제할 수 없는핵연쇄반응.

또한보십시오

"Uranium-235" 기사에 대한 리뷰를 작성하세요.

노트

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더 쉬움: 우라늄-234	우라늄-235는 우라늄 동위원소	무거움: 우라늄-236
원소의 동위원소 · 핵종표

우라늄-235의 특징을 발췌한 것

크리스탈은 물질적이었습니다. 동시에 정말 마술적이기도 합니다. 그것은 놀랍도록 투명한 에메랄드처럼 매우 아름다운 돌로 조각되었습니다. 그러나 막달레나는 그것이 단순한 보석, 심지어 가장 순수한 보석보다 훨씬 더 복잡한 것이라고 느꼈습니다. 그것은 다이아몬드 모양이고 길쭉해서 라도미르의 손바닥만한 크기였습니다. 크리스탈의 각 컷은 완전히 생소한 룬으로 덮여 있었는데, 분명히 막달레나가 알고 있던 것보다 훨씬 더 오래된 것 같았습니다...
– 그가 "말하는 것"은 무엇입니까, 나의 기쁨?.. 그런데 왜 이 룬이 나에게 익숙하지 않습니까? 동방 박사가 우리에게 가르친 것과는 조금 다릅니다. 그리고 어디서 났어?!
"한때 우리의 현명한 조상인 우리 신들이 이곳에 영원한 지식의 사원을 만들기 위해 지구로 가져온 것입니다." Radomir는 수정을 신중하게 바라보며 시작했습니다. – 그리하여 그는 합당한 지구의 자녀들이 빛과 진리를 찾도록 돕습니다. Magi, Veduns, Sages, Darins 및 기타 깨달은 사람들의 계급을 지상에 낳은 것은 바로 그분이었습니다. 그리고 그들이 지식과 이해를 이끌어낸 것은 바로 그에게서였으며, 한때는 그것으로부터 메테오라를 창조했습니다. 나중에, 영원히 떠난 신들은 이 사원을 사람들에게 남겨두고 그들이 지구 자체를 돌보는 것처럼 그것을 지키고 돌보도록 물려주었습니다. 그리고 성전의 열쇠는 동방 박사들에게 주어졌는데, 이는 그 열쇠가 실수로 "어두운 마음을 가진 자"의 손에 넘어가는 일이 없고 지구가 그들의 사악한 손에서 멸망하지 않도록 하기 위함이었습니다. 그래서 그 이후로 이 기적은 동방 박사들에 의해 수세기 동안 유지되어 왔으며 때때로 합당한 사람에게 이를 전달하여 임의의 "수호자"가 우리 신들이 포기한 질서와 신앙을 배반하지 않도록 합니다.

– 이게 정말 성배인가, 서버? – 나는 참을 수 없어서 물었다.
- 아니, 이시도라. 성배는 결코 이 놀라운 스마트 크리스탈과 같지 않습니다. 사람들은 단순히 자신이 원하는 것을 Radomir에게 "귀속"시켰습니다. 다른 모든 것과 마찬가지로 "외계인"이었습니다. Radomir는 성인 시절 내내 신들의 열쇠를 지키는 수호자였습니다. 그러나 사람들은 당연히 이것을 알 수 없었기 때문에 진정되지 않았습니다. 첫째, 그들은 라도미르의 "소속"으로 추정되는 성배를 찾고 있었습니다. 그리고 때로는 그의 자녀나 막달레나 자신도 성배라고 불렸습니다. 그리고 이 모든 일은 "진정한 신자"가 자신이 믿는 것의 진실성에 대한 어떤 종류의 증거를 정말로 원했기 때문에 일어났습니다... 물질적인 것, 만질 수 있는 "거룩한" 것... (불행히도 이것은 수백년이 지난 지금도 일어나고 있습니다.) 그래서 "어두운 자들"은 민감한 "믿는" 마음에 불을 붙이기 위해 그 당시 그들을 위해 아름다운 이야기를 생각해 냈습니다... 불행히도 사람들은 항상 유물, Isidora가 필요했고, 그것이 존재하지 않았다면 누군가가 단순히 그것들을 만들었습니다. 라도미르는 그런 잔을 가져본 적이 없습니다. 왜냐하면 그는 "최후의 만찬" 자체를 갖고 있지 않았기 때문입니다... 아마도 그는 그 잔을 마셨다고 합니다. 최후의 만찬의 잔은 선지자 여호수아와 함께 있었지만 라도미르와는 함께 있지 않았습니다.
그리고 아리마대 요셉은 실제로 그곳에서 선지자의 피 몇 방울을 모은 적이 있었습니다. 하지만 이 유명한 '성배잔'은 사실은 당시 유대인들이 흔히 마시던 단순한 흙잔에 불과했고, 나중에는 찾기가 쉽지 않았습니다. (제사장들이 묘사하기를 좋아하는) 보석으로 완전히 흩뿌려진 금 또는 은 그릇은 유대인 선지자 여호수아 시대에도, 심지어 라도미르 시대에도 실제로 존재한 적이 없었습니다.
그러나 이것은 비록 가장 흥미롭기는 하지만 또 다른 이야기이다.

시간이 별로 없어요, 이시도라. 그리고 나는 당신이 완전히 다른 것, 당신의 마음에 가까운 것을 알고 싶어할 것이라고 생각하며, 그것은 아마도 당신 자신 안에서 견딜 수 있는 더 많은 힘을 찾는 데 도움이 될 것입니다. 글쎄, 어쨌든, "어두운" 세력에 의해 너무 밀접하게 묶여 서로에게 이질적인 두 삶(라도미르와 조슈아)의 이 얽힌 얽힌 얽힘은 그렇게 빨리 풀릴 수 없습니다. 내가 말했듯이, 당신은 이럴 시간이 없습니다, 친구. 용서 해줘...
나는이 실제 이야기 전체에 내가 얼마나 관심이 있는지 보여주지 않으려 고 고개를 끄덕였습니다! 그리고 내가 죽어가더라도 교회가 우리의 속기 쉬운 지상의 머리에 퍼뜨린 엄청난 양의 거짓말을 내가 어떻게 알고 싶었는지… 그러나 나는 그가 나에게 정확히 무엇을 말하고 싶은지 결정하는 것을 북쪽에 맡겼습니다. 나에게 이것저것 말하거나 말하지 않는 것은 그의 자유 의지였다. 나는 그의 귀중한 시간과 우리의 슬픈 남은 날들을 밝게 해주고자 하는 그의 진심 어린 소망에 대해 이미 믿을 수 없을 만큼 감사했습니다.
우리는 다시 어두운 밤 정원에서 라도미르와 막달레나의 마지막 시간을 “도청”하고 있는 자신을 발견했습니다...
– 라도미르, 이 대사원은 어디에 있나요? – 막달레나가 놀라서 물었다.
"멋지고 먼 나라에서... 세계의 "정상"에서... (북극, 하이퍼보레아의 옛 나라 - 다아리아를 의미), 라도미르는 마치 무한히 먼 과거로 들어가는 듯 조용히 속삭였습니다. “여기에는 자연도, 시간도, 사람도 파괴할 수 없는 신성한 인공 산이 서 있습니다. 이 산은 영원하기 때문입니다... 이곳은 영원한 지식의 사원입니다. 우리 옛 신들의 신전, 마리아...
아주 먼 옛날, 그들의 열쇠가 신성한 산 꼭대기에서 반짝였습니다. 이 녹색 수정은 지구를 보호하고, 영혼을 열며, 합당한 이들을 가르쳤습니다. 이제야 우리 신들이 떠났습니다. 그 이후로 지구는 인간 자신이 아직 파괴할 수 없는 어둠 속으로 빠져들었습니다. 그에게는 아직도 시기심과 분노가 너무 많습니다. 게으름도 그렇고...

– 사람들은 빛을 볼 필요가 있어요, 마리아. – 잠시 침묵이 흐른 뒤 라도미르가 말했습니다. – 그리고 그들을 도울 사람은 바로 당신입니다! – 그리고 그녀의 항의하는 몸짓을 눈치채지 못한 듯, 그는 침착하게 말을 이어갔다. – 당신은 그들에게 지식과 이해를 가르칠 것입니다. 그리고 그들에게 진정한 믿음을 주십시오. 나에게 무슨 일이 일어나더라도 당신은 그들의 길잡이 별이 될 것입니다. 약속해!.. 나 자신이 해야 할 일을 믿을 사람은 나 외에는 아무도 없다. 약속해요, 자기야.
라도미르는 조심스럽게 그녀의 얼굴을 손에 쥐고 그녀의 빛나는 파란 눈을 주의 깊게 들여다보며... 예기치 않게 미소를 지었습니다... 그 경이롭고 친숙한 눈에는 얼마나 끝없는 사랑이 빛났습니까!.. 그리고 그 안에는 얼마나 깊은 고통이 있었습니까.. .그는 그녀가 얼마나 무섭고 외로웠는지 알고 있었습니다. 그녀가 그를 얼마나 구하고 싶어하는지 알았습니다! 그리고 이 모든 것에도 불구하고 Radomir는 미소를 지을 수밖에 없었습니다. 그녀에게 그토록 끔찍한 시기에도 막달레나는 어쩐지 놀랍도록 밝고 훨씬 더 아름다웠습니다!.. 생명을 주는 맑은 물이 있는 깨끗한 샘처럼...
그는 몸을 흔들면서 최대한 침착하게 계속했다.
– 보세요, 이 고대 열쇠가 어떻게 열리는지 보여드리겠습니다…
라도미르의 열린 손바닥에서 에메랄드 불꽃이 타올랐습니다... 각각의 가장 작은 룬이 낯선 공간의 전체 층으로 열리기 시작하여 서로 원활하게 흐르는 수백만 개의 이미지로 확장되고 열렸습니다. 경이롭고 투명한 '구조'는 성장하고 회전하며 오늘날의 인간이 결코 볼 수 없는 지식의 더 많은 층을 드러냈습니다. 그것은 놀랍고 끝이 없었습니다!.. 그리고 이 모든 마법에서 눈을 뗄 수 없었던 막달레나는 미지의 깊은 곳으로 곤두박질쳐 영혼의 온 힘을 다해 타오르고 지글거리는 갈증을 경험했습니다!.. 그녀는 지혜를 흡수했습니다. 강력한 파도처럼 모든 세포를 채우는 느낌, 익숙하지 않은 고대 마법이 흐르는 느낌! 조상에 대한 지식은 정말 엄청났습니다. 가장 작은 곤충의 생명에서 우주의 생명으로 옮겨져 수백만 년에 걸쳐 외계 행성의 생명으로 흘러 들어갔다가 다시 강력한 눈사태로 돌아 왔습니다. 지구로...
눈을 크게 뜨고 막달레나는 고대 세계에 대한 놀라운 지식을 들었습니다... 세상의 "족쇄"에서 벗어난 그녀의 가벼운 몸은 먼 별의 바다에서 모래알처럼 목욕하며 우주의 웅장함과 고요함을 즐겼습니다. 평화...
갑자기 그녀 앞에 멋진 스타 브리지가 펼쳐졌습니다. 무한대로 뻗어나가는 듯, 크고 작은 별들의 끝없는 무리가 그녀의 발 밑에 은빛 길처럼 펼쳐져 반짝 반짝 빛났다. 저 멀리, 같은 길 한가운데, 완전히 황금빛 빛으로 뒤덮인 한 남자가 막달레나를 기다리고 있었습니다... 그는 키가 매우 크고 매우 강해 보였습니다. 가까이 다가가서 막달레나는 이 전례 없는 생물의 모든 것이 그렇게 "인간적"인 것은 아니라는 것을 보았습니다... 가장 눈에 띄는 것은 그의 눈이었습니다. 마치 보석을 깎아 만든 것처럼 거대하고 반짝이며, 진짜 다이아몬드처럼 차가운 가장자리로 반짝였습니다. . 그러나 그들은 마치 다이아몬드처럼 무감각하고 냉담했다... 이방인의 용감한 얼굴 생김새는 마치 막달레나 앞에 조각상이 서 있는 것처럼 날카로움과 부동성으로 그들을 놀라게 했다... 아주 길고 풍성한 머리카락이 은빛으로 반짝거리고, 마치 누군가 우연히 그 위에 별을 흩뿌린 것처럼... 그 "남자"는 정말 특이한 사람이었습니다... 그러나 그의 "얼음처럼 차가운" 추위에도 불구하고 막달레나는 영혼을 감싸는 놀라운 평화와 따뜻하고 진실한 친절을 분명히 느꼈습니다. 이상한 낯선 사람에게서 왔어요. 어떤 이유에서인지 그녀는 이러한 친절이 모든 사람에게 항상 동일하지는 않다는 것을 확실히 알고 있었습니다.
그 '남자'는 그녀를 향해 손바닥을 치켜들고 다정하게 말했다.
– 멈춰, 별... 당신의 길은 아직 끝나지 않았습니다. 당신은 집에 갈 수 없습니다. 미드가르드로 돌아가세요, 마리아... 그리고 신들의 열쇠를 관리하세요. 영원이 당신을 보호하길 바랍니다.
그러자 이방인의 강력한 모습이 갑자기 천천히 진동하기 시작했고, 마치 사라질 듯 완전히 투명해졌습니다.

원소번호 92번인 우라늄은 자연에서 발견되는 원소 중 가장 무거운 원소입니다. 이것은 우리 시대 초기에 사용되었으며 노란색 유약(1% 이상의 우라늄 산화물 함유)이 있는 도자기 조각이 폼페이와 헤르쿨라네움 유적에서 발견되었습니다.

우라늄은 1789년 독일 화학자 Marton Heinrich Klaproth에 의해 우라늄 타르에서 발견되었으며, 그는 1781년 발견된 행성 우라늄의 이름을 따서 명명했습니다. 금속 우라늄은 1841년 프랑스 화학자 Eugene Peligo가 무수 사염화우라늄을 칼륨으로 환원하여 처음 얻었습니다. 1896년 앙투안 앙리 베크렐(Antoine-Henri Becquerel)은 실수로 사진 건판을 인근 우라늄염 조각의 전리 방사선에 노출시켜 우라늄 방사능 현상을 발견했습니다.

물리적, 화학적 특성

우라늄은 매우 무겁고 은백색의 반짝이는 금속입니다. 순수한 형태에서는 강철보다 약간 더 부드럽고, 가단성이 있고, 유연하며, 약간의 상자성 특성을 가지고 있습니다. 우라늄은 세 가지 동소체 형태를 가지고 있습니다: 알파(기둥형, 667.7°C까지 안정), 베타(정방형, 667.7~774.8°C에서 안정), 감마(체심 입방 구조, 774.8°C에서 녹는점까지 존재) ), 우라늄은 가장 가단성이 있고 가공하기 쉽습니다. 알파상은 극도로 비대칭인 프리즘 격자에 물결 모양의 원자 층으로 구성된 매우 놀라운 유형의 프리즘 구조입니다. 이러한 이방성 구조는 우라늄을 다른 금속과 합금하는 것을 어렵게 만듭니다. 오직 몰리브덴과 니오븀만이 우라늄과 고체상 합금을 만들 수 있습니다. 사실, 우라늄 금속은 많은 합금과 상호작용하여 금속간 화합물을 형성할 수 있습니다.

우라늄의 기본 물리적 특성:
융점 1132.2°C(+/- 0.8);
끓는점 3818 °C;
밀도 18.95(알파 단계);
비열 용량 6.65 cal/mol/°C(25C);
인장강도 450 MPa.

화학적으로 우라늄은 매우 활동적인 금속입니다. 공기 중에서 빠르게 산화되어 무지개색의 산화물막으로 덮이게 됩니다. 미세한 우라늄 분말은 공기 중에서 자연 발화하며, 150~175°C의 온도에서 발화하여 U를 형성합니다. 3 영형 8 . 1000°C에서 우라늄은 질소와 결합하여 황색 질화우라늄을 형성합니다. 물은 낮은 온도에서는 서서히 금속을 부식시키고, 높은 온도에서는 빠르게 금속을 부식시킬 수 있습니다. 우라늄은 염산, 질산 및 기타 산에 용해되어 4가 염을 형성하지만 알칼리와 상호 작용하지 않습니다. 우라늄은 무기산과 수은, 은, 구리, 주석, 백금, 금과 같은 금속 염 용액에서 수소를 대체합니다. 세게 흔들면 우라늄의 금속 입자가 빛나기 시작합니다.
우라늄에는 III-VI의 네 가지 산화 상태가 있습니다. 6가 화합물에는 우라닐 삼산화물 UO가 포함됩니다. 3 우라늄 염화우라늄 UO 2 Cl 2 . 사염화우라늄 UCl 4 이산화우라늄 UO 2 - 4가 우라늄의 예. 4가 우라늄을 함유한 물질은 일반적으로 불안정하며 장기간 공기에 노출되면 6가 우라늄으로 변합니다. 염화우라닐과 같은 우라닐염은 밝은 빛이나 유기물이 있으면 분해됩니다.

우라늄에는 안정 동위원소가 없지만 방사성 동위원소 중 33개가 알려져 있습니다. 천연 우라늄은 세 가지 방사성 동위원소로 구성됩니다. 238U (99.2739%, T=4.47⋅10 9 년, α 방출체, 방사성 계열(4n+2)의 조상), 235U (0.7205%, T=7.04⋅10 9 년, 방사성 계열(4n+3)의 조상) 및 234U (0.0056%, T=2.48⋅10 5 년, α-방출체). 마지막 동위원소는 1차 동위원소가 아니지만 방사성 동위원소이며 방사성 계열의 일부입니다. 238 U. 천연 우라늄의 원자 질량은 238.0289+0.0001입니다.

천연 우라늄의 방사능은 주로 동위원소에 기인합니다 238U 및 234 U, 균형 상태에서 그들의 특정 활동은 동일합니다. 천연 우라늄의 비방사능은 0.67 마이크로퀴리/g으로 거의 절반으로 나뉜다. 234U 및 238U; 235 U는 작은 기여를 합니다(동위원소의 특정 활동 235 천연 우라늄의 U는 활성이 21배나 낮습니다. 238 유). 천연 우라늄은 약 한 시간 안에 사진 건판을 노출시킬 만큼 방사능이 높습니다. 열중성자 포획 단면 233U 4.6 10 -27m2, 235U 9.8 10 -27m2, 238U 2.7 10 -28 m2; 핵분열 단면 233U 5.27 10 -26m2, 235U 5.84 10 -26 m2, 동위원소의 천연 혼합물 4.2 10-28m2.

우라늄 동위원소는 일반적으로 α-방출체입니다. 평균 α-복사 에너지 230U, 231U, 232U, 233U, 234U, 235U, 236U, 238 U는 각각 5.97이다. 3.05⋅10 -4 ; 5.414; 4.909; 4.859; 4.679; 4.572; 4.270MeV. 이와 동시에 다음과 같은 동위원소도 존재한다. 233U, 238U 및 239 알파 외에도 U는 또 다른 유형의 붕괴, 즉 자발적 핵분열을 겪습니다. 그러나 핵분열 확률은 α 붕괴 확률보다 훨씬 적습니다.

실제 응용의 관점에서 볼 때 천연 동위원소는 233U 및 235 열 및 고속 중성자의 영향을 받는 U 핵분열( 235 U는 자발적인 핵분열이 가능하며) 핵 238 U는 1MeV보다 큰 에너지를 가진 중성자를 포획할 때만 핵분열이 가능합니다. 낮은 원자력 에너지로 중성자를 포획할 때 238 U가 먼저 핵으로 변해 239 U는 β-붕괴를 거쳐 먼저 239 Np, 그 다음 - 239 핵 특성이 가까운 Pu 235 U. 핵의 열중성자에 대한 효과적인 포획 단면 234 U, 235 U 및 238 U는 98⋅10 -28, 683⋅10 -28 및 2.7⋅10 -28과 같습니다. 각각 m2입니다. 완전한 분할 235 U는 2⋅10의 "열 에너지 등가물"을 방출합니다. 7kWh/kg.

우라늄의 기술적 동위원소

현대 원자로는 질량수가 227에서 240에 이르는 11개의 인공 방사성 동위원소를 생산하며, 그 중 가장 오래 지속되는 동위원소는 233U(T = 1.62 10 5 연령); 이는 토륨의 중성자 조사에 의해 얻어집니다. 질량수가 240보다 큰 우라늄 동위원소는 원자로에서 형성될 시간이 없습니다. 우라늄-240의 수명은 너무 짧고, 중성자를 포착하기 전에 붕괴됩니다. 그러나 열핵폭발의 초강력 중성자 플럭스에서 우라늄 핵은 100만분의 1초에 최대 19개의 중성자를 포착합니다. 이 경우 질량수가 239에서 257까지인 우라늄 동위원소가 탄생하는데, 그 존재는 무거운 우라늄 동위원소의 후손인 원거리 초우라늄 원소의 열핵폭발 생성물에 나타나는 것을 통해 알게 되었습니다. "속의 창시자" 자체는 β-붕괴하기에는 너무 불안정하며 폭발로 인해 혼합된 암석에서 핵 반응 생성물이 추출되기 오래 전에 더 높은 원소로 전달됩니다.

열중성자 동력로에서는 동위원소가 핵연료로 사용됩니다. 235U 및 233 U, 그리고 고속 중성자로 238 유, 즉 핵분열 연쇄반응을 일으킬 수 있는 동위원소.

U-232

232 U – 기술 생성 핵종, 자연에서는 발견되지 않음, α-방출체, T=68.9년, 모 동위원소 236 Pu(α), 232 Np(β+) 및 232 Pa(β-), 딸 핵종 228 목. 자발적인 분할이 가능합니다. 232 U의 자연 핵분열 속도는 0.47 Divisions/s⋅kg입니다. 원자력 산업에서는 232 U는 토륨 연료 주기에서 핵분열성(무기급) 핵종 233U가 합성되는 동안 부산물로 생성됩니다. 조사되면 232 주요 반응은 다음과 같습니다.

232 목 + n → 233 Th → (22.2분, β-붕괴) → 233 Pa → (27.0일, β-붕괴) → 233 유

그리고 2단계 부반응:

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

러닝타임 232 2단계 반응 중 U는 빠른 중성자의 존재에 따라 달라집니다(적어도 6MeV의 에너지를 갖는 중성자가 필요함). 왜냐하면 첫 번째 반응의 단면적이 열 속도에 비해 작기 때문입니다. 소수의 핵분열 중성자는 6 MeV 이상의 에너지를 가지며, 토륨 증식 구역이 중간 속도 중성자(~500 keV)가 조사되는 원자로의 일부에 위치하는 경우 이 반응은 실질적으로 제거될 수 있습니다. 원래 물질에 함유된 경우 230 Th, 그러면 교육 232 U는 다음 반응으로 보완됩니다. 230 목 + n → 231 Th 이상은 위와 같습니다. 이 반응은 열중성자와도 잘 작동합니다. 그래서 교육을 억압한다. 232 U(아래에 표시된 이유 때문에 필요함)는 최소 농도의 토륨을 적재해야 합니다. 230일

동력로에서 생성된 동위원소 232 U는 다음과 같이 분해되기 때문에 건강 및 안전 문제를 제기합니다. 212 Bi 및 208 고에너지 γ-양자를 방출하는 Te. 따라서 이 동위원소를 다량 함유한 제제는 뜨거운 챔버에서 처리되어야 합니다. 유효성 232 조사된 우라늄의 U는 원자무기 취급의 관점에서도 위험합니다.

축적 232 U 생산에 불가피하다 233 에너지 부문으로의 도입을 방해하는 토륨 에너지 순환의 U. 특이한 점은 짝수 동위원소라는 것이다. 232 U는 중성자의 영향으로 높은 핵분열 단면적(열 중성자의 경우 75반, 공명 적분 380)과 높은 중성자 포획 단면적(73반(공명 적분 280))을 갖습니다.

232의 혜택도 있어요 U: 화학적, 물리적 연구에서 방사성추적자 방법에 자주 사용됩니다.

U-233

233 U는 Seaborg, Hoffmann 및 Stoughton에 의해 발견되었습니다. 우라늄-233 - α-방출체, T=1.585⋅105년, 모핵종 237 푸(α) 233 Np(β+) 233 Pa(β-), 딸 핵종 229 목. 우라늄-233은 원자로에서 토륨으로부터 생산됩니다. 232Th는 중성자를 포획하여 233 Th는 다음과 같이 분류됩니다. 233 Ra, 그리고 233 U. Nuclei 233 U(홀수 동위원소)는 모든 에너지의 중성자의 영향으로 자연 핵분열과 핵분열이 모두 가능하므로 원자무기와 원자로 연료 생산에 모두 적합합니다(핵연료의 확장 재생산 가능). 우라늄-233은 또한 가스상 핵 로켓 엔진에 가장 유망한 연료이다. 고속 중성자의 유효 핵분열 단면적은 533반이고, 반감기는 1,585,000년이며 자연에서는 발생하지 않습니다. 임계질량 233 U는 임계질량보다 3배 적습니다. 235U(약 16kg). 233 U의 자연 핵분열 속도는 720 핵분열/s⋅kg입니다. 235U는 중성자 조사를 통해 232Th에서 얻을 수 있습니다.

232 목 + n → 233 Th → (22.2분, β-붕괴) → 233 Pa → (27.0일, β-붕괴) → 233U

중성자가 흡수되면 핵이 233 U는 보통 핵분열을 하지만 가끔 중성자를 포획하여 234 U, 비핵분열 공정의 비율은 다른 핵분열성 연료보다 적지만 ( 235 유, 239 푸, 241 Pu) 모든 중성자 에너지에서 작게 유지됩니다. 프로트악티늄이 중성자를 흡수할 기회를 갖기 전에 물리적으로 격리되는 용융염 원자로 설계가 있다는 점에 유의하십시오. 하지만 233 U는 중성자를 흡수한 후 보통 분열하지만 때로는 중성자를 보유하여 234 U (이 과정은 핵분열보다 확률이 훨씬 낮습니다).

러닝타임 233 토륨 산업 원료로부터의 U는 상당한 토륨 매장량을 보유하고 있는 인도 원자력 산업 발전을 위한 장기 전략입니다. 번식은 고속 반응로나 열 반응로에서 수행될 수 있습니다. 인도 이외의 지역에서는 전 세계 토륨 매장량이 우라늄 매장량의 3배에 달하지만 토륨 기반 연료 사이클에 대한 관심이 많지 않습니다. 233 U는 무기 혐의를 받고 있습니다. 지금은 거의 그렇게하지 않습니다. 1955년 미국은 무기 품질을 테스트했습니다. 233 U Operation Teapot에서 이를 기반으로 폭탄을 터뜨립니다. 무기의 관점에서 233U, 239와 비슷함 Pu: 방사능은 1/7(T=159200년 대 플루토늄의 경우 24100년), 임계 질량은 60% 더 높으며(16kg 대 10kg), 자연 핵분열 속도는 20배 더 높습니다(6⋅10-9 대 3⋅10 -10 ). 그러나 비방사능이 낮기 때문에 중성자 밀도는 233 U는 그것보다 3배나 더 높아 239 푸. 다음을 기반으로 핵 전하 생성 233 U는 플루토늄보다 더 많은 노력이 필요하지만 기술적 노력은 거의 같습니다.

가장 큰 차이점은 233 U 불순물 232 U, 그래서 일하기가 힘들어 233 U를 사용하면 완성된 무기를 쉽게 찾을 수 있습니다.

232 무기 등급 233의 U 함량 U는 5ppm(0.0005%)을 초과해서는 안 됩니다. 상업용 핵연료주기에는 232 U는 무기 목적으로 우라늄이 확산될 가능성을 감소시키기 때문에 큰 단점은 아니며 바람직할 수도 있습니다. 연료를 절약하기 위해 레벨을 재활용하고 재사용한 후 232 U는 0.1-0.2%에 도달합니다. 특별히 설계된 시스템에서 이 동위원소는 0.5-1%의 농도로 축적됩니다.

생산 후 첫 2년 동안 232U, 228을 포함하는 233U Th는 일정한 수준을 유지하며 자체 붕괴와 균형을 유지합니다. 이 기간 동안 γ-방사선의 배경 값이 설정되고 안정화됩니다. 따라서 처음 몇 년 동안 대량 생산되었습니다. 233 U는 상당한 γ 방사선을 방출합니다. 10킬로그램의 구체 233 무기 등급 U(5ppm 232U)는 생산 후 1개월 후 1m 거리에서 시간당 11밀리렘의 배경을 생성합니다.

1년 후에는 밀리렘/h, 2년 후에는 200밀리렘/h입니다. 연간 선량한도인 5rem은 해당 물질을 사용한 작업 25시간만에 초과되었습니다. 심지어 신선하다 233 U(제조일로부터 1개월)는 조립 시간을 주당 10시간으로 제한합니다. 완전히 조립된 무기에서는 신체가 전하를 흡수하여 방사선 수준이 감소합니다. 최신 경량 장치에서는 감소량이 10배를 초과하지 않아 안전 문제가 발생합니다. 더 무거운 전하에서는 흡수가 100~1000배 더 강해집니다. 베릴륨 반사체는 중성자 배경 수준을 증가시킵니다: 9Be + γ-양자 → 8Be + n. γ선 232 U는 특징적인 시그니처를 형성하며 이를 감지하고 원자 전하의 움직임과 존재를 추적할 수 있습니다. 특별히 변성된 토륨 회로를 사용하여 생산됨 233U(0.5~1.0% 232 U), 더 큰 위험을 초래합니다. 이러한 재료로 만들어진 10kg의 구는 1개월 후에 1m 거리에서 11rem/시간, 1년 후에는 110rem/시간, 2년 후에는 200rem/시간의 배경을 만듭니다. 그러한 원자폭탄과의 접촉은 방사선이 1000배 감소하더라도 연간 25시간으로 제한됩니다. 눈에 띄는 점유율의 존재 232 핵분열성 물질의 U는 군사용으로 사용하기 매우 불편합니다.

우라늄의 천연 동위원소

U-234

우라늄-234(우라늄 II)는 천연 우라늄(0.0055%)의 일부이며, T = 2.445⋅10 5 연도, α 방출체, 모 방사성 핵종: 238 Pu(α), 234 Pa(β-), 234 Np(β+), 딸 동위원소 230일 목차 234 광석 내 U는 상대적으로 짧은 반감기로 인해 매우 미미합니다. 234 U는 다음 반응에 의해 형성됩니다.

238 U → (45억 1천만년, 알파붕괴) → 234일

234 Th → (24.1일, 베타붕괴) → 234파

234 Pa → (6.75시간, 베타붕괴) → 234U

보통 234 U는 다음과 균형을 이루고 있습니다. 238 U, 같은 속도로 부패하고 형성됩니다. 그러나 붕괴하는 원자 238 U는 한동안 토륨과 프로트악티늄의 형태로 존재하므로 광석(지하수에 의해 침출됨)에서 화학적으로 또는 물리적으로 분리될 수 있습니다. 왜냐하면 234 U는 상대적으로 짧은 반감기를 가지며, 광석에서 발견되는 이 동위원소는 모두 지난 수백만 년 동안 형성되었습니다. 천연 우라늄 방사능의 약 절반은 다음과 같습니다. 234 유.

집중력 234 고농축 우라늄의 U는 광동위원소의 우선적 농축으로 인해 상당히 높습니다. 왜냐하면 234 U는 강력한 γ-방출체이므로 연료로 가공하기 위한 우라늄의 농도에는 제한이 있습니다. 기본적으로 레벨이 올라감 234 U는 현대식 원자로에 허용되지만 재처리된 사용후핵연료에는 허용할 수 없는 수준의 이 동위원소가 포함되어 있습니다.

흡수 단면적 234 열 중성자의 U는 100 barn이고, 다양한 중간 중성자에 대한 평균 공명 적분은 700 barn입니다. 그러므로 원자로에서는

열중성자는 핵분열성 물질로 변환됩니다. 235 훨씬 더 많은 양보다 더 빠른 속도로 238 유(와 교차 구역 2.7 헛간)으로 변환됨 239 푸. 결과적으로 사용후핵연료에는 더 적은 양의 234U보다 더 신선합니다.

U-235

우라늄-235(악티누라늄)는 빠르게 성장하는 핵분열 연쇄 반응을 일으킬 수 있는 동위원소입니다. 1935년 아서 제프리 뎀스터(Arthur Jeffrey Dempster)가 발견했습니다.

이것은 중성자의 영향으로 강제 핵분열 반응이 발견된 최초의 동위원소입니다. 중성자를 흡수 235 U는 236으로 갑니다 U는 두 부분으로 나뉘어 에너지를 방출하고 여러 개의 중성자를 방출합니다. 모든 에너지의 중성자에 의해 핵분열성이며 자발적인 핵분열이 가능한 동위원소 235 U는 천연 우라늄의 일부(0.72%), α 방출체(에너지 4.679 MeV), T=7.038⋅10 8 년, 모핵종 235 Pa, 235 Np 및 239 Pu, 딸 - 231 목. 자연분열의 강도 235 U 0.16구분/s⋅kg. 하나의 핵이 분열할 때 235 U는 200MeV 에너지를 방출했습니다=3.2⋅10 -11 J, 즉 18TJ/몰=77TJ/kg. 그러나 이 에너지의 5%는 사실상 감지할 수 없는 중성자에 의해 운반됩니다. 열 중성자의 핵 단면적은 약 1000 barn이고 고속 중성자의 경우 약 1 barn입니다.

순중량 60kg 235 U는 초당 9.6번의 핵분열만 생성하므로 대포 설계를 사용하여 원자폭탄을 만드는 것이 충분히 간단합니다. 238 U는 킬로그램당 35배 더 많은 중성자를 생성하므로 이 동위원소의 작은 비율이라도 이 수치를 여러 번 높입니다. 234 U는 22배 더 많은 중성자를 생성하며 다음과 유사합니다. 238 U 바람직하지 않은 행동. 특정 활동 235 U는 2.1 마이크로큐리/g에 불과합니다. 오염도는 0.8% 234 U는 그것을 51 마이크로큐리/g으로 높였습니다. 무기급 우라늄의 임계질량. (93.5% 235 U) 수용액의 경우 1kg 미만, 열린 공의 경우 약 50kg, 반사경이 있는 공의 경우 15~23kg입니다.

천연 우라늄에서는 상대적으로 희귀한 단 하나의 동위원소만이 원자폭탄의 핵심을 만들거나 원자로에서 반응을 유지하는 데 적합합니다. 농축 정도에 따라 235 원자력 발전소용 핵연료의 U는 2~4.5% 범위이고, 무기용으로는 최소 80%, 더욱 바람직하게는 90%입니다. 미국에서 235 무기급 U는 93.5%까지 농축됩니다(업계에서는 97.65%를 생산할 수 있음). 이러한 우라늄은 해군용 원자로에 사용됩니다.

논평. 내용물이 들어있는 우라늄 235 U 85% 이상을 무기급 우라늄이라고 하며 그 함량은 20% 이상 85% 미만입니다. 우라늄은 "나쁜"(비효과적인 폭탄)을 만드는 데 사용될 수 있기 때문에 무기용으로 적합합니다. 그러나 내파, 중성자 반사경 및 일부 고급 기술을 사용하면 "좋은" 폭탄을 만드는 데에도 사용할 수 있습니다. 다행히도 전 세계에서 이러한 트릭을 실제로 구현할 수 있는 국가는 2~3개국에 불과합니다. 오늘날 우라늄 폭탄은 어디에서도 생산되지 않는 것으로 보입니다(플루토늄은 핵무기에서 우라늄을 대체했습니다). 그러나 우라늄 폭탄의 대포 설계가 단순하고 이러한 폭탄의 생산 확대 가능성으로 인해 우라늄-235에 대한 전망은 여전히 남아 있습니다. 갑자기 필요성이 생깁니다.

더 가벼워짐 234 U는 비례적으로 훨씬 더 풍부해졌습니다. 235 U는 질량 차이를 기반으로 천연 우라늄 동위원소를 분리하는 모든 과정에서 원자폭탄 생산에 특정 문제를 야기합니다. 고농축 235 U는 보통 1.5-2.0%를 포함합니다. 234 유.

제235과 U는 원자무기, 에너지 생산, 중요한 악티늄족의 합성에 사용됩니다. 천연 우라늄은 원자로에서 중성자를 생성하는 데 사용됩니다. 연쇄반응은 핵분열로 생성된 과도한 중성자에 의해 유지됩니다. 235 U, 동시에, 연쇄반응에 의해 발견되지 않은 과잉 중성자는 또 다른 천연 동위원소에 의해 포획됩니다. 238 U는 중성자의 영향으로 핵분열이 가능한 플루토늄을 생성합니다.

U-236

자연에서 불순물 양으로 발견됨, α-방출체, T=2.3415⋅10 7 년,로 헤어진다 232 목. 중성자 충격으로 형성됨 235 그런 다음 U는 바륨 동위원소와 크립톤 동위원소로 분리되어 두 개의 중성자, 감마선을 방출하고 에너지를 방출합니다.

소량에서는 새로운 연료의 일부입니다. 우라늄은 원자로에서 중성자와 함께 조사될 때 축적되므로 사용후 우라늄 핵연료에 대한 "신호 장치"로 사용됩니다. 236 U는 사용후핵연료를 재생하는 경우 기체확산에 의한 동위원소 분리 과정에서 부산물로 생성된다. 이 동위원소는 원자로의 표적 물질로서 어느 정도 중요한 의미를 갖습니다. 재활용(가공) 우라늄을 원자로에 사용할 경우 천연 우라늄을 사용할 때와 중요한 차이가 있습니다. 사용후핵연료에서 분리된 우라늄에는 동위원소가 포함되어 있습니다. 236 U(0.5%)는 새로운 연료에 사용될 때 동위원소 생성을 촉진합니다. 238 푸. 이는 에너지급 플루토늄의 품질 저하로 이어지지만 핵 비확산 문제의 맥락에서는 긍정적인 요인이 될 수 있습니다.

동력로에서 형성됨 236 U는 중성자 독이므로 핵연료에 존재하는 U는 더 높은 수준의 농축으로 보상되어야 합니다. 235U.

U-238

우라늄-238(우라늄 I) - 고에너지 중성자(1MeV 이상)에 의한 핵분열성, 자연 분열 가능, 천연 우라늄(99.27%), α-방출체, T = 4.468⋅10의 기초를 형성함 9 년으로 직접 분류됩니다. 234 Th는 유전적으로 관련된 다수의 방사성 핵종을 형성하고 18개의 제품을 통해 206 납. 계열의 일정한 붕괴율로 인해 방사성 연대 측정에서 모 핵종과 딸 핵종의 농도 비율을 사용할 수 있습니다. 자연분열에 의한 우라늄-238의 반감기는 정확하게 확립되지 않았지만 매우 길다(약 10년). 16 따라서 주요 과정(알파 입자의 방출)과 관련된 핵분열 확률은 10에 불과합니다. -7 . 1kg의 우라늄은 초당 10번의 자발적 핵분열만을 생성하며, 동시에 α 입자는 2천만 개의 핵을 방출합니다. 모핵종: 242 Pu(α), 238 Pa(β-) 234 Th, 딸 - 234 Th.

우라늄-238은 핵분열에 필요한 고에너지 중성자 때문에 1차 핵분열 물질로 사용할 수 없지만 원자력 산업에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 밀도가 높고 원자량이 크며, 238 U는 원자폭탄과 수소폭탄의 전하/반사체 껍질을 만드는 데 적합합니다. 고속 중성자에 의해 핵분열된다는 사실은 전하의 에너지 출력을 증가시킵니다. 간접적으로, 반사 중성자의 곱셈에 의해 또는 직접적으로 고속 중성자에 의한 전하 껍질의 핵분열(융합 중)에 의해 증가합니다. 핵분열에 의해 생성된 중성자의 약 40%와 모든 핵융합 중성자는 핵분열에 충분합니다. 238 U 에너지. 238 U의 자연분열 속도는 U보다 35배 더 높습니다. 235 U, 5.51구간/s⋅kg. 이는 적절한 질량(200-300kg)이 너무 높은 중성자 배경을 생성하기 때문에 대포형 폭탄의 전하/반사체 껍질로 사용하는 것을 불가능하게 만듭니다. 깨끗한 238 U의 특정 방사능은 0.333 마이크로퀴리/g입니다. 이 우라늄 동위원소의 중요한 적용 분야는 생산입니다. 239 푸. 플루토늄은 원자에 포획된 후 시작되는 여러 반응을 통해 형성됩니다. 238 U 중성자. 235번째 동위원소에 천연 우라늄 또는 부분 농축 우라늄을 함유한 원자로 연료는 연료 주기가 끝난 후 특정 비율의 플루토늄을 함유합니다.

열화우라늄

추출 후 235 U는 천연우라늄에서 나오는데 남은 물질을 열화우라늄이라고 부르는데, 그 이유는 동위원소가 고갈되어 있다 235 너와 234 U. 축소된 콘텐츠 234 U(약 0.001%)는 천연 우라늄에 비해 방사능을 거의 절반으로 감소시키며, 함량이 감소하면 235 U는 열화우라늄의 방사능에 사실상 영향을 미치지 않습니다.

세계의 거의 모든 열화우라늄은 육불화물 형태로 저장됩니다. 미국은 3개의 가스 확산 농축 공장에 560,000톤의 감손육불화우라늄(UF6)을 보유하고 있으며 러시아에는 수십만 톤이 있습니다. 열화우라늄은 천연 우라늄의 절반 정도의 방사성을 갖고 있는데, 이는 주로 234 U. 우라늄의 주요 용도는 에너지 생산이기 때문에 열중성자를 갖춘 원자로에서 열화 우라늄은 경제적 가치가 낮은 쓸모없는 제품입니다.

안전의 관점에서 보면 열화육불화우라늄 가스를 고체인 산화우라늄으로 변환하는 것이 일반적인 관행입니다. 산화우라늄은 방사성 폐기물 형태로 매장되거나 고속 중성자로에서 사용되어 플루토늄을 생산할 수 있습니다.

산화우라늄 처리 방법에 대한 결정은 국가가 열화우라늄을 어떻게 처리해야 하는 방사성 폐기물로 보는지 또는 향후 사용에 적합한 물질로 보는지에 따라 달라집니다. 예를 들어, 미국에서는 최근까지 열화우라늄이 향후 사용을 위한 원료로 간주되었습니다. 그러나 2005년부터 이러한 관점이 바뀌기 시작했고 이제 미국에서는 열화우라늄 매장이 가능해졌습니다. 프랑스에서는 열화우라늄을 방사성 폐기물로 간주하지 않고 산화우라늄 형태로 저장해야 한다고 되어 있습니다. 러시아에서는 연방원자력청 지도부가 육불화우라늄을 폐기할 수 없는 귀중한 물질로 간주하고 있습니다. 폐육불화우라늄을 산화우라늄으로 변환하기 위한 산업 시설을 만드는 작업이 시작되었습니다. 생성된 우라늄 산화물은 고속 중성자로에서 추가로 사용하거나 추가 농축을 위해 장기간 저장될 것으로 예상됩니다. 235 U 다음에는 열 반응기에서 연소됩니다.

열화우라늄을 사용하는 방법을 찾는 것은 농축 시설에 큰 어려움을 안겨줍니다. 그 사용은 주로 우라늄의 밀도가 높고 상대적으로 저렴한 비용과 관련이 있습니다. 열화우라늄의 가장 중요한 두 가지 용도는 방사선 차폐와 항공기 제어 표면과 같은 항공우주 응용 분야의 안정기입니다. 각 보잉 747 항공기에는 이러한 목적을 위해 1,500kg의 감손 우라늄이 포함되어 있습니다. 열화우라늄은 주로 충격봉(유선 시추) 형태로 석유 시추에 사용되며, 그 무게로 인해 굴착 유체가 채워진 유정으로 공구가 이동됩니다. 이 소재는 고속 자이로스코프 로터, 대형 플라이휠, 우주 착륙선 및 경주용 요트의 밸러스트로 사용됩니다.

그러나 우라늄의 가장 유명한 용도는 갑옷을 관통하는 발사체의 코어로 사용되는 것입니다. 다른 금속과의 특정 합금 및 열처리(2% Mo 또는 0.75% Ti 합금, 물이나 기름 속에서 850°로 가열된 금속의 급속 담금질, 추가로 450°에서 5시간 동안 유지)를 통해 우라늄 금속은 더 단단해지고 강철보다 강합니다(간극 강도 > 1600MPa). 높은 밀도와 결합된 경화 우라늄은 훨씬 더 비싼 단결정 텅스텐과 효율성이 유사하게 장갑 관통에 매우 효과적입니다. 갑옷 파괴 과정에는 우라늄의 주요 부분을 먼지로 분쇄하고, 먼지가 보호 대상에 침투하고 그곳에서 점화되는 과정이 수반됩니다. 사막의 폭풍 동안 전장에는 300톤의 고갈 우라늄이 남아 있었습니다(대부분 A-10 공격기의 30mm GAU-8 포탄 잔해, 각 포탄에는 272g의 우라늄 합금이 포함되어 있음). 열화우라늄은 M-1 Abrams 탱크(미국)와 같은 탱크 장갑에 사용됩니다. -4 중량%(지역에 따라 2-4ppm), 산성 화성암 내 3.5 10 -4 %, 점토 및 셰일에서 3.2 10 -4 %, 기본 암석 5·10에서 -5 %, 초염기성 맨틀 암석 3·10 -7 %. 20km 두께의 암석권 층에 있는 우라늄의 양은 1.3⋅10로 추정됩니다. 14 t. 지각을 구성하는 모든 암석의 일부이며, 자연수와 생물체에도 존재합니다. 두꺼운 침전물을 형성하지 않습니다. 우라늄의 대부분은 실리콘 함량이 높은 산성 암석에서 발견됩니다. 우라늄 농도는 초염기성 암석에서 가장 낮고 퇴적암(인산염 및 탄소질 셰일)에서 가장 높습니다. 바다에는 10개의 10 우라늄 t. 토양의 우라늄 농도는 0.7~11ppm(인 비료로 비옥해진 농업 토양의 경우 15ppm), 해수에서는 0.003ppm 범위에서 다양합니다.

우라늄은 지구에서 자유 형태로 발견되지 않습니다. U 함량이 1% 이상인 우라늄 광물은 100가지가 알려져 있습니다. 이들 광물 중 약 1/3은 우라늄이 4가이고 나머지는 6가입니다. 이들 우라늄 광물 중 15개는 단순 산화물 또는 수산기이고, 20개는 복합 티타네이트 및 니오브산염, 14개는 규산염, 17개는 인산염, 10개는 탄산염, 6개는 황산염, 8개는 바나듐산염, 8개는 비산염입니다. 무기한 형태우라늄 화합물은 해양 기원의 일부 탄소질 셰일, 갈탄 및 석탄뿐만 아니라 화성암의 입계 필름에서도 발견됩니다. 15개의 우라늄 광물은 산업적으로 중요합니다.

대규모 광석 매장지의 주요 우라늄 광물은 산화물(우라늄 피치, 우라닌산염, 코피니타이트), 바나듐산염(카르노타이트 및 튜야무나이트) 및 복합 티타네이트(브라너라이트 및 다비다이트)로 대표됩니다. 티탄산염은 산업적으로도 중요합니다(예: branerite UTi). 2오 6 , 규산염 - 공동 유한 U 1-x(OH) 4x , 탄탈로늄 베이트 및 수화 인산염 및 우라닐 비산염 - 우라늄 운모. 우라늄은 자연에서 천연 원소로 발생하지 않습니다. 우라늄은 여러 산화 단계로 존재할 수 있기 때문에 매우 다양한 지질 환경에서 발견됩니다.

우라늄의 응용

선진국에서는 우라늄 생산이 주로 핵분열성 핵종 생성을 목표로 하고 있습니다. 235U 및 233U, 239 Pu) - 무기급 핵종과 핵무기 구성 요소(전략 및 전술적 목적을 위한 원자폭탄 및 발사체, 중성자 폭탄, 수소폭탄 방아쇠 등) 생산을 위한 산업용 원자로 연료. 원자폭탄의 농도 235 U가 75%를 초과합니다. 나머지 세계에서는 우라늄 금속 또는 그 화합물이 발전 및 연구용 원자로의 핵 연료로 사용됩니다. 우라늄 동위원소의 천연 또는 저농축 혼합물은 원자력 발전소의 고정형 원자로에 사용되며, 고농축 제품은 원자력 발전소(열, 전기 및 기계 에너지, 방사선 또는 빛의 소스) 또는 고속으로 작동하는 원자로에 사용됩니다. 중성자. 원자로는 종종 합금 및 비합금 우라늄 금속을 사용합니다. 그러나 일부 유형의 원자로는 고체 화합물 형태의 연료를 사용합니다(예: UO 2 ), 우라늄의 수성 화합물 또는 우라늄과 다른 금속의 액체 합금.

우라늄의 주요 용도는 원자력 발전소의 핵연료 생산입니다. 설치 용량이 1,400MW인 가압수형 원자로는 50개의 새로운 연료 요소를 생산하는 데 연간 225톤의 천연 우라늄이 필요하며, 이는 해당 수의 사용된 연료봉으로 교환됩니다. 이 원자로를 적재하려면 약 130톤의 SWU(분리 작업 장치)가 필요하며 연간 4천만 달러 수준의 비용이 필요합니다. 원자로 연료의 우라늄-235 농도는 2~5%이다.

우라늄 광석은 그로부터 라듐(광석 3톤당 약 1g의 함량)과 기타 천연 방사성 핵종을 추출한다는 관점에서 여전히 관심을 끌고 있습니다. 우라늄 화합물은 유리 산업에서 유리를 빨간색이나 녹색으로 착색하거나 아름다운 녹황색 색조를 부여하는 데 사용됩니다. 또한 형광 유리 생산에도 사용됩니다. 우라늄을 소량 첨가하면 유리에 아름다운 황록색 형광이 나타납니다.

1980년대까지 천연 우라늄은 세라믹을 포함하여 치과의사들이 널리 사용하여 의치와 크라운에서 자연스러운 색상을 얻고 원래의 형광을 유도할 수 있었습니다. (우라늄 턱은 당신의 미소를 더 밝게 만듭니다!) 1942년의 최초 특허에서는 우라늄 함량을 0.1%로 권장합니다. 이후 천연우라늄은 열화우라늄으로 대체됐다. 여기에는 더 저렴하고 방사능이 적다는 두 가지 장점이 있습니다. 우라늄은 또한 램프 필라멘트, 가죽 및 목재 산업에서 염료 성분으로 사용되었습니다. 우라늄염은 양모와 가죽의 매염제와 염색 용액에 사용됩니다. 우라닐 아세테이트와 우라닐 포메이트는 투과전자현미경에서 전자흡수 장식제로 사용되며 생물학적 물체의 얇은 부분의 대비를 높이고 바이러스, 세포 및 거대분자를 염색하는 데 사용됩니다.

Na 2 U 2 O 7 유형의 우라네이트 (“황색 우라닐”)은 세라믹 유약과 에나멜의 안료로 사용됩니다(산화 정도에 따라 노란색, 녹색, 검은색으로 표시됨). 나 2U2O7 그림에서 노란색 페인트로도 사용됩니다. 일부 우라늄 화합물은 감광성입니다. 20세기 초 우라닐 질산염은 네거티브를 강화하고 착색된 사진 인쇄물(포지티브를 갈색 또는 갈색으로 착색)을 생성하기 위한 진동제로 널리 사용되었습니다. 우라닐 아세테이트 UO 2 (H3COOH) 2 에 사용 분석 화학– 나트륨과 함께 불용성 염을 형성합니다. 인 비료에는 상당히 많은 양의 우라늄이 포함되어 있습니다. 우라늄 금속은 고에너지 X선을 생성하도록 설계된 X선관의 표적으로 사용됩니다.

일부 우라늄 염은 방향족 탄화수소의 산화, 식물성 기름의 탈수 등과 같은 화학 반응에서 촉매로 사용됩니다. 탄화물 235 니오븀 카바이드와 지르코늄 카바이드가 포함된 합금의 U는 핵 제트 엔진(작동 유체 - 수소 + 헥산)의 연료로 사용됩니다. 철과 열화우라늄의 합금( 238 U)는 강력한 자기 변형 재료로 사용됩니다.

국가 경제에서 열화우라늄은 항공기 평형추와 의료 방사선 치료 장비용 방사선 방지 스크린 제조에 사용됩니다. 열화우라늄은 방사성 화물과 핵폐기물을 운반하기 위한 운송 컨테이너는 물론 생물학적 보호를 위한 제품(예: 보호막)을 만드는 데 사용됩니다. γ선 흡수 측면에서 우라늄은 납보다 5배 더 효과적이므로 보호막의 두께를 크게 줄이고 방사성 핵종 운반용 용기의 부피를 줄일 수 있습니다. 방사성 폐기물을 위한 건조 저장 시설을 만들기 위해 자갈 대신 열화우라늄 산화물을 기반으로 한 콘크리트가 사용됩니다.

열화우라늄은 천연 우라늄의 절반 정도의 방사성을 갖고 있는데, 이는 주로 234 U. 특히 발사체의 장갑 관통 특성을 향상시키기 위해 장갑강 합금에 사용됩니다. 2% Mo 또는 0.75% Ti와 합금하고 열처리(물이나 기름 속에서 850°C로 가열된 금속을 급속 담금질하고 5시간 동안 450°에서 유지)하면 우라늄 금속은 강철보다 더 단단하고 강해집니다(인장 강도가 더 높습니다). 순수 우라늄의 경우 450MPa임에도 불구하고 1600MPa 이상입니다. 높은 밀도와 결합하여 경화된 우라늄 주괴는 더 비싼 텅스텐과 효율성이 비슷한 매우 효과적인 갑옷 관통 장치가 됩니다. 무거운 우라늄 팁은 또한 발사체의 질량 분포를 변경하여 공기 역학적 안정성을 향상시킵니다. 이러한 발사체(예: 우라늄과 티타늄의 합금)가 갑옷에 부딪히면 부서지지 않지만 자체적으로 날카롭게 되어 관통력이 더 커집니다. 갑옷 파괴 과정에는 우라늄 돼지를 분쇄하여 먼지로 만들고 탱크 내부의 공기 중에서 점화하는 과정이 수반됩니다. 열화우라늄은 현대식 탱크 장갑에 사용됩니다.

강철에 소량의 우라늄을 첨가하면 부서지기 쉬우면서도 경도가 높아지고 산에 대한 저항성이 높아집니다. 왕수와 관련해서도 특히 내산성은 녹는점이 1200°C인 우라늄과 니켈(66% 우라늄과 33% 니켈) 합금입니다.영형 . 열화우라늄은 항공기 조종면과 같은 항공우주 응용 분야의 밸러스트로도 사용됩니다. 이 소재는 고속 자이로스코프 로터, 대형 플라이휠, 우주 착륙선과 경주용 요트의 밸러스트, 석유 시추에 사용됩니다.

이미 언급했듯이 우라늄 원자폭탄은 우리 시대에는 제조되지 않습니다. 그러나 현대의 플루토늄 폭탄에서는 238 U(열화우라늄 포함)는 여전히 사용되고 있습니다. 이는 중성자를 반사하고 내파 폭발 방식으로 플루토늄 전하의 압축에 관성을 추가하는 전하 껍질을 형성합니다. 이는 무기의 효율성을 크게 높이고 임계 질량을 감소시킵니다(즉, 핵분열 연쇄 반응을 생성하는 데 필요한 플루토늄의 양을 감소시킵니다). 열화우라늄은 수소폭탄에도 사용되는데, 이를 열핵 충전물로 포장하여 초고속 중성자의 강한 흐름을 핵분열로 유도함으로써 무기의 에너지 출력을 증가시킵니다. 이러한 폭탄은 3단계의 폭발을 거쳐 핵분열-융합-분열무기라고 불린다. 그러한 무기의 폭발로 인해 발생하는 대부분의 에너지는 핵분열에서 나옵니다. 238 U, 상당한 양의 방사성 제품을 생산하고 있습니다. 예를 들어, 아이비 마이크(Ivy Mike) 테스트(1952)에서 10.4 메가톤의 출력을 가진 수소폭탄이 폭발하는 동안 에너지의 77%는 우라늄 껍질의 핵분열 과정에서 나왔습니다. 열화우라늄은 임계질량이 없기 때문에 폭탄에 무제한으로 추가할 수 있습니다. 1961년 Novaya Zemlya에서 "단지" 50메가톤의 출력으로 폭발한 소련의 수소 폭탄(Tsar Bomba - Kuzkina의 어머니)에서 껍질이 다음과 같이 만들어졌기 때문에 출력의 90%는 열핵 융합 반응으로 인한 것입니다. 238 U는 폭발의 마지막 단계에서 납으로 대체되었습니다. 쉘이 (처음에 조립된 대로) 만들어진 경우 238 아, 그러면 폭발력은 100메가톤을 초과했고 방사성 낙진은 전 세계 핵무기 실험 총액의 1/3에 달했습니다.

천연 우라늄 동위원소는 지질연대학에서 암석과 광물의 절대 연대를 측정하는 데 사용됩니다. 1904년에 어니스트 러더퍼드는 지구의 나이와 가장 오래된 광물이 우라늄의 반감기와 같은 크기라는 사실에 주목했습니다. 동시에 그는 밀도가 높은 암석에 포함된 헬륨과 우라늄의 양으로 연대를 결정하자고 제안했습니다. 그러나 이 방법의 단점은 곧 명백해졌습니다. 이동성이 매우 뛰어난 헬륨 원자는 밀도가 높은 암석에서도 쉽게 확산됩니다. 그들은 주변 광물에 침투하고 모 우라늄 핵 근처에는 방사성 붕괴 법칙에 따라 따르는 것보다 훨씬 적은 양의 헬륨이 남아 있습니다. 따라서 암석의 나이는 우라늄 핵 붕괴의 최종 산물인 우라늄과 방사성 납의 비율로 계산됩니다. 예를 들어 운모와 같은 일부 물체의 나이는 결정하기가 훨씬 쉽습니다. 물질의 나이는 붕괴된 우라늄 원자의 수에 비례하며, 이는 흔적의 수에 의해 결정됩니다. 물질. 우라늄 농도와 트랙 농도의 비율에 따라 고대 보물(꽃병, 보석 등)의 연대를 계산할 수 있습니다. 지질학에서는 '우라늄 시계'라는 특별한 용어도 만들어졌습니다. 우라늄 시계는 매우 다재다능한 도구입니다. 우라늄 동위원소는 많은 암석에서 발견됩니다. 지각의 우라늄 농도는 평균 3ppm입니다. 이것은 우라늄과 납의 비율을 측정하고 방사성 붕괴 공식을 사용하여 광물의 결정화 이후 경과된 시간을 계산하기에 충분합니다. 우라늄-납 방법을 이용하면 가장 오래된 광물의 나이를 측정할 수 있었고, 운석의 나이를 이용하면 행성 지구의 탄생일을 알아낼 수 있었다. 달 토양의 나이도 알려져 있습니다. 달 토양의 가장 어린 조각은 가장 오래된 육상 광물보다 오래되었습니다.

핵연료는 원자로에서 제어된 연쇄반응을 수행하기 위해 사용되는 물질입니다. 이는 극도로 에너지 집약적이며 인간에게 안전하지 않아 사용에 여러 가지 제한이 있습니다. 오늘은 원자로 연료가 무엇인지, 어떻게 분류되고 생산되는지, 어디에 사용되는지 알아보겠습니다.

연쇄반응의 진행

핵 연쇄 반응 중에 핵은 핵분열 조각이라고 불리는 두 부분으로 나누어집니다. 동시에 여러 개의(2-3) 중성자가 방출되어 후속 핵분열을 유발합니다. 이 과정은 중성자가 원래 물질의 핵에 부딪힐 때 발생합니다. 핵분열 파편은 높은 운동 에너지를 가지고 있습니다. 물질에 대한 억제는 엄청난 양의 열 방출을 동반합니다.

핵분열 파편과 붕괴 생성물을 핵분열 생성물이라고 합니다. 모든 에너지의 중성자를 공유하는 핵을 핵연료라고 합니다. 원칙적으로 홀수 개의 원자를 가진 물질입니다. 일부 핵은 에너지가 특정 임계값보다 높은 중성자에 의해서만 핵분열됩니다. 이들은 주로 짝수의 원자를 가진 원소입니다. 임계 핵에 의해 중성자를 포획하는 순간 연료 핵이 형성되기 때문에 이러한 핵을 원료라고 합니다. 가연성 물질과 원자재를 합친 것을 핵연료라고 합니다.

TVEL 및 TVS

원자로 연료는 작은 알갱이 형태로 사용됩니다. 이는 밀봉된 연료 요소(연료 요소)에 배치되고, 이는 다시 수백 개의 연료 집합체(FA)로 결합됩니다. 핵연료에는 연료봉 클래딩과의 호환성에 대한 높은 요구 사항이 적용됩니다. 충분한 용융 및 증발 온도, 양호한 열전도도를 가져야 하며, 중성자 조사 시 부피가 크게 증가하지 않아야 합니다. 생산의 제조 가능성도 고려됩니다.

애플리케이션

연료는 연료 집합체의 형태로 원자력 발전소 및 기타 원자력 시설에 공급됩니다. 이는 작동 중(소진된 연료 집합체 대신) 및 수리 캠페인 중에 원자로에 로드될 수 있습니다. 후자의 경우 연료 집합체는 대규모 그룹으로 교체됩니다. 이 경우 연료의 1/3만 완전히 교체됩니다. 가장 많이 소진된 어셈블리는 원자로의 중앙 부분에서 하역되고 그 자리에는 이전에 덜 활동적인 영역에 있던 부분적으로 소진된 어셈블리가 배치됩니다. 결과적으로 후자 대신에 새로운 연료 집합체가 설치됩니다. 이 간단한 재배열 방식은 전통적인 것으로 간주되며 여러 가지 장점이 있으며, 그 중 주요 장점은 균일한 에너지 방출을 보장한다는 것입니다. 물론 이것은 프로세스에 대한 일반적인 아이디어만을 제공하는 개략도입니다.

발췌

사용후핵연료는 원자로 노심에서 제거된 후 보통 근처에 위치한 냉각수조로 보내진다. 사실 사용후 연료 집합체에는 엄청난 양의 우라늄 핵분열 파편이 포함되어 있습니다. 원자로에서 하역된 후 각 연료봉에는 약 30만 퀴리의 방사성 물질이 포함되어 있으며 시간당 100kW의 에너지를 방출합니다. 이로 인해 연료는 자체 가열되어 방사능이 높아집니다.

새로 내리는 연료의 온도는 300°C에 도달할 수 있습니다. 따라서 온도가 설정된 범위로 유지되는 수층 아래에서 3-4 년 동안 보관됩니다. 물 속에 저장되면 연료의 방사능과 잔류 배출의 힘이 감소합니다. 약 3년 후에는 연료 집합체의 자체 발열이 50~60°C에 도달합니다. 그런 다음 연료는 저장조에서 제거되어 처리 또는 폐기를 위해 보내집니다.

우라늄 금속

우라늄 금속은 원자로의 연료로 비교적 드물게 사용됩니다. 물질의 온도가 660°C에 도달하면 구조 변화와 함께 상전이가 발생합니다. 간단히 말해서 우라늄의 부피가 증가하면 연료봉이 파괴될 수 있습니다. 200-500°C의 온도에서 장기간 조사하면 물질은 방사선 성장을 겪습니다. 이 현상의 본질은 조사된 우라늄 막대가 2~3배 늘어나는 것입니다.

500°C 이상의 온도에서는 우라늄 금속의 팽창으로 인해 사용이 어렵습니다. 핵분열 후 두 개의 조각이 형성되며 그 총 부피는 바로 핵의 부피를 초과합니다. 일부 핵분열 조각은 가스 원자(크세논, 크립톤 등)로 표시됩니다. 가스는 우라늄의 기공에 축적되어 내부 압력을 형성하며, 이는 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 원자 부피의 증가와 가스 압력의 증가로 인해 핵연료가 부풀어 오르기 시작합니다. 따라서 이는 핵분열과 관련된 부피의 상대적 변화를 나타냅니다.

팽윤의 강도는 연료봉의 온도와 연소에 따라 달라집니다. 연소도가 증가하면 핵분열 파편의 수가 증가하고, 온도와 연소도가 증가하면 내부 가스 압력도 증가합니다. 연료의 기계적 특성이 높을수록 팽창이 덜 발생합니다. 우라늄 금속은 이러한 물질 중 하나가 아닙니다. 따라서 원자로용 연료로 사용하면 연료의 주요 특성 중 하나인 연소도가 제한됩니다.

우라늄의 기계적 성질과 방사선 저항성은 재료를 합금화함으로써 향상됩니다. 이 공정에는 알루미늄, 몰리브덴 및 기타 금속을 추가하는 작업이 포함됩니다. 도핑 첨가제 덕분에 포획당 필요한 핵분열 중성자의 수가 감소합니다. 따라서 중성자를 약하게 흡수하는 물질이 이러한 목적으로 사용됩니다.

내화성 화합물

탄화물, 산화물, 금속간 화합물 등 일부 내화성 우라늄 화합물은 좋은 핵연료로 간주됩니다. 이들 중 가장 흔한 것은 이산화우라늄(세라믹)입니다. 녹는점은 2800°C이고 밀도는 10.2g/cm 3 입니다.

이 물질은 상전이를 겪지 않기 때문에 우라늄 합금보다 팽창에 덜 민감합니다. 이 기능 덕분에 연소 온도를 몇 퍼센트까지 높일 수 있습니다. 고온에서 세라믹은 니오븀, 지르코늄, 스테인리스강 및 기타 재료와 상호 작용하지 않습니다. 주요 단점은 열전도율이 4.5kJ(m*K)로 낮아 원자로의 비출력을 제한한다는 것입니다. 또한 뜨거운 세라믹은 깨지기 쉽습니다.

플루토늄

플루토늄은 저융점 금속으로 간주됩니다. 640°C의 온도에서 녹습니다. 플라스틱 특성이 좋지 않아 가공이 사실상 불가능합니다. 물질의 독성으로 인해 연료봉 제조 기술이 복잡해집니다. 원자력 산업계에서는 플루토늄과 그 화합물을 사용하려고 반복적으로 시도했지만 성공하지 못했습니다. 표준 원자로 제어 시스템이 설계되지 않은 가속 기간이 약 2배 감소하기 때문에 플루토늄을 포함하는 원자력 발전소에 연료를 사용하는 것은 권장되지 않습니다.

핵연료 제조에는 일반적으로 이산화플루토늄, 플루토늄과 광물의 합금, 탄화플루토늄과 탄화우라늄의 혼합물이 사용됩니다. 우라늄 및 플루토늄 화합물 입자가 몰리브덴, 알루미늄, 스테인리스강 및 기타 금속의 금속 매트릭스에 배치된 분산 연료는 높은 기계적 특성과 열전도율을 갖습니다. 분산 연료의 방사선 저항과 열전도도는 매트릭스 재료에 따라 달라집니다. 예를 들어, 최초의 원자력 발전소에서 분산 연료는 몰리브덴으로 채워진 9% 몰리브덴을 포함하는 우라늄 합금 입자로 구성되었습니다.

토륨 연료는 연료봉 생산 및 가공의 어려움으로 인해 현재 사용되지 않습니다.

생산

핵연료의 주요 원자재인 우라늄의 상당량은 러시아, 미국, 프랑스, 캐나다, 남아프리카공화국 등 여러 국가에 집중되어 있습니다. 그 매장지는 일반적으로 금과 구리 근처에 위치하므로 이러한 모든 재료는 동시에 채굴됩니다.

광산에서 일하는 사람들의 건강은 큰 위험에 처해 있습니다. 사실 우라늄은 독성 물질이며, 채굴 중에 방출되는 가스는 암을 유발할 수 있습니다. 그리고 이는 광석에 이 물질이 1% 이하로 포함되어 있음에도 불구하고 그렇습니다.

영수증

우라늄 광석으로부터 핵연료를 생산하는 과정은 다음과 같은 단계를 포함합니다.

습식 야금 처리. 침출, 파쇄, 추출 또는 흡착 회수가 포함됩니다. 습식 야금 처리의 결과는 옥시우라늄 산화물, 나트륨 디우라네이트 또는 암모늄 디우라네이트의 정제된 현탁액입니다.
우라늄-235를 농축하는 데 사용되는 물질을 산화물에서 사불화물 또는 육불화물로 전환하는 것입니다.
원심분리 또는 가스 열확산에 의한 물질의 농축.
농축된 물질을 이산화물로 변환하여 연료봉 "펠릿"이 생성됩니다.

재건

원자로가 작동하는 동안 연료는 완전히 연소되지 않으므로 자유 동위원소가 재생산됩니다. 이에 사용후핵연료봉은 재사용을 목적으로 재생처리 대상이 되고 있다.

오늘날 이 문제는 다음 단계로 구성된 Purex 프로세스를 통해 해결됩니다.

연료봉을 두 부분으로 절단하여 질산에 녹이는 단계;
핵분열 생성물 및 쉘 부품에서 용액을 청소합니다.
우라늄과 플루토늄의 순수한 화합물 분리.

그 후, 생성된 이산화플루토늄은 새로운 노심 생산에 사용되고, 우라늄은 농축이나 노심 생산에 사용됩니다. 핵연료 재처리는 복잡하고 비용이 많이 드는 과정이다. 그 비용은 원자력 발전소 사용의 경제적 타당성에 중요한 영향을 미칩니다. 재생에 적합하지 않은 핵연료 폐기물 처리에 대해서도 마찬가지입니다.