Основы радиохимии и радиоэкологии (стр. 43 из 63)

Таким образом,

U с одной стороны является ядом для цепной реакции. С другой стороны в результате радиационного захвата возможно воспроизводство ядерного горючего с образованием делящегося

Pu.

Pu используется, в основном, для производства ядерного оружия.

Если ядерный реактор работает на смеси природного

Th с

U при радиационном захвате нейтрона торием возможно получение ²³³₉₂U:

Th (n, γ) Th Pa U

Уран-233 является ядерным топливом для атомных электростанций и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг). Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

В ядерных реакторах в качестве тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) могут использоваться чистый уран или его сплавы с алюминием, цирконием, хромом, цинком.. В большинстве энергетических реакторов обычно применяют керамические сердечники из двуокиси урана (UO₂), которые не деформируются в течение рабочего цикла выгорания топлива. Другое важное свойство этого соединения — отсутствие реакции с водой, которая может привести в случае разгерметизации оболочки ТВЭЛа к попаданию радиоактивных элементов в теплоноситель. Также, к достоинствам диоксида урана можно отнести то, что его плотность близка плотности самого урана, что обеспечивает нужный поток нейтронов в активной зоне.

Рис. Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы)

Четверть века назад ядерные реакторы обычно называли атомными котлами, подчеркивая тем самым суть происходящих в них процессов: главное – это выделение энергии. Но если в обычных топках горючее полностью (или почти полностью) сгорает, то в ядерном реакторе все обстоит иначе. В рабочем цикле выгорает лишь незначительная доля урана: «протопить» реактор до полного выгорания ядерного горючего технически невозможно. Уран в реакторе постепенно «зашлаковывается» продуктами деления и в нем меньше становится урана-235. Цепная реакция неизбежно начинает глохнуть, и поддержать ее можно, только сменив твэлы. Поэтому старые твэлы снимают и отправляют на переработку: их растворяют в кислотах и извлекают уран из раствора методом экстракции. Уран легко образует экстрагируемые комплексы и переходит в органическую фазу, а осколки деления, от которых нужно избавиться, остаются в водном растворе.

Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки. При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы. В микроколичествах (10⁻⁵—10⁻⁸ %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких — 50 %. Основные депо в организме: селезёнка, почки, скелет, печень, лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10⁻⁷г.

10.9 ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ( ₉₃Np, ₉₄Pu, ₉₅Am)

10.9.1 ОБЩИЕ СВОЙСТВА ТРАНСУРАНОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Трансурановые элементы,химические элементы, расположенные в периодической системе элементов Д. И. Менделеева за ураном, то есть с атомным номером Z  93. Из-за относительно высокой скорости радиоактивного распада трансурановых элементов в заметных количествах не сохранились в земной коре. Возраст Земли около 510⁹ лет, а период полураспада T_1/2 наиболее долгоживущих изотопов трансурановых элементов меньше 10⁷ лет. За время существования Земли трансурановых элементов, возникшие в процессе нуклеосинтеза, либо полностью распались, либо их количество резко уменьшилось (до 10¹² раз). В природных минералах найдены микроколичества ²⁴⁴Pu — наиболее долгоживущего из трансурановых элементов (T_1/2 ~ 810⁶ лет), который, возможно, сохранился на Земле с момента её формирования. В урановых рудах обнаружены следы ²³⁷Np (T_1/2 ~ 2,1410⁶ лет) и ²³⁹Pu (T_1/2 ~ 2,410⁴ лет), которые образуются в результате ядерных реакций с участием ядер U.

Основным методом получения нептуния, плутония и америция является облучение урана, нептуния, плутония медленными нейтронами:

В свободном состоянии нептуний, плутоний, америций – серебристые металлы большой плотности, в порошкообразном состоянии они пирофорны.

Химия водных растворов этих элементов исследована с использованием микрохимии из-за их высокой массовой активности Все рассматриваемые элементы в степени окисления +3 и +4 находятся в водных растворах ( в отсутствие гидролиза и комплексообразования) в виде гидратированных ионов состава [ Me(H₂O)_x]ⁿ⁺.

Склонность к комплексообразованию актиноидов в степени окисления +3 изменяется в ряду:

Pu ≥ Am >Np>U

Все эти металлы сплавляются друг с другом в широком интервале концентраций и проявляют способность образовывать интерметаллические соединения.

Наиболее сложной проблемой является отделение трансурановых элементов от облучаемого элемента и друг от друга.

Решение этой задачи основано на том, что для каждого элемента рассматриваемой группы характерна своя устойчивая степень окисления: для урана +6, для нептуния +5, для плутония +4, для америция +3. Наиболее эффективными являются ионообменные и экстракционные методы. Меньшее значение для целей разделения и выделения этих элементов имеют осадительные методы.

Практическое использование элементов рассматриваемой группы определяется их ядерно-физическими характеристиками, а не химическими свойствами. Многие изотопы рассматриваемых элементов способны к делению под действием нейтронов и используются в качестве ядерного топлива.

Остановимся подробнее на рассмотрении отдельных элементов этой группы.

10.9.2 НЕПТУНИЙ ₉₃Np

93 Np237Нептуний

[Rn]7s25f46d1

Первый трансурановый элемент нептуний ₉₃Np открыт в 1940 г. Э. Мак - Миланом и П. Эйблсоном в лаборатории Г. Сиборга в Беркли (США) при облучении урана медленными нейтронами.

В настоящее время получено 11 изотопов нептуния с массовыми числами 231-241. Один из изотопов нептуния,

, является родоначальником радиоактивного семейства 4n+1, обнаружен в природных минералах урана. Отношение / в урановой смоляной руде из Конго составляет около 1.8∙10^-12.

Основным источником получения нептуния в настоящее время служат ядерные реакции с участием изотопов урана, протекающие под действием нейтронов, дейтонов и α-частиц. Наиболее важны в этом отношении реакции, происходящие в ядерных реакторах, предназначенных для производства

и энергетических реакторах на уране, обогащенном :

,

,

Скорость накопления нептуния в таких установках весьма высока и может составлять в реакторах для производства

0,1 % скорости образования плутония. Так как плутоний производится в очень больших количествах то, очевидно, что при этом образуются значительные количества .

Другие изотопы нептуния получают с помощью ускорителей частиц: