Уран U (элемент) — что такое, когда открыли, как работает, где добывают, фото и видео

Уран(элемент) - что такое, когда открыли, как работает, где добывают, фото и видео Энергетика

Уран присутствует в большинстве горных пород в концентрациях от 2 до 4 частей на миллион и так же часто встречается в земной коре, как олово, вольфрам и молибден. Уран содержится в морской воде и может быть извлечен из океанов.

Когда был открыт элемент Уран?

Уран был открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Клапротом в минерале, называемом уранит. Он был назван в честь планеты Уран, которая была открыта восемью годами ранее.

Уранит - минерал
Уранит — минерал

Когда появился Уран, где используют

Уран, около 6,6 миллиарда лет назад. Хотя он не распространен в Солнечной системе, сегодня его медленный радиоактивный распад является основным источником тепла внутри Земли, вызывая конвекцию и дрейф континентов.

Высокая плотность урана означает, что он также находит применение в килях яхт и в качестве противовесов для рулевых поверхностей самолетов, а также для защиты от радиации.

Температура плавления Урана

Уран имеет температуру плавления 1132 ° C. Химический символ урана — U.

Атом урана

Атом урана
Атом урана

Уран является одним из самых тяжелых из всех природных элементов (водород — самый легкий). Уран в 18,7 раз плотнее воды. Как и другие элементы, уран присутствует в нескольких слегка отличающихся формах, известных как «изотопы». Эти изотопы отличаются друг от друга количеством незаряженных частиц (нейтронов) в ядре. Природный уран, обнаруженный в земной коре, в основном представляет собой смесь двух изотопов: урана-238 (U-238), составляющего 99,3%, и урана-235 (U-235), составляющего около 0,7%.

Уран 235, уран 238
Уран 235, уран 238

Изотоп U-235 важен, потому что при определенных условиях он легко расщепляется, что дает много энергии. Поэтому его называют «делящимся», и мы используем выражение «ядерное деление». Между тем, как и все радиоактивные изотопы, они распадаются. U-238 распадается очень медленно, его период полураспада примерно такой же, как возраст Земли (4500 миллионов лет). Это означает, что он практически не радиоактивен, в меньшей степени, чем многие другие изотопы в камнях и песке. Тем не менее он генерирует 0,1 Вт/тонну в виде остаточного тепла, и этого достаточно, чтобы нагреть ядро Земли. U-235 распадается немного быстрее.

Энергия от атома урана

Деление Урана
Деление Урана

Ядро атома U-235 состоит из 92 протонов и 143 нейтронов (92+143=235). Когда ядро атома U-235 захватывает движущийся нейтрон, он разделяется на две части (деление) и выделяет некоторую энергию в виде тепла, а также выбрасываются два или три дополнительных нейтрона. Если достаточное количество выброшенных нейтронов вызовет расщепление ядер других атомов U-235 с высвобождением дополнительных нейтронов, может быть достигнута «цепная реакция» деления. Когда это происходит снова и снова, много миллионов раз, очень большое количество тепла вырабатывается из относительно небольшого количества урана. Именно этот процесс происходит в ядерном реакторе. Тепло используется для производства пара для производства электроэнергии.

Внутри реактора

Ядерные электростанции и электростанции, работающие на ископаемом топливе, аналогичной мощности имеют много общего. Оба требуют тепла для производства пара для привода турбин и генераторов. Однако на атомной электростанции расщепление атомов урана заменяет сжигание угля или газа. В ядерном реакторе урановое топливо собрано таким образом, что может быть достигнута управляемая цепная реакция деления. Тепло, создаваемое расщеплением атомов U-235, затем используется для производства пара, который вращает турбину, приводя в движение генератор, производя электричество. Цепная реакция, происходящая в активной зоне ядерного реактора, контролируется стержнями, которые поглощают нейтроны и которые могут быть вставлены или извлечены, чтобы установить реактор на требуемый уровень мощности. Топливные элементы окружены веществом, называемым замедлителем, чтобы замедлить скорость испускаемых нейтронов и, таким образом, позволить цепной реакции продолжаться. Вода, графит и тяжелая вода используются в качестве замедлителей в различных типах реакторов. Из-за типа используемого топлива (т. е. Концентрации U-235), в случае серьезной неисправленной ошибки в реакторе топливо может перегреться, и оно плавится.

По теме:  Ветряки: плюсы и минусы ветроэнергетики

Уран и плутоний

Уран и плутоний
Уран и плутоний

В то время как ядро U-235 является «делящимся», ядро U-238 считается «плодородным». Это означает, что он может захватить один из нейтронов, летящих в активной зоне реактора, и превратиться (косвенно) в делящийся плутоний-239. Pu-239 очень похож на U-235 тем, что он расщепляется при попадании нейтрона, и он дает такое же количество энергии.

Поскольку в активной зоне реактора (большая часть топлива) содержится так много U-238, эти реакции происходят часто, и на самом деле около одной трети выхода энергии из топлива происходит за счет «сжигания» Pu-239, но иногда атом Pu-239 просто захватывает нейтрон, не расщепляясь, и он становится Pu-240. Поскольку Pu-239 либо постепенно «сжигается», либо превращается в Pu-240, чем дольше топливо остается в реакторе, тем больше в нем Pu-240. (Значение этого состоит в том, что когда отработанное топливо удаляется примерно через три года, плутоний в нем не пригоден для изготовления оружия, но может быть переработан в качестве топлива.)

Как делают и добывают уран?

Урановая руда может быть добыта шахтным или подземным способом и открытым способом в зависимости от его глубины залегания. После добычи руда дробится и измельчается. Затем его обрабатывают кислотой, чтобы растворить уран, который извлекают из раствора.

Уран также можно добывать методом выщелачивания на месте (ППВ), когда он растворяется из пористого подземного рудного тела на месте и перекачивается на поверхность.

Конечным продуктом стадий добычи и измельчения или ППВ является концентрат оксида урана (U3O8). Это форма, в которой уран продается.
Однако, прежде чем его можно будет использовать в реакторе для выработки электроэнергии, он должен пройти ряд процессов для производства пригодного для использования топлива.

Для большинства реакторов в мире это следующий шаг в создании. Топливо предназначено для преобразования оксида урана в газ, гексафторид урана (UF6), который позволяет его обогащать. Обогащение увеличивает долю изотопа урана-235 с его естественного уровня 0,7% до 4-5%. Это позволяет повысить техническую эффективность конструкции и эксплуатации реакторов, особенно в более крупных реакторах, и позволяет использовать обычную воду в качестве замедлителя.

После обогащения газ UF6 превращается в диоксид урана (UO2), который превращается в топливные таблетки. Эти топливные таблетки помещаются внутри тонких металлических трубок, известных как топливные стержни, которые собираются в пучки, чтобы стать тепловыделяющими элементами или сборками для активной зоны реактора. В типичном реакторе большой мощности может быть 51 000 топливных стержней с более чем 18 миллионами таблеток.

Для реакторов, в которых в качестве топлива используется природный уран (и, следовательно, для которых в качестве замедлителя требуется графит или тяжелая вода), концентрат U3O8 просто необходимо очистить и преобразовать непосредственно в диоксид урана.

Когда урановое топливо находится в реакторе около трех лет, использованное топливо удаляется, хранится, а затем либо перерабатывается, либо утилизируется под землю.

По теме:  Почему системы кондиционирования воздуха угрожают защите климата

Кто использует ядерную энергию?

Около 10% мировой электроэнергии вырабатывается из урана в ядерных реакторах. Это составляет более 2500 ТВт-ч ежегодно, столько же, сколько из всех источников электроэнергии во всем мире в 1960 году.

Энергия исходит от более чем 440 ядерных реакторов общей мощностью около 390 000 мегаватт (МВт), работающих в 30 странах. Еще около 50 реакторов в стадии строительства, более 100 запланировано.

Бельгия, Болгария, Чешская Республика, Финляндия, Франция, Венгрия, Словакия, Словения, Швеция, Швейцария — все они получают 30% или более своей электроэнергии от ядерных реакторов. В США работает около 100 реакторов, которые вырабатывают 20% электроэнергии. Франция получает более 70% электроэнергии из урана.

За 60 лет, пока мир пользуется преимуществами экологически чистой электроэнергии, произведенной на атомных электростанциях, опыт эксплуатации реакторов составил более 17 000 реактор-лет.

В каких странах урана больше всего?

Уран широко распространен во многих породах и даже в морской воде. Однако, как и другие металлы, он редко бывает достаточно концентрированным, чтобы его можно было извлечь с экономической точки зрения. Там, где он есть, мы говорим о рудном теле. При определении того, что такое руда, делаются допущения о стоимости добычи и рыночной цене металла. Поэтому запасы урана рассчитываются как извлекаемые тонны до определенной стоимости.

Ресурсы урана по странам:

  • Австралия 1 692 700 т (28%);
  • Казахстан 906 800 т (15%);
  • Канада 564 900 т (9%);
  • Россия 486 000 т (8%);
  • Намибия 448 300 т (7%);
  • Южная Африка 320 900 т (5%);
  • Бразилия 276 800 т (5%);
  • Нигер 276 400 т (4%);
  • Китай 248 900 т (4%);
  • Всего в мире 6 147 800 т.

Страны лидеры по производству урана

Производство на рудниках (тонны урана):

  • Казахстан — 22,808 т;
  • Канада – 6938 т;
  • Австралия – 6613 т;
  • Намибия – 5476 т;
  • Узбекистан (ок) – 3500 т;
  • Россия – 2911 т;
  • Китай (оценка) – 1885 т;
  • Всего в мире — 54,752 т;
  • тонны U3O8 — 64,566 т;
  • % мирового спроса — 84%.

Где еще используется ядерная энергия?

Уран продается только странам, подписавшим Договор о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО) и позволяющим международным инспекциям проверить его использование только в мирных целях.

Многие люди, говоря о ядерной энергии, имеют в виду только ядерные реакторы (или, возможно, ядерное оружие). Мало кто осознает, насколько использование радиоизотопов изменило нашу жизнь за последние несколько десятилетий.

Используя относительно небольшие ядерные реакторы специального назначения, можно производить широкий спектр радиоактивных материалов (радиоизотопов) с низкими затратами. По этой причине использование искусственно произведенных радиоизотопов стало широко распространенным с начала 1950-х годов, и в настоящее время их производят около 220 «исследовательских» реакторов в 56 странах. По сути, это нейтронные фабрики, а не источники тепла.

Радиоактивные изотопы

Радиоизотопы
Радиоактивные изотопы

В повседневной жизни мы нуждаемся в пище, воде и крепком здоровье. Сегодня радиоактивные изотопы играют важную роль в технологиях, которые предоставляют нам все три составляющие нашей жизни. Их получают путем бомбардировки нейтронами небольших количеств определенных элементов.

В медицине радиоактивные изотопы широко используются для диагностики и исследований. Радиоактивные химические индикаторы испускают гамма-излучение, которое предоставляет диагностическую информацию об анатомии человека и функционировании конкретных органов. В лучевой терапии также используются радиоактивные изотопы для лечения некоторых заболеваний, например рака.

 

Интересный факт: примерно каждый второй человек в западном мире, вероятно, испытает на себе преимущества ядерной медицины в течение своей жизни. Для стерилизации шприцев, бинтов и другой медицинской посуды используются более мощные источники гамма-излучения — гамма-стерилизация оборудования практически универсальна.

По теме:  Термоядерные реакторы в два раза эффективнее, чем считалось ранее

При хранении пищевых продуктов радиоактивные изотопы используются для подавления прорастания корнеплодов после сбора урожая, для уничтожения паразитов и вредителей и для контроля созревания хранящихся фруктов и овощей. Облученные пищевые продукты принимаются мировыми и национальными органами здравоохранения для употребления в пищу людьми во все большем числе стран. Они включают картофель, лук, сушеные и свежие фрукты, зерно и зерновые продукты, птицу и немного рыбы. Некоторые расфасованные продукты также можно облучать.

Радиоактивные изотопы также играют важную роль в выращивании сельскохозяйственных культур и разведении домашнего скота. Они используются для выращивания высокоурожайных, устойчивых к болезням и погодным условиям сортов сельскохозяйственных культур, для изучения действия удобрений и инсектицидов, а также для повышения продуктивности и здоровья домашних животных.

В промышленности и горнодобывающей промышленности они используются для исследования сварных швов, обнаружения утечек, изучения скорости износа металлов и для оперативного анализа широкого спектра минералов и топлива.

Есть много других применений. Радиоактивные изотопы, полученные из плутония, образующегося в ядерных реакторах, используется в большинстве домашних детекторов дыма.

Радиоактивные изотопы используются для обнаружения и анализа загрязнителей в окружающей среде, а также для изучения движения поверхностных вод в ручьях, а также грунтовых вод.

Типы ядерных реакторов

Типы ядерных реакторов
Типы ядерных реакторов

Есть и другие применения ядерных реакторов. Около 200 малых ядерных реакторов используются примерно для 150 кораблей, в основном подводных лодок, ледоколов и авианосцев. Они могут оставаться в море в течение длительного времени без необходимости дозаправки. В российской Арктике, где условия эксплуатации выходят за рамки возможностей обычных ледоколов, очень мощные атомные суда работают круглый год.

Тепло, производимое ядерными реакторами, также можно использовать напрямую, а не для выработки электроэнергии. В Швеции, России и Китае, например, избыточное тепло используется для обогрева зданий. Ядерное тепло можно также использовать для различных промышленных процессов, таких как опреснение воды. Ядерное опреснение, вероятно, станет основной областью роста в следующем десятилетии.

Высокотемпературное тепло ядерных реакторов, вероятно, будет использоваться в некоторых промышленных процессах в будущем, особенно для производства водорода.

Военные источники топлива

И уран, и плутоний использовались для изготовления бомб, прежде чем они стали важными для производства электричества и радиоактивных изотопов. Тип урана и плутония для бомб отличается от таковых на атомной электростанции. Уран бомбы является высокообогащенным (> 90% по U-235 вместо 5%); Плутоний для бомбы представляет собой довольно чистый Pu-239 (> 90% вместо примерно 60% в реакторном качестве) и производится в специальных реакторах.

С 1990-х годов из-за разоружения стало доступно много военного урана для производства электроэнергии. Военный уран разбавляется примерно 25:1 обедненным ураном (в основном U-238) в процессе обогащения перед использованием в производстве электроэнергии. За два десятилетия до 2013 года одна десятая электроэнергии США была произведена из российского оружейного урана.

Уран — интересное видео

Андрей Королев
Андрей Королев
Постоянный автор научно-популярного журнала «Техник». Сотрудник НИИ Точных Приборов. Технический эксперт.
Задать вопрос
Вопрос эксперту
Сколько энергии может дать типичный атомный реактор?
Андрей Королев
Типичный реактор мощностью 1000 мегаватт (МВт) может обеспечить электричеством современный город с населением до одного миллиона человек.
Андрей Королев

Постоянный автор научно-популярного журнала «Техник». Сотрудник НИИ Точных Приборов. Технический эксперт.

Оцените автора
«Поли-слов» - Научно-популярный журнал
Сколько энергии может дать типичный атомный реактор?
Типичный реактор мощностью 1000 мегаватт (МВт) может обеспечить электричеством современный город с населением до одного миллиона человек.