L'uranium dans la nature. Élément chimique uranium : propriétés, caractéristiques, formule

Et ses composés sont principalement utilisés comme combustible nucléaire dans les réacteurs nucléaires. Réacteur nucléaire(réacteur nucléaire) - un dispositif permettant de mettre en œuvre une réaction en chaîne de fission nucléaire contrôlée.

La fission nucléaire se produit dans le cœur du réacteur, dans lequel le combustible nucléaire est concentré, et s'accompagne de la libération d'une quantité importante d'énergie.

Les réacteurs nucléaires se distinguent : par l'énergie des neutrons provoquant la fission nucléaire (réacteurs nucléaires utilisant des neutrons thermiques, rapides et intermédiaires) ; par la nature de la distribution du combustible nucléaire (homogène et hétérogène) ; selon le modérateur utilisé (graphite, eau-eau, etc.) ; par finalité (énergie, recherche), etc.

Les réacteurs sont utilisés pour produire de l'énergie électrique dans les centrales nucléaires et dans les centrales nucléaires des navires nucléaires, pour la recherche scientifique, la reproduction du combustible nucléaire, etc. Un mélange faiblement enrichi d'isotopes de l'uranium est utilisé dans les réacteurs fixes des centrales nucléaires. Produit hautement enrichi - dans les réacteurs nucléaires fonctionnant aux neutrons rapides.

235U est une source d'énergie nucléaire dans les armes nucléaires Arme nucléaire- l'ensemble des armes nucléaires, les moyens de les acheminer vers la cible et les moyens de contrôle. Fait référence aux armes de destruction massive ; a un énorme pouvoir destructeur. En fonction de la puissance des charges et de la portée, les armes nucléaires sont divisées en armes tactiques, opérationnelles-tactiques et stratégiques. L’utilisation d’armes nucléaires en temps de guerre est désastreuse pour toute l’humanité.. Ce type est le plus couramment utilisé.

238U sert de source de combustible nucléaire secondaire - le plutonium.

Géologie

Principales utilisations de l'uranium en géologie- détermination de l'âge des minéraux et des roches afin de déterminer la séquence des processus géologiques. C'est ce que fait la géochronologie. La solution au problème du mixage et des sources est également essentielle.

Utilisations supplémentaires de l'uranium

Le carbure d'uranium 235 allié au carbure de niobium et au carbure de zirconium est utilisé comme combustible Carburant- les substances inflammables utilisées pour produire de l'énergie thermique lorsqu'elles sont brûlées ; le composant principal est le carbone.

Par origine, le combustible est divisé en naturel (pétrole, charbon, gaz naturel, schiste bitumineux, tourbe, bois) et artificiel (coke, carburants, gaz de générateur, etc.), selon son état d'agrégation - en solide, liquide et gazeux. La principale caractéristique du carburant est la chaleur de combustion.

Pour comparer différents types de carburant et comptabiliser le total de ses réserves, une unité comptable est adoptée - le carburant standard, pour lequel le pouvoir calorifique inférieur est supposé être de 29,3 MJ/kg (7 000 kcal/kg).

Dans le cadre du développement de la technologie, le terme « carburant » a commencé à être utilisé dans un sens plus large et s'est étendu à tous les matériaux qui servent de source d'énergie (énergie hydrogène, combustible pour fusée, combustible nucléaire). pour moteurs à réaction nucléaires (fluide de travail - hydrogène + hexane).

Un petit ajout d'uranium donne une belle fluorescence jaune-vert au verre (verre d'uranium).

L'uranate de sodium Na 2 U 2 O 7 était utilisé comme pigment jaune en peinture.

Les composés d'uranium étaient utilisés comme peintures pour la peinture sur porcelaine et pour les émaux et émaux céramiques (peints en couleurs : jaune, marron, vert et noir, selon le degré d'oxydation).

Au début du XXe siècle, le nitrate d'uranyle était largement utilisé pour rehausser les négatifs et colorer (teinter) les positifs (tirages photographiques) en brun.

Les alliages de fer et d'uranium appauvri (uranium 238) sont utilisés comme matériaux magnétostrictifs puissants Matériaux magnétostrictifs- les matériaux magnétiques doux qui ont un effet de magnétostriction assez fort : nickel, alfer, permalloy, permendur, un certain nombre de ferrites, etc. Ils sont utilisés comme convertisseurs d'énergie électromagnétique en d'autres types (par exemple, énergie mécanique), capteurs de pression, etc. . .

Certains composés de l'uranium sont photosensibles.

Uranium appauvri

Cet uranium est utilisé pour le rayonnement Radiation(rayonnement ionisant) - flux de particules et quanta de rayonnement électromagnétique dont le passage à travers une substance conduit à l'ionisation et à l'excitation de ses atomes ou molécules. Il s'agit d'électrons, de positons, de protons, de neutrons et d'autres particules élémentaires, ainsi que de noyaux atomiques et de rayonnements électromagnétiques dans les domaines gamma, X et optique.

Dans le cas des particules neutres (quanta g, neutrons), l'ionisation est réalisée par des particules chargées secondaires formées lors de l'interaction de particules neutres avec la matière (électrons et positrons - dans le cas des quanta g, protons ou noyaux de recul - dans (cas des neutrons), protection et masse de lest dans les applications aérospatiales telles que les gouvernes des avions.

À ces fins, un Boeing 747 contient 1 500 kg d’uranium appauvri.

Le matériau est utilisé dans les rotors de gyroscopes à grande vitesse, les grands volants d'inertie, comme ballast dans les atterrisseurs spatiaux et les yachts de course, ainsi que dans le forage pétrolier.

Noyaux de projectiles perforants

L'utilisation la plus célèbre de l'uranium appauvri- comme noyaux pour projectiles perforants.

L’uranium a été utilisé pour la première fois comme noyau de projectiles sous le Troisième Reich.

L'uranium appauvri est utilisé dans le blindage des chars modernes (dans les chars de combat américains). Etats-Unis(États-Unis d'Amérique), USA (USA) est un État d'Amérique du Nord. La population de 300 millions d'habitants en 2007 est la troisième au monde). La capitale est Washington. Grandes villes : New York, Los Angeles, Chicago, Houston, Philadelphie, Phoenix, Seattle, San Diego, Dallas, San Antonio, Detroit, San Jose, San Francisco, Boston. M-1 Abrams), qui est en service dans l'armée et le corps des marines américains, en Égypte, en Arabie saoudite, au Koweït et en Australie. Le char porte le nom du général Creighton Abrams.

Le contenu de l'article

URANUS, U (uranium), élément chimique métallique de la famille des actinides, qui comprend Ac, Th, Pa, U et des éléments transuraniens (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). L'uranium a gagné en importance en raison de son utilisation dans les armes nucléaires et l'énergie nucléaire. Les oxydes d'uranium sont également utilisés pour colorer le verre et la céramique.

Être dans la nature.

La teneur en uranium de la croûte terrestre est de 0,003 % et on le trouve dans la couche superficielle de la terre sous la forme de quatre types de gisements. Il s'agit d'abord de filons d'uraninite, ou brai d'uranium (dioxyde d'uranium UO 2), très riche en uranium, mais rare. Ils sont accompagnés de gisements de radium, puisque le radium est un produit direct de la désintégration isotopique de l'uranium. De telles veines se trouvent au Zaïre, au Canada (Grand Lac de l'Ours), en République tchèque et en France. La deuxième source d'uranium est constituée de conglomérats de minerais de thorium et d'uranium ainsi que de minerais d'autres minéraux importants. Les conglomérats contiennent généralement des quantités suffisantes d'or et d'argent pour être récupérés, l'uranium et le thorium étant des éléments associés. De grands gisements de ces minerais se trouvent au Canada, en Afrique du Sud, en Russie et en Australie. La troisième source d'uranium est constituée de roches sédimentaires et de grès riches en carnotite minérale (uranyle vanadate de potassium), qui contient, en plus de l'uranium, une quantité importante de vanadium et d'autres éléments. De tels minerais se trouvent dans les États occidentaux des États-Unis. Les schistes fer-uranifères et les minerais de phosphate constituent une quatrième source de sédiments. De riches gisements se trouvent dans les schistes de Suède. Certains minerais de phosphate au Maroc et aux États-Unis contiennent des quantités importantes d'uranium, et les gisements de phosphate en Angola et en République centrafricaine sont encore plus riches en uranium. La plupart des lignites et certains charbons contiennent généralement des impuretés d'uranium. Des gisements de lignite riches en uranium ont été découverts dans le Dakota du Nord et du Sud (États-Unis) et des charbons bitumineux en Espagne et en République tchèque.

Ouverture.

Uranus a été découvert en 1789 par le chimiste allemand M. Klaproth, qui a nommé cet élément en l'honneur de la découverte de la planète Uranus 8 ans plus tôt. (Klaproth était le principal chimiste de son époque ; il a également découvert d'autres éléments, notamment Ce, Ti et Zr.) En fait, la substance obtenue par Klaproth n'était pas de l'uranium élémentaire, mais une forme oxydée de celui-ci, et l'uranium élémentaire a été obtenu pour la première fois par le chimiste français E. .Peligo en 1841. Du moment de la découverte jusqu'au 20e siècle. L'uranium n'avait pas l'importance qu'il a aujourd'hui, même si bon nombre de ses propriétés physiques, ainsi que sa masse atomique et sa densité, ont été déterminées. En 1896, A. Becquerel établit que les sels d'uranium possèdent un rayonnement qui éclaire une plaque photographique dans l'obscurité. Cette découverte a incité les chimistes à rechercher dans le domaine de la radioactivité et en 1898, les physiciens français époux P. Curie et M. Sklodowska-Curie ont isolé des sels des éléments radioactifs polonium et radium, et E. Rutherford, F. Soddy, K. Fayans. et d'autres scientifiques ont développé la théorie de la désintégration radioactive, qui a jeté les bases de la chimie nucléaire et de l'énergie nucléaire modernes.

Premières utilisations de l'uranium.

Bien que la radioactivité des sels d'uranium soit connue, leurs minerais dans le premier tiers de ce siècle n'étaient utilisés que pour obtenir le radium qui les accompagnait, et l'uranium était considéré comme un sous-produit indésirable. Son utilisation se concentrait principalement dans la technologie céramique et la métallurgie ; Les oxydes d'uranium étaient largement utilisés pour colorer le verre dans des couleurs allant du jaune pâle au vert foncé, ce qui a contribué au développement d'une production de verre peu coûteuse. Aujourd’hui, les produits issus de ces industries sont identifiés comme fluorescents sous les rayons ultraviolets. Pendant la Première Guerre mondiale et peu de temps après, l'uranium sous forme de carbure a été utilisé dans la production d'aciers à outils, similaires au Mo et au W ​​; 4 à 8 % d’uranium ont remplacé le tungstène, dont la production était alors limitée. Pour obtenir des aciers à outils, plusieurs tonnes de ferrouranium contenant jusqu'à 30 % (en masse) d'U ont été produites chaque année entre 1914 et 1926. Cependant, cette utilisation de l'uranium n'a pas duré longtemps.

Utilisations modernes de l'uranium.

L'industrie de l'uranium a commencé à prendre forme en 1939, lorsque la fission de l'isotope de l'uranium 235 U a été réalisée, ce qui a conduit à la mise en œuvre technique de réactions en chaîne contrôlées de fission de l'uranium en décembre 1942. C'est la naissance de l'ère de l'atome. , lorsque l'uranium est passé d'un élément insignifiant à l'un des éléments les plus importants de la société vivante. L’importance militaire de l’uranium pour la production de la bombe atomique et son utilisation comme combustible dans les réacteurs nucléaires a provoqué une augmentation astronomique de la demande d’uranium. La chronologie de la croissance de la demande en uranium basée sur l'histoire des sédiments du Grand Lac de l'Ours (Canada) est intéressante. En 1930, de la résine blende, un mélange d'oxydes d'uranium, a été découverte dans ce lac, et en 1932, une technologie de purification du radium a été mise en place dans cette zone. De chaque tonne de minerai (mélange de résine), on a obtenu 1 g de radium et environ une demi-tonne de sous-produit, du concentré d'uranium. Cependant, il y avait peu de radium et son extraction fut arrêtée. De 1940 à 1942, le développement reprit et le minerai d'uranium commença à être expédié vers les États-Unis. En 1949, une purification similaire de l'uranium, avec quelques améliorations, a été utilisée pour produire de l'UO 2 pur. Cette production s'est développée et constitue aujourd'hui l'une des plus grandes installations de production d'uranium.

Propriétés.

L'uranium est l'un des éléments les plus lourds présents dans la nature. Le métal pur est très dense, ductile, électropositif avec une faible conductivité électrique et hautement réactif.

L'uranium a trois modifications allotropiques : un-l'uranium (réseau cristallin orthorhombique), existe dans la plage allant de la température ambiante à 668°C ; b-l'uranium (réseau cristallin complexe de type tétragonal), stable entre 668 et 774°C ; g-uranium (réseau cristallin cubique centré), stable de 774°C jusqu'au point de fusion (1132°C). Puisque tous les isotopes de l’uranium sont instables, tous ses composés présentent une radioactivité.

Isotopes de l'uranium

238 U, 235 U, 234 U sont présents dans la nature dans un rapport de 99,3 : 0,7 : 0,0058, et le 236 U est présent à l'état de traces. Tous les autres isotopes de l'uranium de 226 U à 242 U sont obtenus artificiellement. L'isotope 235 U est particulièrement important. Sous l'influence de neutrons lents (thermiques), il se divise, libérant une énergie énorme. La fission complète de 235 U entraîne la libération d'un « équivalent d'énergie thermique » de 2H 10 7 kWh/kg. La fission de 235 U peut être utilisée non seulement pour produire de grandes quantités d’énergie, mais également pour synthétiser d’autres éléments actinides importants. L'isotope naturel de l'uranium peut être utilisé dans les réacteurs nucléaires pour produire des neutrons produits par la fission de 235 U, tandis que les neutrons en excès non requis par la réaction en chaîne peuvent être capturés par un autre isotope naturel, entraînant la production de plutonium :

Lorsque le 238 U est bombardé de neutrons rapides, les réactions suivantes se produisent :

Selon ce schéma, l'isotope le plus courant 238 U peut être converti en plutonium 239, qui, comme le 235 U, est également capable de fission sous l'influence de neutrons lents.

Actuellement, un grand nombre d'isotopes artificiels de l'uranium ont été obtenus. Parmi eux, l’233 U est particulièrement remarquable car il fissile également lorsqu’il interagit avec des neutrons lents.

Certains autres isotopes artificiels de l'uranium sont souvent utilisés comme traceurs radioactifs dans la recherche chimique et physique ; c'est avant tout b- émetteur 237 U et un- émetteur 232 U.

Connexions.

L'uranium, un métal hautement réactif, a des états d'oxydation de +3 à +6, est proche du béryllium dans la série d'activités, interagit avec tous les non-métaux et forme des composés intermétalliques avec Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn et Zn. L'uranium finement broyé est particulièrement réactif et à des températures supérieures à 500°C, il entre souvent dans des réactions caractéristiques de l'hydrure d'uranium. L'uranium en morceaux ou en copeaux brûle vivement entre 700 et 1 000 °C, et les vapeurs d'uranium brûlent déjà entre 150 et 250 °C ; l'uranium réagit avec l'HF entre 200 et 400 °C, formant de l'UF 4 et du H 2 . L'uranium se dissout lentement dans HF ou H 2 SO 4 concentré et 85 % H 3 PO 4 même à 90°C, mais réagit facilement avec la concentration. HCl et moins actif avec HBr ou HI. Les réactions les plus actives et les plus rapides de l'uranium avec le HNO 3 dilué et concentré se produisent avec la formation de nitrate d'uranyle ( voir ci-dessous). En présence de HCl, l’uranium se dissout rapidement dans les acides organiques, formant des sels organiques U4+. Selon le degré d'oxydation, l'uranium forme plusieurs types de sels (les plus importants d'entre eux sont ceux de l'U 4+, l'un d'eux UCl 4 est un sel vert facilement oxydable) ; les sels d'uranyle (radical UO 2 2+) du type UO 2 (NO 3) 2 sont de couleur jaune et fluorescents en vert. Les sels d'uranyle se forment en dissolvant l'oxyde amphotère UO 3 (couleur jaune) dans un milieu acide. En milieu alcalin, UO 3 forme des uranates tels que Na 2 UO 4 ou Na 2 U 2 O 7. Ce dernier composé (« uranyle jaune ») est utilisé pour la fabrication d'émaux de porcelaine et dans la production de verres fluorescents.

Les halogénures d'uranium ont été largement étudiés dans les années 1940-1950, car ils ont été utilisés pour développer des méthodes de séparation des isotopes de l'uranium pour la bombe atomique ou le réacteur nucléaire. Le trifluorure d'uranium UF 3 a été obtenu par réduction de UF 4 avec de l'hydrogène, et le tétrafluorure d'uranium UF 4 est obtenu de diverses manières par des réactions de HF avec des oxydes tels que UO 3 ou U 3 O 8 ou par réduction électrolytique de composés d'uranyle. L'hexafluorure d'uranium UF 6 est obtenu par fluoration de l'U ou de l'UF 4 avec du fluor élémentaire ou par action de l'oxygène sur UF 4 . L'hexafluorure forme des cristaux transparents à indice de réfraction élevé à 64°C (1137 mm Hg) ; le composé est volatil (sous pression normale il se sublime à 56,54°C). Les oxohalogénures d'uranium, par exemple les oxofluorures, ont la composition UO 2 F 2 (fluorure d'uranyle), UOF 2 (difluorure d'oxyde d'uranium).

Quelle quantité de minerai est nécessaire pour produire de l’uranium faiblement enrichi comme combustible pour les centrales nucléaires ? Il est généralement admis que l'uranium combustible est de l'uranium dans lequel la teneur en isotope uranium 235 est portée à 4 %. Le minerai naturel ne contient que 0,7 % de cet isotope, ce qui signifie que sa concentration doit être multipliée par 6.

Permettez-moi de vous rappeler que jusque dans les années 80, l'Europe et les États-Unis n'enrichissaient l'uranium que sur des «réseaux», dépensant ainsi une énorme quantité d'électricité pour ce travail. Un moment technologique, mais, comme on dit, avec de grandes conséquences. L'hexafluorure d'uranium naturel peut être « aspiré » le long du 235ème isotope jusqu'à ce qu'il s'arrête – de sorte qu'il ne reste qu'une quantité minime dans les « queues ». Mais qu’est-ce que cela signifie dans le cas de la méthode de diffusion ? Plus de « grilles », plus de conteneurs pour l'hexafluorure initial et, bien sûr, plus de coûts énergétiques. Et tout cela augmente les coûts, gâche les indicateurs économiques et réduit les bénéfices. Pas intéressant, en général. Par conséquent, dans les « queues » occidentales d’uranium 235, il y a 0,3 % et 0,4 % est utilisé pour des travaux ultérieurs. Avec de telles « queues », le tableau est le suivant : pour 1 kg d'UFE, il faut 8 kg de minerai + 4,5 SWU (unités de travail de séparation).

Pour les vestes matelassées, le tableau était et reste quelque peu différent - après tout, le travail de nos "aiguilles" est beaucoup moins cher. N'oubliez pas que « l'aiguille » nécessite 20 à 30 fois moins d'électricité pour 1 RU. Il n'y avait aucun intérêt particulier à économiser les travaux de séparation, l'hexfluorure d'uranium initial était « expulsé » plus en profondeur : 0,2 % de l'uranium 235 restait dans nos « queues », 0,5 % était utilisé pour des travaux d'enrichissement ultérieurs. Il semblerait que la différence ne soit que de 0,1%, pourquoi faire attention à une si bagatelle ? Mais ce n’est pas si simple : sur nos « aiguilles », pour obtenir 1 kg d’UFE, il faut 6,7 kg de minerai + 5,7 SWU. 1,3 kg de minerai de moins, c'est-à-dire que nous avons traité notre sous-sol avec beaucoup plus de soin que les démocrates.

Mais ce n'est pas tout. 1 SWU sur nos centrifugeuses coûte environ 20 dollars, sur les « grilles » 1 SWU coûte de 70 à 80. Cela signifie que pour l'Occident, un gisement d'uranium dans lequel le coût du minerai, disons, 100 dollars, est très cher. Utilisons une calculatrice pour calculer 1 kg d'UFE pour que ce soit clair.

1 kg LEU = 8 kg de minerai + 4,5 SWU, soit

1 kg d'UFE = 8 x 100 + 4,5 x 70 = 1 115 $.

Maintenant on met nos chiffres et on obtient :

1 kg d'UFE = 6,7 kg de minerai + 5,7 UTS

1 kg d'UFE = 6,7 x 100 + 5,7 x 20 = 784 $

Cela signifie que le gisement d’uranium, qui était trop cher pour nous pour l’Occident civilisé, n’est que cela. En gros, pour notre technologie, il y a PLUS d'uranium sur Terre que pour la technologie occidentale. À partir du moment où l'Europe a maîtrisé les centrifugeuses Zippe, les réserves d'uranium dans les statistiques mondiales ont fortement augmenté, même si les frères géologues n'ont pas levé le petit doigt pour cela : les gisements précédemment découverts ont commencé à être reconnus comme commercialement rentables, c'est tout. Mais URENCO a allumé ses centrifugeuses dans les années 80, et les centrales nucléaires en Europe et aux États-Unis sont apparues bien plus tôt, n'est-ce pas ? Cela signifie que depuis la fin des années 40 du siècle dernier, les gisements d'uranium ont été exploités à une échelle extrêmement importante, sans économiser sur les minerais naturels. En gros, l’Occident a « tué » un domaine après l’autre, sautant vers de nouveaux. Et le Mordor, terriblement peu rentable, n'était pas pressé : ils trouvèrent un gisement et l'aspirèrent à sec, sans chichi et sans hâte. Dans le même temps, nous ne devons pas oublier que tout au long des années de guerre froide, les pays dotés de l’arme nucléaire ont augmenté très activement leurs réserves d’uranium hautement enrichi de qualité militaire, ce qui nécessite beaucoup plus de minerai d’uranium naturel. En gros, 1 kg d'UHE nécessite 275 kg de minerai, et la quantité d'UHE dans les pays du club nucléaire s'élève à des centaines de tonnes. Et l’UHE n’est pas seulement une arme : il alimente les réacteurs sous-marins et de nombreux réacteurs de recherche. En général, l’humanité a consommé ses minerais d’uranium de manière très, très intensive, et tout ce que vous et moi pouvons dire pour notre défense, c’est que nous n’avons pas été les premiers à commencer.

Il y a encore une chose que vous devez savoir. Lorsqu'ils nous disent : « tant de tonnes de minerai d'uranium ont été extraites », il est important de comprendre que nous ne parlons pas de montagnes d'une sorte de cailloux ou de lingots de métal. Dans l'industrie de l'uranium, toutes les réserves de minerai sont traditionnellement converties en concentré d'uranium - plus précisément en U3 O8, oxyde-oxyde. Traditionnellement, c'était une poudre jaune et on l'appelait « gâteau jaune », mais c'est maintenant un peu dépassé. Dans le processus d'enrichissement du minerai, tout un cycle de traitement est utilisé, dont l'une des composantes est le grillage. Ces dernières années, différentes usines ont utilisé des températures différentes, c'est pourquoi la couleur du concentré d'uranium est très différente - du vert foncé au noir. Mais la procédure de traitement du minerai est un sujet à part, assez important, et nous essayons toujours de comprendre les gisements et la production. Laissons cela de côté, mais rappelez-vous : tout discours sur le minerai d’uranium revient à parler de concentré d’uranium. Et c'est exact - ces minerais sont très différents, ils contiennent des quantités d'uranium trop différentes, il était donc impossible de se passer d'une telle « standardisation ».

Quand les gens ont-ils découvert ce métal et pourquoi, en fait, est-il appelé « uranium » ? L'histoire est ancienne, mais intéressante. Maintenant, vous et moi savons ce que sont les radiations et, à juste titre, nous ne pouvons pas les tolérer et en avons peur. Et autrefois, les gens ne connaissaient rien aux radiations - c'est peut-être pour cela qu'ils n'en souffraient pas ?. Parmi les minerais et les minéraux des mines d'argent, les mineurs médiévaux trouvaient souvent un minéral lourd noir - ce qu'on appelle la résine mélangée. Il est certain que la tromperie est connue depuis 1565 - puis elle a été découverte dans les monts Métallifères de Saxe, mais aucune utilisation particulière n'a été inventée pour elle. En 1789, le chimiste analyste allemand Martin Klaproth s'est intéressé à ce minéral et a décidé de l'analyser chimiquement correctement. Le minerai a été amené à son laboratoire depuis la mine de Jachimovo, dans l'actuelle République tchèque. Becquerel et Curie ont fait plus tard leurs découvertes sur des minéraux du même Jahimivo, je propose donc de l'écrire ainsi :

La « patrie » de l’uranium est la République tchèque.

Martin Klaproth

La chimie de Klaproth était très assidue : il faisait fondre des minéraux à différentes températures, avec et sans air, y versait toutes sortes d'acides et d'eau régale, jusqu'à ce qu'il obtienne finalement une masse frittée avec des grains de métal bien visibles. Cela s'est produit en 1789, 8 ans après que les astronomes ont découvert une planète jusqu'alors inconnue, qu'ils ont appelée Uranus. Voici ce que Klaproth lui-même a écrit à ce sujet : « Auparavant, on reconnaissait l'existence de seulement 7 planètes, correspondant à 7 métaux, qui portaient les noms de planètes. À cet égard, il est conseillé, conformément à la tradition, de donner au nouveau métal le nom de la planète nouvellement découverte. Le mot « uranium » vient du grec pour « ciel » et peut donc désigner le métal céleste. » Ils ne discutent pas avec les découvreurs - nous avons donc maintenant affaire à ce très «métal céleste».

Klaproth lui-même ne parvint cependant pas à obtenir de l'uranium pur ; cela ne fut réalisé qu'en 1840 par E.M. Péligo. En 1896, Becquerel découvrit que les composés de l'uranium éclairaient le papier photographique et commença ainsi l'étude de la radioactivité. L’humanité s’est dirigée lentement vers l’arme la plus redoutable et la plus terrible, vers le plus grand « réservoir d’énergie »…

Minerai d'uranium

Du point de vue des géologues sur Terre, le minerai d'uranium ne représente pas seulement beaucoup, mais beaucoup. Mais tous les minéraux d’uranium ne portent pas le fier nom de « minerai » : les minéraux contenant très peu d’uranium et beaucoup de stériles ne sont pas considérés comme des minerais. Sont considérés comme bons minerais les minéraux contenant plus de 0,1 % d'uranium (1 kg pour 1 000 kg de roche), mais il existe des exceptions. Par exemple, en Afrique du Sud, au gisement de Witwatersland, l'uranium est extrait d'un minerai dont la concentration n'est que de 0,01 % et est exploité à l'échelle industrielle. Comment ça? Oui, ce métal céleste n'est pas simple - on le trouve souvent dans les mêmes roches où se trouve l'or. Puisqu’ils « extraient » de l’or de cette roche, pourquoi ne pas « extraire » un tas d’uranium - c’est la logique. L'or est l'objectif principal du traitement du minerai, l'uranium est un objectif secondaire. « Souvent » a aussi une signification numérique : 12 % de l’uranium mondial est un sous-produit de l’or et d’autres mines. Aux États-Unis, par exemple, l'uranium est obtenu à partir de roches dont la concentration est généralement de 0,008 % - à partir de phosphorites de Floride. La production principale est le phosphore, l'uranium - en abondance... Eh bien, si vous n'abordez pas de choses aussi exotiques, alors les minerais d'uranium selon leur teneur sont divisés en 4 types : riches - avec une teneur en uranium de plus de 1% ; ordinaire – de 0,1 à 1,0% ; pauvre - de 0,03 à 0,1% et pauvre - moins de 0,03%.

Les minerais d'uranium sont également divisés en 5 classes selon la technologie utilisée pour extraire et traiter le métal céleste. En gros, quels types d'usines de transformation faudrait-il créer à proximité des gisements. C'est aussi une tradition : comme la concentration d'uranium est toujours faible, personne ne pense même à transporter des millions de tonnes de roche n'importe où. Mine, mine, carrière et dos à dos - tout ce dont vous avez besoin pour le traitement.

Cependant, il ne s’agit pas de tous les types de classification des minerais d’uranium : puisque nous vivons tous dans un monde où le profit est le plus important, la classification principale est peut-être basée sur le coût du produit final (ce même concentré d’uranium, le yellowcake). Une sorte d'indicateur général dans lequel tous les détails sont ignorés - quelle était la concentration d'uranium dans le minerai, comment il a été extrait et purifié, combien a coûté l'infrastructure. Peu importe ce qui s’est passé AVANT, ce qui compte c’est le résultat. Il n'y a que 3 catégories : 1) les gisements où le coût d'un kg de concentré est inférieur à 40 $ le kilogramme ; 2) où le coût est de 40 à 80 dollars le kilo ; 3) où le coût est de 80 à 130 dollars le kilo. Tout ce qui dépasse 130 dollars est aujourd’hui « incassable », car cela coûte très cher. Mais combien de temps dureront une telle négligence et une telle superstition ? Jusqu'en 2006, l'AIEA considérait l'uranium comme très cher et son prix dépassait les 80 dollars le kg. Aujourd'hui, elle a décidé que les centrifugeuses devaient être appréciées à leur juste valeur : le faible coût de l'enrichissement permet d'utiliser en toute sécurité un minerai qui coûte plus de 80 dollars le kg. 80 $. Nos centrifugeuses de 10ème génération viennent tout juste de commencer à être utilisées, on ne peut donc pas exclure qu'après un certain temps, la barre des 130 dollars ne soit plus un « seuil ». Dans un royaume d'obscurité et d'horreur avec une économie déchirée, l'exploitation industrielle du réacteur à neutrons rapides BN-800 a commencé, le BN-1200 est en cours de conception, en 2020 il est également prévu de lancer un réacteur au plomb dans le cadre du « Breakthrough ", d'ici 2030, il y a de l'espoir pour la mise en œuvre d'un cycle nucléaire fermé.

Cependant, ne nous livrons pas à des projets et à des hypothèses - attardons-nous sur ce que nous avons aujourd'hui. En 2006, on estimait qu'il y avait 5 000 000 de tonnes de minerais d'uranium sur la troisième planète du Soleil ; le rapport suivant de l'AIEA a été publié en 2010. C’est dans ce rapport que les centrifugeuses ont été reconnues pour la première fois comme la seule méthode d’enrichissement de l’uranium aujourd’hui et que, pour la première fois, la barre du « seuil » a été relevée de 80 $/kg à 130 $/kg. Le nouveau chiffre des réserves de minerai d'uranium sur Terre s'élève à 6 306 300 tonnes. Je le répète, il ne s'agit pas d'une augmentation due à de nouveaux gisements, mais de la transition des minerais géologiques vers les minerais industriels. Et cela a eu lieu pour une raison simple - l'AIEA l'a reconnu : tout sauf les centrifugeuses est mauvais, et nous ne nous en souviendrons plus. L'augmentation des minerais extraits s'est élevée à 26% – sans investissements supplémentaires dans l'exploration géologique.

Rarement dans l’histoire de la civilisation le développement technologique a eu un impact sérieux sur la géopolitique, et l’uranium et les centrifugeuses en sont un exemple. Voyons ce que signifie l'émergence d'un intérêt commercial pour les gisements d'uranium, jusqu'alors restés intacts pendant de nombreuses années. Premièrement, les pays du « club atomique » ont vu leur intérêt pour les territoires où se trouvaient ces gisements. Par exemple, les gisements de la région de Kirovograd n'intéressent pas seulement l'Ukraine... Deuxièmement, les pays qui ne faisaient pas partie du « club atomique » ont compris qu'il pouvait aussi y avoir suffisamment d'uranium pour eux. Et ce n’est pas ma fabrication théorique : lors de l’Atomexpo 2016 qui vient de se tenir, des délégations de 52 pays étaient présentes, et seulement 32 pays possédaient au moins une forme ou une autre de l’énergie nucléaire. 20 pays sont des nouveaux venus qui ont pressenti cette perspective.

Calculatrice

Laissez la calculatrice vous dire ce qui est intéressant à propos de l'uranium. Nous disposons de 6 306 300 tonnes de minerai, dont la teneur en uranium 235 (qui, en fait, « brûle » dans les réacteurs des centrales nucléaires) est en moyenne de 0,72 %. Par conséquent, si tout le minerai d’uranium est converti en uranium 235, nous en aurons 45 405 tonnes. En termes de valeur énergétique, 1 tonne d'uranium 235 correspond à 2 000 000 de tonnes d'essence. En conséquence, le recalcul des réserves d'uranium 235 en équivalent pétrole est de 90,81 milliards de tonnes de pétrole. Est-ce beaucoup ou un peu ? Les réserves prouvées de pétrole sur Terre s’élèvent aujourd’hui à 200 milliards de tonnes. Les réserves d'uranium représentent près de la moitié, près de 50 %. Et quelles sont les perspectives ? La technologie de production de pétrole a été amenée presque à la perfection, la technologie de son traitement est similaire. Pour augmenter les réserves de pétrole, il faut soit a) continuer à rechercher de nouveaux gisements, qui, compte tenu des prix actuels des hydrocarbures, ralentissent depuis maintenant deux ans ; b) admettre que le pétrole ne fera que devenir plus cher au fil des années, puisqu'il y en a de moins en moins. Le pétrole de schiste, dont parlent tant les bolcheviks, les mencheviks et d'autres, certes, au niveau actuel des prix, n'est pas intéressant, mais tôt ou tard viendra le moment où ses réserves devront être utilisées, et pas seulement dans le États-Unis.

Mais dans le cas de l’uranium, la situation est quelque peu différente, beaucoup moins nette. Nous n'avons pas encore reçu d'informations sur le coût d'un SWU sur les dernières générations de centrifugeuses Rosatom - mais nous avons déjà vu comment la technologie d'enrichissement peut augmenter les réserves de minerai d'uranium. L'exploitation du BN-800 vient de commencer, le BN-1200 n'est encore que dans les dessins, nous ne verrons les résultats du projet « Breakthrough » qu'en 2020. Mais, sans trop de modestie (autant que possible, après tout), affirmons un fait historique : pendant toute l'existence du projet atomique, il n'y a eu aucune erreur dans le développement des technologies de la part de l'ancien ministère des Machines moyennes. Bâtiment, l'ancien ministère de l'Énergie atomique et l'actuel Rosatom. Il y a eu quelques lacunes et défauts, certes, mais la ligne générale de développement, avouons-le, n’a jamais été interrompue.

À mon avis, bien entendu, il n’y a tout simplement aucune raison de ne pas croire que la lutte de Rosatom pour un cycle nucléaire fermé se terminera par un succès. Cette affirmation vous semble trop audacieuse ? Regardons autour de nous, en nous permettant un instant d'oublier que la principale réalisation de l'humanité est le dernier modèle d'iPhone. Non seulement les « anciens clients », comme la Hongrie, l’Iran et la Finlande, la Chine et l’Inde, signent des contrats pour la construction de centrales nucléaires dans la fiabilité de nos technologies. Pour la première fois, des centrales nucléaires apparaîtront en Égypte, au Vietnam, en Biélorussie, en Turquie, au Bangladesh et en Indonésie - et ce seront des centrales nucléaires de fabrication russe. Cela signifie que je ne suis pas le seul à croire en nos technologies et en leur développement progressif. Et je ne suis pas le seul à croire qu’avec le prochain progrès technologique, les réserves d’uranium pourraient s’avérer supérieures aux réserves d’hydrocarbures... Et n’écartons pas une autre réserve possible d’uranium : les nouveaux gisements. Il existe par exemple un pays où le niveau de développement du territoire par l'exploration géologique ne dépasse pas encore largement les 60 % : la Russie. Il y a des pays où il n'y a pas du tout de temps pour l'exploration géologique - par exemple l'Afghanistan, l'Érythrée.

Mais l’examen des perspectives de l’énergie nucléaire est un sujet distinct et très sérieux qui devrait être reporté à plus tard. Et cette note est une note d'introduction à "Uranium Dungeons", dans laquelle je voudrais suggérer de regarder ce qui s'est passé, ce qui s'est passé et comment nous en sommes arrivés à ce genre de vie. Bien sûr, les choses ne seraient pas complètes sans des histoires sur les nouveaux iPhones des grands États-Unis. Je les ai et, comme d’habitude, il n’était pas nécessaire d’inventer quoi que ce soit.

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D'où vient l'uranium ? Très probablement, il apparaît lors d’explosions de supernova. Le fait est que pour la nucléosynthèse d'éléments plus lourds que le fer, il doit y avoir un puissant flux de neutrons, ce qui se produit précisément lors d'une explosion de supernova. Il semblerait qu'alors, lors de la condensation du nuage de nouveaux systèmes stellaires qu'il forme, l'uranium, s'étant accumulé dans un nuage protoplanétaire et étant très lourd, devrait s'enfoncer dans les profondeurs des planètes. Mais ce n'est pas vrai. L'uranium est un élément radioactif et lorsqu'il se désintègre, il libère de la chaleur. Les calculs montrent que si l'uranium était réparti uniformément sur toute l'épaisseur de la planète, au moins avec la même concentration qu'à la surface, il émettrait trop de chaleur. De plus, son flux devrait s'affaiblir à mesure que l'uranium est consommé. Comme rien de tel n’a été observé, les géologues estiment qu’au moins un tiers de l’uranium, voire la totalité, est concentré dans la croûte terrestre, où sa teneur est de 2,5∙10 –4 %. La raison pour laquelle cela s'est produit n'est pas discutée.

Où est extrait l’uranium ? Il n'y a pas si peu d'uranium sur Terre - il occupe la 38ème place en termes d'abondance. Et la majeure partie de cet élément se trouve dans les roches sédimentaires - schistes carbonés et phosphorites : jusqu'à 8∙10 –3 et 2,5∙10 –2 %, respectivement. Au total, la croûte terrestre contient 10 à 14 tonnes d'uranium, mais le principal problème est qu'elle est très dispersée et ne forme pas de gisements puissants. Environ 15 minéraux d'uranium ont une importance industrielle. Il s'agit du goudron d'uranium - sa base est de l'oxyde d'uranium tétravalent, du mica d'uranium - divers silicates, phosphates et composés plus complexes avec du vanadium ou du titane à base d'uranium hexavalent.

Que sont les rayons de Becquerel ? Après la découverte des rayons X par Wolfgang Roentgen, le physicien français Antoine-Henri Becquerel s'est intéressé à la lueur des sels d'uranium, qui se produit sous l'influence de la lumière solaire. Il voulait comprendre s'il y avait des rayons X ici aussi. En effet, ils étaient présents : le sel éclairait la plaque photographique à travers le papier noir. Cependant, dans l'une des expériences, le sel n'était pas éclairé, mais la plaque photographique restait sombre. Lorsqu'un objet métallique était placé entre le sel et la plaque photographique, l'assombrissement en dessous était moindre. Par conséquent, de nouveaux rayons ne sont pas apparus en raison de l'excitation de l'uranium par la lumière et n'ont pas traversé partiellement le métal. On les appelait initialement « rayons de Becquerel ». Il a été découvert par la suite qu'il s'agit principalement de rayons alpha avec un petit ajout de rayons bêta : le fait est que les principaux isotopes de l'uranium émettent une particule alpha lors de la désintégration, et les produits filles subissent également une désintégration bêta.

À quel point l’uranium est-il radioactif ? L'uranium ne possède pas d'isotopes stables ; ils sont tous radioactifs. L'uranium 238 dont la durée de vie est la plus longue est de 4,4 milliards d'années. Vient ensuite l'uranium 235 - 0,7 milliard d'années. Ils subissent tous deux une désintégration alpha et deviennent les isotopes correspondants du thorium. L'uranium 238 représente plus de 99 % de tout l'uranium naturel. En raison de sa demi-vie énorme, la radioactivité de cet élément est faible et, de plus, les particules alpha ne sont pas capables de pénétrer dans la couche cornée à la surface du corps humain. On dit qu'après avoir travaillé avec l'uranium, I.V. Kurchatov s'est simplement essuyé les mains avec un mouchoir et n'a souffert d'aucune maladie associée à la radioactivité.

Les chercheurs se sont tournés à plusieurs reprises vers les statistiques sur les maladies des travailleurs des mines et des usines de traitement d'uranium. Voici, par exemple, un article récent de spécialistes canadiens et américains qui ont analysé les données de santé de plus de 17 000 travailleurs de la mine Eldorado, dans la province canadienne de la Saskatchewan, pour les années 1950-1999 ( Recherche environnementale, 2014, 130, 43-50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Ils sont partis du fait que les rayonnements ont l'effet le plus puissant sur les cellules sanguines à multiplication rapide, conduisant aux types de cancer correspondants. Les statistiques ont démontré que les travailleurs miniers ont une incidence plus faible de divers types de cancer du sang que la population canadienne moyenne. Dans ce cas, la principale source de rayonnement n’est pas l’uranium lui-même, mais le radon gazeux qu’il génère et ses produits de désintégration, qui peuvent pénétrer dans l’organisme par les poumons.

Pourquoi l'uranium est-il nocif ?? Comme d’autres métaux lourds, il est hautement toxique et peut provoquer une insuffisance rénale et hépatique. D'autre part, l'uranium, étant un élément dispersé, est inévitablement présent dans l'eau, le sol et, se concentrant dans la chaîne alimentaire, pénètre dans le corps humain. Il est raisonnable de supposer qu'au cours du processus d'évolution, les êtres vivants ont appris à neutraliser l'uranium dans des concentrations naturelles. L'uranium étant le produit le plus dangereux présent dans l'eau, l'OMS a fixé une limite : initialement, elle était de 15 µg/l, mais en 2011, la norme a été augmentée à 30 µg/g. En règle générale, il y a beaucoup moins d'uranium dans l'eau : aux États-Unis en moyenne 6,7 µg/l, en Chine et en France - 2,2 µg/l. Mais il y a aussi de fortes déviations. Ainsi, dans certaines régions de Californie, elle est cent fois supérieure à la norme - 2,5 mg/l, et dans le sud de la Finlande, elle atteint 7,8 mg/l. Les chercheurs tentent de comprendre si la norme de l'OMS est trop stricte en étudiant l'effet de l'uranium sur les animaux. Voici un travail typique ( BioMed Recherche Internationale, 2014, ID 181989 ; DOI : 10.1155/2014/181989). Des scientifiques français ont nourri des rats avec de l'eau pendant neuf mois avec des additifs à base d'uranium appauvri, et à des concentrations relativement élevées - de 0,2 à 120 mg/l. La valeur inférieure correspond à l'eau proche de la mine, tandis que la valeur supérieure ne se trouve nulle part : la concentration maximale d'uranium, mesurée en Finlande, est de 20 mg/l. À la surprise des auteurs - l'article s'intitule : « L'absence inattendue d'un effet notable de l'uranium sur les systèmes physiologiques… » - l'uranium n'a pratiquement aucun effet sur la santé des rats. Les animaux ont bien mangé, pris du poids correctement, ne se sont pas plaints de maladie et ne sont pas morts d'un cancer. L'uranium, comme il se doit, s'est déposé principalement dans les reins et les os et en quantités cent fois inférieures dans le foie, et son accumulation dépendait vraisemblablement de sa teneur dans l'eau. Cependant, cela n’a pas conduit à une insuffisance rénale ni même à l’apparition notable de marqueurs moléculaires de l’inflammation. Les auteurs ont suggéré qu'une révision des directives strictes de l'OMS devrait commencer. Il y a cependant une mise en garde : l’effet sur le cerveau. Il y avait moins d'uranium dans le cerveau des rats que dans le foie, mais sa teneur ne dépendait pas de la quantité présente dans l'eau. Mais l’uranium a affecté le fonctionnement du système antioxydant du cerveau : l’activité de la catalase a augmenté de 20 %, celle de la glutathion peroxydase de 68 à 90 % et celle de la superoxyde dismutase a diminué de 50 %, quelle que soit la dose. Cela signifie que l’uranium a clairement provoqué un stress oxydatif dans le cerveau et que le corps y a répondu. Cet effet - le fort effet de l'uranium sur le cerveau en l'absence de son accumulation dans celui-ci, ainsi que dans les organes génitaux - a déjà été remarqué. De plus, de l'eau contenant de l'uranium à une concentration de 75 à 150 mg/l, que des chercheurs de l'Université du Nebraska ont nourrie des rats pendant six mois ( Neurotoxicologie et Tératologie, 2005, 27, 1, 135-144 ; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), a affecté le comportement des animaux, principalement des mâles, relâchés dans le champ : ils franchissaient les lignes, se dressaient sur leurs pattes postérieures et lissaient leur fourrure différemment des animaux témoins. Il existe des preuves que l'uranium entraîne également des troubles de la mémoire chez les animaux. Les changements comportementaux étaient corrélés aux niveaux d’oxydation des lipides dans le cerveau. Il s'avère que l'eau d'uranium a rendu les rats en bonne santé, mais plutôt stupides. Ces données nous seront utiles dans l’analyse de ce qu’on appelle le syndrome de la guerre du Golfe.

L’uranium contamine-t-il les sites d’exploitation du gaz de schiste ? Cela dépend de la quantité d’uranium contenue dans les roches gazeuses et de la manière dont il y est associé. Par exemple, le professeur agrégé Tracy Bank de l'Université de Buffalo a étudié les schistes de Marcellus, qui s'étendent de l'ouest de l'État de New York à la Virginie occidentale en passant par la Pennsylvanie et l'Ohio. Il s'est avéré que l'uranium est chimiquement lié précisément à la source d'hydrocarbures (rappelez-vous que les schistes carbonés associés ont la teneur en uranium la plus élevée). Des expériences ont montré que la solution utilisée lors de la fracturation dissout parfaitement l'uranium. « Lorsque l’uranium contenu dans ces eaux atteint la surface, il peut provoquer une contamination des zones environnantes. Cela ne pose pas de risque radiologique, mais l’uranium est un élément toxique », note Tracy Bank dans un communiqué universitaire daté du 25 octobre 2010. Aucun article détaillé n'a encore été rédigé sur le risque de contamination de l'environnement par l'uranium ou le thorium lors de la production de gaz de schiste.

Pourquoi l’uranium est-il nécessaire ? Auparavant, il était utilisé comme pigment pour fabriquer des céramiques et du verre coloré. Aujourd’hui, l’uranium constitue la base de l’énergie nucléaire et des armes atomiques. Dans ce cas, sa propriété unique est utilisée : la capacité du noyau à se diviser.

Qu’est-ce que la fission nucléaire ? Désintégration d'un noyau en deux gros morceaux inégaux. C'est à cause de cette propriété que lors de la nucléosynthèse due à l'irradiation neutronique, des noyaux plus lourds que l'uranium se forment avec beaucoup de difficulté. L'essence du phénomène est la suivante. Si le rapport entre le nombre de neutrons et de protons dans le noyau n’est pas optimal, celui-ci devient instable. Typiquement, un tel noyau émet soit une particule alpha - deux protons et deux neutrons, soit une particule bêta - un positron, qui s'accompagne de la transformation de l'un des neutrons en proton. Dans le premier cas, on obtient un élément du tableau périodique, espacé de deux cellules en arrière, dans le second - une cellule en avant. Cependant, en plus d'émettre des particules alpha et bêta, le noyau d'uranium est capable de fission - se désintégrant en noyaux de deux éléments du milieu du tableau périodique, par exemple le baryum et le krypton, ce qu'il fait après avoir reçu un nouveau neutron. Ce phénomène a été découvert peu de temps après la découverte de la radioactivité, lorsque les physiciens ont exposé le rayonnement nouvellement découvert à tout ce qu'ils pouvaient. Voici comment Otto Frisch, un participant aux événements, écrit à ce sujet (« Advances in Physical Sciences », 1968, 96, 4). Après la découverte des rayons du béryllium - les neutrons - Enrico Fermi a irradié de l'uranium avec eux, notamment pour provoquer la désintégration bêta - il espérait l'utiliser pour obtenir le 93ème élément suivant, aujourd'hui appelé neptunium. C'est lui qui découvre un nouveau type de radioactivité dans l'uranium irradié, qu'il associe à l'apparition d'éléments transuraniens. Dans le même temps, le ralentissement des neutrons, pour lequel la source de béryllium était recouverte d'une couche de paraffine, augmentait cette radioactivité induite. Le radiochimiste américain Aristide von Grosse a suggéré que l'un de ces éléments était le protactinium, mais il avait tort. Mais Otto Hahn, qui travaillait alors à l'Université de Vienne et considérait le protactinium découvert en 1917 comme son idée originale, a décidé qu'il était obligé de découvrir quels éléments avaient été obtenus. Avec Lise Meitner, au début de 1938, Hahn a suggéré, sur la base de résultats expérimentaux, que des chaînes entières d'éléments radioactifs se formaient en raison de multiples désintégrations bêta des noyaux absorbant les neutrons de l'uranium 238 et de ses éléments filles. Bientôt, Lise Meitner fut contrainte de fuir vers la Suède, craignant d'éventuelles représailles de la part des nazis après l'Anschluss de l'Autriche. Hahn, après avoir poursuivi ses expériences avec Fritz Strassmann, découvrit que parmi les produits il y avait aussi du baryum, élément numéro 56, qui ne pouvait en aucun cas être obtenu à partir de l'uranium : toutes les chaînes de désintégrations alpha de l'uranium se terminent par du plomb beaucoup plus lourd. Les chercheurs ont été tellement surpris par le résultat qu'ils ne l'ont pas publié ; ils ont seulement écrit des lettres à des amis, notamment à Lise Meitner à Göteborg. Là, à Noël 1938, son neveu Otto Frisch lui rendit visite et, se promenant dans les environs de la ville d'hiver - lui à skis, la tante à pied - ils discutèrent de la possibilité de l'apparition de baryum lors de l'irradiation de l'uranium comme résultat de la fission nucléaire (pour plus d'informations sur Lise Meitner, voir « Chimie et vie », 2013, n° 4). De retour à Copenhague, Frisch a littéralement surpris Niels Bohr sur la passerelle d'un navire en partance pour les États-Unis et lui a parlé de l'idée de la fission. Bohr, se frappant le front, dit : « Oh, quels imbéciles nous avons été ! Nous aurions dû le remarquer plus tôt. » En janvier 1939, Frisch et Meitner publièrent un article sur la fission des noyaux d'uranium sous l'influence des neutrons. À cette époque, Otto Frisch avait déjà réalisé une expérience de contrôle, ainsi que de nombreux groupes américains qui avaient reçu le message de Bohr. On dit que les physiciens ont commencé à se disperser dans leurs laboratoires dès son rapport du 26 janvier 1939 à Washington lors de la conférence annuelle de physique théorique, lorsqu'ils ont compris l'essence de l'idée. Après la découverte de la fission, Hahn et Strassmann ont révisé leurs expériences et ont découvert, tout comme leurs collègues, que la radioactivité de l'uranium irradié n'est pas associée aux transuraniens, mais à la désintégration des éléments radioactifs formés lors de la fission du milieu du tableau périodique.

Comment se produit une réaction en chaîne dans l’uranium ? Peu après que la possibilité d'une fission des noyaux d'uranium et de thorium ait été prouvée expérimentalement (et il n'existe aucun autre élément fissile sur Terre en quantité significative), Niels Bohr et John Wheeler, qui travaillaient à Princeton, ainsi que, indépendamment d'eux, le Le physicien théoricien soviétique Ya. I. Frenkel et les Allemands Siegfried Flügge et Gottfried von Droste ont créé la théorie de la fission nucléaire. Deux mécanismes en découlent. L’un est associé au seuil d’absorption des neutrons rapides. Selon elle, pour initier la fission, un neutron doit avoir une énergie assez élevée, supérieure à 1 MeV pour les noyaux des principaux isotopes - l'uranium 238 et le thorium 232. Aux énergies inférieures, l'absorption des neutrons par l'uranium 238 a un caractère résonant. Ainsi, un neutron avec une énergie de 25 eV a une section efficace de capture des milliers de fois plus grande qu'avec d'autres énergies. Dans ce cas, il n'y aura pas de fission : l'uranium-238 deviendra de l'uranium-239, qui avec une demi-vie de 23,54 minutes se transformera en neptunium-239, qui avec une demi-vie de 2,33 jours se transformera en uranium à vie longue. plutonium-239. Le thorium-232 deviendra de l'uranium-233.

Le deuxième mécanisme est l'absorption sans seuil d'un neutron, il est suivi du troisième isotope fissile plus ou moins courant - l'uranium-235 (ainsi que le plutonium-239 et l'uranium-233, que l'on ne trouve pas dans la nature) : par en absorbant n'importe quel neutron, même lent, dit thermique, avec l'énergie des molécules participant au mouvement thermique - 0,025 eV, un tel noyau se divisera. Et c’est très bien : les neutrons thermiques ont une section efficace de capture quatre fois supérieure à celle des neutrons rapides de type mégaélectronvolt. C'est là toute l'importance de l'uranium 235 pour toute l'histoire ultérieure de l'énergie nucléaire : c'est lui qui assure la multiplication des neutrons dans l'uranium naturel. Après avoir été touché par un neutron, le noyau d'uranium 235 devient instable et se divise rapidement en deux parties inégales. En cours de route, plusieurs nouveaux neutrons (en moyenne 2,75) sont émis. S'ils frappent les noyaux du même uranium, ils provoqueront une multiplication exponentielle des neutrons - une réaction en chaîne se produira, ce qui conduira à une explosion en raison du dégagement rapide d'une énorme quantité de chaleur. Ni l'uranium 238 ni le thorium 232 ne peuvent fonctionner ainsi : après tout, lors de la fission, les neutrons sont émis avec une énergie moyenne de 1 à 3 MeV, c'est-à-dire que s'il existe un seuil d'énergie de 1 MeV, une partie importante du les neutrons ne pourront certainement pas provoquer de réaction et il n'y aura pas de reproduction. Cela signifie qu'il faudra oublier ces isotopes et ralentir les neutrons jusqu'à l'énergie thermique pour qu'ils interagissent le plus efficacement possible avec les noyaux de l'uranium 235. Dans le même temps, leur absorption résonante par l'uranium 238 ne peut être autorisée : après tout, dans l'uranium naturel, cet isotope est légèrement inférieur à 99,3 % et les neutrons entrent plus souvent en collision avec lui, et non avec l'uranium 235 cible. Et en agissant comme modérateur, il est possible de maintenir la multiplication des neutrons à un niveau constant et d'éviter une explosion - contrôler la réaction en chaîne.

Un calcul effectué par Ya. B. Zeldovich et Yu. B. Khariton au cours de la même année fatidique de 1939 a montré que pour cela, il est nécessaire d'utiliser un modérateur de neutrons sous forme d'eau lourde ou de graphite et d'enrichir l'uranium naturel avec de l'uranium. 235 au moins 1,83 fois. Alors cette idée leur parut un pur fantasme : « Il faut noter qu'environ le double de l'enrichissement de ces quantités assez importantes d'uranium nécessaires pour réaliser une explosion en chaîne,<...>est une tâche extrêmement lourde, proche de l’impossibilité pratique. Aujourd'hui, ce problème est résolu et l'industrie nucléaire produit en masse de l'uranium enrichi à l'uranium 235 à 3,5 % pour les centrales électriques.

Qu'est-ce que la fission nucléaire spontanée ? En 1940, G. N. Flerov et K. A. Petrzhak ont ​​découvert que la fission de l'uranium peut se produire spontanément, sans aucune influence extérieure, bien que la demi-vie soit beaucoup plus longue que celle d'une désintégration alpha ordinaire. Étant donné qu’une telle fission produit également des neutrons, s’ils ne peuvent pas s’échapper de la zone de réaction, ils serviront d’initiateurs à la réaction en chaîne. C'est ce phénomène qui est utilisé dans la création de réacteurs nucléaires.

Pourquoi l’énergie nucléaire est-elle nécessaire ? Zeldovich et Khariton furent parmi les premiers à calculer l'effet économique de l'énergie nucléaire (Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1940, 23, 4). «... À l'heure actuelle, il est encore impossible de tirer des conclusions définitives sur la possibilité ou l'impossibilité de réaliser une réaction de fission nucléaire avec des chaînes infiniment ramifiées dans l'uranium. Si une telle réaction est réalisable, alors la vitesse de réaction est automatiquement ajustée pour assurer son bon déroulement, malgré l’énorme quantité d’énergie dont dispose l’expérimentateur. Cette circonstance est extrêmement favorable à la consommation énergétique de la réaction. Présentons donc - bien qu'il s'agisse d'une division de la peau d'un ours non tué - quelques chiffres caractérisant les possibilités d'utilisation énergétique de l'uranium. Si le processus de fission se déroule avec des neutrons rapides, la réaction capture le principal isotope de l'uranium (U238), alors<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>le coût d'une calorie provenant du principal isotope de l'uranium s'avère être environ 4 000 fois moins cher que celui du charbon (à moins, bien sûr, que les processus de « combustion » et d'évacuation de la chaleur ne s'avèrent beaucoup plus coûteux dans le cas de l'uranium que dans le cas du charbon). Dans le cas des neutrons lents, le coût d'une calorie « uranium » (sur la base des chiffres ci-dessus) sera, en tenant compte du fait que l'abondance de l'isotope U235 est de 0,007, déjà seulement 30 fois moins cher qu'une calorie « charbon », toutes choses étant égales par ailleurs.

La première réaction en chaîne contrôlée a été réalisée en 1942 par Enrico Fermi de l'Université de Chicago, et le réacteur était contrôlé manuellement en poussant les tiges de graphite vers l'intérieur et l'extérieur à mesure que le flux de neutrons changeait. La première centrale électrique a été construite à Obninsk en 1954. En plus de produire de l’énergie, les premiers réacteurs fonctionnaient également pour produire du plutonium de qualité militaire.

Comment fonctionne une centrale nucléaire ? De nos jours, la plupart des réacteurs fonctionnent aux neutrons lents. L'uranium enrichi sous forme de métal, d'alliage comme l'aluminium ou d'oxyde est placé dans de longs cylindres appelés éléments combustibles. Ils sont installés d'une certaine manière dans le réacteur, et entre eux sont insérées des tiges de modérateur qui contrôlent la réaction en chaîne. Au fil du temps, les poisons des réacteurs s'accumulent dans l'élément combustible - les produits de fission de l'uranium, qui sont également capables d'absorber les neutrons. Lorsque la concentration d'uranium 235 tombe en dessous d'un niveau critique, l'élément est mis hors service. Cependant, il contient de nombreux fragments de fission à forte radioactivité, qui diminue au fil des années, provoquant l'émission prolongée par les éléments d'une quantité importante de chaleur. Ils sont conservés dans des piscines de refroidissement, puis enterrés ou tentés d'être traités - pour extraire l'uranium 235 non brûlé, le plutonium produit (il a été utilisé pour fabriquer des bombes atomiques) et d'autres isotopes pouvant être utilisés. La partie inutilisée est envoyée aux cimetières.

Dans les réacteurs dits rapides, ou surgénérateurs, des réflecteurs en uranium 238 ou en thorium 232 sont installés autour des éléments. Ils ralentissent et renvoient dans la zone de réaction des neutrons trop rapides. Les neutrons ralentis à des vitesses de résonance absorbent ces isotopes, se transformant respectivement en plutonium-239 ou en uranium-233, qui peuvent servir de combustible pour une centrale nucléaire. Étant donné que les neutrons rapides réagissent mal avec l'uranium 235, sa concentration doit être considérablement augmentée, mais cela s'avère payant par un flux de neutrons plus fort. Bien que les réacteurs surgénérateurs soient considérés comme l'avenir de l'énergie nucléaire, car ils produisent plus de combustible nucléaire qu'ils n'en consomment, des expériences ont montré qu'ils sont difficiles à gérer. Il ne reste aujourd'hui qu'un seul réacteur de ce type dans le monde: celui de la quatrième centrale nucléaire de Beloyarsk.

Comment l’énergie nucléaire est-elle critiquée ? Si nous ne parlons pas d'accidents, le point principal des arguments des opposants à l'énergie nucléaire aujourd'hui est la proposition d'ajouter au calcul de son efficacité les coûts de protection de l'environnement après le déclassement de la centrale et lors du travail avec du combustible. Dans les deux cas, les défis d’une élimination fiable des déchets radioactifs se posent, et ce sont des coûts supportés par l’État. Il existe une opinion selon laquelle si vous les transférez au coût de l'énergie, son attrait économique disparaîtra.

Il existe également une opposition parmi les partisans de l’énergie nucléaire. Ses représentants soulignent le caractère unique de l'uranium 235, qui n'a pas de substitut, car les isotopes alternatifs fissiles aux neutrons thermiques - le plutonium 239 et l'uranium 233 - en raison de leur demi-vie de plusieurs milliers d'années, ne se trouvent pas dans la nature. Et ils sont obtenus précisément grâce à la fission de l'uranium 235. S’il s’épuise, une merveilleuse source naturelle de neutrons pour une réaction nucléaire en chaîne disparaîtra. En raison d'un tel gaspillage, l'humanité perdra à l'avenir la possibilité d'impliquer dans le cycle énergétique le thorium 232, dont les réserves sont plusieurs fois supérieures à celles de l'uranium.

Théoriquement, les accélérateurs de particules peuvent être utilisés pour produire un flux de neutrons rapides avec des énergies mégaélectronvolts. Cependant, si nous parlons, par exemple, de vols interplanétaires sur un moteur nucléaire, la mise en œuvre d'un projet avec un accélérateur volumineux sera très difficile. L'épuisement de l'uranium 235 met fin à de tels projets.

Qu’est-ce que l’uranium de qualité militaire ? Il s’agit d’uranium 235 hautement enrichi. Sa masse critique – elle correspond à la taille d’un morceau de substance dans lequel se produit spontanément une réaction en chaîne – est suffisamment petite pour produire des munitions. Cet uranium peut être utilisé pour fabriquer une bombe atomique, ainsi que comme fusible pour une bombe thermonucléaire.

Quelles catastrophes sont associées à l’utilisation de l’uranium ? L'énergie emmagasinée dans les noyaux des éléments fissiles est énorme. Si elle devient incontrôlable par oubli ou intentionnellement, cette énergie peut causer bien des problèmes. Les deux pires catastrophes nucléaires se sont produites les 6 et 8 août 1945, lorsque l'armée de l'air américaine a largué des bombes atomiques sur Hiroshima et Nagasaki, tuant et blessant des centaines de milliers de civils. Les catastrophes à plus petite échelle sont associées aux accidents dans les centrales nucléaires et les entreprises du cycle nucléaire. Le premier accident majeur s'est produit en 1949 en URSS, dans l'usine de Mayak, près de Tcheliabinsk, où était produit du plutonium ; Les déchets radioactifs liquides se sont retrouvés dans la rivière Techa. En septembre 1957, une explosion s'y produisit, libérant une grande quantité de matières radioactives. Onze jours plus tard, le réacteur britannique de production de plutonium de Windscale a brûlé et le nuage contenant les produits de l'explosion s'est dispersé sur l'Europe occidentale. En 1979, un réacteur de la centrale nucléaire de Three Mail Island, en Pennsylvanie, a brûlé. Les conséquences les plus répandues ont été causées par les accidents de la centrale nucléaire de Tchernobyl (1986) et de la centrale nucléaire de Fukushima (2011), au cours desquels des millions de personnes ont été exposées aux radiations. Les premiers ont jonché de vastes zones, libérant 8 tonnes de combustible d'uranium et de produits de désintégration à la suite de l'explosion, qui s'est propagée à toute l'Europe. Le second a pollué et, trois ans après l'accident, continue de polluer l'océan Pacifique dans les zones de pêche. Éliminer les conséquences de ces accidents coûte très cher, et si ces coûts étaient ventilés dans le coût de l'électricité, ils augmenteraient considérablement.

Une autre question concerne les conséquences sur la santé humaine. Selon les statistiques officielles, de nombreuses personnes ayant survécu aux bombardements ou vivant dans des zones contaminées ont bénéficié des radiations : les premières ont une espérance de vie plus élevée, les secondes ont moins de cancers et les experts attribuent une certaine augmentation de la mortalité au stress social. Le nombre de personnes décédées précisément des suites d'accidents ou de leur liquidation s'élève à des centaines de personnes. Les opposants aux centrales nucléaires soulignent que les accidents ont entraîné plusieurs millions de décès prématurés sur le continent européen, mais ils sont tout simplement invisibles dans le contexte statistique.

Soustraire des terres à l'usage humain dans les zones accidentées conduit à un résultat intéressant : elles deviennent une sorte de réserves naturelles où se développe la biodiversité. Il est vrai que certains animaux souffrent de maladies liées aux radiations. La question de savoir à quelle vitesse ils s’adapteront à un contexte toujours plus grand reste ouverte. Il existe également une opinion selon laquelle la conséquence de l'irradiation chronique est une « sélection pour les imbéciles » (voir « Chimie et vie », 2010, n° 5) : même au stade embryonnaire, des organismes plus primitifs survivent. En particulier, en ce qui concerne les personnes, cela devrait entraîner une diminution des capacités mentales de la génération née dans les zones contaminées peu après l'accident.

Qu’est-ce que l’uranium appauvri ? Il s'agit de l'uranium 238, restant après la séparation de l'uranium 235. Les volumes de déchets issus de la production d'uranium de qualité militaire et d'éléments combustibles sont importants - rien qu'aux États-Unis, 600 000 tonnes de cet hexafluorure d'uranium se sont accumulées (pour les problèmes liés à celui-ci, voir Chemistry and Life, 2008, n° 5) . La teneur en uranium 235 est de 0,2%. Ces déchets doivent soit être stockés jusqu'à des temps meilleurs, lorsque des réacteurs à neutrons rapides seront créés et il sera possible de transformer l'uranium 238 en plutonium, soit être utilisés d'une manière ou d'une autre.

Ils lui ont trouvé une utilité. L'uranium, comme d'autres éléments de transition, est utilisé comme catalyseur. Par exemple, les auteurs de l'article dans ACS Nano En date du 30 juin 2014, ils écrivent qu'un catalyseur à base d'uranium ou de thorium avec du graphène pour la réduction de l'oxygène et du peroxyde d'hydrogène « présente un énorme potentiel d'utilisation dans le secteur énergétique ». L’uranium ayant une densité élevée, il sert de lest aux navires et de contrepoids aux avions. Ce métal convient également à la radioprotection des dispositifs médicaux comportant des sources de rayonnement.

Quelles armes peut-on fabriquer à partir d’uranium appauvri ? Balles et noyaux pour projectiles perforants. Le calcul ici est le suivant. Plus le projectile est lourd, plus son énergie cinétique est élevée. Mais plus le projectile est gros, moins son impact est concentré. Cela signifie que des métaux lourds à haute densité sont nécessaires. Les balles sont en plomb (les chasseurs de l'Oural utilisaient autrefois également du platine natif, jusqu'à ce qu'ils réalisent qu'il s'agissait d'un métal précieux), tandis que les noyaux des coquilles sont en alliage de tungstène. Les écologistes soulignent que le plomb contamine le sol dans les lieux d'opérations militaires ou de chasse et qu'il serait préférable de le remplacer par quelque chose de moins nocif, par exemple le tungstène. Mais le tungstène n’est pas bon marché et l’uranium, de densité similaire, est un déchet nocif. Dans le même temps, la contamination admissible du sol et de l'eau par l'uranium est environ deux fois plus élevée que par le plomb. Cela se produit parce que la faible radioactivité de l'uranium appauvri (et elle est également 40 % inférieure à celle de l'uranium naturel) est négligée et qu'un facteur chimique vraiment dangereux est pris en compte : l'uranium, on s'en souvient, est toxique. Dans le même temps, sa densité est 1,7 fois supérieure à celle du plomb, ce qui signifie que la taille des balles d'uranium peut être réduite de moitié ; L'uranium est beaucoup plus réfractaire et dur que le plomb : il s'évapore moins lorsqu'il est tiré et lorsqu'il atteint une cible, il produit moins de microparticules. En général, une balle à l'uranium est moins polluante qu'une balle au plomb, même si une telle utilisation de l'uranium n'est pas connue avec certitude.

Mais on sait que des plaques d'uranium appauvri sont utilisées pour renforcer le blindage des chars américains (ceci est facilité par sa densité et son point de fusion élevés), ainsi qu'à la place de l'alliage de tungstène dans les noyaux des projectiles perforants. Le noyau d'uranium est également bon car l'uranium est pyrophorique : ses petites particules chaudes formées lors de l'impact avec l'armure s'enflamment et mettent le feu à tout ce qui l'entoure. Les deux applications sont considérées comme sans danger pour les radiations. Ainsi, le calcul a montré que même après avoir passé un an dans un char doté d'un blindage à l'uranium chargé de munitions à l'uranium, l'équipage ne recevrait qu'un quart de la dose autorisée. Et pour obtenir la dose annuelle admissible, vous devez visser ces munitions à la surface de la peau pendant 250 heures.

Des obus à noyau d'uranium - pour canons d'avion de 30 mm ou sous-calibres d'artillerie - ont été utilisés par les Américains lors de guerres récentes, à commencer par la campagne en Irak de 1991. Cette année-là, ils ont fait pleuvoir sur les unités blindées irakiennes au Koweït et, lors de leur retraite, 300 tonnes d'uranium appauvri, dont 250 tonnes, soit 780 000 cartouches, ont été tirées sur les canons des avions. En Bosnie-Herzégovine, lors du bombardement de l'armée de la Republika Srpska non reconnue, 2,75 tonnes d'uranium ont été dépensées, et lors du bombardement de l'armée yougoslave dans la région du Kosovo-Metohija, 8,5 tonnes, soit 31 000 cartouches. L'OMS étant alors préoccupée par les conséquences de l'utilisation de l'uranium, une surveillance a été effectuée. Il a montré qu'une salve était composée d'environ 300 cartouches, dont 80 % contenaient de l'uranium appauvri. 10 % ont touché des cibles et 82 % sont tombés à moins de 100 mètres d’elles. Le reste s'est dispersé dans un rayon de 1,85 km. Un obus qui a touché un char a brûlé et s'est transformé en aérosol ; l'obus à l'uranium a percé des cibles légères comme des véhicules blindés de transport de troupes. Ainsi, au maximum une tonne et demie d'obus pourraient se transformer en poussière d'uranium en Irak. Selon les experts du centre de recherche stratégique américain RAND Corporation, entre 10 et 35 % de l'uranium utilisé s'est transformé en aérosol. Asaf Durakovic, militant croate contre les munitions à l'uranium, qui a travaillé dans diverses organisations, depuis l'hôpital King Faisal de Riyad jusqu'au centre de recherche médicale sur l'uranium de Washington, estime que rien que dans le sud de l'Irak, en 1991, 3 à 6 tonnes de particules d'uranium submicroniques se sont formées. qui étaient dispersés sur une vaste zone, c'est-à-dire que la contamination à l'uranium y est comparable à celle de Tchernobyl.

L'uranium est un métal radioactif. Dans la nature, l'uranium est constitué de trois isotopes : l'uranium-238, l'uranium-235 et l'uranium-234. Le niveau de stabilité le plus élevé est enregistré dans l'uranium 238.

Désintégration radioactive de l'uranium

La désintégration radioactive est un processus de changement soudain dans la composition ou la structure interne des noyaux atomiques, caractérisés par une instabilité. Dans ce cas, des particules élémentaires, des rayons gamma et/ou des fragments nucléaires sont émis. Les substances radioactives contiennent un noyau radioactif. Le noyau fille résultant de la désintégration radioactive peut également devenir radioactif et subir une désintégration après un certain temps. Ce processus se poursuit jusqu'à la formation d'un noyau stable dépourvu de radioactivité. E. Rutherford a prouvé expérimentalement en 1899 que les sels d'uranium émettent trois types de rayons :

• Rayons α - un flux de particules chargées positivement
• Rayons β - un flux de particules chargées négativement
• Les rayons gamma ne créent pas de déviations dans le champ magnétique.

Radioactivité de l'uranium

La radioactivité naturelle est ce qui distingue l'uranium radioactif des autres éléments. Les atomes d'uranium, quels que soient les facteurs et les conditions, changent progressivement. Dans ce cas, des rayons invisibles sont émis. Après les transformations qui se produisent avec les atomes d’uranium, un élément radioactif différent est obtenu et le processus est répété. Il répétera autant de fois que nécessaire pour obtenir un élément non radioactif. Par exemple, certaines chaînes de transformations comportent jusqu'à 14 étapes. Dans ce cas, l'élément intermédiaire est le radium et la dernière étape est la formation du plomb. Ce métal n'est pas un élément radioactif, la série de transformations est donc interrompue. Or, il faut plusieurs milliards d’années pour que l’uranium se transforme complètement en plomb.
Le minerai d'uranium radioactif provoque souvent des empoisonnements dans les entreprises impliquées dans l'extraction et le traitement des matières premières d'uranium. Dans le corps humain, l'uranium est un poison cellulaire général. Elle affecte principalement les reins, mais également le foie et le tractus gastro-intestinal.
L'uranium ne possède pas d'isotopes complètement stables. La durée de vie la plus longue est observée pour l'uranium 238. La semi-désintégration de l'uranium 238 se produit sur 4,4 milliards d'années. En un peu moins d'un milliard d'années, la demi-désintégration de l'uranium 235 a lieu - 0,7 milliard d'années. L'uranium 238 occupe plus de 99 % du volume total de l'uranium naturel. En raison de sa demi-vie colossale, la radioactivité de ce métal n'est pas élevée ; par exemple, les particules alpha ne peuvent pas pénétrer dans la couche cornée de la peau humaine. Après une série d'études, les scientifiques ont découvert que la principale source de rayonnement n'est pas l'uranium lui-même, mais le gaz radon qu'il produit, ainsi que ses produits de désintégration qui pénètrent dans le corps humain lors de la respiration.