Плутониевый заряд: Начало атомной эры. Demon Сore / Хабр |

Содержание

Начало атомной эры. Demon Сore / Хабр

Летом 1946 года над атоллом Бикини была взорвана атомная бомба мощностью 27 килотонн в тротиловом эквиваленте. Целью испытания под кодовым названием Able были корабли, расположенные в лагуне, с «экипажем» из подопытных животных — свиней, коз и крыс. Однако еще задолго до испытания жертвами этой бомбы стали два физика-ядерщика, проводивших эксперименты с плутониевым зарядом бомбы. Он получил печальную известность и собственное имя — Demon core.

На Хабре ранее было опубликовано достаточно подробное описание этапов Манхэттенского проекта, результатом которого стало создание и боевое применение атомных бомб двух типов: урановой и плутониевой. В обоих случаях для взрыва используется одинаковый физический принцип — создание критической массы радиоактивного вещества для начала цепной реакции. Первый тип бомбы был устроен достаточно просто. В ней осуществлялось быстрое соединение двух частей уранового заряда, при этом общая масса становилась больше критической и происходил взрыв — так называемый «пушечный метод». Второй же тип в предельно упрощенном виде представлял собой шар из плутония, покрытый снаружи обычной взрывчаткой. При ее подрыве шар сжимался и переходил в критическое состояние: масса вещества оставалась неизменной, увеличивалась плотность. Пушечный метод для плутония не подходил из-за высокого уровня его радиоактивности и опасности взрыва еще на этапе сборки бомбы.

Не углубляясь в довольно сложную конструкцию плутониевой бомбы (об этом, возможно, будет отдельная статья), упомянем лишь одну деталь: в качестве одной из оболочек в ней использовалось вещество, отражающее нейтроны. Делалось это с целью повышения эффективности бомбы и уменьшения массы плутония, необходимой для взрыва: нейтроны, оставшиеся «внутри» заряда, участовали в цепной реакции, расщепляя ядра плутония, и чем больше их было, тем интенсивнее шла реакция.

Мы сделали одну вещь: пошли в комнату, где на краю узкой подставки лежал небольшой серебристый шар. На него можно было положить руку. Шар был теплым. Он был радиоактивным. Это был плутоний… Это был новый элемент, полученный человеком, вещество, которое никогда не существовало на земле прежде, разве что, может быть, на протяжении очень короткого периода в самом начале. И вот он здесь, выделен и радиоактивен, со всеми удивительными свойствами. И мы получили его. И поэтому он был потрясающе ценным. (Здесь и далее цитаты принадлежат великому Ричарду Фейнману.)

«Небольшой серебристый шар» весил чуть больше 6 килограммов и имел в диаметре 3,5 дюйма — легко представить, сравнив его с обычной дискетой. Вряд ли было бы хорошей идеей таскать его в кармане, но находиться в одной комнате и даже прикасаться к нему без вреда для здоровья было вполне возможно. Плутоний производился на ядерном реакторе в Хэндфорде, штат Вашингтон. Именно там было получено вещество для первого в истории атомного взрыва — Тринити, для бомбы, сброшенной на Нагасаки и, наконец, для Дьявольского ядра.

Люди из Оук-Риджа ничего не знали о том, где должен использоваться уран, — они просто знали, что нужно делать то-то и то-то… Люди же «внизу» вообще не знали, что они делают. Однако Сегре настаивал, что люди из Оук-Риджа никогда не сумеют правильно произвести анализы, и вся затея вылетит в трубу. Поэтому в конце концов он поехал посмотреть на их работу и, когда шел по территории, вдруг увидел, что везут огромную емкость с водой — зеленой водой, — то есть с раствором нитрата урана. Он сказал:

— Вот это да! И что же, вы собираетесь таким же манером обращаться с этой водичкой и когда уран будет очищен? Вы именно это собираетесь делать?

Они остановились:

— Конечно, а почему бы и нет?

— Разве все не взорвется?

— Что? Взорвется?

Исследователи, ученые, простые рабочие того времени были первопроходцами на новой, неизведанной территории. Это сегодня мы видим атомные электростанции, управляемые компьютерами, системы защиты и контроля, людей в костюмах-скафандрах. Тогда же лаборатории больше походили на слесарные мастерские, а правила безопасности вырабатывались вместе с новыми и новыми экспериментами, зачастую весьма опасными. Два из них привели к человеческим жертвам.

21 августа 1945 г. Гарри Дэглиэн-младший

Первый инцидент с Дьявольским ядром произошел спустя две недели после уничтожения Хиросимы и Нагасаки. Гарри Дэглиен-младший проводил эксперимент, заключавшийся в постройке вокруг Ядра оболочки, отражающей нейтроны. Она состояла из кирпичей карбида вольфрама — этот сплав используется для изготовления пуль и снарядов, сверел, шариков для шариковых ручек и даже обручальных колец. Процедура заключалась в постепенном добавлении кирпичей, образующих «колодец» вокруг Ядра, в результате чего оно приводилось в состояние, близкое к критическому.

Утром 21 августа Дэглиен провел два эксперимента, выстроив «колодцы» из кирпичей разного размера. Очередная сборка была запланирована на следующее утро, однако физик решил провести его в одиночку вечером того же дня, в нарушение установленных правил. В лаборатории находился лишь охранник, который поприветствовал Гарри и углубился в чтение газеты.

Дэглиен выстроил колодец из четырех слоев кирпичей, контролируя излучение Ядра с помощью счетчика. На очередном слое счетчик показал резкое повышение уровня радиации, это означало, что вся конструкция находится в состоянии, близком к критическому. Ученый начал убирать кирпич и внезапно уронил его прямо на центр сборки. На часах было 9 часов 55 минут вечера.

Охранник сидел спиной к Дэглиену на расстоянии около 5 метров и услышал треск счетчика, звук падающего кирпича, а затем увидел вспышку света. Повернувшись, он увидел, как ученый, замерев, стоит рядом со сборкой, пытаясь оценить ситуацию. Дэглиен разобрал конструкцию, переведя ее в безопасное состояние, однако к этому моменту он уже получил суммарную дозу радиации около 600 рентген. Больше всего пострадали руки: в левой руке физик держал кирпич до момента падения, правой столкнул его с вершины Ядра. Дозы облучения рук составили от 15 до 40 тысяч бэр. По ссылке (предупреждение: фото не из приятных) можно увидеть состояние правой руки спустя девять дней после инцидента — говоря простым языком, она была сожжена радиацией.

Спустя 26 дней Дэглиен скончался. Усилия медиков не принесли результата и при дозе облучения, многократно превысившую смертельный уровень, были бесполезными. Об инциденте была опубликована короткая заметка в New York Times, где утверждалось, что физик умер от химических ожогов.

21 мая 1946 г. Луис Слотин

Одним из коллег и друзей Дэглиена, работавших вместе с ним и навещавших его в госпитале, был канадский физик Луис Слотин. В Лос-Аламосе он также занимался опасными экспериментами по приведению радиоактивных зарядов в состояние, близкое к критическому. Также Слотин принимал участие в сборке Тринити — первой атомной бомбы, взорванной в пустыне Нью-Мексико 16 июля 1945 года. За время работы он стал чрезвычайно опытным и уникальным специалистом в своей области. Стоит отметить, что после окончания Второй Мировой войны Слотин выражал неприязнь по отношению к испытаниям атомного оружия. Он планировал продолжать исследования в мирных областях — радиобиологии и биофизике.

В новом эксперименте Дьявольское ядро помещалось в оболочку из двух бериллиевых полусфер. Бериллий, как и карбид вольфрама, является отражателем нейтронов. Днем 21 мая Слотин в присутствии семерых коллег поместил Ядро в нижнюю полусферу и накрыл его верхней полусферой. Между отражателями должен был оставаться небольшой зазор, для чего обычно использовались специальные прокладки. Но на этот раз их не было, Слотин удерживал верхнюю полусферу левой рукой, а в правой руке держал отвертку, которая не давала полусферам соединиться.

Что случилось дальше — теперь уже догадаться нетрудно. В 15 часов 30 минут отвертка соскользнула, и верхняя полусфера упала на Ядро. Люди в комнате увидели голубое свечение ионизированного воздуха и ощутили волну тепла, исходившую от Ядра. Слотин ощутил сильное жжение в левой руке и инстинктивно отдернул ее, сняв верхнюю полусферу и таким образом прекратив цепную реакцию. Однако он уже точно знал, что случилось непоправимое. Доза радиации, полученная физиком, составила около 2100 рентген. Коллеги, находящиеся рядом, получили меньшие дозы, сильнее других пострадал Элвин Грейвс, находившийся рядом с Ядром. Он должен был сменить Слотина на его должности. В результате облучения он ослеп, что не помешало ему впоследствии стать руководителем множества наземных ядерных испытаний, проведенных США в 50-х годах ХХ века.

Слотин же скончался спустя 9 дней в том же госпитале и в той же комнате, где до этого умер Дэглиен.

Информация о втором инциденте некоторое время была засекречена. Позже Слотин был представлен как герой, спасший ценой своей жизни своих коллег. Редактор местной газеты Los Alamos Times посвятил его памяти стихи (перевод А. Мурашовой):

Да примет Бог тебя, великий ученый!

В обычной жизни мы знали лишь широту твоего ума,

И лишь в горниле смертных испытаний

Открылась нам твоя душа.

Однако в случившемся была целиком его вина. Дьявольское ядро во второй раз не простило нарушений техники безопасности и правил проведения эксперимента.

После инцидентов все эксперименты с непосредственным участием людей были прекращены. Дальнейшие испытания критических состояний проводились с помощью устройств, управляемых дистанционно.

1 июня 1946 г.

Дьявольское ядро, наконец, перестало существовать. Впереди были тысячи ядерных испытаний в воздухе, на земле, под водой и под землей, в космосе…

Послесловие, оно же предисловие. 16 июля 1945 г.

Когда все закончилось, в Лос-Аламосе возникло ужасное возбуждение. Все устраивали вечеринки, и мы носились повсюду. Я забился в угол джипа и там бил в барабан и все такое. Но один человек, я помню, Боб Вильсон, сидел подавленный и безучастный.

— Почему ты хандришь? — спросил я его.

Он сказал:

— То, что мы сделали, — ужасно.

Я удивился:

— Но ведь ты сам начал это. Именно ты вовлек в это всех нас.

Понимаете, что со мной случилось, что случилось со всеми нами? Мы начинали с добрыми намерениями, потом усердно работали, чтобы завершить что-то важное. Это удовольствие, это очень волнующе. И перестаешь думать, знаете ли, просто перестаешь. Боб Вильсон оказался единственным, кто еще думал об этом в тот момент.

Ссылки

Demon core в Википедии
Operation Crossroads
Сайт памяти Гарри Дэглиена
Сайт памяти Луиса Слотина

как выглядели первые атомные бомбы

Правда ли, что на печати времен нововавилонского царя Навуходоносора II изображена атомная бомба и ядерный взрыв? Почему первый вариант американской атомной бомбы назывался «Худой»? На что внешне было похоже советское «изделие 501» — плутониевый заряд имплозивного типа? И как выглядят современные образцы ядерного оружия США? Ответы на эти вопросы — в нашей статье.

Ритуалы Навуходоносора

Если верить любителям конспирологии, то загадочный оттиск цилиндрической печати времен Навуходоносора II — это изображение атомной бомбы с плутониевым зарядом имплозивного типа. Точь-в-точь такой же, как сброшенный на Нагасаки американский «Толстяк» (Fat Man). Ну а рядом — гриб ядерного взрыва со стрелками, символизирующими проникающую радиацию.

Воинственный субъект с кинжалом в напоминающем треух головном уборе, колдующий над таинственным гаджетом, — то ли сам царь, то ли какое-то недоброе божество, то ли представитель неведомой космической цивилизации, этот гаджет на Землю притащившей. Впрочем, есть мнение, что бомба — это не бомба вовсе, а какой-то ритуальный сосуд. А смертоносный гриб — это грозовое облако, из которого льет хороший дождь. Ну, как будто какой-нибудь жрец вызывает атмосферные осадки, необходимые для урожая. Некоторые и вовсе ставят под сомнение подлинность этой печати — уж больно похожими на зловещие реалии ХХ века выполнены ее элементы. Но если правы конспирологи, то оттиск печати действительно содержит первое из известных изображений атомных бомб.

Погрузка американского «Толстяка». На платформе — еле заметные автографы, можно разобрать «Джо», «Калифорния»

Сначала был «Худой»

Как выглядели первые в мире, уже без псевдоисторических шуток, атомные авиабомбы — уничтоживший Хиросиму продолговатый урановый «Малыш» (Little Boy) и сброшенный на Нагасаки плутониевый «Толстяк» (название говорит само за себя), американцы скрывали лет 15 после их применения. Разумеется, их подробные чертежи до сих пор под секретом, как того требует политика нераспространения ядерного оружия.

Самой доступной в плане возможного копирования является простая конструкция «Малыша» с урановым зарядом пушечного типа, в котором два куска урана-235 докритической массы сталкиваются друг с другом — вернее, одним «выстреливают» с помощью обычной взрывчатки в другой, с образованием сверхкритической массы.

А вот плутониевый заряд «Толстяка» построен по имплозивной схеме — с обжатием его ядра ударной волной, также образующейся при подрыве заряда обычной взрывчатки. Желающим узнать подробности можно порекомендовать обстоятельную книгу доктора технических наук генерал-майора Александра Любомудрова «Теоретические основы устройства ядерного оружия», изданную «Физматлитом» и находящуюся в свободном доступе. Разве что для ее освоения потребуется несколько освежить базовые знания физики и высшей математики.

Любопытный момент: самый первый вариант американской атомной бомбы назывался «Худой» — Thin Man. Плутониевый «Худой» имел продолговатую форму с соотношением длины к диаметру 15,5:1, то есть был еще более продолговатым, нежели появившийся впоследствии урановый «Малыш». Испытания баллистических макетов «Худого» с борта тяжелого бомбардировщика B-29 (именно с такого сбросили бомбы на японские города) начались еще в 1944 году, но вызвали большое разочарование. Из-за неудачного механизма сброса макеты вываливались раньше, чем было положено. Доводка «Худого» до боевого образца была прекращена.

Интересно и то, что первый в мире реально примененный ядерный боеприпас — тот самый «Малыш» — имел начинку из урана-235, а не из плутония-239, как экспериментальный заряд «Штуковина» (Gadget), взорванный на полигоне Аламогордо в июле 1945-го. То есть американцы задействовали против Хиросимы не прошедшую испытания модель ядерного оружия. Есть конспирологическая версия, что начинен «Малыш» был не тем ураном, что обогащался до оружейной кондиции в американском Ок-Ридже, а тем, что в виде окиси находился (в количестве аж 560 кг) на борту захваченной в мае 1945 года американским флотом немецкой подводной лодки U-234. Она была направлена издыхающим Третьим рейхом в Японию с разным секретным добром, включая комплекты чертежей всякого вундерваффе — например, реактивного истребителя Me-262, доставившего немало неприятностей союзной авиации во время ее рейдов на гитлеровскую Германию. Нацисты, видимо, намеревались после своего поражения мстить антигитлеровской коалиции руками самураев, которые и сами разрабатывали ядерное оружие.

«Толстяк» страдал таким недостатком, как аэродинамическая нестабильность при сбросе что отражалось на точности прицеливания. Кроме того, бомбы такого типа (серийное обозначение Mk-III) по соображениям ядерной безопасности хранились в разобранном состоянии, причем на их сборку бригаде из 39 ученых, инженеров и техников требовалось двое суток. В состоянии боевой готовности бомбу можно было держать тоже не более 48 часов, после чего приходилось менять аккумуляторы, питающие систему подрыва.

В разобранном состоянии содержались в Сарове и первые советские атомные бомбы чрезвычайного государственного запаса, приведение которых в боеготовое состояние тоже требовало немалых регламентных хлопот.

Русский вернисаж

Что касается СССР, то фотографии первой отечественной авиабомбы с зарядом РДС-1, испытанным в 1949 году, были рассекречены примерно 30 лет назад.

Взрыв РДС‑1 на полигоне 29 августа 1949 года

«Изделие 501» (плутониевая бомба имплозивного типа, мощность при испытании заряда — 22 кт) ныне запечатлено не только в книгах и журналах, но даже на почтовой марке, посвященной Юлию Харитону, и на сувенирных магнитиках на холодильник, которыми иногда одаривают гостей Сарова. Эта бомба, хотя и имела прототипом американского «Толстяка», заметно от него отличалась внешне. А вообще, 501-я живо напоминала нечто вроде самовара.

О физиках — разработчиках советского ядерного оружия мы писали немало, здесь же упомянем Александра Надашкевича, который разработал саму систему, вооружить бомбами тогдашние отечественные стратегические бомбардировщики начиная с Ту-4 (копии американского В-29). Это была не просто механическая система подвески: первые атомные бомбы были изделиями, требующими весьма деликатного обращения. В бомбоотсеке пришлось налаживать термостабилизацию боевой нагрузки с помощью электрообогрева.

Потом в ходе раскрытия истории отечественного атомного проекта почему-то сразу перескочили к картинкам самой мощной в мире 58,6-мегатонной термоядерной авиабомбы АН602 (она же «Кузькина мать» и «Царь-бомба»), взорванной на Новой Земле в 1961 году. Между прочим, вооружение тяжелого бомбардировщика Ту-95В супербомбой АН602 принято считать чисто экспериментальным. Мол, и самолет был всего лишь специально оборудованным единичным образцом серийной машины Ту-95, и «Кузькина мать» представляла собой штучное изделие, которое Хрущев решил показать Западу. Так-то оно в политическом аспекте так, но при необходимости Ту-95В (при разработке которого также не обошлось без Надашкевича) мог быть задействован и против вероятного противника — конечно, при условии подавления его ПВО. Мощность бомбы могла быть доведена до 100 Мт — этого достаточно, чтобы стереть с лица Земли американский штат Массачусетс или государство размером с Бельгию. Правда, дальности полета Ту-95В с такой чудовищной бомбой на борту хватало только на поражение целей в пределах Евразии и на Аляске. Есть мнение, что, сбросив ее у побережья в море, можно было вызвать разрушительное цунами.

Доступные сейчас, а когда-то совершенно секретные фильмы об испытаниях первых отечественных бомб «судного дня», а также кое-какая современная литература дают представление об облике атомных бомб из семейства 1950-х годов и даже позже. Это, например, 40-килотонная бомба с зарядом РДС-2 («изделие 501-М»). Первая наша тактическая атомная авиабомба «Татьяна» с зарядом РДС-4 (мощность при испытании — 28 кт), которую могли принимать на борт легкие фронтовые бомбардировщики Ил-28, а позднее сверхзвуковые Як-28. Тактическая пятикилотонная 8У69, размещавшаяся уже не в обогреваемом бомбоотсеке, а на внешней подвеске (главный носитель — сверхзвуковой истребитель-бомбардировщик Су-7Б). Стратегические термоядерные бомбы с зарядом РДС-6с (первая советская и первая в мире авиатранспортабельная водородная бомба, в серии — «изделие 501–6», мощность 400 кт). РДС-27 (250 кт, в серии — 27Н) и РДС-37 (мощность 1,6 Мт, боевые варианты — 40НГ и 40НГ-2). Водородные бомбы принимали на борт туполевские средние бомбардировщики Ту-16 и тяжелые Ту-95, а также мясищевские М-4 и 3М.

Сборные макеты появившихся впоследствии советских малогабаритных ядерных авиабомб РН-24 и РН-28 (для внешней подвески на сверхзвуковых истребителях-бомбардировщиках) сегодня может приобрести любой коллекционер, увлекающийся склейкой пластиковых моделей самолетов. Фото предназначенной для борьбы с подводными лодками глубинной авиабомбы «Скальп» — тоже ныне не секрет.

Рабочий-сборщик на фоне массо-габаритного макета первой советской бомбы, 1949 год

Секрет Гибсона

В отличие от СССР и России, где нахождение в публичном доступе соответствующей информации все-таки ограниченно, американцы сегодня не прочь продемонстрировать практически всю линейку своего ядерного оружия. Речь идет о разнообразной литературе по этой теме. Наверное, наиболее концентрированная информация представлена в капитальном труде Джеймса Гибсона «Ядерное оружие Соединенных Штатов: иллюстрированная история», где показаны фотографии и приводятся основные характеристики этого оружия — от «Малыша» до современных образцов.

Степень информированности автора, конечно, впечатляет. Хотя чертежей там нет, да и автор признается, что и ему не все ведомо. Так, разместив в своей книге фото термоядерной авиабомбы B-83 мегатонного класса (ранее опубликованное для всеобщего обозрения Пентагоном), где она представлена целиком и в разобранном состоянии, мистер Гибсон сопроводил иллюстрацию следующей сентенцией: «Понятия не имею, что это за детали тут разложены, и не желаю знать».

Вполне патриотичное нежелание Гибсона знать, что там изображено, наверное, может быть одобрено ФБР, но более или менее погруженный в тему читатель может, изучив представленные в книге «потроха» B-83, кое-что идентифицировать с известной долей вероятности.

На фото представлены: контрольно-поверочный тестер с кодоблокировочным устройством, предустановщик мощности взрыва, контейнер с тормозным парашютом для применения бомбы с малых высот, цилиндр с золотым покрытием — элемент инициирующего плутониевого заряда (узла деления), белый цилиндр — полимерная втулка системы радиационной имплозии (принимает на себя рентгеновское излучение при подрыве заряда плутония-239 и, обратившись в плазму с колоссальным давлением, обеспечивает срабатывание термоядерного узла), черные цилиндры — блоки инициирования детонаторов обычной взрывчатки и нейтронного инициирования реакции деления, серебристый цилиндр — собственно термоядерный узел с дейтеридом лития. А черная трубка — предположительно дейтериево-тритиевый узел системы бустирования (повышения эффективности) реакции деления в плутониевом заряде. Всякая разная мелочовка — элементы автоматики, крепежа и т. п. Возможно, ученые мужи из Лос-Аламоса и Ливермора внесут в эту расшифровку для широкого читателя свои существенные коррективы, но в обозримом будущем это вряд ли произойдет.

Есть интересная история?

Напишите нам

The Periodic Table at KnowledgeDoor

Ссылки (Нажмите рядом со значением выше, чтобы увидеть полную информацию о цитировании для этой записи)

Allred, A.L. «Значения электроотрицательности на основе термохимических данных». Журнал неорганической и ядерной химии, том 17, номера 3–4, 1961 г., стр. 215–221. doi: 10.1016/ 0022-1902 (61) 80142-5

Кэмпбелл, Дж. Л. «Урожайность флуоресценции и вероятности Костера-Кронига для атомных L подоболочек. Часть II: Возвращение к подоболочке L1». Атомные данные и таблицы ядерных данных, том 95, номер 1, 2009 г., стр. 115–124. doi: 10.1016/ j.adt.2008.08.002

Кэмпбелл, Дж. Л. «Урожайность флуоресценции и вероятности Костера-Кронига для атомных L подоболочек». Атомные данные и таблицы ядерных данных, том 85, номер 2, 2003 г., стр. 291–315. doi:10.1016/ S0092-640X(03)00059-7

Кардарелли, Франсуа. Справочник по материалам: краткий настольный справочник, 2-е издание. Лондон: Springer-Verlag, 2008.

Коэн, Э. Ричард, Дэвид Р. Лайд и Джордж Л. Тригг, редакторы. Справочник по физике AlP, 3-е издание. Нью-Йорк:
Springer-Verlag New York, Inc., 2003.

Коннелли, Нил Г., Туре Дамхус, Ричард М. Хартсхорн и Алан Т. Хаттон. Номенклатура неорганической химии: Рекомендации IUPAC 2005. Кембридж: RSC Publishing, 2005.

Кордеро, Беатрис, Вероника Гомес, Ана Э. Платеро-Пратс, Марк Ревес, Хорхе Эчеверриа, Эдуард Кремадес, Флавия Барраган и Сантьяго Альварес. «Возвращение ковалентных радиусов». Dalton Transactions, номер 21, 2008 г., стр. 2832–2838. doi:10.1039/ b801115j

Кокс, П. А. Элементы: их происхождение, изобилие и распространение. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета, 1989.

де Подеста, Майкл. Понимание свойств материи, 2-е издание. Лондон: Тейлор и Фрэнсис, 2002.

Донохью, Джерри. Структуры элементов, 2-е издание. Малабар, Флорида: Издательство Роберта Э. Кригера, 1974.

Дронсковски, Ричард. Вычислительная химия твердотельных материалов. Вайнхайм, Германия: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2005.

Эмсли, Джон. Строительные блоки природы: Путеводитель по элементам от А до Я . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета, 2003.

Эмсли, Джон. Элементы, 3-е издание. Oxford: Oxford University Press, 1998.

Филянд, М. А., и Е. И. Семенова. Справочник редких
Элементы: радиоактивные элементы и редкоземельные элементы, том 3. Перевод Майкла Э. Альферьева. Лондон: Oldbourne Book Co. Ltd., 1970.

Файерстоун, Ричард Б. Таблица изотопов, 8-е издание, том 2. Под редакцией Вирджинии С. Ширли с помощниками редактора Корал М. Бэглин, С. Ю. Фрэнк Чу и Джин Зипкин . Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 19.96.

Гринвуд, Н. Н., и А. Эрншоу. Химия элементов, 2-е издание. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997.

Herchenroeder, JW, and KA Gschneidner. «Стабильные, метастабильные и несуществующие аллотропы». Журнал фазовых равновесий, том 9, номер 1, 1988 г., стр. 2–12. doi:10.1007/ BF02877443

Ho, C.Y., RW Powell, and PE Liley. «Теплопроводность элементов: всесторонний обзор». Журнал физических и химических справочных данных, том 3, приложение 1, 1974, стр. I–1–I–796.

Хоффман, Дарлин С. , Альберт Гиорсо и Гленн Т. Сиборг. Трансурановые люди: внутренняя история. Лондон, Англия: Imperial College Press, 2000.

Хорват, А.Л. «Критическая температура элементов и периодическая система». Журнал химического образования, том 50, номер 5, 1973 г., стр. 335–336. doi:10.1021/ ed050p335

Хьюи, Джеймс Э., Эллен А. Кейтер и Ричард Л. Кейтер. Неорганическая химия: принципы строения и реакционной способности, 4-е издание. Нью-Йорк: издательство HarperCollins College Publishers, 19 лет.93.

Иде, Аарон Дж. Развитие современной химии. Нью-Йорк: Dover Publications, Inc., 1984.

Indelicato, P., JP Santos, S. Boucard, and J.-P. Дескло. «КЭД и
Релятивистские поправки в сверхтяжелых элементах». Европейский физический журнал D — Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics, том 45, номер 1, 2007 г., стр. 155–170. doi: 10.1140/ epjd/ e2007-00229-y

Jr., Элберт Дж. Литтл и Марк М. Джонс, «Полная таблица электроотрицательностей», Журнал химического образования, том 37, номер 5, 19. 60, стр. 231–233. doi:10.1021/ ed037p231

Кальцояннис, Николас и Питер Скотт. Элементы f. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета, 1999.

Кинг, Х.В. «Температурно-зависимые аллотропные структуры элементов». Бюллетень фазовых диаграмм сплавов, том 3, номер 2, 1982 г., стр. 275–276. doi:10.1007/ BF02892394

Киттель, Чарльз. Введение в физику твердого тела, 8-е издание. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc, 2005.

Конингс, Руди Дж. М. и Ондрей Бенеш. «Термодинамические свойства f-элементов и их соединений. I. Металлы лантанидов и актинидов». Журнал физических и химических справочных данных, том 39,
№ 4, 2010 г., стр. 043102–1–043102–47. doi:10.1063/ 1.3474238

Лиде, Дэвид Р., изд. Справочник CRC по химии и физике, 88-е издание. Бока-Ратон, Флорида: Taylor & Francis Group,
2008.

Лос-Аламосская национальная лаборатория. LANL: Джозеф В. Кеннеди. http:// www.lanl.gov/ история/ человек/ J_Kennedy. shtml . Проверено 1 июля 2009 г.

Маршалл, Джеймс Л. Открытие элементов: поиск
для Основополагающих принципов Вселенной, 2-е издание. Бостон, Массачусетс: Pearson Custom Publishing, 2002.

Мартин В.К. «Электронная структура элементов». Европейский физический журнал C — Частицы и поля, том 15, номера 1–4, 2000 г., стр. 78–79. doi:10.1007/ BF02683401

Мисслер, Гэри Л. и Дональд А. Тарр. Неорганическая химия, 3-е издание. Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Pearson Prentice Hall, 2004.

Нэгл, Джеффри К. «Атомная поляризуемость и электроотрицательность». Журнал Американского химического общества, том 112, номер 12, 1990 г., стр. 4741–4747. дои: 10.1021/ ja00168a019

Нобелевский фонд. Эдвин М. Макмиллан: Нобелевская премия по химии 1951 года. По состоянию на 1 июля 2009 г.

Нобелевский фонд. Гленн Т. Сиборг: Нобелевская премия по химии 1951 года.0006 . Проверено 1 июля 2009 г.

Полинг, Линус. Природа химической связи, 3-е издание. Итака, Нью-Йорк: Издательство Корнельского университета, 1960.

Пекка Пюиккё. Самосогласованные ковалентные радиусы 2009 года. http:// www.chem.helsinki.fi/ ~pyykko/ Radii09.pdf . По состоянию на 20 ноября 2010 г.

Physics Today. Уведомление о смерти: Артур С. Вал. http:// www.physicstoday.org/ obits/ note_074.shtml . Проверено 1 июля 2009 г.

Портер Ф.Т. и М.С. Фридман. «Рекомендуемые энергии связывания атомных электронов, от 1 с до 6p3/2, для тяжелых элементов, Z = от 84 до 103». Журнал физических и химических справочных данных, том 7, номер 4, 1978 г., стр. 1267–1284.

Пюикко, Пекка и Митико Атсуми. Ковалентные радиусы молекулярных двойных связей
для элементов Li-E112». Химия — Европейский журнал, том 15, номер 46, 2009 г., стр. 12770–12779. doi: 10.1002/ chem.2002

Пюикко, Пекка и Митико Атсуми. «Ковалентные радиусы молекулярных одинарных связей
для элементов 1–118». Химия — Европейский журнал, том 15, номер 1, 2009 г., стр. 186–197. doi: 10.1002/ chem.200800987

Ringnes, Vivi. «Происхождение названий химических элементов». ». Журнал химического образования, том 66, номер 9, 1989 г., стр. 731–738. doi: 10.1021/ ed066p731

Рорер, Грегори С. Структура и связывание в кристаллических материалах. Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 2001.

Самсонов Г.В., редактор. Справочник по физико-химическим свойствам элементов. Нью-Йорк: Plenum Publishing Corporation, 1968.

Сансонетти, Дж. Э. и У. К. Мартин. «Справочник по основным данным атомной спектроскопии». Журнал Физических И
Химические справочные данные, том 34, номер 4, 2005 г., стр. 1559–2259. doi:10.1063/ 1.1800011

Научная группа Thermodata Europe (SGTE). Чистые вещества. Часть 1. Элементы и соединения от AgBr до Ba3N2. Под редакцией И.
Уртадо и Д. Нойшютц. Берлин: Springer-Verlag, 19.99. doi:10.1007/ 10652891_3

Сиборг, Гленн Т. и Уолтер Д. Лавленд. Элементы помимо урана. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 1990.

Шеннон, Р. Д. «Пересмотренные эффективные ионные радиусы и систематические исследования
Межатомные расстояния в галогенидах и халькогенидах». Acta Crystallographica Section A, том 32, номер 5, 1976 г., стр. 751–767. Бавенди, Физическая химия, 4-е издание, Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., 2005.

Сингман, Чарльз Н. «Атомный объем и аллотропия элементов». Журнал химического образования, том 61, номер 2, 1984 г., стр. 137–142. doi: 10.1021/ ed061p137

Слейтер, Дж. К. «Атомные радиусы в кристаллах». Журнал химической физики, том 41, номер 10, 1964 г., стр. 3199–3204. doi:10.1063/ 1.1725697

Смит, Дерек В. Неорганические вещества: прелюдия к изучению описательной неорганической химии. Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 1990.

Стюарт, Г. Р. «Измерение низкотемпературной удельной теплоемкости». Обзор научных инструментов, том 54, номер 1, 1983 г., стр. 1–11. doi: 10.1063/ 1.1137207

Тари А. Удельная теплоемкость вещества при низких температурах. Лондон: Imperial College Press, 2003.

Вайнштейн, Борис К., Владимир М. Фридкин и Владимир Л. Инденбом. Структура кристаллов, 2-е издание. Современная кристаллография 2. Под редакцией Бориса К. Вайнштейна, А.А. Чернова и Л.А. Шувалова. Берлин: Springer-Verlag, 19.95.

Вабер, Дж. Т. и Дон Т. Кромер. «Орбитальные радиусы атомов и ионов». Журнал химической физики, том 42, номер 12, 1965 г., стр. 4116–4123. doi:10.1063/ 1.1695904

Уикс, Мэри Эльвира и Генри М. Лестер. Открытие элементов, 7-е издание. Истон, Пенсильвания: Журнал химического образования,
1968.

Yaws, Карл Л. Справочник Yaws по физическим свойствам углеводородов и химических веществ. Хьюстон, Техас: Gulf Publishing Company, 2005.

переработка урана | Британика

Связанные темы:: обработка материалов
уран

См. все связанные материалы →

переработка урана , подготовка руды для использования в различных продуктах.

Уран (U), хотя и очень плотный (19,1 грамма на кубический сантиметр), является относительно слабым, не тугоплавким металлом. Действительно, металлические свойства урана, по-видимому, занимают промежуточное положение между свойствами серебра и других истинных металлов и свойствами неметаллических элементов, поэтому его не ценят для конструкционных применений. Основная ценность урана заключается в радиоактивных и делящихся свойствах его изотопов. В природе практически все (99,27 процента) металла состоит из урана-238; остаток состоит из урана-235 (0,72 процента) и урана-234 (0,006 процента). Из этих встречающихся в природе изотопов только уран-235 может непосредственно расщепляться нейтронным облучением. Однако уран-238 при поглощении нейтрона образует уран-239, и этот последний изотоп в конечном итоге распадается на плутоний-239 — делящийся материал, имеющий большое значение в ядерной энергетике и ядерном оружии. Другой делящийся изотоп, уран-233, может образовываться при нейтронном облучении тория-232.

Даже при комнатной температуре мелкодисперсный металлический уран реагирует с кислородом и азотом. При более высоких температурах он реагирует с широким спектром легирующих металлов с образованием интерметаллических соединений. Образование твердых растворов с другими металлами происходит редко из-за особых кристаллических структур, образованных атомами урана. Между комнатной температурой и точкой плавления 1132 ° C (2070 ° F) металлический уран существует в трех кристаллических формах, известных как альфа (α), бета (β) и гамма (γ) фазы. Превращение из альфа-фазы в бета-фазу происходит при 668°C (1234°F), а из бета-фазы в гамма-фазу — при 775°C (1427°F). Гамма-уран имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру, а бета-уран имеет тетрагональную структуру. Однако альфа-фаза состоит из гофрированных листов атомов в сильно асимметричной орторомбической структуре. Эта анизотропная или искаженная структура затрудняет замещение атомами легирующих металлов атомов урана или заполнение промежутков между атомами урана в кристаллической решетке. Было замечено, что только молибден и ниобий образуют сплавы твердого раствора с ураном.

История

Немецкому химику Мартину Генриху Клапроту приписывают открытие элемента урана в 1789 году в образце настурана. Клапрот назвал новый элемент в честь планеты Уран, которая была открыта в 1781 году. Однако только в 1841 году французский химик Эжен-Мельхиор Пелиго показал, что черное металлическое вещество, полученное Клапротом, на самом деле было составным диоксидом урана. Пелиго получил настоящий металлический уран, восстановив тетрахлорид урана металлическим калием.

До открытия и выяснения ядерного деления, несколько практических применений урана (и они были очень малы) заключались в окрашивании керамики и в качестве катализатора в некоторых специализированных приложениях. Сегодня уран высоко ценится для ядерных применений, как военных, так и коммерческих, и даже низкосортные руды имеют большую экономическую ценность. Металлический уран обычно производится с помощью процесса Эймса, разработанного американским химиком Ф. Х. Спеддингом и его коллегами в 1942 году в Университете штата Айова, Эймс. В этом процессе металл получают из тетрафторида урана термическим восстановлением магнием.

Руды

Земная кора содержит около двух частей на миллион урана, что отражает его широкое распространение в природе. По оценкам, в океанах содержится 4,5 × 10 90 243 9 90 244 тонн этого элемента. Уран входит в состав более чем 150 различных минералов и является второстепенным компонентом еще 50 минералов. Первичные минералы урана, обнаруженные в магматических гидротермальных жилах и в пегматитах, включают уранинит и настуран (последняя разновидность уранинита). Уран в этих двух рудах находится в форме двуокиси урана, которая вследствие окисления может варьироваться по точному химическому составу от UO ₂ по УО _2,67 . Другими урановыми рудами, имеющими экономическое значение, являются аутунит, гидратированный уранилфосфат кальция; тобернит, гидратированный уранилфосфат меди; коффинит, черный гидратированный силикат урана; и карнотит, желтый гидратированный уранилванадат калия.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

По оценкам, более 90 процентов известных запасов дешевого урана находятся в Канаде, Южной Африке, США, Австралии, Нигере, Намибии, Бразилии, Алжире и Франции. От 50 до 60 процентов этих запасов находятся в конгломератных горных образованиях озера Эллиот, расположенного к северу от озера Гурон в Онтарио, Канада, и на золотых приисках Витватерсранд в Южной Африке. Песчаниковые образования на плато Колорадо и в бассейне Вайоминг на западе США также содержат значительные запасы урана.

Добыча полезных ископаемых и обогащение

Урановые руды встречаются как в поверхностных, так и в очень глубоких месторождениях ( например, от 300 до 1200 метров или от 1000 до 4000 футов). Глубинные руды иногда залегают в пластах мощностью до 30 метров. Как и в случае с рудами других металлов, поверхностные урановые руды легко отрабатываются крупным землеройным оборудованием, а глубинные — традиционными шахтными и штрековыми методами.

Урановые руды обычно содержат лишь небольшое количество урансодержащих минералов, и они не поддаются плавке прямыми пирометаллургическими методами; вместо этого для извлечения и очистки урана необходимо использовать гидрометаллургические процессы. Физическая концентрация значительно снизила бы нагрузку на контуры гидрометаллургической обработки, но ни один из традиционных методов обогащения, обычно используемых при переработке полезных ископаемых—, например, гравитационная, флотационная, электростатическая и даже ручная сортировка обычно применимы к урановым рудам. За некоторыми исключениями, методы обогащения приводят к чрезмерным потерям урана в хвостохранилищах.

Добыча и очистка

Гидрометаллургической переработке урановых руд часто предшествует стадия высокотемпературного прокаливания.