объемов добычи урана ученые того времени не могли проводить более обстоятельные исследования. В связи с этим на протяжении почти 100 лет после открытия этого элемента никакой новой информации о нем не появлялось. В небольших количествах уран использовался для создания красок и при фотосъемке, другого практического применения он не находил.
Следующей вехой в истории изучения урана стали исследования русского ученого Дмитрия Ивановича Менделеева, который в 1874 г. поместил уран на 92-ю клетку своей периодической системы и предположил, что атомный вес данного элемента не 120, как считалось ранее, а в два раза больше, т.е. 240. В 1896 г. немецкий химик Иоганн Циммерман опытным путем подтвердил гипотезу русского ученого.
Менделеев позже признавался: «Для меня лично уран весьма знаменателен уже потому, что играл выдающуюся роль в утверждении периодического закона, так как перемена его атомного веса вызвана была признанием закона и оправдана действительностью, а для меня (вместе с атомными весами Ce и Be) служила пробным камнем общности периодического закона».
Дальнейшая история исследования урана тесно переплетается с открытием радиоактивности. В 1885 г. немецкий физик Вильгельм Рентген обнародовал свои исследования проникающего излучения, Х-лучей. Долгие научные диспуты привели научное сообщество к вопросу опытного изучения процесса возникновения «рентгеновских» лучей в процессе фосфоресценции вообще. В 1896 г. этой темой занялся французский физик Антуан-Анри Беккерель, в семье которого изучение фосфоресценции уже стало традицией.
Свои эксперименты Беккерель начал с кристаллов уранилсульфата калия. Ученый обернул фотопластину черной бумагой и положил сверху тонкие кристаллы минерала. Предположив, что Х-лучи могут быть задержаны металлом, физик поместил между кристаллами и бумагой металлическое кольцо, очертания которого действительно четко проявились на фотопластине по окончании опыта.
После долгих исследований Беккерель сделал вывод о том, что между фосфоресценцией и проникающим излучением не существует никакой связи, а Х-лучи являются следствием наличия в минерале урана. Так была открыта радиоактивность. Вскоре Беккерель сделал еще одно открытие, касавшееся интенсивности излучения: оно тем выше, чем больше атомов урана в веществе. Но из этого правила возникло одно исключение — урановая смоляная руда, излучение от которой превышало излучение от чистого урана (его удалось получить французскому химику Анри Муассану в это же время). На основе этого исключения Пьером и Марией Кюри были открыты продукты распада урана — полоний и радий.
Дальнейшее изучение урана шло все более быстрыми темпами. В 1899 г. английский физик Эрнест Резерфорд делает вывод о неоднородности излучения урановых фракций. Им были открыты альфа- и бета-лучи. А в мае 1900 г. французский физик Поль Вийар говорит об еще одном излучении — гамма-лучах.
В том же году английский ученый Уильям Крукс обнаруживает, что существуют разновидности урана, и получает первый изотоп — «уран-Х», а затем и другие — «уран-I» и «уран-II».
В начале XX в. ученые ищут практическое применение накопленным знаниям об уране. В 1907 г. Резерфорд исследует возможность определения возраста геологических пород, базируясь на теории радиоактивности урана и тория. В 1913 г. Фредерик Содди, английский радиохимик, обобщил данные об открытых ранее разновидностях урана и ввел понятие «изотоп».
В 1932 г. англичанин Джеймс Чедвик сделал открытие, которое потрясло научное сообщество и дало новый толчок к изучению свойств урана. Он обнаружил новую элементарную частицу, которая была названа нейтроном. В 1934 г. американский физик Энрико Ферми начинает опыты по бомбардировке различных химический элементов нейтронами, что привело к появлению в уране новых радиоактивных веществ.
За этими опытами последовали жаркие научные диспуты: были ли открыты новые трансурановые элементы или бомбардировка нейтронами привела к расщеплению ядра урана на изотопы известных уже элементов? Споры не прекращались в течение четырех лет, пока в 1938 г. немецкие ученые Отто Ганн и Фриц Штрассман не установили, что продуктами бомбардировки урана нейтронами являются элементы со свойствами бария и лантана.
Объяснение этому феномену было дано учеными Лизе Майтнер и Отто Фришем в номере английского журнала Nature от 16 января 1939 г., где описывалось деление ядра и приводился расчет выделяемой при этом энергии.
Это событие стало первой ступенью в изучении цепных реакций, происходящих с использованием урана.
Гипотеза о расщеплении ядер урана была подтверждена в лабораториях многих стран. Было доказано, что ядерная реакция может поддерживаться сама собой, поскольку расщепление урана происходит с высвобождением дополнительных нейтронов.
Одновременно с этим информация о проводимых опытах становится засекреченной и ученые разных стран перестают обмениваться своими наработками.
Неоценимый вклад в изучение цепных реакций внесли советские ученые. В 1939–1940 гг. Ю. Б. Харитон, Я. Б. Зельдович, К. А. Петржак и Г. Н. Флеров обнаружили, что процесс деления ядер урана может стать непрерывным, если обогатить элементарный уран его изотопом 235U. Практический смысл этого открытия был подтвержден физиками Чикагского университета, которые под руководством Э. Ферми сконструировали первый ядерный реактор СР-1.
Исследование и создание ядерных реакторов в СССР проводились под руководством академика И. В. Курчатова. 25 декабря 1946 г. был пущен первый советский реактор Ф-1. Он послужил основой для создания более мощных установок. 27 июня 1954 г. в городе Обнинске Калужской области была пущена первая в мире атомная электростанция мощностью 5 МВт.
В настоящее время изучение урана направлено на более эффективное мирное применение внутриатомной энергии, на оптимизацию методов извлечения урана и другие вопросы, носящие прикладной характер. Но кто знает, какие еще тайны хранит в себе этот элемент, перевернувший в XX в. законы физики и заставивший человека по-новому взглянуть на законы природы.
Природный уран в мировом ядерном топливном цикле (ЯТЦ). Военное и гражданское применение урана
Основным потребителем природного урана является атомная энергетика, обеспечивающая в настоящее время около 14% мировых потребностей в электроэнергии. По состоянию на ноябрь 2012 г., по данным МАГАТЭ, в мире эксплуатировалось 437 энергетических реакторов в 30 странах общей установленной мощностью около 372 ГВт. На стадии строительства на тот период находилось 64 реактора.
В атомной энергетике добыча природного урана и производство уранового концентрата (U3O8) является первым этапом современного ядерного топливного цикла (см. рис. 1).
Топливный цикл атомной энергетики условно можно разделить на три стадии.
Начальная стадия ЯТЦ (Front-End) охватывает операции от добычи урановой руды до поставки изготовленных тепловыделяющих сборок на площадку АЭС.
Добыча урановой руды осуществляется преимущественно открытым, подземным способами или методом подземного выщелачивания (более подробно см. разделы 1.3 и 1.4). Добытое минеральное сырье подвергают обогащению на гидрометаллургических заводах (ГМЗ). После переработки урановой руды на
