56. До хімії ядерно-паливних матеріалів

Основна тенденція в зміні структури енергетичного балансу – це, не дивлячись на аварії на АЕС, все більше використання атомної енергії. Всього 1 кг U – 235 виділяє при роз-щепленні 24 млн. кВт, що відповідає теплотворній здатності майже 3 тис.т. кам’яного вугілля, тобто 1кг урану дає майже в 3 млн.раз більше енергії, ніж 1кг кам’яного вугілля і в 7 млн. раз більше, ніж 1кг бурого вугілля. Уже після 1980 р. ядерне паливо забезпечує суттєву долю загальної потреби в електроенергії, і перш за все в електроенергії. В майбутньому атомні електростанції будуть виробляти 90% електроенергії. Розвиток ядерної енергетики вплине позитивно на розвиткові хімічної промисловості. Уже в 80-ті роки ХХ ст. завдяки помірній вартості енергії атомних електростанцій значно розширився цілий ряд енергоємних електрохімічних виробництв, особливо електролітичних процесів добування металів і основних хімічних продуктів. Крім того, тепло ядерних реакторів теж може бути утилізоване на потреби хімічної промисловості.

В протилежність карбоновмісним носіям енергії, які є дуже важливою сировиною для хімічної промисловості, уран можна використати лише для виробництва енергії. Оскільки цей елемент легко розщеплюється в звичай-них реакторах а його запаси на суші доступні, то приблизно через 100 років вони будуть вичерпані. Тому з 80-тих років здійснюється розщеплення швидкими нейтронами U – 238, Тh – 232. Ці елементи стабільні, але в реак-торах-розмножувачах вони перетворюються в U – 233 і Рu -239 з виділен-ням колосальної енергії. Виявлена цікава перспектива розширеного вироб-ництва ядерного палива, що дозволить підняти його корисні запаси в 120 раз (без врахування урану, що є в морській воді). Таким чином, людство зможе забезпечити свої потреби в енергії за рахунок атомної енергії на протязі декількох тисячоліть.

Реактор водяного охолодження Ядерна енергія вивільнюється у великій кількості в результаті розщеплення атому. Як правило для цього використовують атоми важкого нестійкого металу - урану. Найкра-ще використовувати уран 235, ізотопи якого розщеплюються найлегше. Проте у приро-дному стані лише сім з однієї тисячі атомів урану належать до урану 235. Зручність саме цього ізотопу полягає у тому, що атом урану 235 не лише розщеплюється під ударом нейтронів, але й утворює два чи три нових нейтрони, які спричиняються далі до ланцюгової реакції з іншими атомами. Атомна електростанція накопичує виділену в контрольованому ядерному реакторі енергію і перетворює її в електроенергію. У центрі такого реактора розміщуються стрижні ядерного палива, як правило з урану 235. Розщеплення відбувається ефективніше, якщо вільні нейтрони переміщуються відносно повільно, тому стрижні для цього оточуються речовиною, яка сповільнює їх рух. У більшості сучасних реакторів вода використовується як для сповільнення руху нейтронів, так і для охолодження реактора.

1. Нейтрон вдаряє атомне ядро Урану 235 2. Атомне ядро розщеплюється з виділенням потужної енергії 3. Вивільняються нові нейтрони 4. Вивільнені нейтрони спричиняються до ланцюгової реакції розщеплення нових атомних ядер

Уран-238 в процесі випромінювання поступово і послідовно перетворю-ється в 14 ізотопів різних хімічних елементів доки не стабілізується у вигляді Pb²⁰⁶. При кожному акті розпаду вивільняється енергія, яка і виділяється у вигляді радіоактивного випромінювання чи радіоактивних частинок. Як ми вже знаємо, ісують α-, β-частинки і γ-випромінювання. Досить спрощено можна уявити, що α-випромінювання – це процес вивільнення ядром атома двох протонів і двох нейтронів. Оскільки це досить важкі частинки, вони легко затримуються навіть листком паперу; β-випромінювання – це процес вивільнення електрона, а γ-випромінювання – це викид кванта енергії. Оскі-льки енергія поширюється як електромагнітна хвиля, вона легко пронизує організм людини.

Найважливіші хімічні сполуки урану

Висока хімічна активність урану, різновидність валентних форм і схиль-ність до косплексоутво-рення обумовлюють існування різних хімічних спо-лук урану як практично з усіма неметалами, так і з багатьма металами (інтер-металіди). Широко представлені сполуки урану з кисневміщуючими кислот-ними радикалами. Найважливіші бінарні сполуки урану, що відіграють значну роль в технології урану – оксиди, нітріди, карбіди, гідріди і галоген-ніди, особливо фториди. Найбільш часто використовують такі солі уранілу, а також урану (ІV): сульфати, нітрати, хлориди, фториди, карбонати, фосфати, ацетати, перхлорати. Солі уранілу, як правило, відрізняються високою роз-чинністю у водних (і в багатьох органічних) середовищах. Більшість солей уранілу і урану (ІV) у водних розчинах гідратовано. Розчинність UO₂SO_{4 *} 3H₂O у воді складає 20,5 г/100 г H₂O (при 15 ^оС); UO₂(NO₃)_{2 *} 6H₂O - 170 г/100 г води H₂O (при 0 ^оС); UO₂(СООСН₃)_{2 *} 2Н₂О – 9,2 г/100 г H₂O при (при 17 ^оС); UO₂F_{2 *} 2H₂O - 65 г/100 г води (при 25 ^оС). Важливіші важко-розчинені солі урану – диуранат амонію, уранати лужних і лужно-земельних елементів, фосфати уранілу типу MeUO₂PO₄, тетрафторид UF₄, фосфат урану (ІV), уранованадати і ін.