IV. Делящиеся и воспроизводящие химические элементы и изотопы и их соединения; смеси и остатки, содержащие эти продукты

IV. Делящиеся и воспроизводящие химические элементы

и изотопы и их соединения; смеси и остатки,

содержащие эти продукты

А. Делящиеся и воспроизводящие химические элементы и изотопы.

Некоторые из радиоактивных химических элементов и изотопов, упомянутых выше, в разделе III, имеют большую атомную массу, например, торий, уран, плутоний и америций; ядра атомов этих элементов имеют особенно сложную структуру. Такие ядра при воздействии субатомных частиц (нейтронов, протонов, дейтронов, тритонов, альфа-частиц и т.п.) могут поглощать эти частицы, таким образом увеличивая степень своей нестабильности до величины, когда они становятся сами способными расщепляться на два ядра с близкой по величине массой (или более редко на три или четыре фрагмента). Это расщепление освобождает значительное количество энергии и сопровождается выходом вторичных нейтронов. Этот процесс известен как процесс расщепления или деления ядра.

Только в очень редких случаях расщепление происходит спонтанно или под действием фотонов.

Вторичные нейтроны, выделяющиеся во время расщепления, могут вызвать вторичное расщепление, которое в свою очередь также создает вторичные нейтроны и т.д. Повторение этого процесса многократно и дает цепную реакцию.

Вероятность расщепления обычно очень высока для некоторых нуклидов (U-233, U-235, Pu-239), если используются медленные нейтроны, то есть нейтроны со средней скоростью примерно 2200 м/с (или с энергией 1/40 эВ). Поскольку эта скорость соответствует примерно скорости молекул жидкости (тепловое движение молекул), медленные нейтроны иногда называют тепловыми нейтронами.

В настоящее время расщепление, вызываемое тепловыми нейтронами, наиболее часто используется в ядерных реакторах.

По этой причине термин "расщепление" обычно используется для описания изотопов, которые подвергаются расщеплению тепловыми нейтронами, в частности, урана-233, урана-235, плутония-239 и химических элементов, которые содержат их, в частности, урана и плутония.

Другие нуклиды, такие как уран-238 и торий-232, расщепляются только под действием быстрых нейтронов, и обычно эти изотопы считаются воспроизводящими, а не делящимися. Воспроизводимость объясняется тем, что эти нуклиды могут поглощать медленные нейтроны, давая, таким образом, возможность образования плутония-239 или урана-233, соответственно, которые уже являются делящимися изотопами.

Поскольку в процессе расщепления выделяется очень большое количество энергии вторичных нейтронов (примерно 2 млн. эВ), в тепловых ядерных реакторах (с медленными нейтронами) эти нейтроны должны быть замедлены в случае начала цепной реакции. Это может быть достигнуто с помощью замедлителей, то есть продуктов с малой атомной массой (таких, как вода, тяжелая вода, некоторые углеводороды, графит, бериллий и т.п.), которые, хотя и поглощают часть энергии нейтронов при последующих ударах, но не поглощают нейтроны или поглощают их в очень незначительной степени.

Для того, чтобы запустить и поддерживать цепную реакцию, среднее число вторичных нейтронов, образующихся при расщеплении, должно быть больше, чем требуется для компенсации потери нейтронов при их захвате другими атомами, не приводящем к расщеплению.

Делящиеся и воспроизводящие химические элементы указаны ниже:

1. Природный уран.

Уран в природном состоянии состоит из трех изотопов: урана-238, который составляет 99,28% всей массы, урана-235, который составляет 0,71%, и незначительного количества (около 0,006%) урана-234. Следовательно, природный уран можно считать как делящимся элементом (благодаря содержанию урана-235), так и воспроизводящим (благодаря содержанию урана-238).

В основном уран выделяют из урановой смолки, уранинита, отунита, браннерита, карнотита или торбернита. Он также извлекается из других вторичных ресурсов, таких как отходы производства суперфосфата или остатки золотодобывающих производств. Обычным процессом является восстановление тетрафторида с помощью кальция или магния или электролизом.

Уран - слаборадиоактивный элемент, очень тяжелый (относительная плотность 19) и твердый. Он имеет блестящую серебристо-серую поверхность, но темнеет в контакте с кислородом воздуха, образуя оксиды. В порошкообразном виде он окисляется и быстро возгорается при контакте с воздухом.

Уран обычно продается в форме чушек, пригодных для полировки, опиливания, прокатывания и т.п. (чтобы получить бруски и стержни, трубы, листы, проволоку и т.п.).

2. Торий.

Поскольку торит и орангит, весьма богатые торием, встречаются в природе очень редко, торий в основном получают из монацита, который содержит также редкоземельные металлы.

Неочищенный торий представляет собой крайне пирофорный серый порошок. Его получают электролизом фторидов или восстановлением фторидов, хлоридов или оксидов. Полученный металл очищают и спекают в инертной атмосфере и превращают в тяжелые серо-стального цвета чушки (относительная плотность 11,5); они довольно тверды (хотя мягче, чем уран) и быстро окисляются на воздухе.

Эти чушки прокатывают, экструдируют или протягивают с получением листов, стержней, труб, проволоки и т.п. Природный торий состоит из изотопа тория-232.

Торий и некоторые сплавы тория используются главным образом как воспроизводящие материалы в ядерных реакторах. Торий-магниевые и торий-вольфрамовые сплавы, однако, используются в самолетостроении или в производстве термоионных устройств.

Изделия или части изделий, выполненные из тория, разделов XVI - XIX не включаются в данную товарную позицию.

3. Плутоний.

Промышленный плутоний получают облучением урана-238 в ядерных реакторах.

Это очень тяжелый (относительная плотность 19,8) радиоактивный и сильно токсичный элемент. Он аналогичен урану по внешнему виду и по окисляемости.

Плутоний в промышленности поставляется в таком же виде, как и обогащенный уран, и требует величайшей осторожности при обращении.

Делящиеся изотопы включают:

1) уран-233; его получают в ядерных реакторах из тория-232, который превращается последовательно в торий-233, протактиний-233 и уран-233;

2) уран-235 - это только делящийся изотоп урана, который встречается в природе, причем присутствие его в природном уране составляет 0,71%.

Чтобы получить уран, обогащенный ураном-235, и уран, обедненный ураном-235 (то есть обогащенный ураном-238), гексафторид урана подвергают изотопному разделению с помощью электромагнитной, центробежной или газодиффузионной сепарации;

3) плутоний-239; его получают в ядерных реакторах из урана-238, который последовательно превращается в уран-239, нептуний-239 и плутоний-239.

Следует отметить, что имеются некоторые изотопы трансплутониевых элементов, такие как калифорний-252, америций-241, кюрий-242 и кюрий-244, которые могут расщепляться (спонтанно или неспонтанно) и могут быть использованы как интенсивный источник нейтронов.

Из воспроизводящих изотопов, кроме тория-232, следует отметить обедненный уран (то есть обедненный ураном-235 и, соответственно, обогащенный ураном-238). Этот металл является побочным продуктом производства урана, обогащенного ураном-235. Благодаря его гораздо меньшей стоимости и доступности в больших количествах, он заменяет природный уран, в частности, как воспроизводящий материал, как защитный экран против радиации, как тяжелый металл для производства маховиков или в изготовлении абсорбирующих составов (газопоглотителей), используемых для очистки некоторых газов.

Изделия или части изделий, сделанные из урана, обедненного ураном-235, разделов XVI - XIX не включаются в данную товарную позицию.

Б. Соединения делящихся и воспроизводящих химических элементов или изотопов.

В данную товарную позицию включаются, в частности, следующие соединения:

1) урана:

2) плутония:

д) нитрид PuN .

Соединения урана или плутония находят применение главным образом в ядерной промышленности или как промежуточные, или как конечные продукты. Гексафторид урана обычно поставляется в герметичных контейнерах; он весьма токсичен и, следовательно, должен требовать очень осторожного обращения;

3) тория:

б) неорганические соли. Эти соли обычно белого цвета. Важнейшие из них следующие:

i) нитрат тория, находящийся в более или менее гидратированном состоянии в виде кристаллов или порошка (кальцинированный нитрат). Используется для приготовления люминесцентных красок. Смешанный с нитратом церия используется для пропитки газокалильных сеток;

ii) сульфат тория, кристаллический порошок, растворимый в холодной воде; водородсульфат тория и двойные сульфаты щелочных металлов;

iv) нитрид тория и карбид тория. Используются как огнеупорные материалы, как абразивы или воспроизводящие материалы в ядерных реакторах;

в) органические соединения. Наиболее известные органические соединения тория - формиат, ацетат, тартрат и бензоат, все используются в медицине.

В. Сплавы, дисперсии (включая металлокерамику), керамические продукты, смеси и остатки, содержащие делящиеся или воспроизводящие элементы, или изотопы, или их неорганические или органические соединения.

Основные продукты, относящиеся к данной категории, следующие:

1. Сплавы урана или плутония с алюминием, хромом, цирконием, молибденом, титаном, ниобием или ванадием. Также имеются урано-плутониевые и железо-урановые сплавы.

Эти продукты в виде брусков, пластин, шариков, кусков, порошков и т.п. используются для производства тепловыделяющих элементов или иногда непосредственно в реакторах.

Бруски, пластины и шарики, находящиеся в упаковке и снабженные специальными инструкциями по обращению с ними, включаются в товарную позицию 8401.

4. Отработанные или облученные тепловыделяющие элементы (твэлы), то есть те, которые после более или менее продолжительного использования следует заменить (например, из-за накопления продуктов расщепления, препятствующего цепной реакции, или из-за разрушения оболочки). После достаточно продолжительного хранения под толстым слоем воды с целью их охлаждения и снижения радиоактивности эти тепловыделяющие элементы транспортируют в свинцовых контейнерах на специализированные установки, предназначенные для извлечения оставшегося расщепляющегося материала, образующегося в результате превращения или из воспроизводящих элементов (которые обычно содержатся в тепловыделяющих элементах), и продуктов деления.