Жизнь замечательных веществ

Для процесса деления атомного ядра, применяющегося для извлечения энергии что для ядерного оружия, что для атомной электростанции, необходим такой нуклид, как уран-235 (его ядро состоит из 92 протонов и 143 нейтронов, 0,72 % от общего содержания в изотопной смеси урана, период полураспада – 7,0410⁸ лет). Соответственно, остальные 99,27 % атомов урана в земной коре представлены менее активным ураном-238 (его ядро состоит из 92 протонов и 146 нейтронов, период полураспада – 4,47•10⁹ лет). Есть ещё и нуклид уран-234, но при его изотопной распространенности 0,0055 % никакого практического значения этот нуклид не имеет (по крайней мере – пока). Для применения в гражданской энергетике уран должен быть обогащен до 3–4 % содержания урана-235, оружейный уран должен содержать не менее 90 % урана-235.

Каким образом можно увеличить содержание урана-235 в его смеси с ураном-238, в то время как массы этих нуклидов различаются менее чем на 1 % и «нужного» нуклида в этой смеси мало? К счастью – с большим трудом. Сомнительное счастье заключается в том, что в отличие от относительной простоты получения химического оружия (которое иногда называют «ядерной бомбой для бедных стран» – зарин, который распыляла в 1995 году в токийском метро «Аум Синреке», был синтезирован сектантами самостоятельно) сложности, возникающие при обогащении урана, в какой-то степени способствуют нераспространению ядерного оружия. В то же самое время сложности, возникающие при обогащении урана, затрудняют развитие атомной энергетики, которой после Чернобыля и Фукусимы хоть и боятся, но, тем не менее, у неё нет реальной альтернативы для человечества.

И всё же разделение происходит, и происходит на основании исключительно различий в физических свойствах двух нуклидов. Основа метода такова: когда мы нагреваем материал до температуры кипения, его кристаллическая решетка разрушается, частицы вещества переходят в газовую фазу, более тяжелая частица переходит в газовую фазу с большим трудом и для её переноса в газ требуется больше энергии. Другими словами, уран-235 должен закипать при температуре чуть меньшей, чем уран-238.

Это хорошо на словах – температура кипения металлического урана приближается к 4000 °C, соответственно промышленная работа с газообразным ураном просто непрактична – для перевода урана в газ потребуется огромное количество энергии, не говоря уже про затраты на аппаратно-технологическое оформление такого процесса. Тут-то и вступают в дело химики и замечательное вещество – гексафторид урана, которое может переходить в газообразное состояние при вполне умеренных для промышленности температурах. При комнатной температуре гексафторид урана твердый, а при нормальном атмосферном давлении и достижении температуры 56,4 °C гексафторид урана, минуя жидкое агрегатное состояние, становится газом (этот процесс называется «сублимацией» и характерен, например, ещё для кристаллического йода или нафталина). Нагрев до 64 °C и сжатие примерно до 10 атмосфер позволяют получить жидкий гексафторид урана – все эти условия фазовых переходов (переходов из твердого состояния в жидкое и/или газообразное) позволяют довольно сильно облегчить промышленную работу по обогащению урана с применением UF₆.

Помимо удачных физических свойств преимуществом гексафторида урана является то, что входящий в его состав фтор представляет собой моноизотопный элемент, в природе состоящий только из одного нуклида – фтора-19 (9 протонов и 10 нейтронов). Это означает, что все атомы фтора, входящие в состав UF₆ имеют одинаковую массу, и массы гексафторида урана-235 и гексафторида урана-238 различаются только массой атома урана.

Получают гексафторид урана, окисляя тетрафторид урана UF₄ элементарным фтором, а вот получение тетрафторида урана из урановых руд может быть осуществлено различными путями: в ядерно-топливном цикле, разработанном в СССР и применяющемся в РФ, полученные из урановых руд оксиды урана обрабатывают элементарным фтором F₂, а в американском – эти же оксиды обрабатывают фтороводородом. Учитывая коррозионную активность и токсичность как фтора, так и фтороводорода, понятно, что получение гексафторида урана нельзя организовать в гараже или на производстве без соответствующих материалов.

Гексафторид урана и сам отличается высокой коррозионной активностью. Однако с рядом металлов (к счастью – с неэкзотическими железом и никелем) гексафторид урана может реагировать с образованием защитного слоя фторида металла, что позволяет хранить гексафторид урана в стальных емкостях. Для получения и хранения гексафторида урана, а также работы с ним необходима абсолютно сухая атмосфера – уже следовыми количествами воды гексафторид урана гидролизуется до дифторида уранила (UO₂F₂) и фтороводорода, а фтороводород может разъедать и инструментальную сталь, и стекло, он токсичен, может поражать кожу и кости, так что для рабочих контактов с гексафторидом урана нужны и смелость, и осторожность, и мастерство.