Уран удивителен. Благодаря его свойствам в физике была совершена настоящая революция, а в середине XX века этот металл изменил ход мировой истории. С ураном связывают будущее энергетики, но где ещё его можно применить?

13 марта 1781 английский астроном Уильям Гершель совершил эпохальное открытие — нашёл новую планету. По традиции, право присвоить название принадлежит первооткрывателю, и Гершель из верноподданнических чувств предложил назвать планету Georgium Sidus (лат. — Звезда Георга) в честь здравствовавшего тогда короля Георга III. И хотя англичане ещё долго пользовались этим названием, в международном научном сообществе прижилось другое — Уран. Дать планете имя в честь бога неба из греческого (а не римского, как у остальных известных тогда соседей по Солнечной системе) пантеона предложил немецкий астроном Иоганн Боде: «Так как Сатурн был отцом Юпитера, то новую планету следует назвать в честь отца Сатурна».

Открытие Урана стало медийным, выражаясь по-современному, событием в научном сообществе. Поэтому немецкий химик Мартин Клапрот, выделив из саксонской руды настурана чёрный блестящий металл, решил поддержать соотечественника и назвал новое вещество ураном. Однако вещество, полученное Клапротом, было не чистым химическим элементом, а всего лишь оксидом. Это доказал французский химик Эжен Пелиго в 1841 го­ду, получивший тяжёлый металл серо-стального цвета и определивший его атомный вес.

Как оказалось, уран, рождённый в недрах сверхновых звёзд, распространён довольно широко. Его находили в метеоритах и лунном грунте, наблюдали в спектрах излучения звёзд. А в земной коре урана в 1000 раз больше,­ че­м золота, и в 30 раз больше, чем серебра, так что по степени распространённости уран примерно равен цинку и свинцу. Неудивительно, что люди, ещё даже не зная, что это такое, применяли «небесный» металл. Так, в 1912 году археологи объявили, что при раскопках на римской вилле на мысе Позиллипо в Неаполитанском заливе они обнаружили фрагменты мозаики I века н. э., где смальта (кусочки непрозрачного мозаичного стекла) была окрашена в жёлтый оксидом урана.

Впрочем, сегодня это утверждение кажется по меньшей мере спорным: сделать цветное стекло с добавлением оксидов урана удалось только в начале XIX века, а массовый выпуск вообще начался только в 1840 году, когда химики научились извлекать из руды чистые соеди­нения урана. Промышленное производство уранового стекла принято связывать с богемской династией стек­ловаров Риделей (одно время соперничавших с самим Людвигом Мозером, «отцом» знаменитого на весь мир богемского стекла), а пик его популярности пришёлся на годы расцвета стиля ар-деко (1920–1940 гг.).

Кроме стекла, оксиды урана использовались как пигменты и для красок, в первую очередь — для глазурования керамики. Природная окись урана при обжиге даёт стойкий и насыщенный жёлтый цвет, позже мастера научились получать коричневые, зелёные и чёрные гла­зури. По некоторым данным, и для знаменитого севрского фарфора мастера иногда применяли краски на основе соединений урана. Даже в XX веке, когда об этом металле стало известно достаточно много, американская компания Homer Laughlin China Company выпускала керамическую посуду под маркой Fiesta Dinnerware, покрытую оранжевой глазурью на основе оксида урана.

Урановое стекло в стиле ар-деко, подсвеченное ультрафиолетом

Впрочем, и краски, и стекло — примеры использования природных соединений урана, мало подвергавшихся переработке. Намного интересней «работает» уран в других областях, где используется его способность выделять колоссальную энергию при делении и задерживать ионизирующие излучения, а также его особые механические, электрические и оптические характеристики.

Пожалуй, никогда теоретические выкладки физиков не воплощались в жизнь так быстро, как в 30–40‑е годы минувшего века. Природный уран — это смесь трёх изотопов. Больше всего, 99,3 %, прихо­дится на уран-238 с периодом полу­распада 4,5 млрд лет. На долю 235‑го изотопа приходится всего 0,7 % (период полураспада — примерно 705 млн лет), а уран-234 (время полураспада — около 250 тысяч лет) содержится в мизерных концентрациях, менее 0,006 %. Для современных технологий важнейшее значение имеет изотоп 235U, в котором возможна само­поддерживающаяся цепная реакция. Им «топят» реакторы и «заряжают» ядерное оружие, поэтому для обогащения урана во всём мире построена целая индустрия. И если для атомных электростанций достаточно довести содержание до 4–5 %, то для ядерных арсеналов требуется как минимум 80 %, а ещё лучше — более 90 %. Причина проста: в ядерном заряде нейтроны должны в кратчайшее время «наткнуться» на подходящие ядра урана и вызвать их распад. Для этого и нужна предельно возможная плотность атомов, которой можно добиться только при высоком уровне обогащения.

Атомная бомба с кодовым названием «Малыш» была сброшена США 6 августа 1945 года на японский город Хиросима. Она содержала 64 кг высоко­обогащённого урана.

Тем не менее мощность уранового заряда, «запускающего» неуправляемую цепную реакцию, сравнительно невелика — она не превышает нескольких десятков килотонн в тротиловом эквиваленте независимо от массы урана. Оказывается, взрыв происходит слишком быстро: первоначальная порция энергии деления порождает мощную ударную волну, которая распространяется со скоростью около 1000 км/с и разрывает уран в радио­активную пыль. Так, в бомбе, сброшенной на Хиросиму, прореагировало всего 1,5 % из 64 кг обогащённого до 80 % урана.

Параллельно с разработкой атомного оружия учёные думали, как использовать потенциал урана-235 для генерации мирной энергии. Речь идёт о создании атомных электростанций (АЭС). Построенная в подмосковном Обнинске АЭС 27 июня 1954 года впервые дала электроэнергию для промышленных потребителей. Именно этот день считается официальным днём рождения мировой ядерной энергетики. Сегодня в мире действует около полутысячи реакторов, генерирующих 10–12 % общемировой выработки электроэнергии.

На первый взгляд, совсем немного. Но, по оценкам экспертов, атомные электростанции — это наиболее безопасные и экологически безвредные энергообъекты. АЭС превосходят в этом отношении многие традиционные и «зелёные» технологии, особенно с учётом их косвенного воздействия на окружающую среду.

Широко применяются ядерные реак­торы и для других целей. Ядерные силовые установки, например, стали неотъемлемой частью подводных лодок и ледоколов. Сейчас атомными подвод­ными лодками располагают шесть стран: Россия, США, Великобритания, Франция, Китай и недавно присоединившаяся Индия. И ещё пять тяжёлых российских ледоколов работают в Арктике — вот и всё, чем могут похвастаться «атомные» капитаны.

Принцип работы ядерного реактора

Энергия, которая вырабатывается при делении урана (1), нагревает воду. Полученный пар (2) используется для запуска генератора (3), производящего энергию.

В мире работает около 250 исследовательских реакторов-«малышей» малой мощности. Их используют как для решения научных задач, так и для получения радиоактивных изотопов, легирования кремния, подготовки персонала АЭС. Опыт, приобретаемый на исследовательских установках, помогает настроить реакторы для других целей: опреснения морской воды, выработки технологического тепла, централизованного теплоснабжения и даже для работы в космосе. Также реакторам найдут применение в производстве водорода, самого перспективного моторного топлива.

Атомная электростанция в Чехии

Градирни, или охладительные башни. Как правило, градирни строят там, где нет возможности использовать для охлаждения большие водоёмы (реки, озёра, моря), а также из-за опасности их загрязнения.

Ради крупиц стратегического урана-235 всё природное сырьё направляется на обогатительные фабрики. Больше природный уран практически нигде не исполь­зуется, для стекла и красок найдены другие материалы. Но что делать с горами урана обеднённого? Ведь его уже накопилось больше 1,5 млн тонн! Инженеров привлекает его высокая плотность — кубический сантиметр имеет массу более 19 граммов (у железа — 7,9 г/см3, а свинца­ — 11,4 г/см3). Только вольфрам может соперничать по плотности с ураном (19,3 г/см3). Но его очень мало — в год добывается всего 60 тысяч тонн.

Поэтому обеднённый уран, часто рассматриваемый в качестве производственного отхода, применяется как компактный и массивный груз. Так, до недавнего времени он использовался в авиации для балан­сировки самолётов. Знаменитый 747‑й «Боинг» возит от 0,5 до 1,5 тонн (в зависимости от модификации) урана. Правда, сейчас от этой практики отказались, опасаясь урановой пыли, которая может образоваться при крушении самолёта. А вот в килях яхт, маховиках и противовесах нефтяных «качалок», в гиро­скопах, спус­каемых аппа­ратах космических кораб­лей уран применяется весьма активно. Урану нашлось место даже в «королевских гонках» Формулы-1: согласно правилам, минимальный вес автомобиля должен составлять 600 кг, но конструкторы изначально пытаются уменьшить массу, насколько это возможно, а затем доводят её до нужной величины, размещая урановые балласты и добиваясь при этом наилучшей балансировки.

Промежуточная стадия переработки урановых руд, из которых получают урановый порошок для производства ядерного топлива

Мимо такого дарового материала не могли пройти военные. Легирование стали небольшими количествами урана увеличивает её твёрдость и термостойкость. Включение легированных пластин в многослойный броневой «сэндвич» повышает выживаемость бронетехники на поле боя.

Применение нашли и другие свойства обеднённого урана. Он способен эффективно поглощать проникающую радиацию (рентгеновское и гамма-излучение) и отлично подходит для  радиационной защиты­; а свойство магнитострикции — изменения размеров при намагничивании — обеспечило сплаву железа и урана место в генераторах высокочастотных колебаний, всевозможных детекторах и датчиках, без которых наша насквозь электрифицированная и компьютеризованная жизнь уже не сможет обойтись.