Аркадий Курамшин - Жизнь замечательных веществ

Получают гексафторид урана, окисляя тетрафторид урана UF 4элементарным 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 F 2, 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 (UO 2F 2) 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.

Даже при обогащении, основанном не на применении газообразного урана, а газообразного гексафторида урана, работа по обогащению урана остается технологически сложной. Гексафторид урана подают в массивные газовые центрифуги, скорость вращения которых составляет 100 000 оборотов в минуту, при этом более тяжелые молекулы гексафторида урана-238 движутся к внешним стенкам центрифуги, а более легкие молекулы гексафторида урана-235 остаются ближе к центру. Нагревание дна центрифуги и охлаждение её верхней части в итоге способствуют тому, что более легкие молекулы, содержащие целевой нуклид урана, движутся к верху центрифуги, а более тяжелые – к её дну, и происходит разделение изотопной смеси.

Из-за того что различие массы между молекулами гексафторида урана-238 и гексафторида урана-235 ещё меньше, чем различие массы между ураном-235 и ураом-238, даже для получения малообогащенного реакторного урана требуется многократное повторение цикла центрифугирования. На заводах по обогащению урана обычно работают сотни или даже тысячи центрифуг, объединённые в каскады, при этом все центрифуги в каскадах должны постоянно работать без ремонта в течение нескольких лет. Такие каскады при мощности одной установки в 100 кВт, потребляют электроэнергию от 580 000 до 816 000 кВт/ч. Для получения одного килограмма боевого обогащённого урана-235 необходимо переработать 220 кг природного урана-238. На бомбу, сброшенную на Хиросиму, потребовалось 60 кг боевого обогащённого урана-235, которые были получены из 13 т природной смеси урана-238 и урана-235, при этом было использовано 7 тысяч центрифуг, занимавших площадь, равную площади пяти футбольных полей. Заводы по обогащению урана, работающие на основании существующих технологий, практически невозможно скрыть, причём количество и технические характеристики центрифуг позволяют определить, для чего обогащают уран – для реактора атомной станции или для ядерного оружия.

Однако появившемуся ещё во время Второй мировой методу обогащения урана центрифугированием есть физические альтернативы (в которых, правда, всё равно ключевым игроком является гексафторид урана). В начале 1990-х австралийская компания SILEX разработала технологию обогащения урана путём облучения молекул гексафторида урана лазером. Лазерное излучение с определенной частотой способно селективно возбуждать и ионизировать только гексафторид урана-235, не воздействуя на гексафторид урана-238. Возбужденные и ионизированные молекулы гексафторида урана-235 легко отделяются от сохранивших все свои электроны молекул гексафторида урана-238 с помощью электромагнитного поля. Несколько таких лазерных камер способны заменить тысячи центрифуг. От введения в строй установки по лазерному обогащению до создания урановой бомбы пушечного типа (и даже плутониевой имплозивного типа) могут пройти считаные годы, даже в не самой технологически развитой стране.

Американское физическое общество уже подало петицию в Комитет по ядерной безопасности и лицензированию, предлагая строго соблюдать правила выдачи лицензий, чтобы оградить распространение этой технологии. Это связано с тем, что лазерная технология обогащения урана не сильно отличается от стандартного использования лазеров в лаборатории любой мало-мальски научно и технологически развитой страны. Небольшая площадь таких установок (по оценкам, в разы меньше заводов, использующих центрифуги) позволит вести обогащение в компактном сооружении, и отследить это будет очень трудно.

Но тем не менее – обогащаем ли мы уран лазером или центрифугами, нужен ли этот уран для разрешения энергетического кризиса или для создания кризиса политического, для получения урана не обойтись без умелых и опытных (или безрассудных) химиков, способных синтезировать и сохранить достаточное количество гексафторида урана.

Хотя этот раздел и посвящен веществам неорганическим, в заключение я решил рассказать про органическое вещество, но не простое – а то самое вещество, получение которого в 1828 году показало, что между органической и неорганической химией не стоит «Великая стена», и как говорят учебники по школьной и вузовской химии: «Оно нанесло смертельный удар теории витализма».

Что общего у кремов для ухода за кожей, жевательной резинки и удобрений? Для изготовления всех этих вещей требуется карбамид или мочевина – первая молекула, вырабатывающаяся живыми организмами, которая была синтезирована в лаборатории.

Синтезировать мочевину в лаборатории из неорганических соединений впервые удалось немецкому химику Фридриху Вёлеру, который получил её в Берлине в 1828 году с помощью реакции цианата серебра и хлорида аммония: