3 Уран и его изотопы

Уран — это естественно встречающийся в природе элемент, находящий применение,среди прочего, в ядерной энергетике. Природный уран состоит в основном из смеси трех изотопов: 238U, 235U и 234U.

Обедненный уран (ОУ) — это побочный продукт процесса обогащения урана (т. е. повышения содержания в нем расщепляющегося изотопа 235U) в ядерной энергетике; из него практически полностью удален радиоактивный изотоп 234U и на две трети — 235U. Таким образом, ОУ состоит почти полностью из 238U, а его радиоактивность составляет около 60% от радиоактивности природного урана. В ОУ может присутствовать также микроколичество других радиоактивных изотопов, привнесенных в ходе обработки. Химически, физически и токсически ОУ ведет себя так же, как и природный уран в металлическом состоянии. Мелкие частицы обоих металлов легко возгораются, образуя окислы.

Применение обедненного урана. В мирных целях ОУ используется, в частности, при изготовлении самолетных противовесов и противорадиационных экранов медицинской радиотерапевтической аппаратуры, при транспортировке радиоактивных изотопов. Из-за своей высокой плотности и тугоплавкости, а также доступности ОУ используется в тяжелой танковой броне, противотанковых боеприпасах, ракетах и снарядах. Оружие, в котором присутствует ОУ, считается обычным оружием и свободно применяется вооруженными силами.

Вопросы, порождаемые применением обедненного урана. Из выстреленного боеприпаса обедненный уран высвобождается в виде мелких частиц или пыли, которые могут попадать в организм при вдыхании или проглатывании либо оставаться в окружающей среде. Есть вероятность того, что применение оружия с ОУ сказывается на здоровье людей, проживающих в районах конфликтов в Персидском заливе и на Балканах. Некоторые считают, что «синдром войны в Персидском заливе» связан с облучением обедненным ураном, однако причинная зависимость пока не установлена. ОУ попадал в окружающую среду в результате авиакатастроф (например: Амстердам, Нидерланды, 1992 г.; Станстед, Соединенное Королевство, январь 2000 г.), вызывая озабоченность правительств и неправительственных организаций.

Обедненный уран и здоровье человека. Воздействие ОУ на здоровье человека является разным в зависимости от химической формы, в которой он попадает в организм, и может вызываться как химическими, так и радиологическими механизмами. Информации о том, как уран сказывается на здоровье людей и окружающей среде, немного. Вместе с тем, поскольку уран и ОУ — это, в сущности, одно и то же, за исключением состава радиоактивных компонентов, научные исследования по природному урану применимы и к ОУ. Что касается радиационного воздействия ОУ, то картина дополнительно осложняется тем, что большинство данных относится к воздействию на человеческий организм природного и обогащенного урана. Воздействие на здоровье зависит от того, каким образом произошло облучение и какова его степень (через дыхательные пути, при проглатывании, при контакте или через рану), и от характеристик ОУ (размер частиц и растворимость). Вероятность обнаружения возможного воздействия зависит от обстановки (армия, гражданская жизнь, производственная среда).

Типы облучения. При нормальном потреблении человеческим организмом пищи, воздуха и воды в нем присутствует в среднем примерно 90 микрограммов (мкг) урана: примерно 66% в скелете, 16% в печени, 8% в почках и 10% в других тканях. Наружное облучение происходит при близости к металлическому ОУ (например, при работе на складе боеприпасов или при нахождении в машине с боеприпасами или броней, в которых присутствует ОУ) либо при контакте с пылью или осколками, образовавшимися после взрыва или падения. Облучение, полученное только снаружи (т. е. не при проглатывании, не через дыхательные пути и не через кожу), приводит к последствиям исключительно радиологического свойства. Внутреннее облучение происходит в результате попадания ОУ в организм при проглатывании или вдыхании. В армии облучение происходит еще и через раны, образовавшиеся при контакте со снарядами или броней, в которых присутствует ОУ.

Поглощение урана в организме. Большая часть (свыше 95%) урана, попадающего в организм, не поглощается, а удаляется с калом. Из той части урана, которая поглощается кровью, примерно 67% будет в течение суток отфильтровано почками и удалено с мочой. Уран переносится в почки, костную ткань и печень. Подсчитано, что выведение половины этого урана с мочой занимает от 180 до 360 дней.

Опасность для здоровья:

Химическая токсичность: уран вызывает повреждение почек у подопытных животных, и некоторые исследования указывают на то, что долговременное облучение может приводить к нарушению почечной функции у людей. Наблюдавшиеся типы нарушений: узелковые образования на поверхности почки, поражение трубчатого эпителия и повышение содержания глюкозы и белка в моче.

Радиологическая токсичность: распад ОУ происходит главным образом путем испускания альфа-частиц, которые не проникают через внешние слои кожи, но могут влиять на внутренние клетки организма (более подверженные ионизирующему воздействию альфа - излучения), когда ОУ попадает в организм при проглатывании или вдыхании. Поэтому альфа - и бета-облучение при вдыхании нерастворимых частиц ОУ может приводить к повреждению легочных тканей и повышать риск рака легких. Аналогичным образом, предполагается, что поглощение ОУ кровью и его накопление в других органах, в частности в скелете, создает дополнительный риск рака этих органов, зависящий от степени радиационного облучения. Считается, однако, что при низкой степени облучения риск раковых заболеваний весьма низок.

В рамках выполненных на сегодняшний день ограниченных эпидемиологических исследований, посвященных изучению внутреннего облучения в результате попадания частиц ОУ при проглатывании, при вдыхании либо через повреждения кожи или раны, а также в рамках обследования людей, которым по роду занятий приходится сталкиваться с природным или обогащенным ураном, каких-либо негативных последствий для здоровья не обнаружено.

Обедненный уран в окружающей среде. В засушливых регионах большая часть ОУ остается на поверхности в виде пыли. В более дождливых местностях ОУ легче проникает в почву. Возделывание зараженной почвы и потребление зараженной воды и пищи могут создавать опасность для здоровья, однако она будет, скорее всего, невелика. Основным фактором опасности для здоровья будет, скорее, химическая токсичность, а не облучение. Риск облучения обедненным ураном в результате потребления зараженной пищи и воды при возвращении к нормальной жизни в зоне военного конфликта, видимо, более велик для детей, чем для взрослых, поскольку в силу своего любопытства дети склонны тянуть все с рук в рот, а это может привести к попаданию в организм большого количества ОУ с зараженной почвы.

Стандарты. У ВОЗ имеются нормативы в отношении урана, которые применимы и к ОУ. В настоящее время такими нормативами являются:

«Руководство по контролю качества питьевой воды»: 2 мкг/л - показатель, который считается безопасным исходя из данных о субклинических почечных изменениях, приводимых в эпидемиологических исследованиях (ВОЗ, 1998 г.);

допустимая суточная доза (ДСД) для попадания урана через рот: 0,6 мкг на килограмм веса в сутки (ВОЗ, 1998 г.);

предельные нормы ионизирующего облучения: 1 мЗв за год для населения вообще и 20 мЗв в среднем за год на протяжении пяти лет для лиц, работающих в радиационной обстановке (Основные нормы безопасности, 1996 г.).

Изотопы урана — разновидности атомов (и ядер) химического элемента урана, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. На данный момент известны 26 изотопов урана и еще 6 возбуждённых изомерных состояний некоторых его нуклидов. В природе встречаются три изотопа урана: 234U (изотопная распространенность 0,0055 %), 235U (0,7200 %), 238U (99,2745 %).

Нуклиды 235U и 238U являются родоначальниками радиоактивных рядов — ряда актиния и ряда радия соответственно. Нуклид 235U используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии (благодаря тому, что в нём возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция). Нуклид 238U используется для производства плутония-239, который также имеет чрезвычайно большое значение как в качестве топлива для ядерных реакторов, так и в производстве ядерного оружия. Характеристики изотопов урана приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики изотопов урана

Символ нуклида	Z(p)	N(n)	Масса изотопа (а.е.м.)	Избыток массы (кэВ)	Период полураспада (T1/2)	Спин и чётность ядра	Распространённость изотопа в природе (%)
	Энергия возбуждения (кэВ)
217U	92	125	217,024370(90)	22 700(90)	26(14) мс	1/2−#
218U	92	126	218,023540(30)	21 920(30)	6(5) мс	0+
219U	92	127	219,024920(60)	23 210(60)	55(25) мкс	9/2+#
220U	92	128	220,024720(220)#	23 030(200)#	60# нс	0+
221U	92	129	221,026400(110)#	24 590(100)#	700# нс	9/2+#
222U	92	130	222,026090(110)#	24 300(100)#	1,4(7) мкс	0+
223U	92	131	223,027740(80)	25 840(70)	21(8) мкс	7/2+#
224U	92	132	224,027605(27)	25 714(25)	940(270) мкс	0+
225U	92	133	225,029391(12)	27 377(12)	61(4) мс	5/2+#
226U	92	134	226,029339(14)	27 329(13)	269(6) мс	0+
227U	92	135	227,031156(18)	29 022(17)	1,1(1) мин	(3/2+)
228U	92	136	228,031374(16)	29 225(15)	9,1(2) мин	0+
229U	92	137	229,033506(6)	31 211(6)	58(3) мин	(3/2+)
230U	92	138	230,033940(5)	31 615(5)	20,8 сут	0+
231U	92	139	231,036294(3)	33 807(3)	4,2(1) сут	(5/2)(+#)
232U	92	140	232,0371562(24)	34 610,7(22)	68,9(4) года	0+
233U	92	141	233,0396352(29)	36 920,0(27)	1,592(2)·105 лет	5/2+
234U	92	142	234,0409521(20)	38 146,6(18)	2,455(6)·105 лет	0+	0,0055(2)
234Um[1]	1421,32(10)			39 567,9(18)	33,5(20) мкс	6−
235U	92	143	235,0439299(20)	40 920,5(18)	7,04(1)·108 лет	7/2−	0,7200(51)
235Um[1]	0,0765(4)			40 920,6(18)	26 мин	1/2+
236U	92	144	236,0455680(20)	42 446,3(18)	2,342(3)·107 лет	0+
236Um[1]	2750(10)			45 196(10)	115 нс	0+
237U	92	145	237,0487302(20)	45 391,9(19)	6,75(1) сут	1/2+
238U	92	146	238,0507882(20)	47 308,9(19)	4,468(3)·109 лет	0+	99,2745(106)
238Um[1]	2 557,9(5)			49 866,8(20)	280(6) нс	0+
239U	92	147	239,0542933(21)	50 573,9(19)	23,45(2) мин	5/2+
239Um[1]	20(20)#			50 594(20)	>250 нс	(5/2+)
239Un[1]	133,7990(10)			50 707,7(19)	780(40) нс	1/2+
240U	92	148	240,056592(6)	52 715(5)	14,1(1) ч	0+
241U	92	149	241,060330(320)#	56 200(300)#	5# мин	7/2+#
242U	92	150	242,062930(220)#	58 620(200)#	16,8(5) мин	0+

Примечание:

Распространённость изотопов приведена для большинства природных образцов. Для других источников значения могут сильно отличаться.

Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.

Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями Z и N). Неуверенно определённые значения спина и/или его чётности заключены в скобки.