Клиника интоксикации продуктами распада урана. Влияние изотопов урана на организм

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 14.12.2024

Уран (U) — радиоактивный химический элемент III группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Относится к семейству актиноидов (см.). Порядковый номер 92, ат. вес (масса) 238,07. Уран — металл серебристо-белого цвета, плотность 19,05 г/см 3 , t°_пл 1130°. Открыт в 1789 г. немецким химиком Клапротом (M. H. Klaproth) и назван в честь планеты Уран.

Уран широко распространен в природе, обнаруживается в связанном состоянии в различных рудах (уранит, карнотит, отенит и др.), в углекислых и нефтяных отложениях, в морской воде и др. Среднее содержание У. в земной коре составляет 2,5-10~4% (по массе). Являясь радиоактивным элементом, У. в значительной степени влияет на уровень естественного радиоактивного фона (см. Фон радиационный); У.— основное энергетическое сырье для получения ядерного горючего. В природных условиях встречается в виде изотопов: 238U (99,285%), 234 U (0,005%) и 235 U (0,71%). В урановых рудах, служащих источником промышленного получения урана, встречаются и другие элементы уранового ряда ( 226 Ra, 222 Rn, 210 Po и др.).

Химически Уран обладает высокой активностью, вступает во взаимодействие с многочисленными органическими и неорганическими соединениями; со фтором образует фториды четырехвалентного и шестивалентного урана (UF₄ и UF₆), с кислородом образует двуокись (UO₂), трехокись (UO₃), закись-окись (U₃O₈) и пероксид (UO₄-2H₂O).

Основной изотоп 238 U является родоначальником радиоактивного ряда; период полураспада — 4,49*10 9 лет; 1 мг естественного У. испускает около 25,4 альфа-частиц в 1 сек., что составляет 6,8*10 -10 кюри/мг (25,16 Бк/мг). В процессе распада 238U образуется несколько радиоактивных элементов; конечным продуктом распада является стабильный изотоп свинца (206Pb).

Изотопы У. обладают нек-рыми специфическими свойствами: 238U способен захватывать нейтроны с образованием трансурановых элементов (см. Актиноиды), 235U под действием нейтронов расщепляется с освобождением громадного количества энергии. Урановые минералы содержат ряд радиоактивных элементов уранового ряда (радий, полоний, радон, свинец и др.). В природных рудах У. находится в равновесном состоянии с продуктами своего распада.

Уран относится к биоэлементам и входит в состав органов и тканей животных и человека. Естественное содержание У. в скелете — ок. 59, в почках — ок. 7 мкг. Уран и его соединения поступают в организм через органы дыхания, жел.-киш. тракт и кожу. Суточное поступление с пищей и жидкостями составляет ок. 1,9 мкг.

Степень всасывания У. в организме при различных путях поступления зависит от растворимости соединений У. Растворимые соединения У. (азотнокислый уранил, фтористый уранил, трехокись урана, пятихлористый уран, аммониевые и натриевые соли урана) проникают через кожу в значительных количествах. Труднорастворимые соединения урана (UO₂, UO₄, U₃O₈) практически не всасываются через кожу.

В зависимости от величины всасывания (Д) при ингаляционном поступлении все соединения урана делят на ряд ингаляционных классов — Д, Н, Г. Такие соединения урана, как UF₆, UO₂F₂ и UO₂(NO₃)₂, быстро всасываемые легочной тканью, отнесены к классу Д. Менее растворимые соединения — UO₃ UF₄ и UCI₄ отнесены к классу Н, а почти нерастворимые UO₂ и U₃O₈ — к классу Г. Для веществ классов Д и Н величина f₁ принята равной 0,05; для соединений класса Г величина f₁ составляет 0,002.

Основными органами депонирования У. являются почки, печень и кости. Авторадиографически показано, что У. преимущественно откладывается на поверхностных структурах кости, откуда легко попадает в кровь и повторно очень медленно распределяется по всему объему минеральной части кости. Перераспределение У. по всему объему кости может продолжаться в течение нескольких месяцев после введения. По этой причине принято, что изотопы урана 229U, 230U, 231U, 237U, 239U и 240U распределяются равномерно на поверхности кости, а изотопы урана 232U, 233U, 234U, 235U, 236U и 238U распределяются по всему объему минеральной части кости.

Отложение Урана в различных частях скелета неодинаково; наибольшие количества его откладываются в позвоночнике, наименьшие — в костях черепа. В почках У. распределяется неравномерно, большая часть его откладывается в корковом слое; в более поздние сроки после поступления У. концентрируется в дистальных канальцах и клубочках почек.

Выделение У. из организма независимо от пути поступления происходит с калом и мочой; большая часть выделяется с мочой в первые 24 часа; выведение с калом незначительно и не превышает 1—3% от общего количества У., выводимого из организма.

Клиническая картина поражения растворимыми и труднорастворимыми соединениями У. имеет определенное сходство. Различают несколько периодов в течении урановой интоксикации. Скрытый период продолжается от нескольких часов до нескольких суток, характеризуется общей вялостью, снижением аппетита. Появление основных симптомов происходит на 5—7-е сутки, исход интоксикации — на 15—30-е сутки. Отдаленные последствия поражений — от нескольких месяцев до нескольких лет. В нек-рых случаях основные симптомы появляются на 3—4-е сутки.

В экспериментах на животных при ингаляционном поступлении У. отмечались начальные явления пневмонии, в последующие дни — симптомы поражения почек. На 10—13-е сутки — мышечная слабость, у нек-рых животных — паралич мышц конечностей. Развивались выраженные изменения в крови: ускорение РОЭ, лейкоцитоз (до 20 тыс. в 1 мкл), сдвиг формулы крови влево, лимфопения, моноцитоз, уменьшение количества эозинофилов.

При острой интоксикации в наибольшей степени страдают почки. Заболевание протекает по типу токсического нефрита, в тяжелых случаях сопровождается уремическим состоянием. Наблюдается сочетанное поражение печени и почек, Нарушается углеводный, белковый, жировой и водный обмен. В крови увеличивается небелковый азот и азот мочевины. Отмечаются функциональные и органические поражения ц. н. с.

Хроническая урановая интоксикация развивается в результате многократного длительного воздействия различных соединений У. В крови происходит снижение концентрации гемоглобина, числа эритроцитов, лейкоцитов, ретикулоцитов, тромбоцитов. В моче периодически отмечают повышенное содержание сахара, белка. Нарушается функция печени, сердечно-сосудистой системы, эндокринных желез. Нарушения нервной системы проявляются в виде астенического синдрома, вегетативной дисфункции.

В отдаленные сроки после поражения при длительной урановой интоксикации у животных отмечаются нарушения половой функции и репродуктивной способности; после ингаляции 235U, обладающего значительно большей радиоактивностью, чем 238U, в отдаленные сроки возникали злокачественные новообразования в легких (см. Лучевые повреждения). У человека острое отравление шестифтористым ураном сопровождается поражением дыхательных путей и почек; больные жалуются на удушье, боли за грудиной. При этом наблюдаются цианоз, кашель, отек легких, выделение зелено-серой мокроты, иногда с кровью.

Для ускорения выведения У. из организма рекомендуют натрийдикальциевую соль диэтилентриаминпентаметилфосфоновой к-ты (Na Са2 ДТПФ, пентафацин) и кальций-динатриевую соль диэтилендиамино-изопропилдифосфоновой к-ты (CaNa2 ЭДДИФ, фосфицин). В случае ингаляционного поражения — вдыхание аэрозоля 5% р-ра пентафацина или фосфицина, внутрь диакарб (фонурит) 0,25 г в первые часы после интоксикации как специфическое средство, предупреждающее поражение почек; в тяжелых случаях гемодиализ.

Гигиена труда при работе с ураном

На урановых рудниках помимо таких вредных факторов, как рудничная пыль, взрывные газы, шум, вибрация, возможно неблагоприятное воздействие радионуклидов семейства U — Ra, поступающих в воздух в виде аэрозолей, а также радиоактивного газа — радона (Rn) и его дочерних продуктов (см. Радон). Соотношение их с Rn, близкое к равновесному, обусловливает наибольшее облучение верхних дыхательных путей и легких. Высокое содержание Rn и его дочерних продуктов в воздухе осложняет течение силикоза (см.), вызывает хрон. бронхит; рак легкого, по данным различных исследователей, может возникать через 11—25 лет после начала работы.

Переработка урановых руд и получение солей У. связана с теми же радиационными факторами, что и добыча У. При нагревании и плавлении металлического У. возрастают уровни бета-излучения вследствие перераспределения продуктов распада У. (234Th и 234Pa) , накапливания их в окалине на тиглях. В производстве тепловыделяющих элементов (твэлов) из У., обогащенного изотопом 235U, основным вредным фактором являются альфа-активные аэрозоли.

Накопление обогащенного У. в легких определяется замером гамма-излучения изотопа 235U с помощью специальных счетчиков (см. Радиоизотопные диагностические приборы).

Поступление через органы дыхания растворимых соединений У. не должно превышать 2,5 мг в 1 сутки, а через органы пищеварения — 150 мг в 1 сутки. При работе с урансодержащими минеральными соединениями неизвестной растворимости предельно допустимое поступление (ПДП) через органы дыхания и допустимая концентрация (ДК) для персонала в воздухе производственных помещений (по суммарной альфа-активности радионуклидов уранового ряда) приняты равными соответственно 0,025 мккюри (9,25•10 2 Бк) в 1 год и 1*10 -14 кюри/л (3,7 *10 -4 Бк/л). Допустимая концентрация в воздухе 235U — 6*10 -14 кюри/л (22,2*10 -4 Бк/л).

В целях профилактики на рудниках проводят обеспыливающие мероприятия, активное проветривание. При переработке руд, получении солей У. необходимы увлажнение руды перед обработкой, механизация погрузочно-разгрузочных работ, внедрение автоматических линий обработки, дистанционное наблюдение и управление процессом, механическая вентиляция, обеспечивающая при 5—7-кратном воздухообмене значительный сдвиг равновесия между Rn и его дочерними продуктами. Работу с обогащенным У. необходимо проводить в герметичных боксах при разряжении в пределах 10—20 мм вод. ст. с использованием средств индивидуальной защиты органов дыхания и кожных покровов. Регулярно должен осуществляться дозиметрический контроль (см.).

Библиогр.: Андреева О. С., Бадьин В. И. и Корнилов А. Н. Природный и обогащенный уран, Радиационно-гигиенические аспекты, М., 1979, библиогр.; Борисов В. П. и др. Неотложная помощь при острых радиационных воздействиях, М., 1976; Быховский А. В. Гигиенические вопросы при подземной разработке урановых руд, М., 1963, библиогр.; Вопросы гигиены труда на урановых рудниках и обогатительных предприятиях, под ред. Г. М. Пархоменко и др., М., 1971; Галибин Г. П. и Новиков Ю. В. Токсикология промышленных соединений урана, М., 1976; Журавлев В. Ф. Токсикология радиоактивных веществ, М., 1982; Уран и бериллий, Проблема выведения из организма, под ред. В. С. Балабухи, с. 59, М., 1976; Фармакология и токсикология урановых соединений, пер. с англ., т. 2, М., 1951.

Токсичность урана

Уран и его соединения токсичны для человеческого организма. Токсичность основывается как на радиоактивных свойствах урана, так и на его химическом воздействии на обмен веществ. Отравления ураном и его соединениями возможны на предприятиях по добыче и переработке уранового сырья и других промышленного объектах, где он используется в технологическом процессе. В тоже время уран совершенно необходим для нормальной жизнедеятельности животных и растений. В человеческом организме естественным образом содержится в среднем 0,09 г урана. Он распределен в организме так: примерно 66% в скелете, 16% в печени, 8% в почках и 10% в других тканях. Человек может постепенно накапливать содержание урана в организме во время незащищенного контакта с металлическим ураном, причем риск для здоровья пропорционален степени облучения. В организм животных и человека уран поступает с пищей и водой в желудочно-кишечный тракт, с воздухом в дыхательные пути, а также через кожные покровы и слизистые оболочки. Среднее поступление урана в организм обывателя с пищей 0,07 - 1,1 микрограмм/день. Соединения уран всасываются в желудочно-кишечном тракте - около 1% от поступающего количества растворимых соединений и не более 0,1% труднорастворимых; в легких всасываются соответственно 50% и 20%. Распределяется уран в организме неравномерно. Основное депо (места отложения и накопления) - селезенка, почки, скелет, печень и, при вдыхании труднорастворимых соединений, - легкие и бронхолегочные лимфатические узлы. В крови уран (в виде карбонатов и комплексов с белками) длительно не циркулирует. Содержание урана в органах и тканях животных и человека не превышает 10-7 г/г. Так, кровь крупного рогатого скота содержит 1·10-8 г/мл, печень 8·10-8г/г, мышцы 4·10-11 г/г, селезенка 9·10-8г/г. Содержание урана в органах человека составляет: в печени 6·10-9г/г, в легких 6·10-9-9·10-9г/г, в селезёнке 4,7·10-9г/г, в крови 4·10-9г/мл, в почках 5,3·10-9(корковый слой) и 1,3·10-9г/г (мозговой слой), в костях 1·10-9г/г, в костном мозге 1·10-9г/г, в волосах 1,3·10-7г/г. Среднее содержание урана в организме человека 9·10-5г. Эта величина для различных районов может варьировать. Уран, содержащийся в костной ткани, обусловливает её постоянное облучение (период полувыведения урана из скелета около 300 сут). Наименьшие концентрации урана - в головном мозге и сердце (10-10г/г). Суточное поступление урана с пищей и жидкостями - 1,9·10-6 г, с воздухом - 7·10-9г. Суточное выведение урана из организма человека составляет: с мочой 0,5·10-7-5·10-7, с калом - 1,4·10-6-1,8·10-6 г, с волосами - 2·10-8 г. Независимо от путей поступления в организм выделение урана происходит в основном с калом и мочой. Большая часть урана, поступившего в организм, выделяется в первые 24 ч. Токсическое действие урана зависит от растворимости его соединений: более токсичны уранил и других растворимые соединения урана. У взрослых людей в организме задерживается в 1,1%, у подростков - 1,8% суточного поступления. Нитрат уранила, фторид уранила, оксид урана (VI), хлорид урана (V), диуранаты аммония и натрия могут в значительных количествах всасываться через кожу. Нерастворимые соединения урана (238UO2, 238UO4,238U3O8) практически через кожу не всасываются. Растворимые соединения урана быстро всасываются в кровь и разносятся по органам и тканям. По удельному содержанию урана в ранние сроки (1-4 ч) почки занимают первое место по сравнению с другими органами. В скелете в ранние сроки урана откладывается не более 0,1%. До 4 сут происходит накопление урана в значительных количествах. Через 16 сут происходит медленное выведение его из организма с Тб, равным 150-200 сут. В отдаленные сроки кости (критический орган) содержат более 90 % всего отложившегося в организме урана. На характер распределения урана в организме существенное влияние оказывает его валентность. При внутривенном введении шестивалентный уран накапливается в почках до 20%, в костях - от 10 до 30%; совсем незначительные количества откладываются в печени. Четырехвалентный уран, наоборот, накапливается в большем количестве в печени и селезенке - до 50%, в костях и почках - 10 - 20%. Это, по-видимому, связано с тем, что четырехвалентный уран легко присоединяется к белкам и не проникает через мембраны, а шестивалентный уран такими свойствами не обладает. Химическая токсичность соединений урана сильно колеблется в зависимости от типа вещества.На основании экспериментов, проведенных на животных, установлены следующие закономерности: а) даже в больших дозах относительно не ядовиты: UO2, U3О8, UF4 (практически нерастворимые соединения), однако они могут быть опасны при вдыхании; б) в больших дозах ядовиты: UO3, UCU (медленно растворяются в организме); в) в умеренных количествах ядовиты: UO2(NO3)2, UO4?2H2O, Na2U2O7 (растворимые соединения); г) даже в малых дозах сильно ядовиты: UO2F2, UF6 (токсичность урана усиливается токсичностью аниона). Таким образом, химическая токсичность урана и его соединений близка к токсичности ртути или мышьяка и их соединений. Следует отметить, что соединения уранила (например, UO2(NO3)2 растворяются в липидах и могут проникать через неповрежденную кожу. При попадании в организм уран действует на все органы и ткани, являясь общеклеточным ядом. Признаки отравления обусловлены преимущественным поражением почек (появление белка и сахара в моче); поражаются также печень и желудочно-кишечный тракт. Различают острые и хронические отравления; последние характеризуются постепенным развитием и меньшей выраженностью симптомов. При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения, нервной системы и др. Полагают, что молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. Очень подвержены влиянию радиации глаза человека. Наиболее уязвимая часть глаза - хрусталик. Под воздействием радиации происходит постепенное его помутнение (погибшие клетки становятся непрозрачными). Разрастание помутневших участков приводит сначала к катаракте, а затем и к полной слепоте. Причем, чем больше доза, тем больше потеря зрения. Кроме глаз повышенной чувствительностью к облучению обладают репродуктивные органы (дозы свыше 2 грэев могут привести к постоянной стерильности мужчин). А если подвергнуть облучению беременную женщину между восьмой и пятнадцатой неделями беременности (в этот период у плода формируется кора головного мозга), то существует большая вероятность рождения умственно отсталого ребенка. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м3, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м3. В легких человека, случайно вдохнувшего 238U3. Острая и хроническая урановая интоксикация характеризуются политропным действием урана на различные органы и системы. Растворимые и нерастворимые соединения урана вызывают однотипный характер поражения, разница заключается лишь в скорости развития интоксикации и степени тяжести поражения. В ранние сроки воздействия преобладает химическая токсичность элемента, в поздний период оказывает действие радиационный фактор. При длительном поступлении в организм труднорастворимых соединений урана, когда наблюдается биологическое действие урана, как б-излучателя, развивается хроническая лучевая болезнь. Механизм действия растворимых и нерастворимых соединений урана весьма разнообразен. Уран может вызывать не только функциональные, но и органические изменения, как в результате непосредственного (прямого) действия на организм, так и опосредовано через центральную нервную систему и железы внутренней секреции. и железы внутренней секреции. Полиморфизм поражения урана обусловлен еще и тем, что воздействие его на организм происходит не в виде чистого соединения, а чаще всего большого комплекса соединений (продуктов распада). В клинике уранового отравления наряду с обширной патологией различных органов и систем ведущим является нарушение почек. При ингаляционном воздействии различных соединений урана наблюдаются выраженные симптомы легочной патологии, особенно это выявляется для фторида урана (VI). В опытах на собаках с ингаляцией 235U, обладающего значительно большей радиоактивностью, чем 238U, в отдаленные сроки возникают злокачественные новообразования в легких. В этом случае биологический эффект обусловлен не только химическими свойствами урана, но в большей степени его радиационным действием за счет б-излучения.

Клиника интоксикации продуктами распада урана. Влияние изотопов урана на организм

7s 2

5f 3

Уран- 92 -ой элемент Периодической системы Менделеева, последний и самый тяжелый из существующих в природе элементов. Этот элемент занимает в современной жизни особое место. Он сыграл, по словам Д.И. Менделеева выдающуюся роль в утверждении периодического закона.

В дальнейшем с ураном оказались связанными два важнейших открытия науки ХХ века, давшие толчок многочисленным исследованиям: радиоактивность и деление ядер.

Уран, главный элемент ядерной энергетики и сырье для получения другого главного энергетического элемента- плутония, причастен ко многим открытиям ХХ века. Уран помог раскрыть тайны атома, стал источником невиданной мощи. Он основа современной «алхимии», превращения элементов и получения новых. В нейтронных потоках урановых реакторов в наши дни тоннами накапливаются элементы, в десятки раз более ценные, чем золото.

Открыл уран немецкий химик Клапрот в 1789 г., выделив из саксонской смоляной руды черное металлоподобное веществ, и назвал его ураном. Более пятидесяти лет это вещество считалось металлом и только в 1841 г. францезский химик Пелиго доказал, что это окисел урана UO₂. Прошло еще 55 лет и, в 1896 г. А. Беккерель обнаружил, благодаря урану, явление радиоактивности.

Природный уран состоит из трех изотопов: 238 U - 99,2739%, продукт его распада 234 U- 0,0057% и 235 U - 0,7204%. Первый и последний являются родоначальниками семейств естественных радиоактивных элементов урана (тип ядра по массе 4n+2) и 235 U (актиноурана) (4n+3). Их периоды полураспада равны соответственно 4,51.10 9 и 7,13.10 8 лет. С помощью циклотрона и ядерного реактора в настоящее время получено 11 искусственных радиоактивных изотопов и 1 изомер урана. Наиболее важный из них - 233 U (T_1/2 = 1.62·10 5 лет), как и 235 U способен к цепной реакции деления, поэтому является ядерным горючим.

Уран, наряду с первичными рудами магматического происхождения, образует вторичные осадочные рудные месторождения. Он содержится более чем в 100 различных минералах. Главные из них - окислы урана и смешанные соли ванадиевой, фосфорной, кремневой, мышьяковой, титановой и ниобиевой кислот. Наиболее важными первичными минералами промышленных месторождений являются уранинит и урановая смолка, а вторичным минералом - карнотит.

Рис. Уранинитовая руда

Уран - блестящий металл, напоминающий по внешнему виду сталь. Он обладает полиморфизмом. Он обладает относительно высокой температурой плавления 1132 0 С и кипения 4690 0 С. Электропроводность урана близка к электропроводности железа. Ниже 1 К уран становится сверхпроводником.

Химические свойства урана изучены методами классической химии. Электронная конфигурация атом урана 5f 3 6d 1 7s 2 .

Химические свойства урана довольно сложные. Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150--175 °C, образуя U₃O₈. При 1000 °C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана.

Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, но не взаимодействует со щелочами.

Уран вытесняет водород из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов, как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото.

Степени окисления урана +3, +4, +5, +6. Ионы урана гидратированы и гидролизованы. Степень гидролиза и комплексообразования растет в ряду:

U 5+ U 3+ U 4+ U 6+

Наиболее устойчивое валентное состояние в водных растворах U 6+ . Однако в нейтральной и кислой средах как настоящий амфотерный элемент уран образует двухзарядные катионы уранила UO; в щелочной-- анионы диураната UO. Образующиеся при этом соли полиуранаты малорастворимы. Так, прибавление едкого натра к раствору какой-либо соли уранила вызывает выпадение желто-бурого аморфного осадка диураната:

Образование нерастворимых диуранатов из солей уранила-- очень важная реакции, которой пользуются для перевода шестивалентного урана в осадок. Полиуранаты являются типичным примером образования неорганических полимеров. Характерной особенностью почти всех солей шестивалентного урана является способность давать растворимые комплексы (даже в щелочной среде) в присутствии избытка карбонатов, оксалатов, сульфатов щелочных металлов или аммония вследствие образования комплексных ионов.

Рис. Урановое (U 6+ ) стекло

Тетрахлорид урана UCl₄ и диоксид урана UO₂ -- примеры четырёхвалентного урана. Вещества, содержащие четырёхвалентный уран, обычно нестабильны и при длительном пребывании на воздухе обращаются в шестивалентные.

Все соли U +4 ярко-зеленого цвета. Четырехвалентный уран в кислотах более склонен к комплексообразованию, чем U 6+ .

Выделение урана из природных объектов производится путем кислотного или карбонатного выщелачивания его после предварительного обогащения руды. Первое - дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке, уран находится в четырехвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырехвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. И либо нужно прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Окончательное извлечение урана осуществляется методами экстракции, ионного обмена и др. Методы ионного обмена и экстракции хороши тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов, в литре которых лишь десятые доли грамма элемента №92. После этих операций уран переводят в твердое состояние - в один из окислов или в тетрафторид UF₄.

Металлический уран в небольших количествах получается восстановлением U₃O₈ магнием или натрием в атмосфере СО₂. Промышленный способ получения металлического урана заключается в восстановлении UF₄ кальцием или магнием.

Из всех известных изотопов урана наибольшее применение имеет изотоп урана 235 U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии (критическая масса около 50 кг). Возможные схемы вынужденного деления были рассмотрены более подробно в главе 6 (раздел 6.6.2).

Изотоп U 238 способен делиться только под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией). Изотоп U захватывает (радиационный захват) медленные нейтроны с образованием составного ядра U, которое распадается до основного состояния с испусканием одного или нескольких гамма- квантов, бета- частицы, протона или альфа- частицы:

Таким образом, U с одной стороны является ядом для цепной реакции. С другой стороны в результате радиационного захвата возможно воспроизводство ядерного горючего с образованием делящегося Pu. Pu используется, в основном, для производства ядерного оружия.

Если ядерный реактор работает на смеси природного Th с U при радиационном захвате нейтрона торием возможно получение 233 ₉₂U:

Уран-233 является ядерным топливом для атомных электростанций и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг). Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

В ядерных реакторах в качестве тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) могут использоваться чистый уран или его сплавы с алюминием, цирконием, хромом, цинком.. В большинстве энергетических реакторов обычно применяют керамические сердечники из двуокиси урана (UO₂), которые не деформируются в течение рабочего цикла выгорания топлива. Другое важное свойство этого соединения -- отсутствие реакции с водой, которая может привести в случае разгерметизации оболочки ТВЭЛа к попаданию радиоактивных элементов в теплоноситель. Также, к достоинствам диоксида урана можно отнести то, что его плотность близка плотности самого урана, что обеспечивает нужный поток нейтронов в активной зоне.

Рис. Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы)

Четверть века назад ядерные реакторы обычно называли атомными котлами, подчеркивая тем самым суть происходящих в них процессов: главное - это выделение энергии. Но если в обычных топках горючее полностью (или почти полностью) сгорает, то в ядерном реакторе все обстоит иначе. В рабочем цикле выгорает лишь незначительная доля урана: «протопить» реактор до полного выгорания ядерного горючего технически невозможно. Уран в реакторе постепенно «зашлаковывается» продуктами деления и в нем меньше становится урана-235. Цепная реакция неизбежно начинает глохнуть, и поддержать ее можно, только сменив твэлы. Поэтому старые твэлы снимают и отправляют на переработку: их растворяют в кислотах и извлекают уран из раствора методом экстракции. Уран легко образует экстрагируемые комплексы и переходит в органическую фазу, а осколки деления, от которых нужно избавиться, остаются в водном растворе.

Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м?, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м?. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки. При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы. В микроколичествах (10 ?5 --10 ?8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких -- 50 %. Основные депо в организме: селезёнка, почки, скелет, печень, лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10 ?7 г.

Основным источником поступления радиойода населению в зонах радионуклидного загрязнения были местные продукты питания растительного и животного происхождения. Человеку радиойод может поступать по цепочкам:

растения → человек,
растения → животные → человек,
вода → гидробионты → человек.

Молоко, свежие молочные продукты и листовые овощи, имеющие поверхностное загрязнение, обычно являются основным источником поступления радиойода населению. Усвоение нуклида растениями из почвы, учитывая малые сроки его жизни, не имеет практического значения.

У коз и овец содержание радиойода в молоке в несколько раз больше, чем у коров. В мясе животных накапливаются сотые доли поступившего радиойода. В значительных количествах радиойод накапливается в яйцах птиц. Коэффициенты накопления (превышение над содержанием в воде) 131 I в морских рыбах, водорослях, моллюсках достигает соответственно 10, 200-500, 10-70.

Практический интерес представляют изотопы 131-135 I . Их токсичность невелика по сравнению с другими радиоизотопами, особенно альфа-излучающими. Острые радиационные поражения тяжелой, средней и легкой степени у взрослого человека можно ожидать при пероральном поступлении 131 I в количестве 55, 18 и 5 МБк/кг массы тела. Токсичность радионуклида при ингаляционном поступлении примерно в два раза выше, что связано с большей площадью контактного бета-облучения.

В патологический процесс вовлекаются все органы и системы, особенно тяжелые повреждения в щитовидной железе, где формируются наиболее высокие дозы. Дозы облучения щитовидной железы у детей вследствие малой ее массы при поступлении одинаковых количеств радиойода значительно больше, чем у взрослых (масса железы у детей в зависимости от возраста равна 1:5-7 г., у взрослых - 20 г.).

В исходной статье И.Я. Василенко, О.И. Василенко. Радиоактивный йод про радиоактивный йод содержатся гораздо подробные сведения, которые, в частности, могут быть полезны медицинским работникам.

Радиоактивный цезий

Радиоактивный цезий является одним из основных дозообразующих радионуклидов продуктов деления урана и плутония. Нуклид характеризуется высокой миграционной способностью во внешней среде, включая пищевые цепочки. Основным источником поступления радиоцезия человеку являются продукты питания животного и растительного происхождения. Радиоактивный цезий, поступающий животным с загрязненным кормом, в основном накапливается в мышечной ткани (до 80 %) и в скелете (10 %).

После распада радиоактивных изотопов йода основным источником внешнего и внутреннего облучения является радиоактивный цезий.

У коз и овец содержание радиоактивного цезия в молоке в несколько раз больше, чем у коров. В значительных количествах он накапливается в яйцах птиц. Коэффициенты накопления (превышение над содержанием в воде) 13 7 Cs в мышцах рыб достигает 1000 и более, у моллюсков - 100 - 700,
ракообразных - 50 - 1200, водных растений - 100 - 10000 .

Поступление цезия человеку зависит от характера питания. Так после аварии на ЧАЭС в 1990 гю вклад различных продуктов в среднесуточное поступление радиоцезия в наиболее загрязненных областях Беларуси был следующим: молоко - 19 %, мясо - 9 %, рыба - 0.5 %, картофель - 46 %, овощи - 7.5 %, фрукты и ягоды - 5 %, хлеб и хлебопродукты - 13 %. Регистрируют повышенное содержание радиоцезия у жителей, потребляющих в больших количествах "дары природы" (грибы, лесные ягоды и особенно дичь).

Радиоцезий, поступая в организм, относительно равномерно распределяется, что приводит к практически равномерному облучению органов и тканей. Этому способствует высокая проникающая способность гамма-квантов его дочернего нуклида 137m Ba, равная примерно 12 см.

В исходной статье И.Я. Василенко, О.И. Василенко. Радиоактивный цезий про радиоактивный цезий содержатся гораздо подробные сведения, которые, в частности, могут быть полезны медицинским работникам.

Радиоактивный стронций

После радиоактивных изотопов йода и цезия следующим по значимости элементом, радиоактивные изотопы которого вносят наибольший вклад в загрязнение - стронций. Впрочем, доля стронция в облучении значительно меньше.

Природный стронций относится к микроэлементам и состоит из смеси четырех стабильных изотопов 84 Sr (0.56 %), 86 Sr (9.96 %), 87 Sr (7.02 %), 88 Sr (82.0 %). По физико-химическим свойствам он является аналогом кальция. Стронций содержится во всех растительных и животных организмах. В организме взрослого человека содержится около 0.3 г стронция. Почти весь он находится в скелете.

В условиях нормальной эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов незначительны. В основном они обусловлены газообразными радионуклидами (радиоактивными благородными газами, 14 С, тритием и йодом). В условиях аварий, особенно крупных, выбросы радионуклидов, в том числе радиоизотопов стронция, могут быть значительными.

Наибольший практический интерес представляют 89 Sr
(Т_1/2 = 50.5 сут.) и 90 Sr
(Т_1/2 = 29.1 лет), характеризующиеся большим выходом в реакциях деления урана и плутония. Как 89 Sr, так и 90 Sr являются бета-излучателями. При распаде 89 Sr образуется стабильный изотоп итрия ( 89 Y ) . При распаде 90 Sr образуется бета-активный 90 Y, который в свою очередь распадается с образованием стабильного изотопа циркония ( 90 Zr) .

C хема цепочки распадов 90 Sr → 90 Y → 90 Zr. При распаде стронция-90 образуются электроны с энергиями до 546 кэВ, при последующем распаде итрия-90 образуются электроны с энергиями до 2.28 МэВ.

В начальный период 89 Sr является одним из компонентов загрязнения внешней среды в зонах ближних выпадений радионуклидов. Однако у 89 Sr относительно небольшой период полураспада и со временем начинает превалировать 90 Sr.

Животным радиоактивный стронций в основном поступает с кормом и в меньшей степени с водой (около 2 %). Помимо скелета наибольшая концентрация стронция отмечена в печени и почках, минимальная - в мышцах и особенно в жире, где концентрация в 4-6 раз меньшая, чем в других мягких тканях.

Содержание стронция в гидробионтах зависит от концентрации нуклида в воде и степени ее минерализации. Так у рыб Балтийского моря содержание стронция в 5 раз больше, чем у рыб Атлантического океана. Коэффициент накопления достигает 10-100, в основном стронций депонируется в скелете.

Радиоактивный стронций относится к остеотропным биологически опасным радионуклидам. Как чистый бета-излучатель основную опасность он представляет при поступлении в организм. Населению нуклид в основном поступает с загрязненными продуктами. Ингаляционный путь имеет меньшее значение. Радиостронций избирательно откладывается в костях, особенно у детей, подвергая кости и заключенный в них костный мозг постоянному облучению.

Подробно все изложено в исходной статье И.Я. Василенко, О.И. Василенко. Радиоактивный стронций.

Чем опасен уран и его соединения?

Что такое уран?

Уран — химический элемент с атомным номером 92, серебристо-белый глянцеватый металл, периодической системе Менделеева обозначается символом U. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, содержится в земной коре (литосфере) и в морской воде и в чистом виде практически не встречается. Из изотопов урана изготавливают ядерное топливо.

Радиоактивность урана

В 1938 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман облучили ядро урана нейтронами и сделали открытие: захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа* урана делится и выделяет огромную энергию за счёт кинетической энергии осколков и излучения. В 1939-1940 годах Юлий Харитон и Яков Зельдович впервые теоретически объяснили, что при небольшом обогащении природного урана ураном-235 можно создать условия для непрерывного деления атомных ядер, то есть придать процессу цепной характер.

Что такое обогащённый уран?

Обогащённый уран — это уран, который получают при помощи технологического процесса увеличения доли изотопа 235U в уране. В результате природный уран разделяют на обогащённый уран и обеднённый . После извлечения 235U и 234U из природного урана оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. По некоторым данным, в США хранится около 560 000 тонн обеднённого гексафторида урана (UF6). Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный, в основном за счёт удаления из него 234U. Из-за того что основное использование урана — производство энергии, обеднённый уран — малополезный продукт с низкой экономической ценностью.

В ядерной энергетике используют только обогащённый уран. Наибольшее применение имеет изотоп урана 235U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используют как топливо в ядерных реакторах и в ядерном оружии. Выделение изотопа U235 из природного урана — сложная технология, осуществлять которую под силу не многим странам. Обогащение урана позволяет производить атомное ядерное оружие — однофазные или одноступенчатые взрывные устройства, в которых основной выход энергии происходит от ядерной реакции деления тяжёлых ядер с образованием более лёгких элементов.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория** (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), может в будущем стать распространённым ядерным топливом для атомных электростанций (уже сейчас существуют реакторы, использующие этот нуклид в качестве топлива, например KAMINI в Индии) и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).

В каких странах производят обогащённый уран?

Франция
Германия
Голландия
Англия
США
Япония
Россия
Китай
Пакистан
Бразилия
Иран

Чем опасны соединения урана?

Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК — 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Уран практически необратимо, как и многие другие тяжёлые металлы, связывается с белками, прежде всего, с сульфидными группами аминокислот, нарушая их функцию. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия***). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Применение урана в мирных целях

Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную окраску стеклу.
Уран натрия используется как жёлтый пигмент в живописи.
Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).
В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.
Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.

*Изотоп — разновидности атомов химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа.

**Элемент III группы таблицы Менделеева, принадлежащий к актиноидам; тяжёлый слаборадиоактивный металл. Торий имеет ряд областей применения, в которых подчас играет незаменимую роль. Положение этого металла в периодической системе элементов и структура ядра предопределили его применение в области мирного использования атомной энергии.

***Олигурия (от греч. oligos — малый и ouron — моча) — уменьшение количества отделяемой почками мочи.

Читайте также: