Радиоактивность. Ядерно-физические свойства урана

ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УРАНА

Радиоактивность - это свойство ядер некоторых элементов самопроизвольно превращаться (распадаться) с изменением состава и энергетического состояния. Радиоактивность является внутренним свойством ядер, не зависит от внешних условий их существования и связана с соотношением ядерных сил.

Радиоактивность горных пород определяется наличием и содержанием в них трех радиоактивных элементов: урана (²³⁸U) и тория (²³²Th) с продуктами их распада и одиночного радиоактивного изотопа калия – ⁴⁰К. Наблюдаются преимущественно три вида радиоактивных превращений: α- и β- распад, а также электронный захват. Тяжелые элементы могут испытывать спонтанное деление ядер слабой интенсивности.

Примером α-распада может служить превращение радия в радиоактивный газ радон:

(1.1)

Оба элемента находятся в урановом радиоактивном ряду. Основная часть ядер радиоактивного изотопа ⁴⁰К испытывает β-распад. В 12% случаев ядро ⁴⁰К превращается в виде электронного захвата, заключающегося в захвате ядром электрона с внутреннего К-слоя и превращении протона в нейтрон:

(1.2)

Образовавшиеся в ходе радиоактивного превращения ядра чаще всего оказываются в возбужденном состоянии. Переходя в нормальное состояние, они излучают избыток энергии в виде гамма-квантов.

Гамма-излучение - это жесткое электромагнитное излучение, сопровождающее ядерные превращения. Энергия g-излучения индивидуальна для каждого вида ядер и является параметром конкретного ядерного превращения. Так, при превращении радия в радон испускается гамма-квант энергии 0,186 МэВ, поскольку именно такая разница между энергиями возбужденного и нормального состояний имеет место у радона.

В сравнении с другими видами электромагнитного излучения гамма-излучение характеризуется большей энергией и большей частотой колебаний. Благодаря значительно более высокой проникающей способности g-лучей в сравнении с a-и β-частицами, в методах разведочной геофизики используется в основном g-излучение.

Изменение количества радиоактивного вещества описывается законом радиоактивного распада

(1.3)

где t - время с начала превращения; N₀, N - количество атомов превращающегося элемента соответственно в момент времени 0 и t.

Более удобным для использования параметром распадающегося ядра является период полураспада T_1/2, зависящий только от l:

T_1/2 = ln2/l (1.4).

Период полураспада равен времени, за которое превращается половина атомов. Так, если период полураспада радона 3,82 суток, то именно через это время в воде, взятой из радонового источника, останется всего половина атомов радона. Приближенно через 10 Т_1/2, т. е. через 38 дней, все атомы радона распадутся. В таблице 1.1 приводятся периоды полураспада радиоактивных элементов – членов уранового ряда. Отметим, что родоначальник ряда - 238U является наименее радиоактивным (долгоживущим) элементом. Торий и радиоактивный изотоп калия также имеют большие периоды полураспада (табл. 1.2).

Таблица 1.1

Свойства радиоактивных изотопов уранового ряда [18].

* Энергии с наибольшим выходом гамма-квантов

Природный уран состоит из трех радиоактивных изотопов, находящихся в постоянном соотношении:

²³⁸U – 99.274%, ²³⁵U – 0.7196%, ²³⁴U – 0.0057%.

Изотоп ²³⁸U – родоначальник уранового ряда. Изотоп ²³⁵U – родоначальник актиноуранового ряда. Изотоп ²³⁴U –член уранового ряда (табл.1.1).

В геофизике содержание урана в горной породе определяют чаще всего по интенсивности гамма-излучения. Поскольку радиоактивных элементов три, то встает вопрос о разделении излучения от урана, тория и калия.

При радиоактивном распаде излучаются гамма-кванты, энергия которых индивидуальна для конкретного распадающегося изотопа (табл. 1.1). Гамма-спектрометрия – измерение интенсивности гамма-излучения определенных интервалов энергии, предназначенное для раздельного определения содержаний в горной породе урана, тория и калия.

По особенностям распада, геохимическим свойствам и продолжительности жизни изотопов урановый ряд разделяется на урановую (до ²³⁰Th) и радиевую группы. Основные гамма-излучатели находятся в радиевой группе (табл. 1.1), при этом в жесткой части спектра практически единственный γ-излучатель – это ²¹⁴Bi с энергиями 0.609, 1.120, 1.764 и 2.204 МэВ. Нуклиды урановой группы дают гамма-излучение слабой интенсивности. Определять содержания урана в горных породах по их гамма-излучению возможно только при наличии радиоактивного равновесия в урановом ряду – между ураном и радием и между радием и радоном, о чем речь пойдет в главе 4.

В спектре тория (ториевого ряда) имеется интенсивная линия с максимальной для естественной радиоактивности энергией – 2,614 МэВ (рис. 1.1). Энергия γ-излучения ⁴⁰К (доля радионуклида в смеси изотопов калия – 0,012%) составляет 1,484 МэВ. Излучением элементов ряда ²³⁵U из-за их малого количества можно пренебречь.

Разделить уран и торий можно также по радиоактивным газам, присутствующим в каждом ряду. Они обладают разным периодом полураспада: радон (²¹⁹Rn) уранового ряда имеет Т_1/2 3,82 суток, а его изотоп в ториевом ряду (торон ²²⁰Rn) - 55,6 с. Газ легко выделить из горной породы и определить, с какой скоростью он распадается.

Геохимия урана

Раздельное определение основных радиоактивных элементов по их гамма-излучению позволило накопить большой фактический материал о распространенности этих элементов в горных породах, о их поведении в геологических процессах. Фактически с помощью измерения такого физического явления, как радиоактивность, изучается геохимия радиоактивных элементов, радиогеохимические закономерности формирования и изменения горных пород.

Таблица 1.2

Средние содержания основных радиоактивных элементов в земной коре

Изотоп	Содержание в земной коре, %	Период полураспада, лет
	2,6×10-4   11,3×10-4   3×10-2	4,49×109   1,4×1010   1,47×109(b) 1,24×1010

Отметим, во-первых, низкое содержание радиоактивных элементов в земной коре. Сравним, например, с распространенностью таких породообразующих элементов как Si (27,7%) или Са (3,63%). Содержание других радиоактивных элементов еще ниже. Во-вторых, у урана, тория и калия очень большой период полураспада, т.е. они относительно слаборадиоактивные элементы. Например, радий распадается в миллионы раз быстрее, чем уран, а радон - в миллиарды раз. Но во столько же раз этих элементов меньше в земной коре в сравнении с ураном. В этом проявляется зависимость распространенности элемента в природе от стабильности его ядра.

Элементы уран и торий входят в семейство актиноидов, переходных элементов, у которых достраивается глубоко расположенный 5f-уровень, подобно тому, как в семействе лантаноидов (редкоземельных элементов) достраивается 4f-ypoвень, а у элементов группы железа - 3d-уровень. Принадлежность U и Th к переходным элементам определяет широкий спектр проявления их геохимических свойств.

1. В связи с тем, что происходит заполнение внутренней электронной оболочки, все актиноиды имеют близкие химические свойства и практически одинаковые радиусы ионов.

Так, радиусы Th⁴⁺ и U⁴⁺ равны соответственно 0,99 и 0,93 А. Это определяет близкое геохимическое поведение урана и тория, вхождение их в качестве изоморфных примесей в одни и те же минералы, замещение друг друга в собственных минералах.

2. Характерны явления изоморфизма урана и тория с редкоземельными элементами (церий, лантан, неодим и др.).

3. Помимо сходства с лантаноидами, уран и торий имеют близкие химические свойства с переходными элементами других периодов: Ti, Zr, Hf, V, Nb и Та; уран, кроме того, - с Сr, Мо и W.

Малый размер ионов урана и тория при высоком заряде определяет их повышенную способность к сорбции на поверхности твердых тел (глин, оксидов и гидроксидов железа).

Различие между ураном и торием проявляется в том, что уран, кроме четырехвалентного состояния, когда его свойства близки к торию, может находиться также в шестивалентном состоянии. При свободном доступе кислорода шестивалентный уран находится в форме комплексного катиона уранила - (UO₂)²⁺ большого размера, благодаря чему он не может замещать другие катионы в минералах.

Соотношение U⁴⁺ и U⁶⁺ определяется окислительно-восстановительным потенциалом среды. Шестивалентный уран обладает высокой подвижностью, почему большое значение для осаждения урана являются восстановительные барьеры (углеродистые, сероводородные).

В горных породах уран и торий присутствуют в трех формах:

1) в виде собственных минералов; наиболее распространены торианит, уранинит, торит и др.;

2) в виде изоморфной примеси в минералах;

3) в рассеянной форме: в дефектах структур породообразующих минералов, в адсорбированном состоянии на поверхности минеральных зерен и в микротрещинах.

В связи с низкими, порядка 10^-4 %, содержаниями урана (и тория) в горных породах преобладают третья и вторая формы их нахождения. Следует отметить, что в рассеянной форме уран наиболее подвижен, наиболее способен к выщелачиванию метаморфическими и гидротермальными растворами. В условиях высоких концентраций (на месторождениях) уран находится в минеральной форме (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Основные урановые минералы

Калий в силу относительно высокого содержания в породе образует в основном собственные минералы. Повышенное его количество отмечается в калиевых слюдах и полевых шпатах, в глинистых минералах.

Поведение урана в геологических процессах можно проследить по данным таблицы 1.4. Отметим главные черты геохимии урана.

1. В магматических процессах уран и особенно торий проявляют литофильные свойства, их содержания понижаются от кислых разностей - к средним и основным. Содержания урана и тория в целом выше в эффузивных разностях магматических пород.

2. Содержание урана и тория в осадочных породах возрастают при увеличении их дисперсности. Наиболее радиоактивны глины и глинистые образования, которые обладают повышенной способностью к сорбции катионов. Низкими содержаниями радионуклидов, особенно тория, обладают карбонатные породы.

3. Определенно обогащены ураном (при низких содержаниях тория) углеродистые разности осадочных и метаморфических пород – углеродисто-кремнистые и горючие сланцы.

4. В ходе метаморфических процессов содержание урана и тория понижаются. Особенно процесс выщелачивания характерен для урана,

Таблица 1.4

Содержание урана и тория в геологических образованиях [15].

по-видимому, имеюшего большую подвижность в метаморфических процессах.

Мобилизованный при метаморфизме пород уран может служить источником рудного вещества в урановых месторождениях.

5. Относительно низкие (в сравнении с торием) содержания урана в рыхлых отложениях указывают на высокую подвижность урана в гипергенных процессах.

6. В рудных полях урановых месторождений торий-урановые отношения аномально-низкие, то есть рудный процесс направлен на специализированное концентрирование урана.

Сравнивая общие данные с определениями содержаний радионуклидов в магматических породах Северо-Казахстанской урановорудной провинции (табл. 1,5), отметим более высокое содержание урана и тория во всех разностях магматических пород, особенно в лейкократовых а также высокие торий-урановые отношения. Иными словами, магматические комплексы специализированы на уран-ториевую минерализацию. Наличие здесь именно урановых месторождений обязано особенностям миграции урана в гидротермальном и гидрогенном процессах.

Таблица 1.5

Содержание урана и тория в магматических породах Северо-Казахстанской урановорудной провинции [23].

Радиоактивные геофизические методы, по сути, являются прямыми методами поисков и разведки месторождений урана. Однако они обладают существенным недостатком – малой глубинностью. В случае глубоко залегающих месторождений приходится ориентироваться на другие геофизические методы, которые фиксируют места локализации месторождений по косвенным признакам. Далее рассмотрим петрофизическое обеспечение геофизических методов при разведке и разработке урановых месторождений.

2. ПЕТРОФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УРАНА