В том же 1940 г. американский физик Э. Макмиллан доказал, что при облучении урана нейтронами получается новый элемент – нептуний-239:
Нептуний-239 является бета-активным излучателем с периодом полураспада 2,3 сут.
Вскоре Г. Сиборг, Э. Макмиллан, Дж. Кеннеди и А. Вал получили изотоп элемента с порядковым номером 94 и массовым числом 238 путем бомбардировки урана в циклотроне дейтронами:
Химия плутония-238 изучалась микрохимическими методами на микрограммовых количествах, полученных на циклотроне. Лишь после работ с 238Ри было установлено, что распад 239Np приводит к образованию долгоживущего изотопа 239Ри с периодом полураспада 24 390 лет. Нептуний и плутоний по традиции названы по именам планет, следующих за Ураном. Изотоп 239Ри, так же как и 235U, способен делиться под действием нейтронов.
В 1940 г. в США начинаются работы по созданию атомной бомбы, закодированные под названием Манхэттенский проект. Строятся заводы по разделению изотопов урана. Под руководством Э. Ферми 2 декабря 1942 г. в Чикаго запущен первый в мире атомный реактор, которому было разрешено работать всего 28 мин. Критическая масса составила 46 т урана, размещенного среди 385 т чистого графита. Затем были построены промышленные реакторы для наработки плутония-239. За 1942–1945 г.г. было получено урана-235 и плутония-239 на три атомные бомбы. 16 июля 1945 г. в Аламогордо (штат Нью-Мексико) проведено испытание атомной бомбы. 6 и 9 августа 1945 г., как известно, атомные бомбы разрушили японские города Хиросиму и Нагасаки, погибли сотни тысяч мирных жителей.
В СССР научные исследования по делению урана были возобновлены в 1942 г. после письма Г. Н. Флерова И. В. Сталину о том, что с осени 1941 г. американские, английские и другие научные журналы прекратили сообщения по делению урана и по цепным ядерным реакциям. Это означало, что в США начали вести работу по созданию ядерного оружия. 15 февраля 1943 г. принято решение о создании лаборатории № 2 Академии наук СССР в целях раскрытия путей овладения энергией деления ядер урана. Начальником лаборатории был назначен И. В. Курчатов. Работы по диффузионным методам разделения изотопов урана проводились под руководством И. К. Кикоина, Л. А. Арцимович отвечал за разработку электромагнитного способа разделения изотопов урана. Работы, связанные с сооружением ядерного реактора, взял на себя Курчатов.
Теория цепной реакции деления ядер урана с размножением нейтронов была разработана Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном на основании теории цепных реакций Н. Н. Семенова.
После разрушения Хиросимы и Нагасаки 20 августа 1945 г. при Государственном комитете обороны СССР был образован Специальный комитет для руководства всеми работами по использованию внутриатомной энергии урана. 30 августа 1945 г. решением Совнаркома СССР создается Первое главное управление при Совнаркоме СССР для практического осуществления мероприятий, связанных с использованием ядерной энергии. Начальником этого управления и заместителем председателя Специального комитета утвержден Б. Л. Ванников (бывший нарком боеприпасов). Огромный размах работ позволил Курчатову уже 25 декабря 1946 г. осуществить пуск исследовательского ядерного реактора. Одновременно под руководством А. П. Александрова и Н. А. Доллежаля велось проектирование первого промышленного реактора для получения плутония-239, который был запущен в 1948 г.
Радиохимическая технология разделения урана и плутония была разработана сотрудниками Радиевого института Академии наук СССР под руководством академика В. Г. Хлопина.
Вскоре были введены в строй радиохимический завод для выделения плутония и газодиффузионный завод для разделения изотопов урана. Уже 29 августа 1949 г. на Семипалатинском полигоне было проведено испытание атомной бомбы, а в 1953 г. – водородной бомбы.
Так в короткие сроки благодаря самоотверженной работе ученых, инженеров, работников атомной промышленности была ликвидирована монополия на ядерное оружие, создан ядерный щит СССР – основа стратегического равновесия, которое способствовало предотвращению третьей мировой войны.
СССР первым в мире показал возможность мирного использования ядерной энергии. В июне 1954 г. была введена в действие первая в мире атомная электростанция в подмосковном городе Обнинске. В 1957 г. спущен на воду атомный ледокол «Ленин». В дальнейшем в ответ на строительство в США атомных авианосцев и подводных лодок Советский Союз также освоил производство атомных подводных лодок.
Становление ураново-рудной промышленности проходило в тесной связи с развитием знаний об уране и его свойствах.
Первый этап охватывает период с 1853 по 1900 г. Урановые руды гидротермального месторождения Иоахимсталь (Австро-Венгрия) перерабатывались в небольших количествах с целью получения соединений урана, применяемых для окраски стекла, фарфора, эмалей.
1900–1942 гг. можно с полным основанием считать радиевым периодом развития урановой промышленности. Урановые руды перерабатывались в основном с целью получения солей радия. Они широко использовались в научных исследованиях при изучении строения атома, ядерных реакций, в медицине для лечения злокачественных опухолей.
В 1906 г. начал действовать первый центр добычи радия и урана – Иоахимсталь (с 1918 г. – Яхимов). С 1923 г. развернулась добыча радия из руд месторождения Шинколобве (бывшее Бельгийское Конго, ныне Заир). В 1933 г. началась переработка руд месторождения Эльдорадо в районе Большого Медвежьего озера (Канада). В США радий получали при переработке карнотитовых руд плато Колорадо (с 1913 г.). В России первые препараты радия получены под руководством В. Г. Хлопина в 1921 г. из тюямуюнской руды.
Всего за 1906–1939 гг. было получено 1000 г радия в виде бромидов и хлоридов. Попутно выделено 4000 т урана; это количество урана значительно превышало мировую потребность в нем. Сокращалась потребность в радии в связи с открытием более дешевых источников радиоактивного излучения. Максимальное количество радия (240 г) было получено в 1939 г. Масштабы добычи урановых руд значительно сократились к началу Второй мировой войны.
Положение в урановой промышленности изменилось с открытием цепной ядерной реакции деления урана. В связи с возросшим спросом на уран темпы развития урановой промышленности резко увеличились. Основной целью переработки урановых руд стало получение металлического урана для ядерных реакторов – накопителей плутония, диоксида урана с целью изготовления тепловыделяющих элементов атомных электростанций (АЭС), гексафторида урана для разделения изотопов урана. Накапливались стратегические запасы делящихся материалов: урана-235 и плутония-239.
Если рассматривать изменение масштабов производства урана по годам, то можно отметить три «волны». С 1940 по 1960 г. наблюдалось резкое увеличение производства урана с 1000 т. до 40 тыс. т. в год (без стран Совета экономической взаимопомощи – СЭВ). Основными производителями урана являлись США (39 %), Канада (35 %), ЮАР (16 %). С 1961 г. начался спад в производстве урана, вызванный значительным объемом накопленных стратегических запасов и слабым развитием атомной энергетики. В 1966 г. производство урана снизилось до 17 тыс. т. (без стран СЭВ).
Новый подъем в производстве урана связан уже с развитием атомной энергетики. В 1980 г. в капиталистическом мире произведено 44 тыс. т. урана. С 1982 г. начался новый спад в производстве урана. В 1987 г. производство урана составило 36 тыс. т. (без стран СЭВ). Общемировое производство урана снизилось с 61 тыс. т в 1988 г. до 32 тыс. т. в 1994 г. Это снижение связано с достижением соглашений о сокращении количества ядерных зарядов, а также с использованием в ядерной энергетике накопленных складских запасов. Мировое производство урана в 1998 г. составило 33,730 тыс. т, в 1999 г. – 31,065 тыс. т, в 2000 г. – 34,750 тыс. т. То есть с 2000 г. начался новый подъем в производстве урана. В 2001 г. мировое производство урана составило 36 тыс. т, в том числе в Канаде 11 тыс. т и в Австралии – 8 тыс. т. В 2002 г. производство урана возросло до 40 тыс. т. В то же время АЭС израсходовали 64 тыс. т, разница в 24 тыс. т покрыта за счет складских запасов. В дальнейшем по мере исчерпания складских запасов урана объем производства урана неизбежно должен возрастать.
