Атомни оръжия. Химичен елемент уран: свойства, характеристики, формула

Интервю със заместник-директора на Всеруския научноизследователски институт по ядрена техника, професор Игор Острецов

Светът е изправен пред проблема с недостига на енергия. Навикът да се гори каквото и да било доведе човечеството до ръба на оцеляването. Хората са свикнали да консумират много енергия. Неговите ресурси обаче неочаквано се оказаха изчерпаеми. Остана малко топлина за човечеството, за около 50 години и сега единствената надежда е за учените, които трябва някак да намерят изход от критичната ситуация. Намерихме такива учени. Те измислиха как безопасно да получават енергия дори от ядрени отпадъци и в същото време се увериха, че бъдещите поколения могат активно да изследват космоса.

- Защо съвременните ядрени технологии са лоши?

Традиционна ядрена енергия, която се е развила дълго време, се основава на изгаряне на уран-235. Това е единственият изотоп, който съществува в природата и е делящ се. Защо това е лошо? Първо, всъщност американците не са поръчали нито една единица от 1978 г. Европа на практика спря използването на АЕЦ за производство на енергия и то на законодателно ниво. Това се дължи на факта, че станциите не могат да бъдат изведени от експлоатация. Днес от 450 блока в света 99 струват и никой не знае какво да прави с тях.

- Значи не могат да спрат реакцията на гниене?

Те са спрени и ще останат там завинаги. Освен това отработеното гориво е вътре в тях. Основният проблем са ядрените отпадъци, които трябва да се съхраняват стотици години, преди да могат да бъдат изхвърлени.

Има и друг проблем. В страните от Третия свят, където енергийният дефицит е най-голям, е необходимо да се развива ядрената енергетика, за да се предотврати нарастването на потреблението на изкопаеми горива. Но Иран ясно показа, че почти всяка страна, която има атомна електроцентрала, е способна да направи атомна бомба. Преди това Индия, под контрола на МААЕ, имайки реактор Condu, направи такава бомба и влезе в ядрения клуб. Следователно ситуацията е задънена - в развитите страни няма да строят, защото не е решен проблемът с експлоатацията и проблемът с отпадъците, а в развиващите се страни, защото не е решен проблемът с разпространението на ядрени оръжия.

Има обаче много по-сериозно нещо - енергийните проблеми на човечеството не могат да бъдат решени без ядрени космически програми, без енергия и промишлена продукция в космоса. Ще бъде невъзможно да се изстрелят достатъчно тежки превозни средства в орбита, използвайки традиционно химическо гориво. Използвайки "химия", можете да изстреляте много малки системи в много близко пространство и за много пари. Единствената възможност, дадена на човечеството за решаване на подобни проблеми, е уран-235. И трябва да се пази като зеницата на окото. Изгарянето на този изотоп в реактори с термични неутрони е престъпление срещу човечеството, по-голямо от престъпленията на фашизма. Съвременната програма за изграждане на 100 блока в Китай, 40 блока у нас е просто престъпна програма, защото човечеството се обрича да остане в ядрено сметище на Земята и да не може да излезе в космоса. Това е изключително сериозно нещо, за което днес, за съжаление, малко се говори. Така че остава само един вариант - да се изгори уран-238.

- Какви са световните запаси от "ценен" уран-235?

Той е само 0,7% от общия обем на целия добит уран. Това е много малко. По отношение на енергийния потенциал той има същото количество като петрола. Тоест, ако сега започнем програма за широко разгръщане на атомни електроцентрали, използващи топлинни неутрони, тогава приблизително до 2040-50 г. няма да остане уран-235.

- Моля, обяснете по-подробно защо е невъзможно да се използва уран 238 вместо 235?

Факт е, че уран-235 е делящ се сам по себе си. С негова помощ е възможно да се организира така наречената „самоподдържаща се“ верижна реакция, на която се основава цялата ядрена енергия, всички бомби. Обратно, уран-238 не „гори“, върху него не може да се организира такава реакция. Но има много. Следователно, още в началото на развитието ядрена енергиябеше предложена така наречената програма за развъждане. Ние го наричаме програма за реактор на бързи неутрони, която ни позволява да изгаряме уран-238. За целта той първо се преработва в плутоний, който ще произвежда енергия. Тази идея вече е много популярна, Буш каза това в последното си интервю, Путин също многократно е заявявал, че каним всички да си сътрудничат в изгарянето на уран-238. Но малко хора знаят какво е размножител, въпреки че също е атомна електроцентрала, но базирана на малко по-различни технологии.

- Е, как работи животновъдът?

Там се зарежда уран, обогатен с плутоний. Делът на последните е от 18 до 25%. В резултат на работата на този реактор се получава малко повече плутоний, отколкото е зареден. Освен това в близост до всяка такава станция трябва да има радиохимичен завод за отделяне на плутоний и производство на нови горивни пръти (ядрен реактор, съдържащ делящ се материал). Всеки енергоблок ще съдържа 20 тона плутоний. Междувременно бомба може да се направи само от няколко килограма. Ако световният енергиен сектор бъде прехвърлен към този вид реактори, тогава в света ще циркулират до един милион тона плутоний.

Бърз въпрос: къде ще бъде построен първият такъв разплодник? Вече зададох този въпрос на Владимир Асмолов, заместник по науката на концерна за атомна енергия. Питам: „Наскоро бях в иранското посолство, всички имат проблем с обогатяването на уран, нека вместо те да го обогатяват, ние ще им построим развъдник, вие кажете население, че там ще се въртят 20 тона плутоний, гарантирам, че ще ги убедя да ви платят 5-6 милиарда долара за такава станция.

Той казва: „Острецов, ти си провокатор.“ Това може да бъде само в руската програма. Казвам: „Какво ни призова Путин? Да направим ядрената енергия насочена към всички страни“.

Следователно предлагането на размножители като основа на глобалната ядрена енергия е чисто политическа игра, базирана на обстоятелствата в момента, нищо повече.

- Тогава какъв изход от тази ситуация предлагате?

Ето защо се занимаваме с друга тема. Има директен начин за изгаряне на уран-238 - така нареченото принудително делене. И то без да се превръща в плутоний. Това произвежда значително повече енергия, отколкото при разплодниците. За такова делене са необходими много силно ускорени неутрони, които могат да бъдат получени само с помощта на ускорител.

В тази връзка са необходими две технологии. Първо, самата технология за изгаряне на такъв уран и технологията за създаване на ускорител. Днес в Русия има два патента за двете технологии. Собственикът на единия съм аз, вторият е Алексей Сергеевич Богомолов. Например в Америка има ускорител с мощност 800 мегаелектронволта, дължината му е около километър. Имаме нужда от около 10 пъти повече енергия, тоест ускорителят трябва да е дълъг приблизително 10 км. Естествено, това не се вписва в никакви ъгли - скъпо е. И така Богомолов измисли ускорител, който да ни дава нужната енергия, а дължината му да е само около 50 метра. Това е напълно приемливо.

Сега „пробиваме“ тези две технологии. Проведоха се срещи в Съвета на федерацията, а в нашия институт се проведе публичен форум. На първо място, институтът Курчатов, който предлага развъдна програма, категорично се противопоставя на това. Тя се противопоставя единствено на основанието, че промяна в програмата за ядрена енергия означава промяна в елитите и финансирането.

- Разкажете ни за перспективите на вашата технология.

Рано или късно човечеството ще трябва да изгори уран-238. Тоест, или го обогатете до състояние на оръжеен плутоний, или го изгорете директно с помощта на ускорители. Разработването на технологии за изгаряне на уран-235 е просто самоубийство. Затова днес е необходимо да стартираме две програми – YRT-energy, тази, която предлагаме, и да възродим програмата за създаване на ядрени ракетни двигатели. И най-добре да го направим заедно с американците. И ние, и те имаме сериозни разработки в тази област. Факт е, че енергията края на XXIи 22 век ще бъдат свързани с индустриалното навлизане на човека в космоса. Основната научна задача на нашия век е да се направят неутронни ускорители с достатъчна мощност за излъчване на ядрена радиация. Който ги направи пръв, ще контролира ситуацията.

- Как стои YRT енергията?

Тежка ядрена релативистка енергия. Релативистки, защото протоните генерират неутрони и те разделят тежките уранови ядра.

Сега американците проявяват голям интерес към тези ускорители. Искат да го получат на всяка цена, а с Богомолов постоянно се водят преговори. Междувременно ние развиваме нашата идея. Експериментите са проведени в Дубна, Протвино през 2002 г. Оттогава си блъскаме главите. Трагедията е, че властите са некомпетентни по тези въпроси.

- Какво трябва да се „пробие”? Финансиране?

Не, това дори не е въпросът. Имаме нужда от Правителствена програма. И след това ще дойдат всякакви пари от чужбина, защото всички разбират, че без тази технология не можете да стигнете никъде. Факт е, че на Запад е ужасно скъпо да се провеждат експерименти, но тук ускорителят в Серпухов не работи. Но за да се създаде държавна програма, този въпрос трябва да бъде поставен на вниманието на Путин. Ние сме много добре подкрепени в Съвета на федерацията и изслушванията на Кириенко трябва да се проведат през септември. Там очакваме да получим препоръки, след което нашата идея ще бъде разгледана на научно-техническия съвет при президента. И след това, надяваме се, ще бъде създадена държавна програма.

- Как ще работи една такава програма?

Като начало ще се отвори символично финансиране, след което ще се включат и чужденци, ние вече сме осигурили тяхното съгласие за участие в проекта. Ще продължим нашите изследвания. Имаме нужда от около година и половина за оставащите експерименти. След това можете да започнете да проектирате станцията.

- Колко време ще отнеме?

Всичко зависи от темпото на работа. Днес няма фундаментални пречки за това.

Тоест можем да кажем, че за 10 години може да се създаде прототип на атомна електроцентрала от ново поколение?

Несъмнено.

- Колко ще струва една такава станция?

Все още няма прототипи, но определено ще бъде по-евтино от съществуващите атомни електроцентрали. Това се дължи на факта, че няма да имаме горивен цикъл и няма да се сблъскаме с проблема с извеждането от експлоатация на станцията. Все пак затова всички тези сегашни станции стоят и никой не знае какво да ги прави.

Така че няма нужда да говорим за цена - нашата цена е много по-ниска, защото нашият реактор е много по-прост. Най-вероятно ще бъде бетонно тяло, изолирано с метал. Микро горивните щифтове ще бъдат напълнени вътре. И там вече няма да има нищо особено. Основното е, че няма да има нужда да обогатявате нищо там. Можете да използвате отпадъчен уран и отработено гориво. В крайна сметка това е същото като да гориш там, стига да има тежки ядра. И тази структура ще бъде бомбардирана от неутронен ускорител. В резултат на това тежките ядра ще започнат да се делят, освобождавайки топлина.

- Колко екологично безопасна е тази система?

Нашият реактор е подкритичен. Тоест, няма това, което беше в Чернобил - самоподдържаща се реакция. Веднага щом възникне критична ситуация, ускорителят спира процеса.

Кажете ми, фактът, че тежките атоми започват да се делят под въздействието на неутрони, е известен отдавна. Защо учените не са се сетили да използват този ефект в ядрената енергия преди?

Преди това просто нямаше ускорители с висока ефективност. Добрите ускорители се появиха едва след Чернобил. Тогава всички се уплашиха от критичната авария и започнаха да използват по-малко рискови подкритични зони на уран-235 и да допълват липсата на неутрони с ускорители. Така следващата стъпка беше предопределена - вземете ускорители с по-висока енергия и вижте какво ще се случи след това. Така се случи, че аз бях първият, който го измисли. Освен това всички процеси бяха описани в научната литература по-рано, аз просто разглеждах тези възможности като енергийни. Логично и исторически тази стъпка беше предопределена. Но някой трябваше да го направи.

Специално за стогодишнината

Двадесети век даде толкова много открития на човечеството! За много от тях целта е била да улеснят живота на най-висшето същество на планетата Земя, но реалността, както винаги, е измамна и човешкият егоизъм понякога надхвърля простите концепции за добро и зло. Егоизмът не позволява на чувството за превъзходство и власт над света да заспи, а най-големите открития поемат по пътя на гибелта. Начална фазаОткриването на деленето на най-разрушителното вещество на Земята доведе до бързото развитие на промишлеността, което изискваше огромни количества енергия - и тази енергия беше намерена! Германските учени Ото Хан и Фриц Щрасман откриха невероятно явление: делене на ураново ядро ​​(U), когато е бомбардирано с неутрони (n), докато по време на процеса на делене се отделя огромно количество енергия на атом от веществото (около 202,5 ​​MeV = 3,24 * 10 -11 J), както и още 2-3 неутрона, които са взаимодействали със съседни ядра. Но не беше възможно да се използва такова гориво - реакцията в урановата проба по неизвестни причини бързо изчезна. По-късно беше установено, че протичането на реакцията се влияе отрицателно от един от изотопите, а именно уран 238, който при абсорбиране на неутрон (n) не отделя нови неутрони по време на процеса на делене. въпреки това изотоп на уран 235има способността да се възпроизвежда.
Голямо откритие беше процесът на спонтанно делене на ядрото на уран 235 В 1 грам метал на час се случват около 20 спонтанни деления, но верижна реакция не се случва, защо? Отговорът на този въпрос е доста банален - неутроните пропускат в сравнително малък обем материя и излизат от метала без взаимодействие. Чрез изчисления е определена минималната маса на пробата уран 235, която е около 48 килограма. В такава проба - топка с диаметър 25 см - реакцията не трябва да угасва. Но как да изолираме изотопа на уран 235? Нека се опитаме да отговорим на този въпрос.
Природният уран е метал със сребрист цвят, лесен за обработка, с точка на топене 1130 градуса по Целзий. Уранът се окислява добре във въздуха и се запалва в атмосферата при температура от 100 градуса по Целзий, много е токсичен и е източник на твърдо алфа и бета лъчение. Природният уран се състои от няколко изотопа:
Уран 235 - 0,7184%;
Уран 238 - 99,2760%;
Уран 234 - 0,0056%.
Само изотопът с масово число 235 е подходящ за промишлена употреба, останалите са „боклук“. Не е толкова лесно да се изолира необходимия изотоп: основният начин за получаване на обогатен уран 235 е да се изпомпва уранов флуорид през система от центрофуги, в които по-тежкият изотоп се утаява по стените, а 235 преминава през тях. По този начин може да се постигне обогатяване до 99%.
Промишленият уран 235 се използва предимно като гориво за електроцентрали, но металът първоначално е бил използван за военни цели като най-мощния експлозив на Земята. Последиците от военното използване на уран 235 допринесоха много точно за мирното развитие на енергията на атомното ядро. Енергията, отделена от 1 грам уран, е сравнима с изгарянето на 2,5 тона нефт. Ползата е очевидна - използването на метал като гориво позволява да се намали добивът на минерали и да се премине към нивото на „чиста енергия“, при условие че са проектирани надеждни аварийни системи за работа на реактора и самият реактор е с високо качество. Реакторът е основната част на атомна електроцентрала (атомна електроцентрала), в която се осъществява процесът на делене на ядрата на материята и директно предаване на енергия към охлаждащата течност. Охлаждащата течност предава енергия на турбината, която от своя страна генерира електрическа енергия. Охлаждащата течност може да бъде различни вещества с висок топлинен капацитет: вода, инертни газове, течни алкални метали.
В момента енергията на уран 235 се използва за производство на електрическа енергия, но запасите от метала на Земята са ограничени и според учените ще стигнат само за 50 години интензивна употреба. И в наш интерес е да пестим електрическа енергия, която толкова трудно получаваме от Природата!

Уран-235(Английски uranium-235), историческо име актиноуран(лат. Actin Uranium, обозначен със симв AcU) е радиоактивен нуклид на химичния елемент уран с атомен номер 92 и масово число 235. Изотопното разпространение на уран-235 в природата е 0,7200(51)%. Той е основателят на радиоактивното семейство 4n+3, наречено актиниева серия. Открит през 1935 г. от Артър Джефри Демпстър.

За разлика от другия, най-често срещан изотоп на урана 238U, при 235U е възможна самоподдържаща се ядрена верижна реакция. Следователно този изотоп се използва като гориво в ядрени реактори, както и в ядрени оръжия.

Активността на един грам от този нуклид е приблизително 80 kBq.

• 1 Формиране и колапс
• 2 Принудителна делба

• 2.1 Верижна ядрена реакция

Образуване и разпадане

Уран-235 се образува в резултат на следните разпадания:

• β− разпадане на нуклида 235Pa (времето на полуразпад е 24,44(11) min):

• K-улавяне, извършено от нуклида 235Np (времето на полуразпад е 396,1(12) дни):

• α-разпад на нуклида 239Pu (периодът на полуразпад е 2,411(3)·104 години):

Разпадането на уран-235 протича в следните посоки:

• α-разпадане в 231Th (100% вероятност, енергия на разпадане 4678,3(7) keV):

• Спонтанно делене (вероятност 7(2)·10−9%);
• Разпадане на клъстер с образуване на нуклиди 20Ne, 25Ne и 28Mg (вероятностите са съответно 8(4)·10−10%, 8·10−10%, 8·10−10%):

Принудителна делба

Основна статия: Ядрено деленеКрива на добив на продукти от делене на уран-235 за различни енергии на неутрони при делене.

В началото на 1930г. Енрико Ферми облъчва урана с неутрони, за да получи трансуранови елементи. Но през 1939 г. О. Хан и Ф. Щрасман успяха да покажат, че когато неутрон се абсорбира от ураново ядро, възниква реакция на принудително делене. По правило ядрото се разделя на два фрагмента и се освобождават 2-3 неутрона (виж диаграмата).

В продуктите на делене на уран-235 са открити около 300 изотопа различни елементи: от Z=30 (цинк) до Z=64 (гадолиний). Кривата на относителния добив на изотопи, образувани по време на облъчване на уран-235 с бавни неутрони върху масовото число, е симетрична и наподобява буквата "М" по форма. Двата ясно изразени максимума на тази крива съответстват на масовите числа 95 и 134, а минимумът се среща в диапазона на масовите числа от 110 до 125. По този начин разделянето на урана на фрагменти еднаква маса(с масови числа 115-119) възниква с по-малка вероятност от асиметричното делене; тази тенденция се наблюдава при всички делящи се изотопи и не е свързана с никакви индивидуални свойства на ядрата или частиците, но е присъща на механизма на самото ядрено делене. Асиметрията обаче намалява с увеличаване на енергията на възбуждане на делящото се ядро ​​и когато енергията на неутрона е повече от 100 MeV, масовото разпределение на фрагментите на делене има един максимум, съответстващ на симетричното делене на ядрото.

Един от вариантите за принудително делене на уран-235 след поглъщането на неутрон (диаграма)

Фрагментите, образувани по време на деленето на ураново ядро, от своя страна са радиоактивни и претърпяват верига от β− разпади, по време на които постепенно се освобождава допълнителна енергия за дълъг период от време. Средната енергия, освободена при разпадането на едно ядро ​​на уран-235, като се вземе предвид разпадането на фрагментите, е приблизително 202,5 ​​MeV = 3,244·10−11 J, или 19,54 TJ/mol = 83,14 TJ/kg.

Ядреното делене е само един от многото процеси, възможни при взаимодействието на неутрони с ядра; той е в основата на работата на всеки ядрен реактор.

Верижна ядрена реакция

Основна статия: Верижна ядрена реакция

При разпадането на едно ядро ​​235U обикновено се излъчват от 1 до 8 (средно 2,5) свободни неутрона. Всеки неутрон, произведен по време на разпадането на ядро ​​235U, подложен на взаимодействие с друго ядро ​​235U, може да предизвика нов акт на разпадане; това явление се нарича верижна реакция на ядрено делене.

Хипотетично броят на неутроните от второ поколение (след втория етап на ядрен разпад) може да надхвърли 3² = 9. С всеки следващ етап от реакцията на делене броят на произведените неутрони може да нараства като лавина. При реални условия свободните неутрони може да не генерират ново събитие на делене, напускайки пробата преди да уловят 235U, или да бъдат уловени или от самия изотоп 235U, трансформирайки го в 236U, или от други материали (например 238U или получените фрагменти на ядрено делене, като 149Sm или 135Xe).

Ако средно всеки акт на делене генерира друг нов акт на делене, тогава реакцията става самоподдържаща се; това състояние се нарича критично. (вижте също коефициент на умножение на неутрони)

В реални условия постигането на критично състояние на урана не е толкова лесно, тъй като редица фактори влияят върху хода на реакцията. Например естественият уран се състои само от 0,72% 235U, 99,2745% е 238U, който абсорбира неутрони, произведени по време на деленето на ядра 235U. Това води до факта, че верижната реакция на делене в естествения уран в момента се разпада много бързо. Непрекъсната верижна реакция на делене може да се извърши по няколко основни начина:

• Увеличете обема на пробата (за уран, изолиран от руда, е възможно да се постигне критична маса чрез увеличаване на обема);
• Извършете изотопно разделяне чрез увеличаване на концентрацията на 235U в пробата;
• Намалете загубата на свободни неутрони през повърхността на пробата чрез използване на различни видове рефлектори;
• Използвайте вещество за забавяне на неутрони, за да увеличите концентрацията на топлинни неутрони.

Изомери

Единственият известен изомер е 235Um със следните характеристики:

• Излишна маса: 40 920,6 (1,8) keV
• Енергия на възбуждане: 76,5(4) eV
• Време на полуразпад: 26 мин
• Ядрено въртене и паритет: 1/2+

Разлагането на изомерното състояние става чрез изомерен преход към основното състояние.

Приложение

• Уран-235 се използва като гориво за ядрени реактори, които осъществяват контролирана верижна реакция на ядрено делене;
• Високообогатеният уран се използва за създаване на ядрени оръжия. В този случай, за освобождаване голямо количествоенергия (експлозия) се използва неконтролирана верижна ядрена реакция.

Вижте също

• Изотопи на урана
• Изотопно разделяне

Бележки

1. 12345 Г. Ауди, А.Х. Wapstra и C. Thibault (2003). „Оценката на атомната маса AME2003 (II). Таблици, графики и препратки." Ядрена физика А 729 : 337-676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. Bibcode: 2003NuPhA.729..337A.
2. 123456789101112 G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot и A. H. Wapstra (2003). „Оценката на NUBASE за ядрени и разпадни свойства.“ Ядрена физика А 729 : 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Bibcode: 2003NuPhA.729….3A.
3. Хофман К. Възможно ли е да се направи злато? - 2-ро изд. изтрити - Л.: Химия, 1987. - С. 130. - 232 с. - 50 000 копия.
4. Днес в историята на науката
5. 123 Фиалков Ю. Приложение на изотопите в химията и химическата промишленост. - Киев: Техника, 1975. - С. 87. - 240 с. – 2000 екземпляра.
6. Таблица с физични и химични константи, раздел 4.7.1: Ядрено делене. Kaye & Laby онлайн. Архивиран от оригинала на 8 април 2012 г.
7. Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бат Г. А. Основи на теорията и методите за изчисляване на ядрени енергийни реактори. - М.: Енергоатомиздат, 1982. - С. 512.

Уран-235 Информация за

Уран-235
Уран-235

Уран-235 Информационно видео

Уран-235Вижте темата.
Уран-235 какво, Уран-235 кой, Уран-235 обяснение

В тази статия и видеоклип има извадки от wikipedia

Уранът е радиоактивен метал. В природата уранът се състои от три изотопа: уран-238, уран-235 и уран-234. Най-високото ниво на стабилност е регистрирано в уран-238.

Радиоактивно разпадане на уран

Радиоактивното разпадане е процес на внезапна промяна в състава или вътрешна структураатомни ядра, които са нестабилни. В този случай се излъчват елементарни частици, гама лъчи и/или ядрени фрагменти. Радиоактивните вещества съдържат радиоактивно ядро. Дъщерното ядро, получено в резултат на радиоактивен разпад, също може да стане радиоактивно и след определено време претърпява разпад. Този процес продължава, докато се образува стабилно ядро, лишено от радиоактивност. Е. Ръдърфорд експериментално доказва през 1899 г., че урановите соли излъчват три вида лъчи:

• α-лъчи - поток от положително заредени частици
• β-лъчи - поток от отрицателно заредени частици
• γ-лъчи – не създават отклонения в магнитното поле.

Радиоактивност на урана

Естествената радиоактивност е това, което отличава радиоактивния уран от другите елементи. Атомите на урана, независимо от всякакви фактори и условия, постепенно се променят.

Уран (елемент)

В този случай се излъчват невидими лъчи. След трансформациите, които се случват с атомите на урана, се получава различен радиоактивен елемент и процесът се повтаря. Той ще повтори толкова пъти, колкото е необходимо, за да получи нерадиоактивен елемент. Например, някои вериги от трансформации имат до 14 етапа. В този случай междинният елемент е радий, а последният етап е образуването на олово. Този метал не е радиоактивен елемент, така че поредицата от трансформации се прекъсва. Отнема обаче няколко милиарда години, за да може уранът да се трансформира напълно в олово.
Радиоактивната уранова руда често причинява отравяне в предприятия, занимаващи се с добив и преработка на уранови суровини. В човешкото тяло уранът е обща клетъчна отрова. Засяга предимно бъбреците, но също така засяга черния дроб и стомашно-чревния тракт.
Уранът няма напълно стабилни изотопи. Най-дълъг живот се наблюдава при уран-238. Полуразпадът на уран-238 се случва за 4,4 милиарда години. Малко по-малко от един милиард години се извършва полуразпадането на уран-235 - 0,7 милиарда години. Уран-238 заема над 99% от общия обем на естествения уран. Поради огромния си период на полуразпад, радиоактивността на този метал не е висока; например, алфа частиците не могат да проникнат през роговия слой на човешката кожа. След поредица от изследвания учените установиха, че основният източник на радиация не е самият уран, а произвежданият от него газ радон, както и неговите разпадни продукти, които влизат в човешкото тяло по време на дишане.

радиоактивен уран, радиоактивност, радиоактивен разпад

Изотопи и производство на уран

Природният уран се състои от смес от три изотопа: 238U - 99,2739% (период на полуразпад T 1/2 = 4,468×109 години), 235U - 0,7024% ( T 1/2 = 7,038×108 години) и 234U - 0,0057% ( T 1/2 = 2,455×105 години). Последният изотоп не е първичен, а радиогенен; той е част от серията радиоактивни 238U.

Радиоактивността на естествения уран се дължи главно на изотопите 238U и 234U; в равновесие техните специфични активности са равни. Специфичната активност на изотопа 235U в естествения уран е 21 пъти по-малка от активността на 238U.

Известни са 11 изкуствени радиоактивни изотопа на урана с масови числа от 227 до 240. Най-дълголетният от тях е 233U ( T 1/2 = 1,62×105 години) се получава чрез облъчване с ториеви неутрони и е способен на спонтанно делене от топлинни неутрони.

Урановите изотопи 238U и 235U са предците на две радиоактивни серии. Крайните елементи на тези серии са оловните изотопи 206Pb и 207Pb.

IN природни условияНай-често срещаните изотопи са 234U: 235U: 238U = 0,0054: 0,711: 99,283. Половината от радиоактивността на естествения уран се дължи на изотопа 234U. Изотопът 234U се образува поради разпадането на 238U. Последните две, за разлика от други двойки изотопи и независимо от високата миграционна способност на урана, се характеризират с географско постоянство на отношението U238/U235 = 137,88. Големината на това съотношение зависи от възрастта на урана. Многобройни полеви измервания показаха леките му колебания. Така че в ролки стойността на това съотношение спрямо стандарта варира в рамките на 0,9959 - 1,0042, в соли - 0,996 - 1,005. В уран-съдържащите минерали (насмолена смола, уранова черна, циртолит, редкоземни руди) стойността на това съотношение варира от 137,30 до 138,51; Освен това разликата между формулярите UIV и UVI не е установена; в сфен - 138.4. В някои метеорити е открит дефицит на изотопа 235U. Най-ниската му концентрация в земни условия е открита през 1972 г. от френския изследовател Бужигес в град Окло в Африка (находище в Габон). Така нормалният уран съдържа 0,7025% уран 235U, докато в Окло той е намален до 0,557%. Това потвърди хипотезата за естествен ядрен реактор, водещ до изгаряне на изотопи, предсказана от Джордж У. Уетерил от Калифорнийския университет в Лос Анджелис и Марк Г. Инграм от Чикагския университет и Пол К. Курода, химик от университета от Арканзас, който описва процеса през 1956 г. Освен това в същите тези райони са открити естествени ядрени реактори: Окелобондо, Бангомбе и др. В момента са известни около 17 естествени ядрени реактора.

Касова бележка

Първият етап от производството на уран е концентрацията. Скалата се натрошава и се смесва с вода. Тежките компоненти на окачването се установяват по-бързо. Ако скалата съдържа първични уранови минерали, те се утаяват бързо: това са тежки минерали. Вторичните уранови минерали са по-леки, в който случай тежките отпадъчни скали се утаяват по-рано. (Той обаче не винаги е наистина празен; може да съдържа много полезни елементи, включително уран).

Следващият етап е извличане на концентрати, прехвърляне на уран в разтвор. Използват се киселинно и алкално излугване. Първият е по-евтин, тъй като сярната киселина се използва за извличане на уран. Но ако в суровината, като уран катран, уранът е в четиривалентно състояние, тогава този метод не е приложим: четиривалентният уран е практически неразтворим в сярна киселина. В този случай трябва или да прибегнете до алкално излугване, или да окислите предварително урана до шествалентно състояние.

Киселинното излугване също не се използва в случаите, когато урановият концентрат съдържа доломит или магнезит, които реагират със сярна киселина.

В тези случаи използвайте сода каустик (натриев хидроксид).

Проблемът с извличането на уран от рудите се решава чрез продухване с кислород. Поток от кислород се подава към смес от уранова руда и сулфидни минерали, нагрята до 150 °C. В този случай се образуват минерали от сяра сярна киселина, който отмива урана.

На следващия етап уранът трябва да бъде селективно изолиран от получения разтвор. Съвременни методи- екстракция и йонен обмен - позволяват ни да разрешим този проблем.

Разтворът съдържа не само уран, но и други катиони. Някои от тях при определени условия се държат по същия начин като урана: екстрахират се със същите органични разтворители, отлагат се върху същите йонообменни смоли и се утаяват при същите условия. Следователно, за да се изолира селективно уран, е необходимо да се използват много редокс реакции, за да се отървете от един или друг нежелан спътник на всеки етап. При съвременните йонообменни смоли уранът се отделя много селективно.

Методи йонен обмен и екстракцияТе също са добри, защото позволяват уранът да бъде напълно извлечен от бедни разтвори (съдържанието на уран е десети от грам на литър).

След тези операции уранът се превръща в твърдо състояние - в един от оксидите или в UF4 тетрафлуорид. Но този уран все още трябва да бъде пречистен от примеси с голямо сечение на улавяне на топлинни неутрони - бор, кадмий, хафний. Съдържанието им в крайния продукт не трябва да надвишава стохилядни и милионни от процента. За да се отстранят тези примеси, търговско чисто ураново съединение се разтваря в азотна киселина. В този случай се образува уранил нитрат UO2(NO3)2, който при екстракция с трибутилфосфат и някои други вещества се пречиства допълнително до необходимите стандарти. След това това вещество кристализира (или се утаява пероксид UO4 · 2H2O) и внимателно се калцинира. В резултат на тази операция се образува уранов триоксид UO3, който се редуцира с водород до UO2.

Урановият диоксид UO2 се излага на сух флуороводород при температури от 430 до 600 °C, за да се получи UF4 тетрафлуорид. Металният уран се редуцира от това съединение с помощта на калций или магнезий.

обеднен уран

След като 235U и 234U са извлечени от естествен уран, останалият материал (уран-238) се нарича "обеднен уран", тъй като е обеднен на изотопа 235. Според някои оценки Съединените щати съхраняват около 560 000 тона хексафлуорид на обеднен уран (UF6).

Обедненият уран е наполовина по-малко радиоактивен от естествения уран, главно поради отстраняването на 234U от него. Тъй като основната употреба на урана е производството на енергия, обедненият уран е продукт с ниска употреба и ниска икономическа стойност.

Използването му се свързва главно с високата плътност на урана и сравнително ниската му цена. Обедненият уран се използва за радиационно екраниране (по ирония на съдбата) и като баласт в аерокосмически приложения, като контролни повърхности самолет. Всеки самолет Боинг 747 съдържа 1500 кг обеднен уран за тези цели. Този материал се използва и във високоскоростни ротори на жироскопи, големи маховици, като баласт в космически спускаеми апарати и състезателни яхти, както и при пробиване на петролни кладенци.

Физиологично действие

Намира се в микроколичества (10−5-10−8%) в тъканите на растенията, животните и човека. В най-голяма степен се натрупва от някои гъби и водорасли. Уранови съединения се абсорбират в стомашно-чревния тракт(около 1%), в белите дробове - 50%. Основните депа в тялото: далак, бъбреци, скелет, черен дроб, бели дробове и бронхопулмонални лимфни възли. Съдържанието в органите и тъканите на хора и животни не надвишава 10-7 g.

Уранът и неговите съединения са токсични. Особено опасни са аерозолите от уран и неговите съединения. За аерозоли на водоразтворими уранови съединения ПДК във въздуха е 0,015 mg/m³, за неразтворими форми на уран ПДК е 0,075 mg/m³. Когато уранът попадне в тялото, той засяга всички органи, като е обща клетъчна отрова. Уранът, подобно на много други тежки метали, почти необратимо се свързва с протеините, предимно със сулфидните групи на аминокиселините, нарушавайки тяхната функция. Молекулярният механизъм на действие на урана е свързан със способността му да потиска ензимната активност. Бъбреците са предимно засегнати (протеин и захар се появяват в урината, олигурия). При хронична интоксикация са възможни нарушения на хемопоезата и нервната система.

Добив на уран в света

10 държави, отговорни за 94% от световното производство на уран

Според Червената книга на урана на ОИСР през 2005 г. са добити 41 250 тона уран (35 492 тона през 2003 г.). По данни на ОИСР в света работят 440 търговски реактора, които консумират 67 хиляди тона уран годишно. Това означава, че производството му осигурява само 60% от потреблението му (останалото се възстановява от стари ядрени бойни глави). Производство по държави в тонове по съдържание на U за 2005-2006 г. (виж таблица № 13, Приложение А).

Производство в Русия

В СССР основните райони на уранови руди са Украйна (Желтореченское, Первомайское находища и др.), Казахстан (Северно - Балкашинско рудно поле и др.; Южно - Кизилсайско рудно поле и др.; Восточный; всички те принадлежат предимно към вулканично-хидротермален тип); Забайкалия (Антей, Стрелцовско и др.); Централна Азия, главно Узбекистан с минерализация в черни шисти с център град Учкудук. Има много малки рудни прояви и прояви. В Русия Забайкалия остава основният район за добив на уран. Около 93% от руския уран се добива в находището в района на Чита (близо до град Краснокаменск). Добивът се извършва по метода на шахтата от Приаргунското производствено минно-химическо обединение (PPMCU), което е част от OJSC Atomredmetzoloto (Uranium Holding).

Останалите 7% се получават чрез подземно излугване от JSC Dalur (Курганска област) и JSC Khiagda (Бурятия).

Получените руди и уранов концентрат се преработват в Чепецкия механичен завод.

Производство в Казахстан

Около една пета от световните запаси на уран са съсредоточени в Казахстан (21% и 2-ро място в света). Общите ресурси на уран са около 1,5 милиона тона, от които около 1,1 милиона тона могат да бъдат добити чрез излугване на място.

През 2009 г. Казахстан заема първо място в света по производство на уран (добени са 13 500 тона).

Производство в Украйна

Основното предприятие е Източният минно-обогатителен комбинат в град Жовти Води.

Приложение

Въпреки че уран-238 не може да се използва като първичен делящ се материал, поради високоенергийните неутрони, необходими за неговото делене, той има важно място в ядрената индустрия.

Имайки висока плътност и атомно тегло, U-238 е подходящ за производство на рефлекторни зарядни черупки в устройства за синтез и делене. Фактът, че се разпада от бързи неутрони, увеличава енергийния изход на заряда: индиректно, чрез умножаване на отразени неутрони; директно по време на деленето на черупкови ядра от бързи неутрони (по време на синтез). Приблизително 40% от неутроните, произведени при делене, и всички термоядрени неутрони имат достатъчна енергия за делене на U-238.

U-238 има скорост на спонтанно делене 35 пъти по-висока от U-235, 5,51 деления/s*kg. Това прави невъзможно използването му като снаряд за рефлекторен заряд в оръдия бомби, тъй като подходящата му маса (200-300 kg) ще създаде твърде висок неутронен фон.

Чистият U-238 има специфична радиоактивност от 0,333 микрокюри/g.

Важно приложение на този изотоп на уран е производството на плутоний-239. Плутоният се образува чрез няколко реакции, които започват, след като атомът U-238 улови неутрон. Всяко реакторно гориво, съдържащо естествен или частично обогатен уран в 235-ия изотоп, съдържа определена част от плутоний след края на горивния цикъл.

Верига на разпадане на уран-238

Изотопът на урана е 238; той се намира в повече от 99% от естествения уран. Този изотоп е и най-стабилен; ядрото му не може да бъде разделено от топлинни неутрони. За да се раздели 238U, неутронът се нуждае от допълнителна кинетична енергия от 1,4 MeV. Ядрен реактор, изработен от чист уран-238, няма да работи при никакви обстоятелства.

Атом на уран-238, в чието ядро ​​протони и неутрони едва се държат заедно от кохезионни сили. От време на време от него избухва компактна група от четири частици: два протона и два неутрона (α-частица). Така уран-238 се превръща в торий-234, чието ядро ​​съдържа 90 протона и 144 неутрона. Но торий-234 също е нестабилен. Трансформацията му обаче се извършва по различен начин от предишния случай: един от неговите неутрони се превръща в протон, а торий-234 се превръща в протактиний-234, чието ядро ​​съдържа 91 протона и 143 неутрона. Тази метаморфоза, настъпила в ядрото, засяга и електроните, движещи се по техните орбити: един от тях става несдвоен и излита от атома. Протактиният е много нестабилен и отнема много малко време за трансформация. Това е последвано от други трансформации, придружени от радиация, и цялата тази верига в крайна сметка завършва със стабилен оловен нуклид (виж Фигура № 7, Приложение Б).

Най-важното обстоятелство за ядрената енергетика е, че най-разпространеният изотоп на урана 238U е и потенциален източник на ядрено гориво. Както Szilard, така и Fermi бяха прави в предположението, че поглъщането на неутрони от урана ще доведе до образуването на нови елементи.

Изотопи на урана

Наистина, когато се сблъска с термичен неутрон, уран-238 не се дели; вместо това ядрото поглъща неутрона. Средно за 23,5 минути един от неутроните в ядрото се превръща в протон (с излъчване на електрон, реакцията на β разпадане), а ядрото на уран-239 се превръща в ядрото на нептуний-239 (239Np). След 2,4 дни настъпва вторият β - разпад и се образува плутоний-239 (239Pu).

В резултат на последователното поглъщане на неутрони в ядрен реактор могат да се получат елементи дори по-тежки от плутония.

Само следи от 239Pu, 244Pu и 237Np са открити в естествените минерали и уранова руда, така че трансуранови елементи (по-тежки от урана) практически никога не се срещат в естествената среда.

Естествено срещащите се изотопи на урана не са напълно стабилни по отношение на α разпадане и спонтанно делене, но се разпадат много бавно: половин животуран-238 е на 4,5 милиарда години, а уран-235 е на 710 милиона години. Поради ниската честота на ядрените реакции такива дългоживеещи изотопи не са опасни източници на радиация. Слитък от естествен уран може да се държи в ръцете ви без вреда за здравето. Неговата специфична дейностравно на 0,67 mCi/kg (Ci – кюри, извънсистемна единица за активност, равна на 3,7 * 1010 разпадания в секунда).

Получаване - уран

Страница 1

Производството на уран от пепел от домашни въглища, пише вестникът, може да се счита за решен въпрос. 1 тон пепел от някои въглища съдържа атомна енергия, еквивалентна на 6 хиляди тона въглища.  

Получаване на уран, злато; отделяне на продукти от делене на уран; получаване на цветни метали и редкоземни елементи.  

Производството на уран и торий се предшества от сложна интегрирана обработка на рудните суровини.  

За производството на уран твърдият UF4 се редуцира с калций или магнезий.  

Използва се за производството на уран, торий и други метали, както и в органичния синтез.  

Консумацията на енергия за получаване на уран за идеално охлаждане на реакционната смес е 71 eV на метален атом.  

Основният източник на уран е минералът уранинит и неговите разновидности - смолист бленд, уранова слюда, катран, уранова черна. От голямо значение за производството на уран и неговите съединения са уран-ванадиевите, уран-фосфорните, урано-арсеновите киселинни соли на калций, мед, барий, наречени уранови слюди.  

IN последните годиниЗа получаване на уран се използва подземно излугване, последвано от пречистване на разтворите. За подземно извличане се използват сярна киселина и карбонатни разтвори.

Друг основен потенциален източник на уран в Съединените щати са шистите, разположени в щатите Тенеси, Кентъки, Индиана, Илинойс и Охайо.  

Има много други методи за производство на уранов тетрафлуорид, включително реакцията на флуороводород с компактен метален уран във водородна атмосфера, като се започне от 250 °C.  

На практика няма методи за изчисляване на тигелни пещи за производство на уран. При проектирането им могат да се вземат предвид само такива фактори като количеството топлина, освободено от реакцията и загубено в околното пространство, както и (в случай на магнезиево-топлинна редукция) количеството топлина, което трябва да се достави с помощта на външни нагреватели.  

Япония разработи нова технология за производство на уран от разтвор на фосфорна киселина, използван за производството на фосфатни торове. Преди изграждането на завод за извличане на уран от 3 - 4 милиона тона фосфати, внасяни годишно от Япония като суровина за производство на торове, се предвижда изграждането на пилотна инсталация.  

Трябва да се подчертае, че процесът на получаване на уран не е толкова прост, колкото е описан тук. Трябва да се помни, че всички процеси се извършват в сложно оборудване, изработено от специални материали. В този случай трябва да се спазва много точна дозировка на реагентите и да се поддържа необходимата температура. Процесът на производство на уран изисква големи количества изключително чисти реактиви, които трябва да бъдат по-чисти от така наречените химически чисти вещества.  

Страници:      1    2    3    4

Плутоният е изкуствен елемент. Преди атомната ера в природата са открити само „следи“ от него - няколко десетки килограма по цялата дебелина на земната кора. Сега – стотици тонове, и то не в цялата земна кора, а в бомби и в складове, плюс тонове, разпръснати по повърхността на планетата.

Само за една година всички реактори в света произвеждат 10 хиляди тона отработено гориво, което съдържа 100 тона плутоний, тоест всеки тон отработено гориво съдържа ~ 10 kg плутоний (за сравнение имаше само 6,2 kg плутоний плутоний в бомбата, хвърлена над Нагасаки).

Въпреки че реакторният плутоний, отделен по време на преработката на отработеното гориво, не е оръжеен, все пак е възможно да се направи бомба от него. Светът вече е пълен с отделен плутоний за направата на бомби. Има го много: в разгърнати оръжейни системи, в бойни глави, предназначени за разглобяване, в отпадъци от почистването на ядрени оръжейни комплекси, в складове на преработвателни предприятия.

Делящият се, тоест оръжеен изотоп, е плутоний-239. За производството му, освен обогатен уран (гориво), във военен реактор беше поставен необогатен, естествен уран („суровини“) под формата на метални блокове, затворени в запечатана алуминиева обвивка. По време на реакцията на делене в активната зона на реактора се появява голям поток от неутрони и уранови блокове се облъчват с тези неутрони (оттук и терминът „облъчен уран“ или облъчено ядрено гориво).

Когато неутроните бъдат уловени, ядрата на атомите на урана се превръщат в плутониеви ядра, така че вътре в блоковете неделящият се уран-238 постепенно се превръща в делящ се (оръжеен) плутоний-239. По време на експозицията в реактора (3-6 месеца) няколкостотин грама уран-238 се превръщат от всеки тон естествен уран в плутоний-239.

Уранът е химичен елемент от семейството на актинидите с атомен номер 92. Той е най-важното ядрено гориво. Концентрацията му в земната кора е около 2 части на милион. Важни уранови минерали включват уранов оксид (U 3 O 8), уранинит (UO 2), карнотит (калиев уранил ванадат), отенит (калиев уранил фосфат) и торбернит (воден меден уранил фосфат). Тези и други уранови руди са източници на ядрено гориво и съдържат много пъти повече енергия от всички известни находища на изкопаеми горива, които могат да се възстановят. 1 kg уран 92 U осигурява същата енергия като 3 милиона kg въглища.

История на откритието

Химичен елементуранът е плътен, твърд метал със сребристо-бял цвят. Той е пластичен, ковък и може да се полира. Във въздуха металът се окислява и при смачкване се запалва. Провежда електричество сравнително слабо. Електронната формула на урана е 7s2 6d1 5f3.

Въпреки че елементът е открит през 1789 г. от немския химик Мартин Хайнрих Клапрот, който го е кръстил на наскоро откритата планета Уран, самият метал е изолиран през 1841 г. от френския химик Юджийн-Мелхиор Пелигот чрез редукция от ураниев тетрахлорид (UCl 4) с калий.

Радиоактивност

Създаването на периодичната таблица от руския химик Дмитрий Менделеев през 1869 г. фокусира вниманието върху урана като най-тежкия познат елемент, което остава до откриването на нептуния през 1940 г. През 1896 г. френският физик Анри Бекерел открива явлението радиоактивност в него. По-късно това свойство е открито в много други вещества. Вече е известно, че уранът, радиоактивен във всичките си изотопи, се състои от смес от 238 U (99,27%, период на полуразпад - 4 510 000 000 години), 235 U (0,72%, период на полуразпад - 713 000 000 години) и 234 U (0,006 %, полуживот - 247 000 години). Това позволява например да се определи възрастта на скалите и минералите, за да се изследват геоложките процеси и възрастта на Земята. За да направят това, те измерват количеството олово, което е крайният продукт от радиоактивния разпад на урана. В този случай 238 U е началният елемент, а 234 U е един от продуктите. 235 U води до серията разпад на актиний.

Откриване на верижна реакция

Химическият елемент уран става обект на широк интерес и интензивно изследване, след като немските химици Ото Хан и Фриц Щрасман откриват ядрено делене в него в края на 1938 г., когато е бомбардиран с бавни неутрони. В началото на 1939 г. италиано-американският физик Енрико Ферми предполага, че сред продуктите на атомното делене може да има елементарни частици, способни да генерират верижна реакция. През 1939 г. американските физици Лео Силард и Хърбърт Андерсън, както и френският химик Фредерик Жолио-Кюри и техните колеги потвърждават тази прогноза. Последвалите проучвания показват, че средно 2,5 неутрона се освобождават, когато един атом се разпадне. Тези открития доведоха до първата самоподдържаща се ядрена верижна реакция (12/02/1942), първата атомна бомба(16.07.1945 г.), първото му използване по време на военни операции (06.08.1945 г.), първата атомна подводница (1955 г.) и първата пълномащабна атомна електроцентрала (1957 г.).

Състояния на окисление

Химическият елемент уран, като силен електроположителен метал, реагира с вода. Разтваря се в киселини, но не и в основи. Важни степени на окисление са +4 (както в UO 2 оксид, тетрахалиди като UCl 4 и зеления воден йон U4+) и +6 (както в UO 3 оксид, UF 6 хексафлуорид и уранил йон UO 2 2+). Във воден разтвор уранът е най-стабилен в състава на уранилния йон, който има линейна структура [O = U = O] 2+. Елементът също има състояния +3 и +5, но те са нестабилни. Червеният U 3+ се окислява бавно във вода, която не съдържа кислород. Цветът на UO 2+ йона е неизвестен, тъй като претърпява диспропорциониране (UO 2+ едновременно се редуцира до U 4+ и се окислява до UO 2 2+) дори в много разредени разтвори.

Ядрено гориво

Когато е изложен на бавни неутрони, деленето на урановия атом се случва в сравнително редкия изотоп 235 U. Това е единственият естествено срещащ се делящ се материал и трябва да бъде отделен от изотопа 238 U. Въпреки това, след абсорбция и отрицателен бета разпад, уранът -238 се превръща в синтетичен елемент плутоний, който се разделя под въздействието на бавни неутрони. Следователно естественият уран може да се използва в конверторни и размножителни реактори, в които деленето се поддържа от рядък 235 U и плутоний се произвежда едновременно с трансмутация на 238 U. Делящият се 233 U може да бъде синтезиран от широко разпространения естествен изотоп торий-232 за използване като ядрено гориво. Уранът също е важен като основен материал, от който се получават синтетични трансуранови елементи.

Други приложения на урана

Съединенията на химичния елемент преди са били използвани като багрила за керамика. Хексафлуоридът (UF 6) е твърдо вещество с необичайно високо налягане на парите (0,15 atm = 15 300 Pa) при 25 °C. UF 6 е химически много реактивен, но въпреки корозивния си характер в парообразно състояние, UF 6 се използва широко в методите за газова дифузия и газова центрофуга за производство на обогатен уран.

Органометалните съединения са интересна и важна група от съединения, в които връзките метал-въглерод свързват метала с органичните групи. Ураноценът е органоураново съединение U(C 8 H 8) 2, в което урановият атом е поставен между два слоя органични пръстени, свързани с циклооктатетраен C 8 H 8. Неговото откритие през 1968 г. е открито нова областорганометална химия.

Обедненият естествен уран се използва като радиационна защита, баласт, в бронебойни снаряди и броня на танкове.

Рециклиране

Химическият елемент, макар и много плътен (19,1 g/cm3), е относително слабо, незапалимо вещество. Всъщност металните свойства на урана изглежда го поставят някъде между среброто и другите истински метали и неметали, така че той не се използва като структурен материал. Основната стойност на урана се крие в радиоактивните свойства на неговите изотопи и способността им да се делят. В природата почти целият (99,27%) метал се състои от 238 U. Останалото е 235 U (0,72%) и 234 U (0,006%). От тези естествени изотопи само 235 U се разпада директно чрез неутронно облъчване. Въпреки това, когато се абсорбира, 238 U образува 239 U, който в крайна сметка се разпада на 239 Pu, делящ се материал от голямо значение за ядрената енергия и ядрените оръжия. Друг делящ се изотоп, 233 U, може да се образува чрез неутронно облъчване на 232 Th.

Кристални форми

Характеристиките на урана го карат да реагира с кислород и азот дори в нормални условия. С повече високи температуритой реагира с широка гама от легиращи метали, за да образува интерметални съединения. Образуването на твърди разтвори с други метали е рядкост поради специалните кристални структури, образувани от атомите на елемента. Между стайната температура и точката на топене от 1132 °C металният уран съществува в 3 кристални форми, известни като алфа (α), бета (β) и гама (γ). Трансформацията от α- в β-състояние става при 668 °C и от β в γ ​​при 775 °C. γ-уранът има центрирана кубична кристална структура, докато β има тетрагонална кристална структура. α фазата се състои от слоеве от атоми в силно симетрична орторомбична структура. Тази анизотропна изкривена структура не позволява на легиращите метални атоми да заменят атомите на урана или да заемат пространството между тях в кристалната решетка. Установено е, че само молибденът и ниобият образуват твърди разтвори.

Руда

Земната кора съдържа около 2 части на милион уран, което показва широкото му разпространение в природата. Смята се, че океаните съдържат 4,5 × 10 9 тона от този химичен елемент. Уранът е важна съставна част на повече от 150 различни минерала и незначителен компонент на други 50. Първичните минерали, открити в магмените хидротермални вени и пегматити, включват уранинит и неговия вариант наранена бленд. В тези руди елементът се среща под формата на диоксид, който поради окисление може да варира от UO 2 до UO 2,67. Други икономически значими продукти от уранови мини са аутунит (хидратиран калциев уранил фосфат), тобернит (хидратиран меден уранил фосфат), кофинит (черен хидратиран уран силикат) и карнотит (хидратиран калиев уранил ванадат).

Изчислено е, че повече от 90% от известните евтини запаси от уран се намират в Австралия, Казахстан, Канада, Русия, Южна Африка, Нигер, Намибия, Бразилия, Китай, Монголия и Узбекистан. Големи находища се намират в конгломератните скални образувания на езерото Елиът, разположено на север от езерото Хурон в Онтарио, Канада, и в южноафриканската златна мина Witwatersrand. Пясъчните образувания в платото Колорадо и басейна на Уайоминг в западната част на Съединените щати също съдържат значителни запаси от уран.

производство

Урановите руди се намират както в повърхностни, така и в дълбоки (300-1200 m) находища. Под земята дебелината на пласта достига 30 m, както в случая на руди от други метали, уранът се добива на повърхността с помощта на голямо земно-подвижно оборудване, а разработването на дълбоки находища се извършва с помощта на традиционните методи за вертикално и наклонено движение. мини. Световното производство на уранов концентрат през 2013 г. възлиза на 70 хиляди тона в Казахстан (32% от цялото производство), Канада, Австралия, Нигер, Намибия, Узбекистан и Русия.

Урановите руди обикновено съдържат само малки количества уран-съдържащи минерали и не могат да се топят чрез директни пирометалургични методи. Вместо това трябва да се използват хидрометалургични процедури за извличане и пречистване на урана. Увеличаването на концентрацията значително намалява натоварването на веригите за обработка, но нито един от конвенционалните методи за обогатяване, които обикновено се използват за обработка на минерали, като гравитация, флотация, електростатично и дори ръчно сортиране, не е приложим. С малки изключения тези методи водят до значителни загуби на уран.

Изгаряне

Хидрометалургичната обработка на уранови руди често се предшества от етап на високотемпературно калциниране. Изпичането дехидратира глината, премахва въглеродните материали, окислява серните съединения до безвредни сулфати и окислява всички други редуциращи агенти, които могат да попречат на последващата обработка.

Излугване

Уранът се извлича от печени руди чрез киселинни и алкални процеси водни разтвори. За да функционират успешно всички системи за извличане, химичният елемент трябва или първоначално да присъства в по-стабилна шествалентна форма, или да бъде окислен до това състояние по време на обработката.

Киселинното излугване обикновено се извършва чрез разбъркване на смес от руда и излугващ агент в продължение на 4-48 часа при заобикаляща среда. С изключение на специални случаи се използва сярна киселина. Доставя се в количества, достатъчни за получаване на крайната течност с pH 1,5. Схемите за извличане със сярна киселина обикновено използват манганов диоксид или хлорат за окисляване на четиривалентен U4+ до шествалентен уранил (UO22+). Обикновено приблизително 5 kg манганов диоксид или 1,5 kg натриев хлорат на тон са достатъчни за окисление на U 4+. И в двата случая окисленият уран реагира със сярна киселина, за да образува уранилсулфатен комплексен анион 4-.

Руда, съдържаща значителни количества основни минерали като калцит или доломит, се излугва с 0,5-1 моларен разтвор на натриев карбонат. Въпреки че са изследвани и тествани различни реагенти, основният окислител на урана е кислородът. Обикновено рудата се излугва на въздух при атмосферно наляганеи при температура 75-80 °C за период от време, който зависи от конкретния химичен състав. Алкалът реагира с урана, за да образува лесно разтворимия комплексен йон 4-.

Разтворите, получени в резултат на киселинно или карбонатно излужване, трябва да бъдат избистрени преди по-нататъшна обработка. Мащабното отделяне на глини и други рудни суспензии се постига чрез използването на ефективни флокулиращи агенти, включително полиакриламиди, гума гуар и животинско лепило.

Екстракция

4- и 4-комплексните йони могат да бъдат сорбирани от техните съответни разтвори за извличане на йонообменна смола. Тези специални смоли, характеризиращи се с тяхната кинетика на адсорбция и елуиране, размер на частиците, стабилност и хидравлични свойства, могат да се използват в различни технологии за обработка, като неподвижен слой, подвижен слой, кошнична смола и непрекъсната смола. Обикновено за елуиране на сорбирания уран се използват разтвори на натриев хлорид и амоняк или нитрати.

Уранът може да бъде изолиран от кисели рудни течности чрез екстракция с разтворител. В промишлеността се използват алкилфосфорни киселини, както и вторични и третични алкиламини. Обикновено екстракцията с разтворител се предпочита пред йонообменните методи за киселинни филтрати, съдържащи повече от 1 g/L уран. Този метод обаче не е приложим за извличане на карбонати.

След това уранът се пречиства чрез разтваряне в азотна киселина, за да се образува уранил нитрат, екстрахира се, кристализира и се калцинира, за да се образува UO 3 триоксид. Редуцираният диоксид UO2 реагира с флуороводород, за да образува тетафлуорид UF4, от който металният уран се редуцира с магнезий или калций при температура от 1300 °C.

Тетрафлуоридът може да бъде флуориран при 350 °C, за да се образува UF 6 хексафлуорид, който се използва за отделяне на обогатен уран-235 чрез газова дифузия, газово центрофугиране или течна термична дифузия.