لماذا اليورانيوم ومركباته خطيرة؟ اليورانيوم عنصر كيميائي: تاريخ الاكتشاف وتفاعل الانشطار النووي.
محتوى المقال
أورانوس ، U (اليورانيوم) ، عنصر كيميائي فلزي من عائلة الأكتينيد ، والذي يتضمن Ac ، Th ، Pa ، U ، وعناصر عبر اليورانيوم (Np ، Pu ، Am ، Cm ، Bk ، Cf ، Es ، Fm ، Md ، لا ، Lr ). اشتهر اليورانيوم باستخدامه في الأسلحة النووية والطاقة النووية. تستخدم أكاسيد اليورانيوم أيضًا لتلوين الزجاج والسيراميك.
البحث في الطبيعة.
يبلغ محتوى اليورانيوم في القشرة الأرضية 0.003٪ ، ويوجد في الطبقة السطحية للأرض على شكل أربعة أنواع من الرواسب. أولاً ، هذه عروق من اليورانيوم ، أو طبقة اليورانيوم (ثاني أكسيد اليورانيوم UO 2) ، غنية جدًا باليورانيوم ، ولكنها نادرة. وهي مصحوبة بترسبات من الراديوم ، حيث أن الراديوم هو نتاج مباشر لاضمحلال نظائر اليورانيوم. توجد هذه الأوردة في زائير وكندا (بحيرة الدب الكبرى) وجمهورية التشيك وفرنسا. المصدر الثاني لليورانيوم هو تكتلات الثوريوم وخام اليورانيوم ، إلى جانب خامات معادن مهمة أخرى. عادة ما تحتوي التكتلات على كميات كافية من الذهب والفضة لاستخراجها ، ويصبح اليورانيوم والثوريوم عناصر مصاحبة. توجد رواسب كبيرة من هذه الخامات في كندا وجنوب إفريقيا وروسيا وأستراليا. المصدر الثالث لليورانيوم هو الصخور الرسوبية والأحجار الرملية الغنية بمعدن الكارنيت (البوتاسيوم يورانيل فانادات) والذي يحتوي بالإضافة إلى اليورانيوم على كمية كبيرة من الفاناديوم وعناصر أخرى. تم العثور على هذه الخامات في الولايات الغربية للولايات المتحدة. تشكل صخور الحديد واليورانيوم وخامات الفوسفات المصدر الرابع للرواسب. تم العثور على رواسب غنية في الصخر الزيتي في السويد. تحتوي بعض خامات الفوسفات في المغرب والولايات المتحدة على كميات كبيرة من اليورانيوم ، كما أن رواسب الفوسفات في أنغولا وجمهورية إفريقيا الوسطى أكثر ثراءً في اليورانيوم. عادة ما تحتوي معظم الليغنيت وبعض أنواع الفحم على شوائب من اليورانيوم. تم العثور على رواسب الليغنيت الغنية باليورانيوم في شمال وجنوب داكوتا (الولايات المتحدة الأمريكية) والفحم القاري في إسبانيا وجمهورية التشيك.
افتتاح.
تم اكتشاف اليورانيوم في عام 1789 من قبل الكيميائي الألماني م. (كان كلابروث الكيميائي الرائد في عصره ؛ اكتشف أيضًا عناصر أخرى ، بما في ذلك Ce و Ti و Zr.) في الواقع ، لم تكن المادة التي حصل عليها كلابروث عنصرًا من اليورانيوم ، ولكنها كانت شكلاً مؤكسدًا منه ، وكان عنصر اليورانيوم أولًا حصل عليها الكيميائي الفرنسي إ. بليجوت عام 1841. منذ لحظة الاكتشاف حتى القرن العشرين. لم يكن اليورانيوم مهمًا كما هو عليه اليوم ، على الرغم من تحديد العديد من خواصه الفيزيائية ، وكذلك الكتلة والكثافة الذرية. في عام 1896 ، اكتشف أ. بيكريل أن أملاح اليورانيوم لها إشعاع يضيء صفيحة فوتوغرافية في الظلام. حفز هذا الاكتشاف الكيميائيين على البحث في مجال النشاط الإشعاعي ، وفي عام 1898 قام الفيزيائيون الفرنسيون ، الزوجان P. Curie و M. Sklodowska-Curie ، بعزل أملاح العناصر المشعة البولونيوم والراديوم ، و E. C. Faience وعلماء آخرون طوروا نظرية الاضمحلال الإشعاعي ، التي أرست أسس الكيمياء النووية الحديثة والطاقة النووية.
أول تطبيقات اليورانيوم.
على الرغم من أن النشاط الإشعاعي لأملاح اليورانيوم كان معروفًا ، إلا أن خاماته في الثلث الأول من هذا القرن كانت تستخدم فقط للحصول على الراديوم المصاحب ، وكان اليورانيوم يعتبر منتجًا ثانويًا غير مرغوب فيه. يتركز استخدامه بشكل رئيسي في تكنولوجيا السيراميك والمعادن. تم استخدام أكاسيد اليورانيوم على نطاق واسع لتلوين الزجاج بألوان من الأصفر الباهت إلى الأخضر الداكن ، مما ساهم في تطوير إنتاج الزجاج غير المكلف. اليوم ، يتم تحديد المنتجات من هذه الصناعات على أنها الفلورسنت تحت الضوء فوق البنفسجي. خلال الحرب العالمية الأولى وبعد ذلك بوقت قصير ، تم استخدام اليورانيوم على شكل كربيد في صناعة الأدوات الفولاذية ، على غرار Mo و W ؛ حل 4-8٪ من اليورانيوم محل التنجستن ، والذي كان إنتاجه محدودًا في ذلك الوقت. للحصول على فولاذ الأدوات في 1914-1926 ، تم إنتاج عدة أطنان من الفيرورانيوم سنويًا ، تحتوي على ما يصل إلى 30٪ (كتلة). ومع ذلك ، فإن استخدام اليورانيوم هذا لم يدم طويلاً.
الاستخدام الحديث لليورانيوم.
بدأت صناعة اليورانيوم في التبلور في عام 1939 ، عندما تم تنفيذ انشطار نظير اليورانيوم 235 U ، مما أدى إلى التنفيذ الفني للتفاعلات المتسلسلة المضبوطة لانشطار اليورانيوم في ديسمبر 1942. وكان هذا ولادة عصر الذرة ، عندما تحول اليورانيوم من عنصر ثانوي إلى أحد أهم العناصر في حياة المجتمع. أدت الأهمية العسكرية لليورانيوم في إنتاج القنبلة الذرية واستخدامه كوقود في المفاعلات النووية إلى زيادة الطلب على اليورانيوم بشكل فلكي. يستند التسلسل الزمني المثير للاهتمام لنمو الطلب على اليورانيوم إلى تاريخ الرواسب في بحيرة الدب العظيم (كندا). في عام 1930 ، تم اكتشاف مزيج الراتنج ، وهو مزيج من أكاسيد اليورانيوم ، في هذه البحيرة ، وفي عام 1932 تم إنشاء تقنية لتنقية الراديوم في هذه المنطقة. من كل طن من الخام (مزيج القطران) ، تم الحصول على 1 غرام من الراديوم وحوالي نصف طن من منتج ثانوي - مركز اليورانيوم. ومع ذلك ، كان الراديوم نادرًا وتوقف استخراجه. من عام 1940 إلى عام 1942 ، تم استئناف التطوير وشحن خام اليورانيوم إلى الولايات المتحدة. في عام 1949 تم تطبيق تنقية مماثلة لليورانيوم مع بعض التعديلات لإنتاج ثاني أكسيد اليورانيوم النقي. نما هذا الإنتاج وأصبح الآن أحد أكبر إنتاجات اليورانيوم.
ملكيات.
اليورانيوم هو أحد أثقل العناصر الموجودة في الطبيعة. المعدن النقي كثيف للغاية ، مطيل ، حساس للكهرباء مع توصيل كهربائي منخفض ومتفاعل للغاية.
يحتوي اليورانيوم على ثلاثة تعديلات متآصلة: أ- اليورانيوم (شعرية بلورية لتقويم العظام) ، موجود في النطاق من درجة حرارة الغرفة إلى 668 درجة مئوية ؛ ب- اليورانيوم (شبكة بلورية معقدة من نوع رباعي الزوايا) ، مستقرة في حدود 668-774 درجة مئوية ؛ ز- اليورانيوم (الشبكة البلورية المكعبة المتمركزة في الجسم) ، مستقرة من 774 درجة مئوية حتى نقطة الانصهار (1132 درجة مئوية). نظرًا لأن جميع نظائر اليورانيوم غير مستقرة ، فإن جميع مركباته تظهر نشاطًا إشعاعيًا.
نظائر اليورانيوم
تم العثور على 238 U ، 235 U ، 234 U في الطبيعة بنسبة 99.3: 0.7: 0.0058 ، و 236 U بكميات ضئيلة. جميع نظائر اليورانيوم الأخرى من 226 يو إلى 242 يو يتم الحصول عليها صناعيا. النظير 235 U له أهمية خاصة. تحت تأثير النيوترونات البطيئة (الحرارية) ، يتم تقسيمها مع إطلاق طاقة هائلة. ينتج عن الانشطار الكامل لـ 235 وحدة إطلاق "مكافئ للطاقة الحرارية" قدره 2 ساعة 10 7 كيلو وات ساعة / كجم. يمكن استخدام انشطار 235 U ليس فقط لإنتاج كميات كبيرة من الطاقة ، ولكن أيضًا لتجميع عناصر أكتينيد مهمة أخرى. يمكن استخدام اليورانيوم النظائري الطبيعي في المفاعلات النووية لإنتاج النيوترونات الناتجة عن الانشطار 235 يو ، بينما يمكن التقاط النيوترونات الزائدة التي لا يتطلبها التفاعل المتسلسل بواسطة نظير طبيعي آخر ، مما يؤدي إلى إنتاج البلوتونيوم:
عند قصف 238 يو بواسطة نيوترونات سريعة ، تحدث التفاعلات التالية:
وفقًا لهذا المخطط ، يمكن تحويل النظير الأكثر شيوعًا 238 U إلى بلوتونيوم 239 ، والذي ، مثل 235 U ، قادر أيضًا على الانشطار تحت تأثير النيوترونات البطيئة.
في الوقت الحاضر ، تم الحصول على عدد كبير من نظائر اليورانيوم الاصطناعية. من بينها ، 233 U ملحوظ بشكل خاص لأنه ينشطر أيضًا عند التفاعل مع النيوترونات البطيئة.
غالبًا ما تستخدم بعض نظائر اليورانيوم الاصطناعية الأخرى كعلامات مشعة (مقتفعات) في الأبحاث الكيميائية والفيزيائية ؛ إنه أولاً وقبل كل شيء ب- باعث 237 يو و أ- باعث 232 U.
روابط.
اليورانيوم ، معدن شديد التفاعل ، له حالات أكسدة من +3 إلى +6 ، وهو قريب من البريليوم في سلسلة النشاط ، ويتفاعل مع جميع اللافلزات ويشكل مركبات بين المعادن مع Al ، Be ، Bi ، Co ، Cu ، Fe ، Hg و Mg و Ni و Pb و Sn و Zn. واليورانيوم المقسم ناعماً هو مادة تفاعلية بشكل خاص ، وعند درجات حرارة أعلى من 500 درجة مئوية ، غالباً ما يدخل في تفاعلات مميزة لهيدريد اليورانيوم. يحترق اليورانيوم المتكتل أو النشارة بشكل ساطع عند 700-1000 درجة مئوية ، بينما تحترق أبخرة اليورانيوم بالفعل عند 150-250 درجة مئوية ؛ يتفاعل اليورانيوم مع HF عند 200-400 درجة مئوية ، مكونًا UF 4 و H 2. يذوب اليورانيوم ببطء في HF أو H 2 SO 4 و 85٪ H 3 PO 4 حتى عند 90 درجة مئوية ، ولكنه يتفاعل بسهولة مع التركيز. حمض الهيدروكلوريك وأقل نشاطًا مع HBr أو HI. تحدث تفاعلات اليورانيوم مع HNO 3 المخفف والمركّز بشكل أكثر نشاطًا وسرعة مع تكوين نترات اليورانيل ( انظر أدناه). في وجود حمض الهيدروكلوريك ، يذوب اليورانيوم بسرعة في الأحماض العضوية ، مكونًا الأملاح العضوية U 4+. اعتمادًا على درجة الأكسدة ، يشكل اليورانيوم عدة أنواع من الأملاح (أهمها مع U 4+ ، أحدها UCl 4 هو ملح أخضر يتأكسد بسهولة) ؛ أملاح اليورانيل (UO 2 2+ جذري) من النوع UO 2 (NO 3) 2 صفراء وخضراء متألقة. تتشكل أملاح اليورانيل عن طريق إذابة أكسيد مذبذب UO 3 (اللون الأصفر) في وسط حمضي. في البيئة القلوية ، يشكل UO 3 يورات من النوع Na 2 UO 4 أو Na 2 U 2 O 7. ويستخدم المركب الأخير ("اليورانيل الأصفر") في صناعة زجاج البورسلين وإنتاج الزجاج الفلوري.
تمت دراسة هاليدات اليورانيوم على نطاق واسع في الأربعينيات والخمسينيات من القرن الماضي ، حيث كانت الأساس لتطوير طرق لفصل نظائر اليورانيوم عن قنبلة ذرية أو مفاعل نووي. تم الحصول على ثلاثي فلوريد اليورانيوم UF 3 عن طريق اختزال UF 4 بالهيدروجين ، ويتم الحصول على رباعي فلوريد اليورانيوم UF 4 بطرق مختلفة عن طريق تفاعلات HF مع أكاسيد مثل UO 3 أو U 3 O 8 أو عن طريق الاختزال الإلكتروليتي لمركبات اليورانيل. يتم الحصول على سادس فلوريد اليورانيوم UF 6 بفلورة U أو UF 4 بالفلور العنصري أو عن طريق عمل الأكسجين على UF 4. يشكل سداسي فلوريد البلورات الشفافة ذات معامل الانكسار العالي عند 64 درجة مئوية (1137 ملم زئبق) ؛ المركب متقلب (يتسامى عند 56.54 درجة مئوية تحت ظروف الضغط العادية). أكسيد اليورانيوم ، على سبيل المثال ، أوكسوفلوريدات ، لها تكوين UO 2 F 2 (فلوريد اليورانيل) ، UOF 2 (ثنائي فلوريد أكسيد اليورانيوم).
(بحسب بولينج)
U ← U 3+ -1.66 فولت
U ← U 2+ -0.1V
| يو | 92 |
| 238,0289 | |
| 5f 3 6d 1 7s 2 | |
| أورانوس | |
أورانوس(اسم قديم يورانيا) عنصر كيميائي برقم ذري 92 في النظام الدوري ، كتلته الذرية 238.029 ؛ يشار إليه بالرمز U ( اليورانيوم) ، ينتمي إلى عائلة الأكتينيد.
قصة
حتى في العصور القديمة (القرن الأول قبل الميلاد) ، كان أكسيد اليورانيوم الطبيعي يستخدم لصنع طلاء أصفر للسيراميك. تطور البحث عن اليورانيوم مثل التفاعل المتسلسل الذي يولده. في البداية ، جاءت المعلومات المتعلقة بخصائصه ، مثل النبضات الأولى لتفاعل متسلسل ، بفواصل طويلة ، من حالة إلى أخرى. أول تاريخ مهم في تاريخ اليورانيوم هو عام 1789 ، عندما أعاد الفيلسوف والكيميائي الألماني الطبيعي مارتن هاينريش كلابروث "الأرض" الذهبية الصفراء المستخرجة من خام الراتنج الساكسوني إلى مادة تشبه المعدن الأسود. تكريما لأبعد كوكب معروف (اكتشفه هيرشل قبل ثماني سنوات) ، كلابروث ، معتبرا أن المادة الجديدة عنصر ، أطلق عليها اسم اليورانيوم.
لمدة خمسين عامًا ، كان يورانيوم كلابروث يُعتبر معدنًا. فقط في عام 1841 ، أثبت يوجين ملكيور بيليجوت - الكيميائي الفرنسي (1811-1890)] أنه على الرغم من البريق المعدني المميز ، فإن يورانيوم كلابروث ليس عنصرًا ، ولكنه أكسيد UO 2. في عام 1840 ، نجح Peligo في الحصول على اليورانيوم الحقيقي ، وهو معدن ثقيل رمادي صلب ، وتحديد وزنه الذري. الخطوة المهمة التالية في دراسة اليورانيوم تم إجراؤها في عام 1874 على يد د. آي. مينديليف. بناءً على النظام الدوري الذي طوره ، وضع اليورانيوم في أبعد خلية في طاولته. في السابق ، كان الوزن الذري لليورانيوم يساوي 120. ضاعف الكيميائي العظيم هذه القيمة. بعد 12 عامًا ، تم تأكيد تنبؤ مندلييف من خلال تجارب الكيميائي الألماني زيمرمان.
بدأت دراسة اليورانيوم في عام 1896: اكتشف الكيميائي الفرنسي أنطوان هنري بيكريل بالصدفة أشعة بيكريل ، والتي أعادت ماري كوري تسميتها لاحقًا بالنشاط الإشعاعي. في الوقت نفسه ، تمكن الكيميائي الفرنسي هنري مويسان من تطوير طريقة للحصول على اليورانيوم المعدني النقي. في عام 1899 ، اكتشف رذرفورد أن إشعاع مستحضرات اليورانيوم غير منتظم ، وأن هناك نوعين من الإشعاع - أشعة ألفا وبيتا. أنها تحمل شحنة كهربائية مختلفة ؛ بعيدًا عن نفس النطاق في المادة والقدرة المؤينة. بعد ذلك بقليل ، في مايو 1900 ، اكتشف بول فيلارد نوعًا ثالثًا من الإشعاع - أشعة جاما.
أجرى إرنست رذرفورد في عام 1907 التجارب الأولى لتحديد عمر المعادن في دراسة اليورانيوم المشع والثوريوم على أساس نظرية النشاط الإشعاعي التي ابتكرها مع فريدريك سودي (سودي ، فريدريك ، 1877-1956 ؛ جائزة نوبل في الكيمياء ، 1921). في عام 1913 ، قدم F. Soddy مفهوم النظائر(من اليونانية ισος - "يساوي" ، "نفس" ، و - "المكان") ، وفي عام 1920 تنبأ بإمكانية استخدام النظائر لتحديد العمر الجيولوجي للصخور. في عام 1928 ، أدرك Niggot ، وفي عام 1939 ، أنشأ A.
في عام 1939 ، اكتشف فريدريك جوليو كوري والفيزيائيان الألمان أوتو فريش وليزا مايتنر ظاهرة غير معروفة تحدث مع نواة اليورانيوم عندما يتم تشعيعها بالنيوترونات. كان هناك تدمير متفجر لهذه النواة مع تكوين عناصر جديدة أخف بكثير من اليورانيوم. كان هذا التدمير ذا طبيعة متفجرة ، شظايا من المنتجات متناثرة في اتجاهات مختلفة بسرعات هائلة. وهكذا تم اكتشاف ظاهرة تسمى التفاعل النووي.
في 1939-1940. أظهر Yu. B. Khariton و Ya. B. Zel'dovich لأول مرة نظريًا أنه مع تخصيب طفيف لليورانيوم الطبيعي باليورانيوم -235 ، من الممكن تهيئة الظروف للانشطار المستمر للنواة الذرية ، أي إعطاء هذه العملية طابع سلسلة.
التواجد في الطبيعة
خام اليورانيت
اليورانيوم منتشر على نطاق واسع في الطبيعة. كلارك اليورانيوم هو 1 · 10 -3٪ (بالوزن). تقدر كمية اليورانيوم في طبقة من الغلاف الصخري بسماكة 20 كم بنحو 1.3 10 14 طن.
تم العثور على الجزء الأكبر من اليورانيوم في الصخور الحمضية ذات المحتوى العالي السيليكون. تتركز كتلة كبيرة من اليورانيوم في الصخور الرسوبية ، خاصة تلك المخصبة بالمواد العضوية. يوجد اليورانيوم بكميات كبيرة كشوائب في الثوريوم والمعادن الأرضية النادرة (orthite ، sphene CaTiO 3 ، monazite (La ، Ce) PO 4 ، zrSiO 4 ، xenotime YPO4 ، إلخ). أهم خامات اليورانيوم هي البتشبلند (طبقة القطران) واليورانينيت والكارنيت. المعادن الرئيسية - أقمار اليورانيوم هي الموليبدينيت MoS 2 ، galena PbS ، الكوارتز SiO 2 ، الكالسيت CaCO 3 ، hydromuscovite ، إلخ.
| المعدنية | التكوين الرئيسي للمعادن | محتوى اليورانيوم ،٪ |
|---|---|---|
| يورانينيت | UO 2، UO 3 + ThO 2، CeO 2 | 65-74 |
| كارنيتيت | K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 2H 2 O | ~50 |
| كازوليت | PbO 2 UO 3 SiO 2 H 2 O | ~40 |
| Samarskit | (Y، Er، Ce، U، Ca، Fe، Pb، Th) (Nb، Ta، Ti، Sn) 2 O 6 | 3.15-14 |
| برانيريت | (U، Ca، Fe، Y، Th) 3 Ti 5 O 15 | 40 |
| تويامونيت | CaO 2UO 3 V 2 O 5 nH 2 O | 50-60 |
| زينريت | Cu (UO 2) 2 (AsO 4) 2 nH 2 O | 50-53 |
| التهاب الأذن | Ca (UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O | ~50 |
| شريكينغيريت | Ca 3 NaUO 2 (CO 3) 3 SO 4 (OH) 9H 2 O | 25 |
| أورانوفانيس | CaO UO 2 2SiO 2 6H 2 O | ~57 |
| فيرغسونيت | (Y ، Ce) (Fe ، U) (ملحوظة ، تا) O 4 | 0.2-8 |
| ثوربيرنيت | النحاس (UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O | ~50 |
| نعش | U (SiO 4) 1-x (OH) 4x | ~50 |
الأشكال الرئيسية لليورانيوم الموجودة في الطبيعة هي اليورانيوم والبيتشبلند (طبقة القطران) واليورانيوم الأسود. هم يختلفون فقط في أشكال الحدوث ؛ هناك اعتماد على العمر: اليورانيت موجود بشكل رئيسي في الصخور القديمة (صخور ما قبل الكمبري) ، والبيتشبلند - البركانية والحرارية المائية - بشكل رئيسي في التكوينات القديمة والحديثة ذات درجات الحرارة العالية والمتوسطة ؛ أسود اليورانيوم - بشكل رئيسي في التكوينات الحديثة والحديثة - في حقب الحياة الحديثة - بشكل رئيسي في الصخور الرسوبية منخفضة الحرارة.
يبلغ محتوى اليورانيوم في القشرة الأرضية 0.003٪ ، ويوجد في الطبقة السطحية للأرض على شكل أربعة أنواع من الرواسب. أولاً ، هذه عروق من اليورانيوم ، أو اليورانيوم (ثاني أكسيد اليورانيوم UO2) ، غنية جدًا باليورانيوم ، ولكنها نادرة. يرافقهم رواسب الراديوم منذ ذلك الحين الراديومهو نتاج مباشر لاضمحلال اليورانيوم النظيري. تم العثور على هذه الأوردة في زائير ، كندا (بحيرة الدب العظيم) ، الجمهورية التشيكيةو فرنسا. المصدر الثاني لليورانيوم هو تكتلات الثوريوم وخام اليورانيوم ، إلى جانب خامات معادن مهمة أخرى. عادة ما تحتوي التكتلات على كميات كافية لاستخراجها ذهبو فضةوالعناصر المصاحبة لها هي اليورانيوم والثوريوم. تم العثور على رواسب كبيرة من هذه الخامات في كندا وجنوب إفريقيا وروسيا و أستراليا. المصدر الثالث لليورانيوم هو الصخور الرسوبية والحجارة الرملية الغنية بمعدن الكارنيت (البوتاسيوم يورانيل فانادات) والذي يحتوي بالإضافة إلى اليورانيوم على كمية كبيرة من الفاناديوموعناصر أخرى. تم العثور على هذه الخامات في الدول الغربية الولايات المتحدة الأمريكية. تشكل صخور الحديد واليورانيوم وخامات الفوسفات المصدر الرابع للرواسب. تم العثور على رواسب غنية في الصخر الزيتي السويد. تحتوي بعض خامات الفوسفات في المغرب والولايات المتحدة على كميات كبيرة من اليورانيوم ، ورواسب الفوسفات في أنغولاكما أن جمهورية إفريقيا الوسطى أكثر ثراءً باليورانيوم. عادة ما تحتوي معظم الليغنيت وبعض أنواع الفحم على شوائب من اليورانيوم. تم العثور على رواسب الليغنيت الغنية باليورانيوم في شمال وجنوب داكوتا (الولايات المتحدة الأمريكية) والفحم القاري إسبانياو الجمهورية التشيكية
نظائر اليورانيوم
يتكون اليورانيوم الطبيعي من مزيج من ثلاثة النظائر: 238 U - 99.2739٪ (نصف عمر تي 1/2 = 4.468 × 10 9 سنوات) ، 235 وحدة - 0.7024٪ ( تي 1/2 = 7.038 × 10 8 سنوات) و 234 وحدة - 0.0057٪ ( تي 1/2 = 2.455 × 10 5 سنوات). النظير الأخير ليس أوليًا ولكنه مشع ؛ إنه جزء من السلسلة المشعة 238 U.
يعود النشاط الإشعاعي لليورانيوم الطبيعي بشكل أساسي إلى النظائر 238 U و 234 U ؛ في حالة التوازن ، تكون أنشطتها المحددة متساوية. النشاط المحدد للنظير 235 يو في اليورانيوم الطبيعي أقل 21 مرة من نشاط 238 يو.
يوجد 11 نظيرًا مشعًا صناعيًا معروفًا لليورانيوم بأعداد كتلتها من 227 إلى 240. أطولها عمرًا هو 233 يو ( تي 1/2 \ u003d 1.62 × 10 5 سنوات) عن طريق تشعيع الثوريوم بالنيوترونات وهو قادر على الانشطار التلقائي بالنيوترونات الحرارية.
نظائر اليورانيوم 238 يو و 235 يو هي أسلاف سلسلتين مشعة. العناصر النهائية لهذه السلسلة هي النظائر قيادة 206Pb و 207 Pb.
في ظل الظروف الطبيعية ، يتم توزيع النظائر بشكل أساسي 234 يو: 235 يو : 238 يو= 0.0054: 0.711: 99.283. يرجع نصف النشاط الإشعاعي لليورانيوم الطبيعي إلى النظير 234 يو. النظائر المشعة 234 يوتشكلت عن طريق الاضمحلال 238 يو. بالنسبة إلى الأخيرين ، على عكس الأزواج الأخرى من النظائر وبغض النظر عن قدرة الهجرة العالية لليورانيوم ، فإن الثبات الجغرافي للنسبة هو سمة مميزة. قيمة هذه النسبة تعتمد على عمر اليورانيوم. أظهرت العديد من القياسات الطبيعية تقلبات طفيفة. إذاً ، في القوائم ، تختلف قيمة هذه النسبة بالنسبة إلى المعيار في حدود 0.9959-1.0042 ، في الأملاح - 0.996 - 1.005. في المعادن المحتوية على اليورانيوم (ناستوران ، اليورانيوم الأسود ، سيرثولايت ، خامات الأرض النادرة) ، تتراوح قيمة هذه النسبة بين 137.30 و 138.51 ؛ علاوة على ذلك ، لم يتم تحديد الفرق بين الاستمارات U IV و U VI ؛ في سفين - 138.4. تم الكشف عن نقص النظائر في بعض النيازك 235 يو. تم العثور على أدنى تركيز له في ظل الظروف الأرضية في عام 1972 من قبل الباحث الفرنسي Buzhigues في بلدة أوكلو في أفريقيا (وديعة في الجابون). وهكذا ، يحتوي اليورانيوم الطبيعي على 0.7025٪ يورانيوم 235 يو ، بينما في أوكلو ينخفض إلى 0.557٪. دعم هذا فرضية وجود مفاعل نووي طبيعي يؤدي إلى احتراق النظائر ، وهو ما تنبأ به جورج دبليو ويذريل من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ومارك جي إنغرام من جامعة شيكاغو وبول ك. أركنساس ، الذي وصف العملية في عام 1956. بالإضافة إلى ذلك ، تم العثور على مفاعلات نووية طبيعية في نفس المقاطعات: Okelobondo ، Bangombe ، وغيرهما ، حاليًا ، حوالي 17 مفاعلًا نوويًا طبيعيًا معروفًا.
إيصال
المرحلة الأولى من إنتاج اليورانيوم هي التركيز. يتم سحق الصخر وخلطه بالماء. تستقر مكونات المادة المعلقة الثقيلة بشكل أسرع. إذا كانت الصخور تحتوي على معادن اليورانيوم الأولية ، فإنها تترسب بسرعة: وهي معادن ثقيلة. تكون معادن اليورانيوم الثانوية أخف وزنا ، وفي هذه الحالة تستقر النفايات الثقيلة من الصخور في وقت مبكر. (ومع ذلك ، فهو بعيد كل البعد عن كونه فارغًا دائمًا ؛ يمكن أن يحتوي على العديد من العناصر المفيدة ، بما في ذلك اليورانيوم).
المرحلة التالية هي ترشيح المركزات ، وتحويل اليورانيوم إلى محلول. تطبيق الترشيح الحمضي والقلوي. الأول أرخص ، لأن حامض الكبريتيك يستخدم لاستخراج اليورانيوم. ولكن إذا كان في اللقيم ، كما هو الحال ، على سبيل المثال ، في اليورانيوم قطران، اليورانيوم في حالة رباعي التكافؤ ، فإن هذه الطريقة غير قابلة للتطبيق: اليورانيوم رباعي التكافؤ في حمض الكبريتيك لا يذوب عمليًا. في هذه الحالة ، يجب على المرء إما اللجوء إلى الترشيح القلوي ، أو أكسدة اليورانيوم مسبقًا إلى الحالة سداسية التكافؤ.
لا تستخدم الترشيح الحمضي وفي الحالات التي يحتوي فيها تركيز اليورانيوم على الدولوميت أو المغنسيت الذي يتفاعل مع حامض الكبريتيك. في هذه الحالات ، تستخدم الصودا الكاوية (هيدروكسيد صوديوم).
يتم حل مشكلة ترشيح اليورانيوم من الخامات عن طريق تطهير الأكسجين. يتم إدخال تدفق الأكسجين في خليط من خام اليورانيوم مع معدن كبريتيد يتم تسخينه إلى 150 درجة مئوية. في هذه الحالة ، يتكون حمض الكبريتيك من معادن الكبريت التي تغسل اليورانيوم.
في المرحلة التالية ، يجب عزل اليورانيوم بشكل انتقائي عن المحلول الناتج. الطرق الحديثة - الاستخراج والتبادل الأيوني - تسمح بحل هذه المشكلة.
لا يحتوي المحلول على اليورانيوم فحسب ، بل يحتوي أيضًا على كاتيونات أخرى. يتصرف بعضها في ظل ظروف معينة بنفس الطريقة التي يتصرف بها اليورانيوم: يتم استخلاصها بنفس المذيبات العضوية ، وترسب على نفس راتنجات التبادل الأيوني ، وتتسرب في نفس الظروف. لذلك ، بالنسبة للعزل الانتقائي لليورانيوم ، يتعين على المرء استخدام العديد من تفاعلات الأكسدة والاختزال من أجل التخلص من رفيق غير مرغوب فيه أو آخر في كل مرحلة. في راتنجات التبادل الأيوني الحديثة ، يتم إطلاق اليورانيوم بشكل انتقائي للغاية.
أساليب التبادل الأيوني والاستخراجكما أنها جيدة لأنها تسمح لك باستخراج اليورانيوم بالكامل من المحاليل السيئة (محتوى اليورانيوم هو أعشار جرام لكل لتر).
بعد هذه العمليات ، يتم نقل اليورانيوم إلى الحالة الصلبة - إلى أحد الأكاسيد أو إلى رابع فلوريد اليورانيوم. لكن هذا اليورانيوم لا يزال بحاجة إلى التنقية من الشوائب باستخدام مقطع عرضي كبير لالتقاط النيوترون الحراري - البورون, الكادميوم، الهافنيوم. يجب ألا يتجاوز محتواها في المنتج النهائي مائة من الألف وأجزاء من المليون في المائة. لإزالة هذه الشوائب ، يتم إذابة مركب يورانيوم نقي تجاريًا في حمض النيتريك. في هذه الحالة ، يتم تكوين نترات اليورانيل UO 2 (NO 3) 2 ، والتي عند استخلاصها باستخدام فوسفات ثلاثي البيوتيل وبعض المواد الأخرى ، يتم تنقيتها بالإضافة إلى الظروف المرغوبة. ثم تتبلور هذه المادة (أو ترسب بيروكسيد UO 4 · 2H 2 O) ويبدأ الاشتعال بحذر. نتيجة لهذه العملية ، يتكون ثالث أكسيد اليورانيوم UO 3 ، والذي يتم اختزاله بالهيدروجين إلى UO 2.
يتم معالجة ثاني أكسيد اليورانيوم UO 2 عند درجة حرارة من 430 إلى 600 درجة مئوية بفلوريد الهيدروجين الجاف للحصول على رباعي فلوريد UF 4. يتم تقليل اليورانيوم المعدني من هذا المركب باستخدام الكالسيومأو المغنيسيوم.
الخصائص الفيزيائية
اليورانيوم معدن ثقيل جدًا وله لون أبيض فضي ولامع. في شكله النقي ، يكون أكثر ليونة قليلاً من الفولاذ ، مرن ، مرن ، وله خصائص مغناطيسية طفيفة. يحتوي اليورانيوم على ثلاثة أشكال متآصلة: ألفا (موشوري ، مستقر حتى 667.7 درجة مئوية) ، بيتا (رباعي الزوايا ، مستقر من 667.7 درجة مئوية إلى 774.8 درجة مئوية) ، جاما (مع هيكل مكعب محوره الجسم موجود من 774 ، 8 درجات مئوية إلى نقطة الانصهار).
الخصائص المشعة لبعض نظائر اليورانيوم (تم عزل النظائر الطبيعية):
الخواص الكيميائية
يمكن أن يُظهر اليورانيوم حالات أكسدة من + III إلى + VI. تشكل مركبات اليورانيوم (III) محاليل حمراء غير مستقرة وهي عوامل اختزال قوية:
4UCl 3 + 2H 2 O → 3UCl 4 + UO 2 + H 2
مركبات اليورانيوم (IV) هي الأكثر استقرارًا وتشكل المحاليل المائية الخضراء.
مركبات اليورانيوم (V) غير مستقرة وغير متناسبة بسهولة في محلول مائي:
2UO 2 Cl → UO 2 Cl 2 + UO 2
كيميائيا ، اليورانيوم معدن نشط جدا. يتأكسد بسرعة في الهواء ، وهو مغطى بغشاء أكسيد قزحي الألوان. يشتعل مسحوق اليورانيوم الناعم تلقائيًا في الهواء ، ويشتعل عند درجة حرارة 150-175 درجة مئوية ، مكونًا U 3 O 8. عند 1000 درجة مئوية ، يتحد اليورانيوم مع النيتروجين لتكوين نيتريد اليورانيوم الأصفر. الماء قادر على تآكل المعدن ، ببطء في درجات حرارة منخفضة ، وبسرعة في درجات حرارة عالية ، وكذلك مع طحن دقيق لمسحوق اليورانيوم. يذوب اليورانيوم في أحماض الهيدروكلوريك والنتريك وغيرها ، مكونًا أملاحًا رباعية التكافؤ ، ولكنه لا يتفاعل مع القلويات. أورانوس يزيح هيدروجينمن الأحماض غير العضوية والمحاليل الملحية من معادن مثل الزئبق, فضة, نحاس, القصدير, البلاتينوذهب. مع اهتزاز قوي ، تبدأ جزيئات اليورانيوم المعدنية في التوهج. يحتوي اليورانيوم على أربع حالات أكسدة - III-VI. تشتمل المركبات سداسي التكافؤ على ثالث أكسيد اليورانيوم (أكسيد اليورانيل) UO 3 وكلوريد اليورانيوم UO 2 Cl 2. يعتبر رباعي كلوريد اليورانيوم UCl 4 وثاني أكسيد اليورانيوم UO 2 أمثلة على اليورانيوم رباعي التكافؤ. المواد التي تحتوي على اليورانيوم رباعي التكافؤ عادة ما تكون غير مستقرة وتتحول إلى يورانيوم سداسي التكافؤ عند التعرض الطويل للهواء. تتحلل أملاح اليورانيل ، مثل كلوريد اليورانيل ، في وجود ضوء ساطع أو مواد عضوية.
تطبيق
وقود نووي
لديه أعظم تطبيق النظيراليورانيوم 235 يو ، حيث يمكن حدوث تفاعل نووي متسلسل ذاتي الاستدامة. لذلك ، يستخدم هذا النظير كوقود في المفاعلات النووية ، وكذلك في الأسلحة النووية. يعتبر فصل نظير اليورانيوم 235 عن اليورانيوم الطبيعي مشكلة تكنولوجية معقدة (انظر فصل النظائر).
نظير U 238 قادر على الانشطار تحت تأثير القصف بالنيوترونات عالية الطاقة ، وتستخدم هذه الميزة لزيادة قوة الأسلحة النووية الحرارية (تستخدم النيوترونات الناتجة عن تفاعل نووي حراري).
نتيجة لالتقاط النيوترونات متبوعًا بانحلال بيتا ، يمكن تحويل 238 يو إلى 239 بلوتونيوم ، والذي يستخدم بعد ذلك كوقود نووي.
قد يصبح اليورانيوم -233 ، المنتج صناعياً في مفاعلات من الثوريوم (الثوريوم -232 يلتقط نيوتروناً ويتحول إلى ثوريوم -233 ، الذي يتحلل إلى بروتكتينيوم -23 ثم يورانيوم -233) ، قد يصبح في المستقبل وقودًا نوويًا شائعًا للطاقة النووية المصانع (توجد الآن مفاعلات تستخدم هذا النويدات كوقود ، على سبيل المثال KAMINI في الهند) وإنتاج القنابل الذرية (الكتلة الحرجة حوالي 16 كجم).
يعتبر اليورانيوم 233 أيضًا الوقود الواعد لمحركات الصواريخ النووية التي تعمل بالغاز.
جيولوجيا
الفرع الرئيسي لاستخدام اليورانيوم هو تحديد عمر المعادن والصخور من أجل توضيح تسلسل العمليات الجيولوجية. يتم ذلك من خلال علم الأرض وعلم الجيولوجيا الزمني النظري. حل مشكلة الاختلاط ومصادر المادة ضروري أيضًا.
يعتمد حل المشكلة على معادلات الانحلال الإشعاعي الموصوفة في المعادلات.
أين 238 Uo, 235 Uo- التركيزات الحديثة لنظائر اليورانيوم ؛ ؛ - ثوابت الاضمحلال ذرات اليورانيوم على التوالي 238 يوو 235 يو.
مزيجهم مهم للغاية:
.نظرًا لأن الصخور تحتوي على تركيزات مختلفة من اليورانيوم ، فإن لها نشاطًا إشعاعيًا مختلفًا. تستخدم هذه الخاصية في اختيار الصخور بالطرق الجيوفيزيائية. تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع في جيولوجيا البترول لتسجيل الآبار ، ويشمل هذا المجمع ، على وجه الخصوص ، التسجيل γ أو تسجيل غاما النيوتروني ، وتسجيل جاما غاما ، وما إلى ذلك. وبمساعدتهم ، يتم تحديد الخزانات والأختام.
تطبيقات أخرى
تعطي إضافة صغيرة من اليورانيوم مضانًا جميلًا باللون الأصفر والأخضر للزجاج (زجاج اليورانيوم).
تم استخدام يورانات الصوديوم Na 2 U 2 O 7 كصبغة صفراء في الطلاء.
استُخدمت مركبات اليورانيوم كطلاء للرسم على الخزف ولطلاء الخزف والمينا (الملون بالألوان: الأصفر والبني والأخضر والأسود حسب درجة الأكسدة).
بعض مركبات اليورانيوم حساسة للضوء.
في بداية القرن العشرين نترات اليورانيلكان يستخدم على نطاق واسع لتعزيز الصور السلبية وإيجابيات الصبغة (الصبغة) (المطبوعات الفوتوغرافية) باللون البني.
يستخدم كربيد اليورانيوم 235 في سبيكة مع كربيد النيوبيوم وكربيد الزركونيوم كوقود للمحركات النفاثة النووية (السائل العامل هو الهيدروجين + الهكسان).
تُستخدم سبائك الحديد واليورانيوم المستنفد (اليورانيوم 238) كمواد تقبض مغناطيسي قوية.
يورانيوم منضب
يورانيوم منضب
بعد استخراج 235U و 234 U من اليورانيوم الطبيعي ، تسمى المادة المتبقية (اليورانيوم 238) "اليورانيوم المستنفد" لأنها مستنفدة في النظير 235. وفقًا لبعض التقارير ، يتم تخزين حوالي 560.000 طن من سادس فلوريد اليورانيوم المستنفد (UF 6) في الولايات المتحدة.
يعتبر اليورانيوم المستنفد نصف نشاط إشعاعي مثل اليورانيوم الطبيعي ، ويرجع ذلك أساسًا إلى إزالة 234 وحدة منه. نظرًا لأن الاستخدام الرئيسي لليورانيوم هو إنتاج الطاقة ، فإن اليورانيوم المستنفد منتج منخفض الاستخدام وقيمته الاقتصادية منخفضة.
في الأساس ، يرتبط استخدامه بكثافة اليورانيوم العالية وتكلفته المنخفضة نسبيًا. يستخدم اليورانيوم المستنفد للوقاية من الإشعاع (ومن المفارقات) وكثقل موازنة في تطبيقات الفضاء مثل أسطح التحكم في الطائرات. تحتوي كل طائرة بوينج 747 على 1500 كجم من اليورانيوم المستنفد لهذا الغرض. تُستخدم هذه المواد أيضًا في دوارات الجيروسكوب عالية السرعة ، والحذافات الكبيرة ، وكوابح في مركبات الهبوط في الفضاء ويخوت السباق ، أثناء حفر آبار النفط.
نوى قذيفة خارقة للدروع
طرف (بطانة) مقذوف من عيار 30 ملم (مدافع GAU-8 للطائرة A-10) يبلغ قطرها حوالي 20 ملم من اليورانيوم المستنفد.
أشهر استخدام لليورانيوم المستنفد هو أن تكون نوى للقذائف الخارقة للدروع. عند الخلط مع 2٪ Mo أو 0.75٪ Ti والمعالجة بالحرارة (التبريد السريع للمعدن المسخن إلى 850 درجة مئوية في الماء أو الزيت ، والاحتفاظ بمزيد من الحرارة عند 450 درجة مئوية لمدة 5 ساعات) ، يصبح اليورانيوم المعدني أكثر صلابة وأقوى من الفولاذ (قوة الشد أكبر من 1600 ميجا باسكال ، على الرغم من حقيقة أن اليورانيوم النقي يبلغ 450 ميجا باسكال). إلى جانب كثافته العالية ، فإن هذا يجعل سبيكة اليورانيوم المقوى أداة فعالة للغاية لاختراق الدروع ، تشبه في فعاليتها التنجستن الأكثر تكلفة. يغير طرف اليورانيوم الثقيل أيضًا توزيع الكتلة في القذيفة ، مما يحسن استقرارها الديناميكي الهوائي.
تُستخدم سبائك مماثلة من نوع Stabilla في قذائف على شكل سهم من الريش للدبابات وقطع المدفعية المضادة للدبابات.
تترافق عملية تدمير الدروع مع طحن سبيكة اليورانيوم في الغبار وإشعالها في الهواء على الجانب الآخر من الدرع (انظر الاشتعال التلقائي). بقي حوالي 300 طن من اليورانيوم المنضب في ساحة المعركة خلال عملية عاصفة الصحراء (معظمها بقايا قذائف من مدفع GAU-8 عيار 30 ملم لطائرة هجومية من طراز A-10 ، تحتوي كل قذيفة على 272 جم من سبائك اليورانيوم).
استخدمت قوات الناتو مثل هذه القذائف في القتال في يوغوسلافيا. بعد تطبيقها ، تمت مناقشة المشكلة البيئية للتلوث الإشعاعي لأراضي البلاد.
لأول مرة ، تم استخدام اليورانيوم كنواة للقذائف في الرايخ الثالث.
يستخدم اليورانيوم المستنفد في دروع الدبابات الحديثة ، مثل دبابة M-1 Abrams.
العمل الفسيولوجي
في الكميات الدقيقة (10 -5 -10 -8٪) توجد في أنسجة النباتات والحيوانات والبشر. يتراكم إلى أقصى حد بواسطة بعض الفطريات والطحالب. يتم امتصاص مركبات اليورانيوم في الجهاز الهضمي (حوالي 1٪) ، في الرئتين - 50٪. المستودعات الرئيسية في الجسم: الطحال والكلى والهيكل العظمي والكبد والرئتين والغدد الليمفاوية القصبية الرئوية. لا يتجاوز المحتوى في أعضاء وأنسجة الإنسان والحيوان 10 7 جم.
اليورانيوم ومركباته سامة. تعتبر الهباء الجوي لليورانيوم ومركباته خطيرة بشكل خاص. بالنسبة للهباء الجوي لمركبات اليورانيوم القابلة للذوبان في الماء ، يكون MPC في الهواء 0.015 مجم / متر مكعب ، وللأشكال غير القابلة للذوبان من اليورانيوم MPC هو 0.075 مجم / متر مكعب. عندما يدخل اليورانيوم الجسم ، يؤثر اليورانيوم على جميع الأعضاء ، لكونه سمًا خلويًا عامًا. ترتبط الآلية الجزيئية لعمل اليورانيوم بقدرته على تثبيط نشاط الإنزيمات. بادئ ذي بدء ، تتأثر الكلى (يظهر البروتين والسكر في البول ، قلة البول). مع التسمم المزمن ، من الممكن حدوث اضطرابات في تكوين الدم والجهاز العصبي.
الإنتاج حسب الأطنان حسب المحتوى U للفترة 2005-2006
إنتاج الشركات في عام 2006:
Cameco - 8.1 ألف طن
ريو تينتو - 7 آلاف طن
أريفا - 5 آلاف طن
Kazatomprom - 3.8 ألف طن
JSC TVEL - 3.5 ألف طن
بي إتش بي بيليتون - 3 آلاف طن
Navoi MMC - 2.1 ألف طن ( أوزبكستان, نافوي)
يورانيوم واحد - ألف طن
هيثجيت - 0.8 ألف طن
مناجم دينيسون - 0.5 ألف طن
الإنتاج في روسيا
في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، كانت مناطق خام اليورانيوم الرئيسية هي أوكرانيا (رواسب Zheltorechenskoye ، Pervomayskoye ، إلخ) ، كازاخستان (حقل خام شمال - Balkashinskoe ، إلخ ؛ جنوب - حقل خام Kyzylsay ، إلخ ؛ Vostochny ؛ كلهم ينتمون بشكل رئيسي إلى النوع البركاني المائي الحراري) ؛ Transbaikalia (Antey ، Streltsovskoye ، إلخ) ؛ آسيا الوسطى ، وأوزبكستان بشكل رئيسي مع تمعدن في الصخر الزيتي الأسود ومركزها في مدينة أوتشكودوك. هناك العديد من مظاهر وتكرار الركازات الصغيرة. في روسيا ، ظلت ترانسبايكاليا المنطقة الرئيسية لخام اليورانيوم. يُستخرج حوالي 93٪ من اليورانيوم الروسي في منطقة شيتا (بالقرب من مدينة كراسنوكامينسك). يتم التعدين من قبل جمعية بريارجونسكي للتعدين الصناعي والكيماويات (PIMCU) ، وهي جزء من JSC Atomredmetzoloto (اليورانيوم القابضة) ، باستخدام طريقة التعدين.
يتم الحصول على نسبة 7٪ المتبقية عن طريق النض في الموقع من ZAO Dalur (منطقة كورغان) و OAO Khiagda (بورياتيا).
تتم معالجة الخامات الناتجة وتركيز اليورانيوم في مصنع تشيبيتسك الميكانيكي.
التعدين في كازاخستان
حوالي خمس احتياطيات اليورانيوم في العالم تتركز في كازاخستان (21 ٪ والمركز الثاني في العالم). يبلغ إجمالي موارد اليورانيوم حوالي 1.5 مليون طن ، منها حوالي 1.1 مليون طن يمكن تعدينها عن طريق الترشيح في الموقع.
في عام 2009 ، احتلت كازاخستان المرتبة الأولى في العالم من حيث تعدين اليورانيوم.
الإنتاج في أوكرانيا
المشروع الرئيسي هو مصنع التعدين والتجهيز الشرقي في مدينة Zhovti Vody.
السعر
على الرغم من الأساطير حول عشرات الآلاف من الدولارات للكيلوغرام أو حتى الجرام لكميات اليورانيوم ، فإن سعره الحقيقي في السوق ليس مرتفعًا للغاية - أكسيد اليورانيوم غير المخصب U 3 O 8 يكلف أقل من 100 دولار أمريكي للكيلوغرام الواحد. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه لإطلاق مفاعل نووي على يورانيوم غير مخصب ، هناك حاجة لعشرات أو حتى مئات الأطنان من الوقود ، ولصنع أسلحة نووية ، يجب تخصيب كمية كبيرة من اليورانيوم للحصول على تركيزات مناسبة لإنشاء قنبلة.
URANUS (الاسم تكريما لكوكب Uranus الذي اكتشف قبله بفترة وجيزة ؛ Lat. uranium * a. uranium ؛ n. Uran ؛ f. uranium ؛ و uranio) ، U ، عنصر كيميائي مشع من المجموعة الثالثة من النظام الدوري من Mendeleev ، العدد الذري 92 ، الكتلة الذرية 238.0289 ، يشير إلى الأكتينيدات. يتكون اليورانيوم الطبيعي من مزيج من ثلاثة نظائر: 238 U (99.282٪ ، T 1/2 4.468.10 9 سنوات) ، 235 U (0.712٪ ، T 1/2 0.704.10 9 سنوات) ، 234 U (0.006٪ ، ت 1 / 0.244.10 6 سنوات). يُعرف أيضًا 11 نظيرًا مشعًا صناعيًا لليورانيوم بأعداد كتلتها من 227 إلى 240.
تم اكتشاف اليورانيوم في عام 1789 على شكل UO 2 بواسطة الكيميائي الألماني M.G. تم الحصول على اليورانيوم المعدني في عام 1841 من قبل الكيميائي الفرنسي E.Peligot. لفترة طويلة ، كان لليورانيوم استخدامًا محدودًا للغاية ، وفقط مع اكتشاف النشاط الإشعاعي في عام 1896 بدأت دراسته واستخدامه.
خواص اليورانيوم
في الحالة الحرة ، اليورانيوم معدن رمادي فاتح ؛ أقل من 667.7 درجة مئوية ، يتميز بشبكة بلورية (أ = 0.28538 نانومتر ، ب = 0.58662 نانومتر ، ج = 0.49557 نانومتر) شعرية بلورية (تعديل أ) ، في نطاق درجة الحرارة 667.7-774 درجة مئوية - رباعي الزوايا (أ = 1.0759) نانومتر ، ج = 0.5656 نانومتر ؛ تعديل R) ، عند درجة حرارة أعلى - شعرية مكعبة محورها الجسم (أ = 0.3538 نانومتر ، تعديل g). الكثافة 18700 كجم / م 3 ، الانصهار 1135 درجة مئوية ، الغليان حوالي 3818 درجة مئوية ، السعة الحرارية المولية 27.66 جول / (مول كلفن) ، المقاومة الكهربائية 29.0.10 -4 (أوم.م) ، التوصيل الحراري 22 ، 5 W / (m.K) ، معامل درجة الحرارة للتمدد الخطي 10.7.10 -6 K -1. درجة حرارة انتقال اليورانيوم إلى حالة التوصيل الفائق هي 0.68 كلفن ؛ مغناطيس ضعيف ، حساسية مغناطيسية محددة 1.72.10 -6. تنشطر النوى 235 U و 233 U تلقائيًا ، وكذلك أثناء التقاط النيوترونات البطيئة والسريعة ، ينشطر 238 U فقط أثناء التقاط النيوترونات السريعة (أكثر من 1 MeV). عندما يتم التقاط النيوترونات البطيئة ، يتحول 238 U إلى 239 Pu. الكتلة الحرجة لليورانيوم (93.5٪ 235U) في المحاليل المائية أقل من 1 كجم ، بالنسبة للكرة المفتوحة حوالي 50 كجم ؛ بالنسبة لـ 233 U ، تكون الكتلة الحرجة تقريبًا 1/3 من الكتلة الحرجة لـ 235 U.
التعليم والمحتوى في الطبيعة
المستهلك الرئيسي لليورانيوم هو هندسة الطاقة النووية (المفاعلات النووية ومحطات الطاقة النووية). بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم اليورانيوم لإنتاج أسلحة نووية. جميع مجالات استخدام اليورانيوم الأخرى ذات أهمية ثانوية بشكل حاد.
(بحسب بولينج)
U ← U 3+ -1.66 فولت
U ← U 2+ -0.1V
قصة
حتى في العصور القديمة (القرن الأول قبل الميلاد) ، كان اليورانيوم الطبيعي يستخدم لصنع طلاء أصفر.
تم اكتشاف اليورانيوم في عام 1789 من قبل الكيميائي الألماني مارتن هاينريش كلابروث (كلابروث) أثناء دراسة المعدن ("قطران اليورانيوم"). تم تسميته على اسمه ، اكتشف عام 1781. في الحالة المعدنية ، حصل الكيميائي الفرنسي يوجين بيليجوت على اليورانيوم في عام 1841 أثناء اختزال UCl 4 بالبوتاسيوم المعدني. تم اكتشاف اليورانيوم في عام 1896 على يد فرنسي. في البداية ، نُسب 116 إلى اليورانيوم ، ولكن في عام 1871 توصل إلى استنتاج مفاده أنه يجب مضاعفته. بعد اكتشاف العناصر ذات الأعداد الذرية من 90 إلى 103 ، توصل الكيميائي الأمريكي جي سيبورج إلى استنتاج مفاده أنه من الأصح وضع هذه العناصر () في النظام الدوري في نفس الخلية مع العنصر رقم 89. يرجع هذا الترتيب إلى حقيقة أن المستوى الفرعي للإلكترون 5f قد اكتمل في الأكتينيدات.
التواجد في الطبيعة
اليورانيوم عنصر مميز لطبقة الجرانيت والقشرة الرسوبية لقشرة الأرض. المحتوى في القشرة الأرضية 2.5 10-4٪ بالوزن. في مياه البحر ، يكون تركيز اليورانيوم أقل من 10-9 جم / لتر ؛ وفي المجموع ، تحتوي مياه البحر على ما بين 10 9 و 10 10 أطنان من اليورانيوم. لا يوجد اليورانيوم بشكل حر في قشرة الأرض. يُعرف حوالي 100 معدن من اليورانيوم ، أهمها U 3 O 8 ، اليورانيت (U ، Th) O 2 ، خام راتنج اليورانيوم (يحتوي على أكاسيد اليورانيوم ذات التكوين المتغير) والتويامونيت Ca [(UO 2) 2 (VO 4 ) 2] 8 H 2 أوه
النظائر
يتكون اليورانيوم الطبيعي من مزيج من ثلاثة نظائر: 238 يو - 99.2739٪ ، نصف عمر T 1/2 = 4.51-10 9 سنوات ، 235 يو - 0.7024٪ (T 1/2 = 7.13-10 8 سنوات) و 234 وحدة. - 0.0057٪ (T 1/2 \ u003d 2.48 × 10 5 سنوات).
هناك 11 نظيرًا مشعًا صناعيًا معروفًا بأعداد كتلتها من 227 إلى 240.
أطول عمرًا - 233 يو (T 1/2 = 1.62 10 5 سنوات) يتم الحصول عليها عن طريق تشعيع الثوريوم بالنيوترونات.
نظائر اليورانيوم 238 يو و 235 يو هي أسلاف سلسلتين مشعة.
إيصال
المرحلة الأولى من إنتاج اليورانيوم هي التركيز. يتم سحق الصخر وخلطه بالماء. مكونات المادة المعلقة الثقيلة تترسب بشكل أسرع. إذا كانت الصخور تحتوي على معادن اليورانيوم الأولية ، فإنها تترسب بسرعة: وهي معادن ثقيلة. تكون المعادن الثانوية للعنصر # 92 أخف ، وفي هذه الحالة تستقر النفايات الصخرية الثقيلة في وقت سابق. (ومع ذلك ، فهو بعيد كل البعد عن كونه فارغًا دائمًا ؛ يمكن أن يحتوي على العديد من العناصر المفيدة ، بما في ذلك اليورانيوم).
المرحلة التالية هي ترشيح المركزات ، ونقل العنصر رقم 92 إلى محلول. تطبيق الترشيح الحمضي والقلوي. الأول أرخص ، حيث يتم استخدام اليورانيوم في الاستخراج. ولكن إذا كان في اللقيم ، كما هو الحال ، على سبيل المثال ، في اليورانيوم قطران، اليورانيوم في حالة رباعي التكافؤ ، فهذه الطريقة غير قابلة للتطبيق: اليورانيوم رباعي التكافؤ في حامض الكبريتيك غير قابل للذوبان عمليا. وتحتاج إما إلى اللجوء إلى الترشيح القلوي ، أو أكسدة اليورانيوم مسبقًا إلى حالة سداسية التكافؤ.
لا تستخدم الترشيح الحمضي وفي الحالات التي يحتوي فيها تركيز اليورانيوم أو. يجب إنفاق الكثير من الأحماض على إذابتها ، وفي هذه الحالات من الأفضل استخدامها ().
يتم حل مشكلة ارتشاح اليورانيوم من خلال تطهير الأكسجين. يتم تغذية تيار في خليط من خام اليورانيوم والمعادن المسخنة حتى 150 درجة مئوية. في الوقت نفسه ، يتكون من المعادن الكبريتية التي تغسل اليورانيوم.
في المرحلة التالية ، يجب عزل اليورانيوم بشكل انتقائي عن المحلول الناتج. الأساليب الحديثة - و - تسمح بحل هذه المشكلة.
لا يحتوي المحلول على اليورانيوم فحسب ، بل يحتوي أيضًا على مواد أخرى. يتصرف بعضها في ظل ظروف معينة بنفس الطريقة التي يتصرف بها اليورانيوم: يتم استخلاصها بالمذيبات نفسها ، وترسبها على نفس راتنجات التبادل الأيوني ، وترسب في نفس الظروف. لذلك ، بالنسبة للعزل الانتقائي لليورانيوم ، يتعين على المرء استخدام العديد من تفاعلات الأكسدة والاختزال من أجل التخلص من رفيق غير مرغوب فيه أو آخر في كل مرحلة. في راتنجات التبادل الأيوني الحديثة ، يتم إطلاق اليورانيوم بشكل انتقائي للغاية.
أساليب التبادل الأيوني والاستخراجكما أنها جيدة لأنها تسمح لك باستخراج اليورانيوم بالكامل من المحاليل السيئة ، حيث يوجد في لتر واحد فقط أعشار الجرام من العنصر رقم 92.
بعد هذه العمليات ، يتم نقل اليورانيوم إلى الحالة الصلبة - إلى أحد الأكاسيد أو إلى رباعي فلوريد UF 4. لكن هذا اليورانيوم لا يزال بحاجة إلى التنقية من الشوائب باستخدام مقطع عرضي كبير لالتقاط النيوترون الحراري - ،. يجب ألا يتجاوز محتواها في المنتج النهائي مائة من الألف وأجزاء من المليون في المائة. لذلك يجب إذابة المنتج النقي تقنيًا الذي تم الحصول عليه مرة أخرى - هذه المرة في. يتم أيضًا تنقية نترات اليورانيل UO 2 (NO 3) 2 أثناء الاستخلاص باستخدام فوسفات ثلاثي البيوتيل وبعض المواد الأخرى إلى الظروف المرغوبة. ثم تتبلور هذه المادة (أو ترسب بيروكسيد UO 4 · 2H 2 O) ويبدأ الاشتعال بحذر. نتيجة لهذه العملية ، يتكون ثالث أكسيد اليورانيوم UO 3 ، والذي يتم تقليله إلى UO 2.
هذه المادة هي المادة قبل الأخيرة في الطريق من الركاز إلى المعدن. عند درجات حرارة تتراوح من 430 إلى 600 درجة مئوية ، يتفاعل مع فلوريد الهيدروجين الجاف ويتحول إلى رابع فلوريد UF. وعادة ما يتم الحصول على اليورانيوم المعدني من هذا المركب. تلقي بالمساعدة أو المعتاد.
الخصائص الفيزيائية
اليورانيوم معدن ثقيل جدًا وله لون أبيض فضي ولامع. في شكله النقي ، يكون أكثر ليونة قليلاً من الفولاذ ، مرن ، مرن ، وله خصائص مغناطيسية طفيفة. يحتوي اليورانيوم على ثلاثة أشكال متآصلة: ألفا (موشوري ، مستقر حتى 667.7 درجة مئوية) ، بيتا (رباعي الزوايا ، مستقر من 667.7 إلى 774.8 درجة مئوية) ، جاما (بهيكل مكعب محوره الجسم ، موجود من 774.8 درجة مئوية إلى نقطة الانصهار ).
الخواص الكيميائية
النشاط الكيميائي لليورانيوم المعدني مرتفع. في الهواء ، يتم تغطيته بفيلم قزحي الألوان. اليورانيوم المسحوق ، يشتعل تلقائيًا عند درجة حرارة 150-175 درجة مئوية. أثناء احتراق اليورانيوم والتحلل الحراري للعديد من مركباته في الهواء ، يتكون أكسيد اليورانيوم U 3 O 8. إذا تم تسخين هذا الأكسيد في الغلاف الجوي عند درجات حرارة أعلى من 500 درجة مئوية ، يتشكل ثاني أكسيد اليورانيوم 2. عندما تنصهر أكاسيد اليورانيوم مع أكاسيد معادن أخرى ، تتشكل اليورانات: K 2 UO 4 (يورانات البوتاسيوم) ، CaUO 4 (يورانات الكالسيوم) ، Na 2 U 2 O 7 (ديورانات الصوديوم).
تطبيق
وقود نووي
يحتوي اليورانيوم 235 U على أكبر تطبيق ، حيث يكون الاكتفاء الذاتي ممكنًا. لذلك ، يستخدم هذا النظير كوقود في وكذلك في (الكتلة الحرجة حوالي 48 كجم). يعتبر عزل النظير U 235 من اليورانيوم الطبيعي مشكلة تكنولوجية معقدة (انظر). نظير U 238 قادر على الانشطار تحت تأثير القصف بالنيوترونات عالية الطاقة ، وتستخدم هذه الميزة لزيادة الطاقة (يتم استخدام النيوترونات الناتجة عن تفاعل نووي حراري). نتيجة لالتقاط النيوترونات متبوعًا بانحلال بيتا ، يمكن أن يتحول 238 يو إلى 239 ، والذي يستخدم بعد ذلك كوقود نووي.
اليورانيوم -233 الذي يتم الحصول عليه صناعياً في المفاعلات (عن طريق التشعيع بالنيوترونات ثم تحويله إلى يورانيوم -233 ثم إلى) هو وقود نووي لمحطات الطاقة النووية وإنتاج القنابل الذرية (كتلته الحرجة حوالي 16 كجم). يعتبر اليورانيوم 233 أيضًا الوقود الواعد لمحركات الصواريخ النووية التي تعمل بالغاز.
تطبيقات أخرى
- إضافة صغيرة من اليورانيوم تضفي صبغة صفراء مخضرة جميلة على الزجاج.
- يستخدم كربيد اليورانيوم 235 في سبيكة مع كربيد النيوبيوم وكربيد الزركونيوم كوقود للمحركات النفاثة النووية (السائل العامل هو الهيدروجين + الهكسان).
- تُستخدم سبائك الحديد واليورانيوم المستنفد (اليورانيوم 238) كمواد تقبض مغناطيسي قوية.
- في بداية القرن العشرين نترات اليورانيلتم استخدامه على نطاق واسع كعامل virating لإنتاج مطبوعات فوتوغرافية ملونة.
يورانيوم منضب
بعد استخلاص اليورانيوم 235 من اليورانيوم الطبيعي ، يطلق على المادة المتبقية اسم "اليورانيوم المستنفد" لأنه مستنفد في النظير رقم 235. وفقًا لبعض التقارير ، يتم تخزين حوالي 560.000 طن من سادس فلوريد اليورانيوم المستنفد (UF 6) في الولايات المتحدة. يعتبر اليورانيوم المنضب نصف نشاط إشعاعي مثل اليورانيوم الطبيعي ، ويرجع ذلك أساسًا إلى إزالة اليورانيوم 234 منه. لأن الاستخدام الرئيسي لليورانيوم هو إنتاج الطاقة ، فإن اليورانيوم المستنفد منتج عديم الفائدة ذو قيمة اقتصادية قليلة.
يرتبط استخدامه الأساسي بالكثافة العالية لليورانيوم وتكلفته المنخفضة نسبيًا: استخدامه للحماية من الإشعاع (قد يبدو غريبًا) وكثقل موازنة في تطبيقات الفضاء مثل أسطح التحكم في الطائرات. تحتوي كل طائرة على 1500 كجم من اليورانيوم المستنفد لهذا الغرض. تُستخدم هذه المواد أيضًا في دوارات الجيروسكوب عالية السرعة ، والحذافات الكبيرة ، وكوابح في مركبات الهبوط في الفضاء ويخوت السباق ، أثناء حفر آبار النفط.
نوى قذيفة خارقة للدروع
أشهر استخدام لليورانيوم هو استخدام النوى الأمريكية. عند الاندماج بنسبة 2٪ أو 0.75٪ والمعالجة الحرارية (التبريد السريع للمعدن المسخن إلى 850 درجة مئوية في الماء أو الزيت ، ثم الاحتفاظ بدرجة أكبر عند 450 درجة مئوية لمدة 5 ساعات) ، يصبح اليورانيوم المعدني أكثر صلابة وأقوى (قوة الشد أكثر من 1600 MPa ، في حين أن هذا بالنسبة لليورانيوم النقي هو 450 ميجا باسكال). إلى جانب كثافته العالية ، يجعل هذا سبيكة اليورانيوم المقوى أداة فعالة للغاية لاختراق الدروع ، مماثلة في فعاليتها للأكثر تكلفة. تترافق عملية تدمير الدروع مع طحن اليورانيوم في غبار وإشعاله في الهواء على الجانب الآخر من الدرع. بقي حوالي 300 طن من اليورانيوم المنضب في ساحة المعركة خلال عملية عاصفة الصحراء (معظمها بقايا قذائف من مدفع GAU-8 عيار 30 ملم لطائرة هجومية من طراز A-10 ، تحتوي كل قذيفة على 272 جم من سبائك اليورانيوم).
استخدمت قوات الناتو مثل هذه القذائف في القتال في يوغوسلافيا. بعد تطبيقها ، تمت مناقشة المشكلة البيئية للتلوث الإشعاعي لأراضي البلاد.
يستخدم اليورانيوم المستنفد في دروع الدبابات الحديثة ، مثل الخزان.
العمل الفسيولوجي
في الكميات الدقيقة (10 -5 -10 -8٪) توجد في أنسجة النباتات والحيوانات والبشر. يتراكم إلى أقصى حد بواسطة بعض الفطريات والطحالب. يتم امتصاص مركبات اليورانيوم في الجهاز الهضمي (حوالي 1٪) ، في الرئتين - 50٪. المستودعات الرئيسية في الجسم: الطحال والشعب الهوائية الرئوية. لا يتجاوز المحتوى في أعضاء وأنسجة الإنسان والحيوان 10-7 جم.
اليورانيوم ومركباته سامة. تعتبر الهباء الجوي لليورانيوم ومركباته خطيرة بشكل خاص. بالنسبة للهباء الجوي لمركبات اليورانيوم القابلة للذوبان في الماء ، يكون MPC في الهواء 0.015 مجم / م 3 ، وللأشكال غير القابلة للذوبان من اليورانيوم 0.075 مجم / م 3. عندما يدخل اليورانيوم الجسم ، يؤثر اليورانيوم على جميع الأعضاء ، لكونه سمًا خلويًا عامًا. ترتبط الآلية الجزيئية لعمل اليورانيوم بقدرته على قمع النشاط. أولاً ، يتأثرون (يظهر البروتين والسكر في البول). في الحالات المزمنة ، من الممكن حدوث اضطرابات في تكوين الدم والجهاز العصبي.
تعدين اليورانيوم في العالم
وفقًا لـ "الكتاب الأحمر لليورانيوم" ، الصادر عام 2005 ، تم تعدين 41.250 طنًا من اليورانيوم (في عام 2003 - 35492 طنًا). وفقًا لمنظمة التعاون الاقتصادي والتنمية ، هناك 440 استخدامًا تجاريًا في العالم يستهلك 67000 طن من اليورانيوم سنويًا. وهذا يعني أن إنتاجها يوفر 60٪ فقط من استهلاكها (يتم استرداد الباقي من الرؤوس النووية القديمة).
الإنتاج حسب البلدان بالأطنان حسب محتوى U للفترة 2005-2006
الإنتاج في روسيا
يتم الحصول على نسبة 7 ٪ المتبقية عن طريق الترشيح الجوفي لـ CJSC Dalur () و OJSC Khiagda ().
تتم معالجة الخامات الناتجة وتركيز اليورانيوم في مصنع تشيبيتسك الميكانيكي.
أنظر أيضا
الروابط
تعتمد التقنيات النووية إلى حد كبير على استخدام طرق الكيمياء الإشعاعية ، والتي تعتمد بدورها على الخصائص الفيزيائية النووية والفيزيائية والكيميائية والسامة للعناصر المشعة.
في هذا الفصل ، نقتصر على وصف موجز لخصائص النظائر الانشطارية الرئيسية - اليورانيوم والبلوتونيوم.
أورانوس
أورانوس ( اليورانيوم) U - عنصر من مجموعة الأكتينيد ، الفترة من 7 إلى 0 من النظام الدوري ، Z = 92 ، الكتلة الذرية 238.029 ؛ أثقل ما يوجد في الطبيعة.
يوجد 25 نظيرًا معروفًا لليورانيوم ، جميعها مشعة. الأسهل 217U (Tj / 2 = 26 مللي ثانية) ، الأثقل 2 4 2 U (7 TJ / 2 = i6.8 دقيقة). هناك 6 ايزومرات نووية. هناك ثلاثة نظائر مشعة في اليورانيوم الطبيعي: 2 ثانية 8 و (99.2 739٪ ، Ti / 2 = 4.47109 لتر) ، 2 35U (0.7205٪ ، G ، / 2 = 7.04-109 سنة) و 2 34U (0.0056٪ ، Ti / 2 = 2.48-swl). يبلغ النشاط الإشعاعي النوعي لليورانيوم الطبيعي 2.48104 بيكريل مقسمًا إلى النصف تقريبًا بين 2 34U و 288 U ؛ يقدم 235U مساهمة صغيرة (النشاط المحدد للنظير 233 في اليورانيوم الطبيعي أقل 21 مرة من نشاط 238U). المقطع العرضي لالتقاط النيوترون الحراري هو 46 و 98 و 2.7 حظيرة لـ 2 zz و 2 35U و 2 3 8 U على التوالي ؛ المقطع العرضي للانشطار 527 و 584 حظيرة لـ 2 zz و 2 s 8 و ، على التوالي ؛ خليط طبيعي من النظائر (0.7٪ 235U) 4.2 حظيرة.
فاتورة غير مدفوعة. 1. الخصائص الفيزيائية النووية 2 h9 ري و 2 35 ج.
فاتورة غير مدفوعة. 2. التقاط النيوترون 2 35C و 2 س 8 ج.
ستة نظائر لليورانيوم قادرة على الانشطار التلقائي: 282 يو ، 2 ثانية ، 234 يو ، 235 يو ، 2 ثانية 6 يو و 2 ثانية 8 يو. النظائر الطبيعية 233 و 235U الانشطار تحت تأثير كل من النيوترونات الحرارية والسريعة ، بينما النوى 238 وقادرة على الانشطار فقط عندما يتم التقاط النيوترونات التي تزيد طاقتها عن 1.1 ميغا إلكترون فولت. عندما يتم التقاط النيوترونات ذات الطاقة المنخفضة ، يتم تحويل النوى 288 U أولاً إلى نوى 2 -i9U ، والتي تخضع بعد ذلك لانحلال p وتنتقل أولاً إلى 2 - "* 9Np ، ثم إلى 239Pu. مقاطع عرضية فعالة لالتقاط نيوترونات حرارية من 2 34U ، 2 نواة 35U و 2 3 8 وتساوي 98 و 683 و 2.7 حظيرة على التوالي. الانشطار الكامل لـ 2 35U يؤدي إلى "طاقة حرارية مكافئة" من 2-107 kWh / kg. النظائر يتم استخدام 2 35U و 2 zzy كوقود نووي ، قادر على دعم تفاعل سلسلة الانشطار.
تنتج المفاعلات النووية ن نظائر صناعية من اليورانيوم بأعداد كتلتها 227-240 ، وأطولها عمراً هو 233U (7 الخامس 2 \ u003d أنا 62 * 5 سنوات) ؛ يتم الحصول عليها عن طريق تشعيع الثوريوم النيوتروني. تولد نظائر اليورانيوم ذات الأعداد الكتلية 239-257 في تدفقات نيوترونية فائقة القوة ناتجة عن انفجار نووي حراري.
اليورانيوم -232- نوكليد تكنوجينيك ، باعث ، تي س / 2 = 68.9 سنة ، النظائر الأصلية 2 3 6 Pu (a) ، 23 2 Np (p *) و 23 2 Pa (p) ، نوكليدة الابنة 228 Th. تبلغ شدة الانشطار العفوي 0.47 قسم / ث كغ.
يتكون اليورانيوم 232 نتيجة للاضمحلال التالي:
P + - اضمحلال النواة * 3 أ Np (Ti / 2 \ u003d 14.7 دقيقة):
في الصناعة النووية ، يتم إنتاج 2 3 2 U كمنتج ثانوي في تخليق النويدات الانشطارية (المخصصة لصنع الأسلحة) 332 في دورة وقود الثوريوم. عند التشعيع بـ 2 3 2 ث ، يحدث التفاعل الرئيسي:
ورد الفعل من خطوتين:
يتم إنتاج 232 يو من الثوريوم فقط على النيوترونات السريعة (هـ"> 6 ميغا إلكترون فولت). إذا كان هناك 2 s ° Th في المادة الأصلية ، فسيتم استكمال تكوين 2 3 2 U بالتفاعل: 2 s ° Th + u-> 2 3'Th. يحدث هذا التفاعل على النيوترونات الحرارية. الجيل 2 3 2 U غير مرغوب فيه لعدد من الأسباب. يتم منعه عن طريق استخدام الثوريوم بتركيز لا يقل عن 23 درجة مئوية.
يحدث تسوس 2 من 2 في الاتجاهات التالية:
اضمحلال في 228 ث (الاحتمال 100٪ ، طاقة اضمحلال 5.414 إلكترون فولت):
طاقة الجزيئات المنبعثة هي 5.263 ميغا إلكترون فولت (في 31.6٪ من الحالات) و 5.320 إلكترون فولت (في 68.2٪ من الحالات).
- - الانشطار التلقائي (احتمال أقل من 12٪) ؛
- - اضمحلال الكتلة مع تكوين النيوكليدات 28 ملغ (احتمالية الاضمحلال أقل من 5 * 10 "12٪):
اضمحلال الكتلة مع تكوين نوكليد 2
اليورانيوم -232 هو سلف سلسلة اضمحلال طويلة ، والتي تشمل النويدات - بواعث الكميات الصلبة:
^ U- (3.64 يومًا ، أ ، ص) -> 220 Rn-> (55.6 ثانية ، أ) -> 21 ب Po -> (0.155 ثانية ، أ) -> 212 Pb -> (10.64 ساعة ، ص ، ص) - > 212 Bi -> (60.6 m، p، y) -> 212 Po a، y) -> 208x1، 212 Po -> (3 "10 '7 s، a) -> 2o8 Pb (stub)، 2o8 T1 - > (3.06 م ، ص ، ص -> 2o8 Pb.
تراكم 2 3 2 U أمر لا مفر منه في إنتاج 2 zzy في دورة طاقة الثوريوم. الإشعاع y الشديد الناتج عن تحلل 2 3 2 U يعيق تطور طاقة الثوريوم. من غير المعتاد أن يكون للنظير المتساوي 2 3 2 11 مقطع عرضي عالي الانشطار تحت تأثير النيوترونات (75 حظيرة للنيوترونات الحرارية) ، بالإضافة إلى مقطع عرضي مرتفع لالتقاط النيوترونات - 73 حظيرة. يستخدم 2 3 2 U في طريقة التتبع الإشعاعي في البحث الكيميائي.
2 z 2 وهو سلف سلسلة اضمحلال طويلة (وفقًا للمخطط 2 z 2 Th) ، والتي تتضمن نويدات تنبعث منها y-quanta الصلبة. تراكم 2 3 2 U أمر لا مفر منه في إنتاج 2 zzy في دورة طاقة الثوريوم. الإشعاع γ المكثف الناتج عن اضمحلال 232 U يعيق تطور طاقة الثوريوم. من غير المعتاد أن يكون للنظير المتساوي 2 3 2 U مقطع عرضي عالي الانشطار تحت تأثير النيوترونات (75 حظيرة للنيوترونات الحرارية) ، بالإضافة إلى مقطع عرضي مرتفع لالتقاط النيوترونات - 73 حظيرة. غالبًا ما يستخدم 2 3 2 U في طريقة التتبع الإشعاعي في البحث الكيميائي والفيزيائي.
اليورانيوم -233- النويدات المشعة التقنية ، باعث (الطاقات 4.824 (82.7٪) و 4.783 إلكترون فولت (14.9٪) ،) ، Tvi = 1.585105 سنوات ، النويدات الأم 2 37Pu (a) -؟ 2 33Np (p +) -> 2 33Pa (p) ، نوكليدة الابنة 22 9Th. يتم الحصول على 2 zzi في المفاعلات النووية من الثوريوم: 2 s 2 Th يلتقط نيوترونًا ويتحول إلى 2 zz Th ، والذي يتحلل إلى 2 zz Pa ، ثم إلى 2 zz. Nuclei 2 zzi (نظير فردي) قادر على الانشطار التلقائي والانشطار تحت تأثير النيوترونات من أي طاقة ، مما يجعله مناسبًا لإنتاج كل من الأسلحة الذرية ووقود المفاعلات. المقطع العرضي الانشطاري الفعال هو 533 حظيرة ، والمقطع العرضي للقبض هو 52 حظيرة ، وعائد النيوترون 2.54 لكل حدث انشطار ، و 2.31 لكل نيوترون ممتص. الكتلة الحرجة لـ 2 zz أقل بثلاث مرات من الكتلة الحرجة 2 35U (-16 كجم). شدة الانشطار العفوي 720 حالة / ث كغ.
يتكون اليورانيوم -233 نتيجة للاضمحلال التالي:
- (3 + -decay of nuclide 2 33Np (7 ^ = 36.2 min):
على المستوى الصناعي ، يتم الحصول على 2 zzi من 2 32Th بواسطة الإشعاع النيوتروني:
عندما يُمتص النيوترون ، تنشطر النواة 234 عادةً ، لكنها تلتقط أحيانًا نيوترونًا ، وتتحول إلى 234U. على الرغم من أن 2 zzy ، بعد امتصاصه للنيوترون ، عادة ما ينشطر ، إلا أنه في بعض الأحيان يحفظ نيوترونًا ، ويتحول إلى 2 34U. يتم تنفيذ وقت التشغيل البالغ 2 zz في كل من المفاعلات السريعة والحرارية.
من وجهة نظر السلاح ، 2 zzi يمكن مقارنتها بـ 2 39 Pu: نشاطها الإشعاعي هو 1/7 من نشاط 2 39 Pu (Ti / 2 \ u003d 159200 لتر مقابل 24100 لتر لـ Pu) ، الكتلة الحرجة 2 szi أعلى بنسبة 6o٪ من كتلة IgPu (16 كجم مقابل 10 كجم) ، ومعدل الانشطار التلقائي 20 مرة أعلى (b-u - 'مقابل 310 10). تدفق النيوترون من 239Pu أعلى بثلاث مرات من 239Pu. يتطلب إنشاء شحنة نووية على أساس 2 جيجاهيرتز جهدًا أكثر من ^ Pu. تتمثل العقبة الرئيسية في وجود شوائب 232U في 232U ، مما يجعل إشعاع y لمشروعات الاضمحلال من الصعب العمل مع 2zzi ويجعل من السهل اكتشاف الأسلحة الجاهزة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن نصف العمر القصير لـ 2 3 2 U يجعلها مصدرًا نشطًا للجسيمات a. 2 zzi بنسبة 1٪ 232 وله نشاط A أقوى بثلاث مرات من البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة ، وبالتالي سمية إشعاعية أكبر. يتسبب هذا النشاط في ولادة نيوترونات في العناصر الخفيفة لشحنة السلاح. لتقليل هذه المشكلة ، يجب أن يكون وجود عناصر مثل Be و B و F و Li في حده الأدنى. لا يؤثر وجود خلفية نيوترونية على عمل أنظمة الانفجار الداخلي ، ولكن يلزم وجود مستوى عالٍ من النقاء للعناصر الخفيفة لمخططات المدفع. zgi ليس ضارًا ، بل إنه مرغوب فيه ، لأنه يقلل من إمكانية استخدام اليورانيوم لأغراض الأسلحة بعد معالجة الوقود النووي المستهلك وإعادة استخدام الوقود يصل محتوى 232U إلى 0.1 + 0.2٪.
يحدث اضمحلال 2 zzy في الاتجاهات التالية:
اضمحلال أ في 22 9Th (الاحتمال 100٪ ، طاقة الاضمحلال 4.909 MeV):
طاقة الجسيمات n المنبعثة هي 4.729 MeV (في 1.61٪ من الحالات) ، 4.784 MeV (في 13.2٪ من الحالات) و 4.824 MeV (في 84.4٪ من الحالات).
- - الانشطار العفوي (الاحتمال
- - اضمحلال الكتلة مع تكوين النيوكليدات 28 Mg (احتمالية الاضمحلال أقل من 1.3 * 10 -13٪):
تحلل الكتلة مع تكوين النيوكليدات 24 ني (احتمال الاضمحلال 7.3-10 - "٪):
تنتمي سلسلة الاضمحلال 2 zz إلى سلسلة Neptunium.
النشاط الإشعاعي المحدد هو 2 zzi 3.57-8 بيكريل / غرام ، والذي يتوافق مع نشاط أ (وسمية إشعاعية) بنسبة -15٪ من البلوتونيوم. فقط 1٪ 2 3 2 U يزيد النشاط الإشعاعي إلى 212 mCi / g.
اليورانيوم - 234(أورانوس II ، UII)هو جزء من اليورانيوم الطبيعي (0.0055٪) ، 2.445105 سنة ، باعث (طاقة جسيمات أ 4.777 (72٪) و
4.723 (28٪) MeV) ، النويدات المشعة الأصلية: 2 s 8 Pu (a) ، 234 Pa (P) ، 234 Np (p +) ،
نظير الابنة في 2 ثانية "تي.
عادةً ما يكون 234 U في حالة توازن مع 2 3 8 u ، تتحلل وتتشكل بنفس المعدل. ما يقرب من نصف النشاط الإشعاعي لليورانيوم الطبيعي هو مساهمة 234U. عادةً ما يتم الحصول على 234U عن طريق كروماتوغرافيا التبادل الأيوني للمستحضرات القديمة لـ 238 Pu النقي. في الاضمحلال ، * 34U يفسح المجال لـ 234U ، لذا فإن الاستعدادات القديمة لـ 238Pu هي مصادر جيدة لـ 234U. 100 جم 2s8Pu تحتوي على 776 مجم 234U بعد عام ، بعد 3 سنوات
2.2 جرام 2 34U. تركيز 2 34U في اليورانيوم عالي التخصيب مرتفع للغاية بسبب التخصيب التفضيلي في النظائر الخفيفة. نظرًا لأن 234u هو باعث y قوي ، فهناك قيود على تركيزه في اليورانيوم المخصص للمعالجة إلى وقود. المستوى المرتفع لـ 234i مقبول للمفاعلات ، لكن SNF المعاد معالجته يحتوي على مستويات غير مقبولة بالفعل من هذا النظير.
يحدث اضمحلال 234u على غرار الأسطر التالية:
تسوس أ في 23 درجة T (احتمال 100٪ ، طاقة اضمحلال 4.857 إلكترون فولت):
طاقة الجزيئات المنبعثة هي 4.722 إلكترون فولت (في 28.4٪ من الحالات) و 4.775 إلكترون فولت (في 71.4٪ من الحالات).
- - الانشطار العفوي (الاحتمال 1.73-10-9٪).
- - اضمحلال الكتلة مع تكوين النيوكليدات 28 Mg (احتمال الاضمحلال هو 1.4-10 "n٪ ، وفقاً لمصادر أخرى 3.9-10 -"٪):
- - اضمحلال الكتلة مع تكوين النويدات 2 4Ne و 26 Ne (احتمال الاضمحلال 9-10 "، 2٪ ، وفقاً للبيانات الأخرى 2.3-10 - 11٪):
الأيزومر الوحيد 2 34ti معروف (Tx / 2 = 33.5 μs).
المقطع العرضي لامتصاص 2 34U نيوترون حراري هو 10 حظيرة ، وبالنسبة للرنين المتوسط المتوسط على نيوترونات وسيطة مختلفة ، 700 حظيرة. لذلك ، في مفاعلات النيوترونات الحرارية ، يتم تحويلها إلى 235U انشطاري بمعدل أسرع من كمية أكبر بكثير من 238U (مع مقطع عرضي 2.7 حظيرة) يتم تحويلها إلى 239Pu. نتيجة لذلك ، يحتوي SNF على 234U أقل من الوقود الطازج.
اليورانيوم 235ينتمي إلى عائلة 4P + 3 ، قادر على إنتاج تفاعل سلسلة الانشطار. هذا هو أول نظير اكتشف فيه تفاعل الانشطار القسري للنواة تحت تأثير النيوترونات. بامتصاص النيوترون ، ينتقل 235U إلى 2 zbi ، والتي تنقسم إلى جزأين ، وتطلق الطاقة وتنبعث عدة نيوترونات. قابل للانشطار بواسطة النيوترونات من أي طاقة ، وقادر على الانشطار التلقائي ، والنظير 2 35U جزء من اليوثانوم الطبيعي (0.72٪) ، وباعث (طاقات 4.397 (57٪) و 4.367 (18٪) إلكترون فولت) ، Ti / j = 7.038-th 8 سنوات ، النويدات الأصلية 2 35Pa ، 2 35Np و 2 39Pu ، الابنة - 23 "Th. شدة الانشطار العفوي 2 3su 0.16 قسم / ثانية كجم. يطلق انشطار نواة واحدة 2 35U 200 MeV من الطاقة = 3.2 Yu p J ، أي 18 تيرا جول / مول = 77 تيرا جول / كغ. المقطع العرضي للانشطار بالنيوترونات الحرارية هو 545 حظيرة ، وبواسطة النيوترونات السريعة - 1.22 حظيرة ، عائد النيوترونات: لكل حدث انشطار - 2.5 ، لكل نيوترون ممتص - 2.08.
تعليق. المقطع العرضي للنيوترونات البطيئة لتشكيل النظير 2 si (10 حظيرة) ، بحيث يكون المقطع العرضي للامتصاص الكلي للنيوترونات البطيئة 645 حظيرة.
- - الانشطار العفوي (الاحتمال 7 * 10 ~ 9٪) ؛
- - اضمحلال الكتلة مع تكوين النويدات 2 ° نيوتن ، 2 5 نيوتن و 28 ملليجرام (الاحتمالات على التوالي 8-io - 10٪ ، 8-kg 10٪ ، 8 * 10 ".0٪):
أرز. واحد.
الأيزومر الوحيد المعروف هو 2 35n »u (7/2 = 26 min).
نشاط محدد 2 35C 7.77-u 4 بيكريل / غرام. الكتلة الحرجة من اليورانيوم المستخدم في صنع الأسلحة (93.5٪ 2 35U) للكرة ذات العاكس هي 15-7-23 كجم.
يستخدم الانشطار 2 »5U في الأسلحة الذرية ، لإنتاج الطاقة ، وتوليف الأكتينيدات الهامة. يتم الحفاظ على التفاعل المتسلسل بسبب زيادة النيوترونات الناتجة أثناء انشطار 2 35 درجة مئوية.
اليورانيوم 236يحدث على الأرض في الطبيعة بكميات ضئيلة (على القمر أكثر) ، باعث (؟
أرز. 2. الأسرة المشعة 4/7 + 2 (بما في ذلك -3 8 و).
في المفاعل الذري ، يمتص 233 نيوترونًا حراريًا ، وبعد ذلك ينفجر باحتمالية 82٪ ، ويصدر كمية y باحتمال 18٪ ويتحول إلى 236 و. بكميات صغيرة هو جزء من الوقود الطازج ؛ يتراكم عند تعريض اليورانيوم للإشعاع بالنيوترونات في المفاعل ، وبالتالي يتم استخدامه "كجهاز إشارات" SNF. 2 h b ويتم تكوينه كمنتج ثانوي أثناء فصل النظائر عن طريق الانتشار الغازي أثناء تجديد الوقود النووي المستهلك. إن 236 U المنتج في مفاعل الطاقة هو سم نيوتروني ؛ يتم تعويض وجوده في الوقود النووي بمستوى عالٍ قدره 2 35U من التخصيب.
2 ب ويستخدم كمتتبع مختلط لمياه المحيطات.
اليورانيوم 237 ،T & =يمكن الحصول على 6.75 يومًا ، باعث بيتا وجاما ، عن طريق التفاعلات النووية:
كشف 287 ونفذت على طول خطوط الاتحاد الأوروبي = o.v MeV (36٪) ، 0.114 MeV (0.06٪) ، 0.165 MeV (2.0٪) ، 0.208 MeV (23٪)
يستخدم 237U في طريقة التتبع الإشعاعي في البحث الكيميائي. يوفر قياس التركيز (2 4 ° Am) في التداعيات الناتجة عن اختبار سلاح ذري معلومات قيمة حول نوع الشحنة والمعدات المستخدمة.
اليورانيوم 238- ينتمي إلى عائلة 4P + 2 ، قابل للانشطار مع نيوترونات عالية الطاقة (أكثر من 1.1 ميغا إلكترون فولت) ، قادر على الانشطار التلقائي ، ويشكل أساس اليورانيوم الطبيعي (99.27٪) ، باعث ، 7 '؛ / 2 = 4> 468-109 سنة ، تتحلل مباشرة إلى 2 34Th ، وتشكل عددًا من النويدات المشعة ذات الصلة وراثيًا ، وبعد 18 منتجًا تتحول إلى 206 Pb. Pure 2 3 8 U له نشاط إشعاعي محدد يبلغ 1.22-104 بيكريل. عمر النصف طويل جدًا - حوالي 10 - 16 عامًا ، لذا فإن احتمال الانشطار بالنسبة للعملية الرئيسية - انبعاث جسيم - هو 10 "فقط .7 كيلوغرام واحد من اليورانيوم يعطي فقط 10 انشقاقات تلقائية لكل ثانيًا ، وأثناء الوقت نفسه ، يصدر جسيم أ 20 مليون نواة نواة الأم: 2 4 2 Pu (a) ، * spa (p-) 234Th ، ابنة تي ، / 2 = 2 :أنا 4 ذ.
يتكون اليورانيوم 238 نتيجة للاضمحلال التالي:
2 (V0 4) 2] 8Н 2 0. من المعادن الثانوية ، الكالسيوم يورانيل فوسفات الكالسيوم (U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0 شائع. غالبًا ما يكون اليورانيوم الموجود في المعادن مصحوبًا بعناصر مفيدة أخرى - التيتانيوم والتنتالوم والأتربة النادرة. لذلك ، من الطبيعي السعي إلى المعالجة المعقدة للخامات المحتوية على اليورانيوم.
الخصائص الفيزيائية الأساسية لليورانيوم: الكتلة الذرية 238.0289 صباحًا. (جم / مول) ؛ نصف القطر الذري 138 م (1 م = 12 م) ؛ طاقة التأين (الإلكترون الأول 7.11 eV ؛ التكوين الإلكتروني -5f36d '7s 2 ؛ حالات الأكسدة 6 ، 5 ، 4 ، 3 ؛ G P l \ u003d 113 2 ، 2 ° ؛ تي تي، 1 = 3818 درجة ؛ الكثافة 19.05 ؛ السعة الحرارية المحددة 0.115 دينار أردني ؛ قوة الشد 450 ميجا باسكال ، حرارة الانصهار 12.6 كيلوجول / مول ، حرارة التبخر 417 كيلوجول / مول ، السعة الحرارية النوعية 0.115 جول / (مول- ك) ؛ الحجم المولي 12.5 سم 3 / مول ؛ درجة حرارة Debye المميزة © D = 200K ، درجة حرارة الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق هي 0.68K.
اليورانيوم معدن ثقيل أبيض فضي لامع. إنه أكثر ليونة قليلاً من الفولاذ ، مرن ، مرن ، له خصائص مغناطيسية طفيفة ، وهو قابل للإشتعال في حالة المسحوق. يحتوي اليورانيوم على ثلاثة أشكال متآصلة: ألفا (معيني ، إيه يو ، معلمات شعرية 0 = 285 ، ب = 587 ، c = 49b pm ، مستقر حتى 667.7 °) ، بيتا (رباعي الزوايا ، p-U ، مستقر من 667.7 إلى 774.8 °) ، جاما (مع شعرية مكعبة مركز الجسم ، y-U ، موجودة من 774.8 ° إلى نقاط الانصهار ، frm = ii34 0) ، حيث يكون اليورانيوم أكثر مرونة وملاءمة للمعالجة.
في درجة حرارة الغرفة ، تكون المرحلة A المعينية مستقرة ، ويتكون الهيكل المنشوري من طبقات ذرية متموجة موازية للمستوى abcفي شبكة موشورية غير متماثلة للغاية. داخل الطبقات ، ترتبط الذرات ارتباطًا وثيقًا ، بينما تكون قوة الروابط بين ذرات الطبقات المجاورة أضعف بكثير (الشكل 4). هذا الهيكل متباين الخواص يجعل من الصعب دمج اليورانيوم مع المعادن الأخرى. الموليبدينوم والنيوبيوم فقط هما اللذان يصنعان سبائك صلبة مع اليورانيوم. ومع ذلك ، يمكن لليورانيوم المعدني أن يتفاعل مع العديد من السبائك ، مكونًا مركبات بين المعادن.
في الفاصل الزمني 668 ^ 775 ° يوجد (3-يورانيوم. نوع شعرية رباعي الزوايا لها هيكل متعدد الطبقات مع طبقات موازية للمستوى أبفي المواضع 1 / 4C ، 1/2 معوخلية وحدة 3 / 4C. عند درجات حرارة أعلى من 775 درجة ، يتشكل اليورانيوم من خلال شبكة مكعبة محورها الجسم. إضافة الموليبدينوم يجعل من الممكن الحصول على المرحلة y في درجة حرارة الغرفة. يشكل الموليبدينوم نطاقًا واسعًا من المحاليل الصلبة باستخدام y- يورانيوم ويعمل على استقرار الطور الصادي في درجة حرارة الغرفة. اليورانيوم y هو أكثر ليونة وأكثر مرونة من الهش a- و (3 مراحل.
تشعيع النيوترونات له تأثير كبير على الخواص الفيزيائية والميكانيكية لليورانيوم ، مما يتسبب في زيادة حجم العينة ، وتغير في الشكل ، وكذلك تدهور حاد في الخصائص الميكانيكية (الزحف ، التقصف) لكتل اليورانيوم أثناء تشغيل مفاعل نووي. تعود الزيادة في الحجم إلى تراكم اليورانيوم أثناء انشطار شوائب عناصر ذات كثافة أقل (ترجمة 1% اليورانيوم إلى عناصر تجزئة يزيد الحجم بنسبة 3.4٪).
أرز. 4. بعض التراكيب البلورية لليورانيوم: أ- يورانيوم ، ب- يورانيوم.
أكثر الطرق شيوعًا للحصول على اليورانيوم في الحالة المعدنية هي اختزال فلوريده باستخدام الفلزات القلوية أو القلوية الترابية أو التحليل الكهربائي لذوبان الملح. يمكن أيضًا الحصول على اليورانيوم عن طريق الاختزال الحراري من الكربيدات بالتنغستن أو التنتالوم.
تحدد القدرة على التبرع بالإلكترونات بسهولة الخصائص المختزلة لليورانيوم ونشاطه الكيميائي العالي. يمكن لليورانيوم أن يتفاعل مع جميع العناصر تقريبًا ، باستثناء الغازات النبيلة ، مع اكتساب حالات الأكسدة +2 ، +3 ، +4 ، +5 ، +6. في الحل ، التكافؤ الرئيسي هو 6+.
يتأكسد اليورانيوم المعدني بسرعة في الهواء ، وهو مغطى بطبقة من الأكسيد متقزحة الألوان. يشتعل مسحوق اليورانيوم الناعم تلقائيًا في الهواء (عند درجات حرارة 1504-175 درجة مئوية) ، مكونًا و ؛) فوق. عند 1000 درجة ، يتحد اليورانيوم مع النيتروجين لتكوين نيتريد اليورانيوم الأصفر. الماء قادر على التفاعل مع المعدن ببطء في درجات حرارة منخفضة وبسرعة في درجات حرارة عالية. يتفاعل اليورانيوم بعنف مع الماء المغلي والبخار ليطلق الهيدروجين الذي يشكل الهيدريد مع اليورانيوم.
هذا التفاعل أقوى من احتراق اليورانيوم في الأكسجين. مثل هذا النشاط الكيميائي لليورانيوم يجعل من الضروري حماية اليورانيوم في المفاعلات النووية من ملامسته للماء.
يذوب اليورانيوم في أحماض الهيدروكلوريك والنتريك وغيرها ، مكونًا أملاح U (IV) ، ولكنه لا يتفاعل مع القلويات. يزيح اليورانيوم الهيدروجين من الأحماض غير العضوية ومحاليل الملح من المعادن مثل الزئبق والفضة والنحاس والقصدير والبلاتين والذهب. مع اهتزاز قوي ، تبدأ جزيئات اليورانيوم المعدنية في التوهج.
تُعد سمات بنية غلاف الإلكترون لذرة اليورانيوم (وجود الإلكترونات ^ /) وبعض خواصها الفيزيائية والكيميائية بمثابة أساس لتصنيف اليورانيوم على أنه أكتينيد. ومع ذلك ، هناك تشابه كيميائي بين اليورانيوم و Cr و Mo و W. اليورانيوم شديد التفاعل ويتفاعل مع جميع العناصر باستثناء الغازات النبيلة. في المرحلة الصلبة ، من أمثلة U (VI) ثلاثي أكسيد اليورانيل U0 3 وكلوريد اليورانيل U0 2 C1 2. رابع كلوريد اليورانيوم UC1 4 وثاني أكسيد اليورانيوم U02
U (IV) أمثلة. المواد التي تحتوي على U (IV) عادة ما تكون غير مستقرة وتصبح سداسية التكافؤ عند التعرض الطويل للهواء.
يتم تثبيت ستة أكاسيد في نظام اليورانيوم - الأكسجين: UO ، U0 2 ، U 4 0 9 ، 3 Ov ، U0 3. تتميز بمنطقة واسعة من التجانس. U0 2 هو أكسيد أساسي ، بينما U0 3 هو مذبذب. U0 3 - يتفاعل مع الماء لتكوين عدد من الهيدرات أهمها حمض الديورونيك H 2 U 2 0 7 وحمض اليورانيك H 2 1U 4. مع القلويات ، يشكل U0 3 أملاح هذه الأحماض - اليورات. عندما يذوب U0 3 في الأحماض ، تتشكل أملاح كاتيون اليورانيل مزدوج الشحنة U0 2 a +.
ثاني أكسيد اليورانيوم ، U0 2 ، بني في تكوين متكافئ. مع زيادة محتوى الأكسجين في الأكسيد ، يتغير اللون من البني الداكن إلى الأسود. هيكل بلوري من نوع CaF 2 ، أ = 0.547 نانومتر ؛ كثافة 10.96 جم / سم "* (أعلى كثافة بين أكاسيد اليورانيوم) ، رر \ u003d 2875 0 ، T كن „ = 3450 درجة ، D # ° 298 \ u003d -1084.5 كيلو جول / مول. ثاني أكسيد اليورانيوم هو أشباه موصلات ذات موصلية ثقب ، وهو مغناطيس قوي. MAC = 0.015 مجم / م 3. دعونا لا نذوب في الماء. عند درجة حرارة -200 درجة ، تضيف الأكسجين ، لتصل إلى التركيبة U0 2> 25.
يمكن الحصول على أكسيد اليورانيوم (IV) بالتفاعلات:
يظهر ثاني أكسيد اليورانيوم الخصائص الأساسية فقط ، فهو يتوافق مع الهيدروكسيد الأساسي U (OH) 4 ، والذي يتحول بعد ذلك إلى هيدروكسيد رطب U0 2 H 2 0. يذوب ثاني أكسيد اليورانيوم ببطء في أحماض غير مؤكسدة قوية في غياب الأكسجين الجوي ليشكل W + أيونات:
U0 2 + 2H 2 S0 4 -> U (S0 4) 2 + 2Н 2 0. (38)
قابل للذوبان في الأحماض المركزة ، ويمكن زيادة معدل الذوبان بشكل كبير عن طريق إضافة أيون الفلور.
عند إذابته في حمض النيتريك ، يتشكل أيون اليورانيل 1U 2 2+:
أوكتوكسيد Triuran U 3 0s (أكسيد اليورانيوم) - مسحوق ، لونه يختلف من الأسود إلى الأخضر الداكن ؛ عند التكسير القوي - لون أخضر زيتوني. بلورات سوداء كبيرة تترك ضربات خضراء على الخزف. هناك ثلاثة تعديلات بلورية معروفة لـ U 3 0 ح: a-U 3 C> 8 - بنية بلورية معينية (sp. gr. C222 ؛ 0 = 0.671 نانومتر ؛ 6 = 1.197 نانومتر ؛ ج = 0.83 نانومتر ؛ د = 0.839 نانومتر) ؛ p-U 3 0e - بنية بلورية معينية (مجموعة فضائية ستست. 0 = 0.705 نانومتر ؛ 6 = 1.172 نانومتر ؛ 0 = 0.829 نانومتر. بداية التحلل هي 100 درجة (يذهب إلى 110 2) ، MPC = 0.075 مجم / م 3.
يمكن الحصول على U 3 C> 8 عن طريق التفاعل:
بالتكليس U0 2 ، U0 2 (N0 3) 2 ، U0 2 C 2 0 4 3H 2 0 ، U0 4-2H 2 0 أو (NH 4) 2 U 2 0 7 عند 750 0 في الهواء أو في جو أكسجين ( p = 150 + 750 mm Hg) تلقي U 3 08 نقيًا متكافئًا.
عندما يتم تحميص U 3 0s عند T> 100 ° ، يتم تقليله إلى 110 2 ، ومع ذلك ، عند تبريده في الهواء ، فإنه يعود إلى U 3 0s. U 3 0e يذوب فقط في الأحماض القوية المركزة. في أحماض الهيدروكلوريك والكبريتيك ، يتم تكوين خليط من U (IV) و U (VI) ، وفي حمض النيتريك ، يتم تكوين نترات اليورانيل. تتفاعل أحماض الكبريتيك والهيدروكلوريك المخففة بشكل ضعيف جدًا مع U 3 Os حتى عند تسخينها ، تؤدي إضافة العوامل المؤكسدة (حمض النيتريك ، البيرولوزيت) إلى زيادة معدل الذوبان بشكل حاد. يذيب H 2 S0 4 المركز U 3 Os بتكوين U (S0 4) 2 و U0 2 S0 4. يذوب حمض النيتريك U 3 Oe بتكوين نترات اليورانيل.
ثالث أكسيد اليورانيوم ، U0 3 - مادة بلورية أو غير متبلورة ذات لون أصفر ساطع. يتفاعل مع الماء. MPC = 0.075 مجم / م 3.
يتم الحصول عليها عن طريق تكليس البوليورانات الأمونيوم ، بيروكسيد اليورانيوم ، أكسالات اليورانيل عند 300-500 درجة مئوية ونترات اليورانيل سداسي هيدرات. في هذه الحالة ، يتشكل مسحوق برتقالي ذو بنية غير متبلورة بكثافة
6.8 جم / سم. يمكن الحصول على الشكل البلوري IO 3 عن طريق أكسدة اليورانيوم 3 0 8 عند درجات حرارة 450 درجة -750 درجة في تيار أكسجين. توجد ستة تعديلات بلورية لـ U0 3 (a، (3، y> §>؟، n) - U0 3 هي مادة استرطابية وتتحول إلى هيدروكسيد اليورانيل في الهواء الرطب.تتيح زيادة التسخين حتى 6 درجات مئوية الحصول على U 3 Os.
يقلل الهيدروجين والأمونيا والكربون والقلويات والمعادن الأرضية القلوية من 0 إلى 3 إلى 0 2. عن طريق تمرير خليط من غازات HF و NH 3 ، يتشكل UF 4. في أعلى تكافؤ ، يُظهر اليورانيوم خصائص مذبذبة. تحت تأثير أحماض U0 3 أو هيدراتها ، تتشكل أملاح اليورانيل (U0 2 2+) ، بلون أصفر-أخضر:
معظم أملاح اليورانيل قابلة للذوبان في الماء بدرجة عالية.
مع القلويات ، عند الاندماج ، يشكل U0 3 أملاح حمض اليورانيك - uranates MDKH:
باستخدام المحاليل القلوية ، يشكل ثالث أكسيد اليورانيوم أملاح أحماض البولي يورانيك - البولي يورانات dgM 2 0y110 3 الرقم الهيدروجيني ^ O.
أملاح حمض اليورانيوم غير قابلة للذوبان عمليا في الماء.
الخصائص الحمضية لـ U (VI) أقل وضوحًا من الخصائص الأساسية.
يتفاعل اليورانيوم مع الفلور في درجة حرارة الغرفة. ينخفض استقرار الهاليدات المرتفعة من الفلوريدات إلى اليود. الفلوريدات UF 3 و U4F17 و U2F9 و UF 4 غير متطايرة و UFe متطاير. أهم الفلوريدات هي UF 4 و UFe.
Ftpppippyanir okgilya t "yanya ppptrkart في الممارسة:
يتم إجراء التفاعل في الطبقة المميعة وفقًا للمعادلة:
من الممكن استخدام العوامل المفلورة: BrF 3 ، CC1 3 F (الفريون -11) أو CC1 2 F 2 (الفريون -12):
اليورانيوم (1U) فلوريد UF 4 ("الملح الأخضر") - مسحوق من الأخضر المزرق إلى اللون الزمرد. G 11L \ u003d SW6 ° ؛ G إلى "،. \ u003d -1730 درجة. DYa ° 29 8 = 1856 كيلوجول / مول. التركيب البلوري أحادي الميل (sp. gp C2 / c ؛ 0 = 1.273 نانومتر ؛ 5 = 1.075 نانومتر ؛ 0 = 0.843 نانومتر ؛ د = 6.7 نانومتر ؛ p \ u003d 12b ° 20 "؛ الكثافة 6.72 جم / سم 3. UF 4 مركب مستقر وغير نشط وغير متطاير وقليل الذوبان في الماء. أفضل مذيب لـ UF 4 هو دخان حمض البيركلوريك HC10 4. يذوب في الأحماض المؤكسدة لتكوين ملح اليورانيل يذوب بسرعة في محلول ساخن من Al (N0 3) 3 أو A1C1 3 ، وكذلك في محلول حمض البوريك المحمض مع H 2 S0 4 أو HC10 4 أو HC1. أو حمض البوريك ، يساهم أيضًا في تفكك UF 4. يشكل عددًا من الأملاح المزدوجة قليلة الذوبان مع فلوريد معادن أخرى (MeUFe ، Me 2 UF6 ، Me 3 UF 7 ، إلخ.) NH 4 UF 5 له أهمية صناعية.
الفلوريد U (IV) هو منتج وسيط في التحضير
كل من سادس فلوريد اليورانيوم ومعدن اليورانيوم.
يمكن الحصول على UF 4 من خلال التفاعلات:
أو عن طريق التخفيض الإلكتروليتي لفلوريد اليورانيل.
سادس فلوريد اليورانيوم UFe - في درجة حرارة الغرفة ، بلورات عاجية ذات معامل انكسار عالٍ. كثافة
5.09 جم / سم 3 ، كثافة سائل UFe 3.63 جم / سم 3. اتصال طائر. Tvoag = 5 ^> 5 °> جيل = 64.5 درجة (تحت الضغط). يصل ضغط البخار المشبع إلى الغلاف الجوي عند 560 درجة. المحتوى الحراري لتكوين AR ° 29 8 = -2116 kJ / mol. التركيب البلوري معيني (sp. gr. Rpta. 0 = 0.999 نانومتر ؛ fe = 0.8962 نانومتر ؛ ج = 0.5207 نانومتر ؛ د 5.060 نانومتر (250). MPC - 0.015 مجم / م 3. ويمكن لسادس فلوريد اليورانيوم من الحالة الصلبة أن يتسامى من الحالة الصلبة (المتصاعد) إلى غاز ، متجاوزًا المرحلة السائلة على مدى واسع من الضغوط. حرارة التسامي عند 50 0 50 kJ / mg. لا يحتوي الجزيء على عزم ثنائي القطب ، لذلك لا يرتبط سادس فلوريد اليورانيوم. أبخرة UFr - غاز مثالي.
يتم الحصول عليه عن طريق عمل الفلور على U من مركباته:
بالإضافة إلى تفاعلات الطور الغازي ، توجد أيضًا تفاعلات المرحلة السائلة.
الحصول على سادس فلوريد اليورانيوم باستخدام الهالوفلوريدات ، على سبيل المثال
توجد طريقة للحصول على سادس فلوريد اليورانيوم دون استخدام الفلور - عن طريق أكسدة UF 4:
لا يتفاعل UFe مع الهواء الجاف والأكسجين والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون ، ولكن عند ملامسته للماء ، حتى مع وجود آثار منه ، يخضع للتحلل المائي:
يتفاعل مع معظم المعادن ، مكونًا فلوريدها ، مما يعقد طرق تخزينه. مواد الأوعية المناسبة للعمل مع سادس فلوريد اليورانيوم هي: Ni و Monel و Pt عند التسخين ، والتفلون ، والكوارتز والزجاج الجاف تمامًا ، والنحاس والألمنيوم عند البرودة. عند درجات حرارة 25 yuo 0 فإنه يشكل مركبات معقدة مع فلوريد الفلزات القلوية والفضة من النوع 3NaFUFr> ، 3KF2UF6.
يذوب جيدًا في مختلف السوائل العضوية والأحماض غير العضوية وفي جميع فلوريد الهالوجين. خامل للتجفيف 0 2 ، N 2 ، CO 2 ، C1 2 ، Br 2. يتميز UFr بتفاعلات الاختزال مع معظم المعادن النقية. يتفاعل سادس فلوريد اليورانيوم بقوة مع الهيدروكربونات والمواد العضوية الأخرى ، لذلك يمكن أن تنفجر حاويات UFe المغلقة. يشكل سادس فلوريد اليورانيوم في النطاق 25-100 درجة أملاحًا معقدة مع فلوريد قلوي ومعادن أخرى. تُستخدم هذه الخاصية في تقنية الاستخراج الانتقائي لـ UF
تحتل هيدرات اليورانيوم UH 2 و UH 3 موقعًا وسيطًا بين الهيدريدات الشبيهة بالملح والهيدرات مثل المحاليل الصلبة للهيدروجين في المعدن.
عندما يتفاعل اليورانيوم مع النيتروجين ، يتشكل النيتريد. أربع مراحل معروفة في نظام U-N: الأمم المتحدة (نيتريد اليورانيوم) ، a-U 2 N 3 (سيسكينيتريد) ، p-U 2 N 3 والأمم المتحدة If90. لا يمكن الوصول إلى تكوين الأمم المتحدة 2 (ثنائي نيتريد). موثوقة ويتم التحكم فيها بشكل جيد هي توليفات أحادي نيتريد اليورانيوم في الأمم المتحدة ، والتي من الأفضل القيام بها مباشرة من العناصر. نيتريد اليورانيوم عبارة عن مواد مساحيق يتنوع لونها من الرمادي الداكن إلى الرمادي. تبدو مثل المعدن. لدى الأمم المتحدة هيكل بلوري مكعب محوره الوجه ، مثل NaCl (0 = 4.8892 A) ؛ (/ = 14.324، 7 ^ = 2855 ° ، مستقرة في الفراغ حتى 1700 0. يتم الحصول عليها عن طريق تفاعل U أو U hydride مع N 2 أو NH 3 ، تحلل نيتريد أعلى U عند 1300 درجة أو اختزالها باليورانيوم المعدني. يُعرف U 2 N 3 في تعديلين متعددي الأشكال: مكعب a و p سداسي (0 = 0.3688 نانومتر ، 6 = 0.5839 نانومتر) ، يطلق N 2 في فراغ أعلى من 8 درجات مئوية. يتم الحصول عليها عن طريق اختزال UN 2 بالهيدروجين. يتم تصنيع ثنائي نيتريد UN 2 عن طريق تفاعل U مع N 2 عند ضغط مرتفع N 2. نترات اليورانيوم قابلة للذوبان بسهولة في الأحماض والمحاليل القلوية ، ولكنها تتحلل مع القلويات المنصهرة.
يتم الحصول على نيتريد اليورانيوم عن طريق الاختزال الكربوني الحراري على مرحلتين من أكسيد اليورانيوم:
تسخين بالأرجون عند درجة حرارة 7 م 450 0 لمدة 10 * 20 ساعة
من الممكن الحصول على نيتريد اليورانيوم بتركيبة قريبة من ثنائي النيتريد ، الأمم المتحدة 2 ، عن طريق عمل الأمونيا على UF 4 عند درجة حرارة وضغط مرتفعين.
يتحلل ثنائي نيتريد اليورانيوم عند تسخينه:
نيتريد اليورانيوم ، المخصب بـ 2 35U ، له كثافة انشطارية أعلى ، وموصلية حرارية ونقطة انصهار أعلى من أكاسيد اليورانيوم ، وهي الوقود التقليدي لمفاعلات الطاقة الحديثة. كما أن لديها ثباتًا ميكانيكيًا جيدًا ، وتتفوق على الوقود التقليدي. لذلك ، يعتبر هذا المركب أساسًا واعدًا لمفاعلات النيوترونات السريعة التي تعمل بالوقود النووي (الجيل الرابع من المفاعلات النووية).
تعليق. الأمم المتحدة مفيدة جدًا في الإثراء على "5N ، لأن ، 4 N يميل إلى التقاط النيوترونات ، مما يولد النظير المشع 14 درجة مئوية عن طريق تفاعل (n ، p).
كربيد اليورانيوم UC 2 (؟ -طور) هو مادة بلورية رمادية فاتحة مع لمعان معدني. في نظام U-C (كربيدات اليورانيوم) يوجد UC 2 (؟ -phase) ، UC 2 (b 2-phase) ، U 2 C 3 (e-phase) ، UC (b 2-phase) - كربيد اليورانيوم. يمكن الحصول على ثنائي كربيد اليورانيوم UC2 من خلال التفاعلات:
U + 2C ^ UC 2 (54v)
تستخدم كربيدات اليورانيوم كوقود للمفاعلات النووية ، فهي واعدة كوقود لمحركات الصواريخ الفضائية.
نترات اليورانيل ، نترات اليورانيل ، U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. يلعب كاتيون اليورانيل 2+ دور المعدن في هذا الملح. بلورات صفراء ذات لمعان مخضر ، قابلة للذوبان في الماء بسهولة. المحلول المائي حامضي. قابل للذوبان في الإيثانول والأسيتون والأثير ، غير قابل للذوبان في البنزين والتولوين والكلوروفورم. عند تسخينها ، تذوب البلورات وتطلق HN0 3 و H2 0. تتآكل الهيدرات البلورية بسهولة في الهواء. التفاعل المميز هو أنه تحت تأثير NH 3 يتكون راسب أصفر من يورات الأمونيوم.
اليورانيوم قادر على تكوين مركبات عضوية معدنية. الأمثلة هي مشتقات البنتادينيل الحلقي للتكوين U (C 5 H 5) 4 و u المهلجنة (C 5 H 5) 3 G أو u (C 5 H 5) 2 G 2.
في المحاليل المائية ، يكون اليورانيوم أكثر استقرارًا في حالة الأكسدة U (VI) في شكل أيون اليورانيل U0 2 2+. إلى حد أقل ، يتميز بالحالة U (IV) ، ولكن يمكن أن يوجد حتى في شكل U (III). يمكن أن توجد حالة الأكسدة U (V) مثل IO 2 + أيون ، ولكن نادرًا ما يتم ملاحظة هذه الحالة بسبب الميل إلى عدم التناسب والتحلل المائي.
في المحاليل المحايدة والحمضية ، يوجد U (VI) كـ U0 2 2+ - أيون يورانيل أصفر. تشتمل أملاح اليورانيل القابلة للذوبان جيدًا على نترات U0 2 (N0 3) 2 ، وكبريتات U0 2 S0 4 ، وكلوريد U0 2 C1 2 ، وفلوريد U0 2 F 2 ، وخلات U0 2 (CH 3 C00) 2. يتم عزل هذه الأملاح من المحاليل على شكل هيدرات بلورية بأعداد مختلفة من جزيئات الماء. أملاح اليورانيل القابلة للذوبان قليلاً هي: أكسالات U0 2 C 2 0 4 ، الفوسفات U0 2 HP0. ، UO2P2O4 ، فوسفات اليورانيل الأمونيوم UO2NH4PO4 ، يورانيل الصوديوم فانات NaU0 2 V0 4 ، فيروسيانيد (U0 2) 2. يتميز أيون اليورانيل بالميل إلى تكوين مركبات معقدة. لذلك فإن المجمعات التي تحتوي على أيونات الفلور من النوع - ، 4- معروفة ؛ مجمعات النترات و 2 *؛ مركبات الكبريتات 2 "و 4" ؛ مجمعات الكربونات 4 "و 2" ، إلخ. تحت تأثير القلويات على محاليل أملاح اليورانيل ، يتم إطلاق رواسب مدرات من النوع Me 2 U 2 0 7 قابلة للذوبان بشكل ضئيل (Me 2 U0 4 monouranates ليست معزولة عن المحاليل ، بل يتم الحصول عليها عن طريق اندماج أكاسيد اليورانيوم مع القلويات) Me 2 U n 0 3 n + i polyuranates معروف (على سبيل المثال ، Na 2 U60i 9).
يتم تقليل U (VI) في المحاليل الحمضية إلى U (IV) بواسطة الحديد والزنك والألمنيوم وهيدروسلفيت الصوديوم وملغم الصوديوم. الحلول ملونة باللون الأخضر. القلويات ترسب هيدروكسيد و 0 2 (0H) 2 منها ، حمض الهيدروفلوريك - فلوريد UF 4 -2.5H 2 0 ، حمض الأكساليك - أكسالات U (C 2 0 4) 2 -6H 2 0. الميل إلى التكوين المعقد في U 4+ أيون أقل من أيونات اليورانيوم.
يوجد اليورانيوم (IV) في المحلول على شكل U 4+ أيونات ، والتي يتم تحللها وترطيبها بدرجة عالية:
يمنع التحلل المائي في المحاليل الحمضية.
يشكّل اليورانيوم (VI) في المحلول تأكسد اليورانيل - U0 2 2+ العديد من مركبات اليورانيل معروفة ، ومن الأمثلة على ذلك: U0 3 ، U0 2 (C 2 H 3 0 2) 2 ، U0 2 C0 3-2 (NH 4) 2 C0 3 U0 2 C0 3، U0 2 C1 2، U0 2 (0H) 2، U0 2 (N0 3) 2، UO0SO4، ZnU0 2 (CH 3 C00) 4 إلخ.
أثناء التحلل المائي لأيون اليورانيل ، يتم تكوين عدد من المجمعات متعددة النوى:
مع مزيد من التحلل المائي ، يظهر U 3 0s (0H) 2 ثم U 3 0 8 (0H) 4 2 -.
للكشف النوعي عن اليورانيوم ، يتم استخدام طرق التحليل الكيميائي ، والإنارة ، والإشعاعي والطيفي. تعتمد الطرق الكيميائية أساسًا على تكوين المركبات الملونة (على سبيل المثال ، اللون البني الأحمر للمركب مع فيروسيانيد ، الأصفر مع بيروكسيد الهيدروجين ، الأزرق مع كاشف أرسينازو). تعتمد طريقة الإنارة على قدرة العديد من مركبات اليورانيوم على إعطاء وهج مائل إلى الصفرة والأخضر تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية.
يتم التحديد الكمي لليورانيوم بطرق مختلفة. أهمها: الطرق الحجمية ، والتي تتكون من اختزال U (VI) إلى U (IV) متبوعًا بالمعايرة باستخدام محاليل عوامل مؤكسدة ؛ طرق الوزن - ترسيب اليورانات ، بيروكسيد ، U (IV) kupferranates ، أوكسيكوينولات ، أكسالات ، إلخ. تليها تكليسها عند 100 درجة ووزنها U 3 0 ثانية ؛ تتيح طرق الاستقطاب في محلول النترات تحديد 10 × 7 × 10-9 جم من اليورانيوم ؛ العديد من الطرق اللونية (على سبيل المثال ، مع H2 0 2 في وسط قلوي ، مع كاشف arsenazo في وجود EDTA ، مع ثنائي بنزويل ميثان ، في شكل مركب ثيوسيانات ، إلخ) ؛ طريقة الإنارة ، مما يجعل من الممكن تحديد متى تنصهر مع NaF إلى يو 11ز اليورانيوم.
ينتمي 235U إلى المجموعة A من خطر الإشعاع ، الحد الأدنى من النشاط المعنوي MZA = 3.7-10 4 Bq ، 2 s 8 و- إلى المجموعة D ، MZA = 3.7-10 6 Bq (300 جم).