Zakaj je uran in njegove spojine nevaren? Uran, kemični element: zgodovina odkritja in reakcija jedrske cepitve.
Vsebina članka
URAN, U (uran), kovinski kemični element iz družine aktinidov, ki vključuje Ac, Th, Pa, U in transuranove elemente (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr ). Uran je postal znan po svoji uporabi v jedrskem orožju in jedrski energiji. Uranovi oksidi se uporabljajo tudi za barvanje stekla in keramike.
Iskanje v naravi.
Vsebnost urana v zemeljski skorji je 0,003 %, pojavlja se v površinski plasti zemlje v obliki štirih vrst usedlin. Prvič, to so žile uraninita ali uranove smole (uranov dioksid UO 2), zelo bogate z uranom, vendar redke. Spremljajo jih usedline radija, saj je radij neposreden produkt izotopskega razpada urana. Takšne žile najdemo v Zairu, Kanadi (Veliko medvedje jezero), na Češkem in v Franciji. Drugi vir urana so konglomerati torija in uranove rude ter rude drugih pomembnih mineralov. Konglomerati običajno vsebujejo zadostne količine zlata in srebra za ekstrakcijo, uran in torij pa postaneta spremljevalna elementa. Velika nahajališča teh rud najdemo v Kanadi, Južni Afriki, Rusiji in Avstraliji. Tretji vir urana so sedimentne kamnine in peščenjaki, bogati z mineralom karnotitom (kalijev uranil vanadat), ki poleg urana vsebuje precejšnjo količino vanadija in drugih elementov. Takšne rude najdemo v zahodnih državah Združenih držav. Četrti vir nahajališč predstavljajo železo-uranovi skrilavci in fosfatne rude. Bogata nahajališča najdemo v skrilavcih na Švedskem. Nekatere fosfatne rude v Maroku in ZDA vsebujejo znatne količine urana, fosfatna nahajališča v Angoli in Srednjeafriški republiki pa so z uranom še bogatejša. Večina lignitov in nekaj premoga običajno vsebuje nečistoče urana. V Severni in Južni Dakoti (ZDA) so bila najdena nahajališča lignita, bogata z uranom, v Španiji in na Češkem pa bituminozni premog.
Odpiranje.
Uran je leta 1789 odkril nemški kemik M. Klaproth, ki je element poimenoval v čast odkritju planeta Uran 8 let prej. (Klaproth je bil vodilni kemik svojega časa; odkril je tudi druge elemente, vključno s Ce, Ti in Zr.) Pravzaprav snov, ki jo je pridobil Klaproth, ni bila elementarni uran, temveč njegova oksidirana oblika, prvi pa je bil elementarni uran. pridobil francoski kemik E. .Peligot leta 1841. Od trenutka odkritja do 20. stoletja. uran ni bil tako pomemben kot danes, čeprav so bile določene številne njegove fizikalne lastnosti, pa tudi atomska masa in gostota. Leta 1896 je A. Becquerel ugotovil, da imajo uranove soli sevanje, ki osvetli fotografsko ploščo v temi. To odkritje je spodbudilo kemike k raziskavam na področju radioaktivnosti in leta 1898 sta francoska fizika, zakonca P. Curie in M. Sklodowska-Curie, izolirala soli radioaktivnih elementov polonija in radija ter E. Rutherford, F. Soddy, C. Faience in drugi znanstveniki so razvili teorijo radioaktivnega razpada, ki je postavila temelje sodobne jedrske kemije in jedrske energije.
Prve aplikacije urana.
Čeprav je bila radioaktivnost uranovih soli znana, so njegove rude v prvi tretjini tega stoletja uporabljali le za pridobivanje spremljajočega radija, uran pa je veljal za nezaželen stranski produkt. Njegova uporaba je bila koncentrirana predvsem v tehnologiji keramike in v metalurgiji; Uranovi oksidi so se pogosto uporabljali za barvanje stekla v barvah od bledo rumene do temno zelene, kar je prispevalo k razvoju poceni proizvodnje stekla. Danes so izdelki iz teh industrij označeni kot fluorescentni pod ultravijolično svetlobo. Med prvo svetovno vojno in kmalu zatem so uran v obliki karbida uporabljali pri izdelavi orodnih jekel, podobno kot Mo in W; 4–8 % urana je nadomestilo volfram, ki je bil takrat omejen v proizvodnji. Za pridobivanje orodnih jekel v letih 1914-1926 so letno proizvedli več ton ferourana, ki je vseboval do 30 % (mas.) U. Vendar ta uporaba urana ni trajala dolgo.
Sodobna uporaba urana.
Industrija urana se je začela oblikovati leta 1939, ko je bila izvedena cepitev uranovega izotopa 235 U, ki je pripeljala do tehnične izvedbe nadzorovanih verižnih reakcij cepitve urana decembra 1942. To je bilo rojstvo ere atoma, ko se je uran iz manjšega elementa spremenil v enega najpomembnejših elementov v življenjski družbi. Vojaški pomen urana za proizvodnjo atomske bombe in njegova uporaba kot gorivo v jedrskih reaktorjih sta povzročila povpraševanje po uranu, ki se je astronomsko povečalo. Zanimiva kronologija rasti povpraševanja po uranu temelji na zgodovini nahajališč v Velikem medvedjem jezeru (Kanada). Leta 1930 je bila v tem jezeru odkrita smolna mešanica, mešanica uranovih oksidov, leta 1932 pa je bila na tem območju vzpostavljena tehnologija čiščenja radija. Iz vsake tone rude (katranske mešanice) so dobili 1 g radija in približno pol tone stranskega produkta – uranovega koncentrata. Vendar je bilo radija malo in njegovo pridobivanje je bilo ustavljeno. Od 1940 do 1942 se je razvoj nadaljeval in uranova ruda je bila poslana v Združene države. Leta 1949 je bilo za proizvodnjo čistega UO 2 uporabljeno podobno čiščenje urana z nekaj modifikacijami. Ta proizvodnja se je povečala in je zdaj ena največjih proizvodnje urana.
Lastnosti.
Uran je eden najtežjih elementov v naravi. Čista kovina je zelo gosta, duktilna, elektropozitivna z nizko električno prevodnostjo in zelo reaktivna.
Uran ima tri alotropne modifikacije: a-uran (ortorombna kristalna mreža), obstaja v območju od sobne temperature do 668 °C; b- uran (kompleksna kristalna mreža tetragonalnega tipa), stabilna v območju 668–774 ° C; g- uran (telesno osredotočena kubična kristalna mreža), stabilen od 774 °C do tališča (1132 °C). Ker so vsi izotopi urana nestabilni, so vse njegove spojine radioaktivne.
Izotopi urana
238 U, 235 U, 234 U najdemo v naravi v razmerju 99,3:0,7:0,0058, 236U pa v sledovih. Vsi drugi izotopi urana od 226 U do 242 U so pridobljeni umetno. Posebej pomemben je izotop 235 U. Pod delovanjem počasnih (toplotnih) nevtronov se razdeli s sproščanjem ogromne energije. Popolna cepitev 235 U povzroči sprostitev "ekvivalenta toplotne energije" 2h 10 7 kWh/kg. Fisijo 235 U lahko uporabimo ne le za proizvodnjo velikih količin energije, ampak tudi za sintezo drugih pomembnih aktinidnih elementov. Uran naravne izotopske sestave se lahko uporablja v jedrskih reaktorjih za proizvodnjo nevtronov, ki nastanejo zaradi cepitve 235 U, medtem ko lahko presežek nevtronov, ki jih verižna reakcija ne zahteva, zajame drug naravni izotop, kar vodi do proizvodnje plutonija:
Ko hitri nevtroni bombardirajo z 238 U, se pojavijo naslednje reakcije:
Po tej shemi je mogoče najpogostejši izotop 238 U pretvoriti v plutonij-239, ki je tako kot 235 U sposoben tudi cepitve pod vplivom počasnih nevtronov.
Trenutno je bilo pridobljenih veliko število umetnih izotopov urana. Med njimi je 233 U še posebej opazen po tem, da se tudi cepi pri interakciji s počasnimi nevtroni.
Nekateri drugi umetni izotopi urana se pogosto uporabljajo kot radioaktivne oznake (sledilniki) v kemijskih in fizikalnih raziskavah; je najprej b- oddajnik 237 U in a- oddajnik 232 U.
Povezave.
Uran, zelo reaktivna kovina, ima oksidacijska stanja od +3 do +6, je blizu berilija v nizu aktivnosti, sodeluje z vsemi nekovinami in tvori intermetalne spojine z Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn in Zn. Posebno reaktiven je fino razdrobljen uran, ki pri temperaturah nad 500°C pogosto vstopi v reakcije, značilne za uranov hidrid. Grudasti uran ali ostružki gorijo močno pri 700–1000 °C, hlapi urana pa gorijo že pri 150–250 °C; uran reagira s HF pri 200–400 °C in tvori UF 4 in H 2 . Uran se počasi raztopi v koncentrirani HF ali H 2 SO 4 in 85 % H 3 PO 4 tudi pri 90 °C, vendar zlahka reagira s konc. HCl in manj aktiven s HBr ali HI. Najbolj aktivno in najhitreje potekajo reakcije urana z razredčenim in koncentriranim HNO 3 s tvorbo uranil nitrata ( glej spodaj). V prisotnosti HCl se uran hitro raztopi v organskih kislinah in tvori organske soli U 4+. Glede na stopnjo oksidacije uran tvori več vrst soli (najpomembnejša med njimi z U 4+, ena od njih je UCl 4 zlahka oksidirana zelena sol); uranilne soli (radikal UO 2 2+) tipa UO 2 (NO 3) 2 so rumene in fluorescenčno zelene. Uranilne soli nastanejo z raztapljanjem amfoternega oksida UO 3 (rumene barve) v kislem mediju. V alkalnem okolju UO 3 tvori uranate tipa Na 2 UO 4 ali Na 2 U 2 O 7 . Slednja spojina ("rumeni uranil") se uporablja za izdelavo porcelanskih glazur in pri proizvodnji fluorescenčnih stekel.
Uranovi halogenidi so bili v štiridesetih in petdesetih letih 20. stoletja zelo raziskani, saj so bili osnova za razvoj metod za ločevanje uranovih izotopov za atomsko bombo ali jedrski reaktor. Uranov trifluorid UF 3 je bil pridobljen z redukcijo UF 4 z vodikom, uranov tetrafluorid UF 4 pa se pridobiva na različne načine z reakcijami HF z oksidi, kot sta UO 3 ali U 3 O 8 ali z elektrolitsko redukcijo uranilnih spojin. Uranov heksafluorid UF 6 dobimo s fluoriranjem U ali UF 4 z elementarnim fluorom ali z delovanjem kisika na UF 4 . Heksafluorid tvori prozorne kristale z visokim lomnim količnikom pri 64°C (1137 mmHg); spojina je hlapna (sublimira pri 56,54 °C v normalnih pogojih tlaka). Uranovi oksohalidi, na primer oksofluoridi, imajo sestavo UO 2 F 2 (uranil fluorid), UOF 2 (uranov oksid difluorid).
(po Paulingu)
U←U 3+ -1,66V
U←U 2+ -0,1V
| U | 92 |
| 238,0289 | |
| 5f 3 6d 1 7s 2 | |
| Uran | |
Uran(staro ime Urania) je kemični element z atomsko številko 92 v periodnem sistemu, atomska masa 238,029; označeno s simbolom U ( uran), spada v družino aktinidov.
Zgodba
Že v starih časih (I. stoletje pr.n.št.) so naravni uranov oksid uporabljali za izdelavo rumene glazure za keramiko. Raziskave urana so se razvijale kot verižna reakcija, ki jo povzroča. Sprva so informacije o njegovih lastnostih, kot prvi impulzi verižne reakcije, prihajale z dolgimi premori, od primera do primera. Prvi pomemben datum v zgodovini urana je leto 1789, ko je nemški naravni filozof in kemik Martin Heinrich Klaproth zlato-rumeno »zemljo«, pridobljeno iz rude saške smole, obnovil v črno kovini podobno snov. V čast najbolj oddaljenemu planetu, ki ga je takrat poznal (ki ga je Herschel odkril osem let prej), je Klaproth, ki je novo snov smatral za element, imenoval uran.
Petdeset let je Klaprothov uran veljal za kovino. Šele leta 1841 je Eugene Melchior Peligot - francoski kemik (1811-1890)] dokazal, da Klaprothov uran kljub značilnemu kovinskemu sijaju ni element, ampak oksid. UO 2. Leta 1840 je Peligu uspelo pridobiti pravi uran, jekleno sivo težko kovino, in določiti njegovo atomsko težo. Naslednji pomemben korak pri preučevanju urana je leta 1874 naredil D. I. Mendelejev. Na podlagi periodičnega sistema, ki ga je razvil, je postavil uran v najbolj oddaljeno celico svoje mize. Prej se je atomska teža urana štela za 120. Veliki kemik je to vrednost podvojil. Po 12 letih so Mendelejevovo napoved potrdili poskusi nemškega kemika Zimmermanna.
Preučevanje urana se je začelo leta 1896: francoski kemik Antoine Henri Becquerel je po naključju odkril Becquerellove žarke, ki jih je Marie Curie kasneje preimenovala v radioaktivnost. Hkrati je francoskemu kemiku Henriju Moissanu uspelo razviti metodo za pridobivanje čistega kovinskega urana. Leta 1899 je Rutherford odkril, da je sevanje uranovih pripravkov neenakomerno, da obstajata dve vrsti sevanja - alfa in beta žarki. Nosijo drugačen električni naboj; daleč od enakega obsega snovi in ionizacijske sposobnosti. Malo kasneje, maja 1900, je Paul Villard odkril tretjo vrsto sevanja - gama žarke.
Ernest Rutherford je leta 1907 izvedel prve poskuse za določanje starosti mineralov pri študiju radioaktivnega urana in torija na podlagi teorije radioaktivnosti, ki jo je ustvaril skupaj s Frederickom Soddyjem (Soddy, Frederick, 1877-1956; Nobelova nagrada za kemijo, 1921). Leta 1913 je F. Soddy predstavil koncept izotopi(iz grščine ισος - "enako", "enako" in τόπος - "mesto") in leta 1920 napovedal, da bi lahko izotope uporabili za določanje geološke starosti kamnin. Leta 1928 je Niggot spoznal, leta 1939 pa je A.O.K. Nier (Nier, Alfred Otto Carl, 1911 - 1994) ustvaril prve enačbe za izračun starosti in uporabil masni spektrometer za ločevanje izotopov.
Leta 1939 sta Frederic Joliot-Curie in nemška fizika Otto Frisch in Lisa Meitner odkrila neznani pojav, ki se pojavi z uranovim jedrom, ko ga obsevajo z nevtroni. Prišlo je do eksplozivnega uničenja tega jedra s tvorbo novih elementov, veliko lažjih od urana. To uničenje je bilo eksplozivne narave, drobci izdelkov so bili raztreseni v različnih smereh z ogromno hitrostjo. Tako je bil odkrit pojav, imenovan jedrska reakcija.
V letih 1939-1940. Yu. B. Khariton in Ya. B. Zel'dovich sta prvič teoretično pokazala, da je z rahlim obogatitvijo naravnega urana z uranom-235 mogoče ustvariti pogoje za neprekinjeno cepitev atomskih jeder, tj. dajte procesu verižni značaj.
Biti v naravi
Uraninitna ruda
Uran je v naravi zelo razširjen. Uranova klarka je 1·10 -3 % (mas.). Količina urana v plasti litosfere debeline 20 km je ocenjena na 1,3 10 14 ton.
Večino urana najdemo v kislih kamninah z visoko vsebnostjo silicij. Znatna masa urana je koncentrirana v sedimentnih kamninah, zlasti tistih, ki so obogatene z organskimi snovmi. Uran je v velikih količinah prisoten kot nečistoča v toriju in mineralih redkih zemelj (ortit, sfen CaTiO 3 , monazit (La,Ce)PO 4 , cirkon ZrSiO 4 , ksenotim YPO4 itd.). Najpomembnejše uranove rude so smola (katranska smola), uraninit in karnotit. Glavni minerali - sateliti urana so molibdenit MoS 2, galenit PbS, kremen SiO 2, kalcit CaCO 3, hidromuskovit itd.
| Mineralno | Glavna sestava minerala | Vsebnost urana, % |
|---|---|---|
| Uraninit | UO 2 , UO 3 + ThO 2 , CeO 2 | 65-74 |
| karnotit | K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 2H 2 O | ~50 |
| Casolite | 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 |
| branerit | (U, Ca, Fe, Y, Th) 3 Ti 5 O 15 | 40 |
| Tuyamunit | CaO 2UO 3 V 2 O 5 nH 2 O | 50-60 |
| zeynerit | Cu(UO 2) 2 (AsO 4) 2 nH 2 O | 50-53 |
| Otenitis | Ca(UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O | ~50 |
| Šrekingerit | Ca 3 NaUO 2 (CO 3) 3 SO 4 (OH) 9H 2 O | 25 |
| Ouranophanes | CaO UO 2 2SiO 2 6H 2 O | ~57 |
| Fergusonit | (Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O 4 | 0.2-8 |
| Thorbernit | Cu(UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O | ~50 |
| coffinite | U(SiO 4) 1-x (OH) 4x | ~50 |
Glavne oblike urana, ki jih najdemo v naravi, so uraninit, smola (katranska smola) in uranova črna. Razlikujejo se le po oblikah pojavljanja; obstaja starostna odvisnost: uraninit je prisoten predvsem v starodavnih (predkambrijskih kamninah), smolna mešanica - vulkanogena in hidrotermalna - predvsem v paleozojskih in mlajših visoko- in srednjetemperaturnih formacijah; uranova črna - predvsem v mladih - kenozojskih in mlajših formacijah - predvsem v nizkotemperaturnih sedimentnih kamninah.
Vsebnost urana v zemeljski skorji je 0,003 %, pojavlja se v površinski plasti zemlje v obliki štirih vrst usedlin. Prvič, to so žile uraninita ali smolnega urana (uranov dioksid UO2), ki je zelo bogat z uranom, a redek. Spremljajo jih nahajališča radija, saj radij je neposreden produkt izotopskega razpada urana. Takšne žile najdemo v Zairu v Kanadi (Veliko medvedje jezero), Češka in Francija. Drugi vir urana so konglomerati torija in uranove rude ter rude drugih pomembnih mineralov. Konglomerati običajno vsebujejo zadostne količine za ekstrakcijo zlato in srebro, spremljevalna elementa pa sta uran in torij. Velika nahajališča teh rud najdemo v Kanadi, Južni Afriki, Rusiji in avstralija. Tretji vir urana so sedimentne kamnine in peščenjaki, bogati z mineralom karnotitom (kalijev uranil vanadat), ki poleg urana vsebuje veliko količino vanadij in drugi elementi. Takšne rude najdemo v zahodnih državah ZDA. Četrti vir nahajališč predstavljajo železo-uranovi skrilavci in fosfatne rude. Bogata nahajališča najdemo v skrilavcih Švedska. Nekatere fosfatne rude v Maroku in Združenih državah vsebujejo znatne količine urana in nahajališča fosfatov v Angola in Srednjeafriška republika sta še bolj bogata z uranom. Večina lignitov in nekaj premoga običajno vsebuje nečistoče urana. V Severni in Južni Dakoti (ZDA) najdemo nahajališča lignita, bogata z uranom, in bituminozni premog Španija in Češka
Izotopi urana
Naravni uran je sestavljen iz mešanice treh izotopi: 238 U - 99,2739 % (razpolovna doba T 1/2 \u003d 4,468 × 10 9 let), 235 U - 0,7024% ( T 1/2 \u003d 7,038 × 10 8 let) in 234 U - 0,0057% ( T 1/2 = 2,455×10 5 let). Zadnji izotop ni primarni, ampak radiogen, je del radioaktivne serije 238 U.
Radioaktivnost naravnega urana je predvsem posledica izotopov 238 U in 234 U, v ravnotežju pa sta njuni specifični aktivnosti enaki. Specifična aktivnost izotopa 235 U v naravnem uranu je 21-krat manjša od aktivnosti 238 U.
Znanih je 11 umetnih radioaktivnih izotopov urana z masnimi števili od 227 do 240. Najdaljše živeči med njimi je 233 U ( T 1/2 \u003d 1,62 × 10 5 let) je pridobljen z obsevanjem torija z nevtroni in je sposoben spontane cepitve s toplotnimi nevtroni.
Izotopa urana 238 U in 235 U sta prednika dveh radioaktivnih serij. Končni elementi te serije so izotopi svinec 206Pb in 207Pb.
V naravnih razmerah so izotopi pretežno porazdeljeni 234 U: 235 U : 238 U= 0,0054:0,711:99,283. Polovica radioaktivnosti naravnega urana je posledica izotopa 234 U. Izotop 234 U nastala z razpadom 238 U. Za zadnja dva je v nasprotju z drugimi pari izotopov in ne glede na visoko migracijsko sposobnost urana značilna geografska konstantnost razmerja. Vrednost tega razmerja je odvisna od starosti urana. Številne naravne meritve so pokazale njena nepomembna nihanja. Torej v zvitkih se vrednost tega razmerja glede na standard giblje med 0,9959 -1,0042, v soli - 0,996 - 1,005. Pri mineralih, ki vsebujejo uran (nasturan, črni uran, cirtolit, rude redkih zemelj) se vrednost tega razmerja giblje med 137,30 in 138,51; poleg tega razlika med oblikama U IV in U VI ni bila ugotovljena; v sfenu - 138,4. Pri nekaterih meteoritih odkrito pomanjkanje izotopa 235 U. Njegovo najnižjo koncentracijo v kopenskih razmerah je leta 1972 odkril francoski raziskovalec Buzhigues v mestu Oklo v Afriki (nahajališče v Gabonu). Tako normalni uran vsebuje 0,7025 % urana 235 U, v Oklu pa se zmanjša na 0,557 %. To je podprlo hipotezo o naravnem jedrskem reaktorju, ki vodi do izgorevanja izotopov, ki sta jo napovedala George W. Wetherill s kalifornijske univerze v Los Angelesu in Mark G. Inghram z univerze v Chicagu in Paul K. Kuroda, kemik z univerze v Arkansas, ki je opisal proces že leta 1956. Poleg tega so v istih okrožjih našli naravne jedrske reaktorje: Okelobondo, Bangombe in dr. Trenutno je znanih približno 17 naravnih jedrskih reaktorjev.
Potrdilo o prejemu
Prva faza proizvodnje urana je koncentracija. Kamnina se zdrobi in zmeša z vodo. Komponente težke suspendirane snovi se hitreje usedajo. Če kamnina vsebuje primarne minerale urana, se hitro oborijo: to so težki minerali. Sekundarni minerali urana so lažji, v tem primeru se težka odpadna kamnina usede prej. (Vendar še zdaleč ni vedno zares prazen; lahko vsebuje veliko koristnih elementov, vključno z uranom).
Naslednja faza je izpiranje koncentratov, prenos urana v raztopino. Uporabite kislinsko in alkalno izpiranje. Prvi je cenejši, saj se žveplova kislina uporablja za pridobivanje urana. Toda če v surovinah, kot na primer v uranu katran, je uran v štirivalentnem stanju, potem ta metoda ni uporabna: štirivalentni uran v žveplovi kislini se praktično ne raztopi. V tem primeru se je treba zateči k alkalnemu izpiranju ali predoksidirati uran v šestvalentno stanje.
Ne uporabljajte kislinskega izpiranja in v primerih, ko uranov koncentrat vsebuje dolomit ali magnezit, ki reagira z žveplovo kislino. V teh primerih kavstična soda (hidroksid natrij).
Problem izpiranja urana iz rud se rešuje s čiščenjem s kisikom. Pretok kisika se dovaja v mešanico uranove rude s sulfidnimi minerali, segreto na 150 °C. V tem primeru iz žveplovih mineralov nastane žveplova kislina, ki izpira uran.
Na naslednji stopnji je treba uran selektivno izolirati iz nastale raztopine. Sodobne metode - ekstrakcija in ionska izmenjava - omogočajo rešitev tega problema.
Raztopina ne vsebuje samo urana, ampak tudi druge katione. Nekateri od njih se pod določenimi pogoji obnašajo na enak način kot uran: ekstrahirajo se z istimi organskimi topili, nanesejo na iste ionsko izmenjevalne smole in pod enakimi pogoji oborijo. Zato je treba za selektivno izolacijo urana uporabiti številne redoks reakcije, da se na vsaki stopnji znebimo enega ali drugega nezaželenega spremljevalca. Na sodobnih ionsko izmenjevalnih smolah se uran sprošča zelo selektivno.
Metode ionska izmenjava in ekstrakcija dobri so tudi zato, ker omogočajo dokaj polno ekstrakcijo urana iz slabih raztopin (vsebnost urana je desetinke grama na liter).
Po teh operacijah se uran prevede v trdno stanje – v enega od oksidov ali v UF 4 tetrafluorid. Toda ta uran je treba še vedno očistiti iz nečistoč z velikim presekom zajema toplotnih nevtronov - bor, kadmij, hafnij. Njihova vsebnost v končnem izdelku ne sme presegati sto tisočin in milijonink odstotka. Za odstranitev teh nečistoč se komercialno čista uranova spojina raztopi v dušikovi kislini. Pri tem nastane uranil nitrat UO 2 (NO 3) 2, ki se ob ekstrakciji s tributil fosfatom in nekaterimi drugimi snovmi dodatno očisti do želenih pogojev. Nato ta snov kristalizira (ali obori peroksid UO 4 ·2H 2 O) in se začne previdno vžigati. Kot rezultat te operacije nastane uranov trioksid UO 3, ki se z vodikom reducira v UO 2.
Uranov dioksid UO 2 pri temperaturi od 430 do 600 °C obdelamo s suhim vodikovim fluoridom, da dobimo tetrafluorid UF 4 . Kovinski uran se reducira iz te spojine z uporabo kalcij oz magnezija.
Fizične lastnosti
Uran je zelo težka, srebrno bela, sijoča kovina. V svoji čisti obliki je nekoliko mehkejši od jekla, kovran, prožen in ima rahle paramagnetne lastnosti. Uran ima tri alotropne oblike: alfa (prizmatična, stabilna do 667,7 °C), beta (štirikotna, stabilna od 667,7 °C do 774,8 °C), gama (s telesno osredotočeno kubično strukturo, ki obstaja od 774, 8 °C do tališče).
Radioaktivne lastnosti nekaterih izotopov urana (izolirani so bili naravni izotopi):
Kemijske lastnosti
Uran lahko kaže oksidacijsko stanje od +III do +VI. Spojine urana (III) tvorijo nestabilne rdeče raztopine in so močna redukcijska sredstva:
4UCl 3 + 2H 2 O → 3UCl 4 + UO 2 + H 2
Uranove(IV) spojine so najbolj stabilne in tvorijo zelene vodne raztopine.
Spojine urana(V) so nestabilne in zlahka nesorazmerne v vodni raztopini:
2UO 2 Cl → UO 2 Cl 2 + UO 2
Kemično je uran zelo aktivna kovina. Hitro oksidira na zraku in je prekrit z mavrično oksidno folijo. Fini uranov prah se spontano vname na zraku, vžge se pri temperaturi 150-175 °C in tvori U 3 O 8 . Pri 1000 °C se uran združi z dušikom in tvori rumeni uranov nitrid. Voda je sposobna korodirati kovino, počasi pri nizkih temperaturah in hitro pri visokih temperaturah, pa tudi s finim mletjem uranovega prahu. Uran se raztopi v klorovodikovi, dušikovi in drugih kislinah, pri čemer tvori štirivalentne soli, vendar ne sodeluje z alkalijami. Uran se izpodriva vodik iz anorganskih kislin in solnih raztopin kovin kot npr živo srebro, srebro, baker, kositer, platinainzlato. Z močnim stresanjem začnejo kovinski delci urana žareti. Uran ima štiri oksidacijska stanja - III-VI. Šestvalentne spojine vključujejo uranov trioksid (uranil oksid) UO 3 in uranov klorid UO 2 Cl 2 . Uranov tetraklorid UCl 4 in uranov dioksid UO 2 sta primera štirivalentnega urana. Snovi, ki vsebujejo štirivalentni uran, so običajno nestabilne in se ob daljši izpostavljenosti zraku spremenijo v šestvalentni uran. Uranilne soli, kot je uranil klorid, se razgradijo v prisotnosti močne svetlobe ali organskih snovi.
Aplikacija
Jedrsko gorivo
Ima največjo uporabo izotopa uran 235 U, v katerem je možna samovzdrževana jedrska verižna reakcija. Zato se ta izotop uporablja kot gorivo v jedrskih reaktorjih, pa tudi v jedrskem orožju. Ločevanje izotopa U 235 od naravnega urana je zapleten tehnološki problem (glej ločevanje izotopov).
Izotop U 238 je sposoben cepitve pod vplivom bombardiranja z visokoenergetskimi nevtroni, ta lastnost se uporablja za povečanje moči termonuklearnega orožja (uporabljajo se nevtroni, ki nastanejo s termonuklearno reakcijo).
Zaradi zajemanja nevtronov, ki mu sledi β-razpad, se lahko 238 U pretvori v 239 Pu, ki se nato uporablja kot jedrsko gorivo.
Uran-233, umetno proizveden v reaktorjih iz torija (torij-232 ujame nevtron in se spremeni v torij-233, ki razpade v protaktinij-233 in nato v uran-233), lahko v prihodnosti postane običajno jedrsko gorivo za jedrsko energijo elektrarne (že zdaj obstajajo reaktorji, ki uporabljajo ta nuklid kot gorivo, na primer KAMINI v Indiji) in proizvodnjo atomskih bomb (kritična masa približno 16 kg).
Uran-233 je tudi najbolj obetavno gorivo za jedrske raketne motorje v plinski fazi.
geologija
Glavna veja uporabe urana je določanje starosti mineralov in kamnin, da se razjasni zaporedje geoloških procesov. To počneta Geohronologija in Teoretična geohronologija. Bistvena je tudi rešitev problema mešanja in virov snovi.
Rešitev problema temelji na enačbah radioaktivnega razpada, ki jih opisujejo enačbe.
kje 238 Uo, 235 Uo— sodobne koncentracije uranovih izotopov; ; — konstante razpada atomov urana 238 U in 235 U.
Njihova kombinacija je zelo pomembna:
.Zaradi dejstva, da kamnine vsebujejo različne koncentracije urana, imajo različno radioaktivnost. Ta lastnost se uporablja pri izbiri kamnin z geofizikalnimi metodami. Ta metoda se najpogosteje uporablja v naftni geologiji za sekanje vrtin, ta kompleks vključuje zlasti γ-karotažo ali nevtronsko gama karotažo, gama-gama karotažo itd. Z njihovo pomočjo se identificirajo rezervoarji in tesnila.
Druge aplikacije
Majhen dodatek urana daje steklu lepo rumeno-zeleno fluorescenco (uranovo steklo).
Natrijev uranat Na 2 U 2 O 7 je bil uporabljen kot rumeni pigment pri slikanju.
Uranove spojine so bile uporabljene kot barve za slikanje na porcelanu ter za keramične glazure in emajle (barvane v barvah: rumena, rjava, zelena in črna, odvisno od stopnje oksidacije).
Nekatere uranove spojine so fotoobčutljive.
Na začetku 20. stoletja uranil nitratŠiroko se je uporabljal za izboljšanje negativov in obarvanje (barvanje) pozitivov (fotografskih odtisov) v rjavo.
Uran-235 karbid v zlitini z niobijevim karbidom in cirkonijevim karbidom se uporablja kot gorivo za jedrske reaktivne motorje (delovna tekočina je vodik + heksan).
Zlitine železa in osiromašenega urana (uran-238) se uporabljajo kot močni magnetostriktivni materiali.
osiromašenega urana
osiromašenega urana
Po ekstrakciji 235 U in 234 U iz naravnega urana se preostali material (uran-238) imenuje "osiromašeni uran", ker je osiromašen z izotopom 235. Po nekaterih poročilih je v Združenih državah shranjenih približno 560.000 ton heksafluorida osiromašenega urana (UF 6).
Osiromašeni uran je za polovico manj radioaktiven kot naravni uran, predvsem zaradi odstranitve iz njega 234 U. Ker je glavna poraba urana proizvodnja energije, je osiromašeni uran proizvod nizke porabe z nizko ekonomsko vrednostjo.
V bistvu je njegova uporaba povezana z visoko gostoto urana in relativno nizkimi stroški. Osiromašeni uran se uporablja za zaščito pred sevanjem (ironično) in kot balast v letalskih aplikacijah, kot so kontrolne površine letal. Vsako letalo Boeing 747 vsebuje za ta namen 1500 kg osiromašenega urana. Ta material se uporablja tudi v rotorjih žiroskopov za visoke hitrosti, velikih vztrajnikih, kot balast v vesoljskih spuščajočih se vozilih in dirkalnih jahtah pri vrtanju naftnih vrtin.
Oklepna jedra izstrelkov
Konica (podloga) izstrelka kalibra 30 mm (puške GAU-8 letala A-10) s premerom približno 20 mm iz osiromašenega urana.
Najbolj znana uporaba osiromašenega urana je kot jedra za oklepne izstrelke. Ko je legiran z 2 % Mo ali 0,75 % Ti in toplotno obdelan (hitro gašenje kovine, segrete na 850 °C v vodi ali olju, nadaljevanje pri 450 °C 5 ur), postane kovinski uran trši in močnejši od jekla (natezna trdnost je večji 1600 MPa, kljub dejstvu, da je za čisti uran 450 MPa). V kombinaciji z visoko gostoto je utrjen uranov ingot izjemno učinkovito orodje za prodor v oklep, podobno učinkovitosti kot dražji volfram. Težka uranova konica spremeni tudi porazdelitev mase v izstrelku in izboljša njegovo aerodinamično stabilnost.
Takšne zlitine tipa Stabilla se uporabljajo v puščičnih pernatih školjkah tankovskih in protitankovskih topniških kosov.
Proces uničenja oklepa spremlja mletje uranovega ingota v prah in vžig v zraku na drugi strani oklepa (glej Pirofornost). Med operacijo Puščavska nevihta je na bojišču ostalo približno 300 ton osiromašenega urana (večinoma ostanki granat iz 30 mm topa GAU-8 jurišnih letal A-10, vsaka granata vsebuje 272 g uranove zlitine).
Takšne granate so Natove čete uporabljale v bojih v Jugoslaviji. Po njihovi uporabi je bila obravnavana ekološka problematika sevanja ozemlja države.
Prvič je bil uran uporabljen kot jedro za školjke v Tretjem rajhu.
Osiromašeni uran se uporablja v sodobnih tankovskih oklepih, kot je tank M-1 Abrams.
Fiziološko delovanje
V mikrokoličinah (10 -5 -10 -8 %) se nahaja v tkivih rastlin, živali in ljudi. V največji meri ga kopičijo nekatere glive in alge. Uranove spojine se absorbirajo v prebavilih (približno 1%), v pljučih - 50%. Glavni depoji v telesu: vranica, ledvice, okostje, jetra, pljuča in bronho-pljučne bezgavke. Vsebnost v organih in tkivih ljudi in živali ne presega 10 -7 g.
Uran in njegove spojine strupeno. Posebno nevarni so aerosoli urana in njegovih spojin. Za aerosole vodotopnih uranovih spojin je MPC v zraku 0,015 mg/m³, za netopne oblike urana pa 0,075 mg/m³. Ko uran vstopi v telo, deluje na vse organe in je splošen celični strup. Molekularni mehanizem delovanja urana je povezan z njegovo sposobnostjo zaviranja aktivnosti encimov. Najprej so prizadete ledvice (v urinu se pojavijo beljakovine in sladkor, oligurija). Pri kronični zastrupitvi so možne motnje hematopoeze in živčnega sistema.
Proizvodnja po državah v tonah po vsebnosti U za obdobje 2005–2006
Proizvodnja podjetij v letu 2006:
Cameco - 8,1 tisoč ton
Rio Tinto - 7 tisoč ton
AREVA - 5 tisoč ton
Kazatomprom - 3,8 tisoč ton
JSC TVEL — 3,5 tisoč ton
BHP Billiton - 3 tisoč ton
Navoi MMC - 2,1 tisoč ton ( Uzbekistan, Navoi)
Uran One - 1 tisoč ton
Heathgate - 0,8 tisoč ton
Denison Mines - 0,5 tisoč ton
Proizvodnja v Rusiji
V ZSSR so bile glavne regije uranove rude Ukrajina (Želtorechenskoye, Pervomayskoye itd.), Kazahstan (Severno - Balkašinsko rudno polje itd.; Južno - Kyzylsajsko rudno polje itd.; Vostochny; vsi pripadajo predvsem na vulkanogeno-hidrotermalni tip); Transbaikalija (Antey, Streltsovskoye itd.); Srednja Azija, predvsem Uzbekistan z mineralizacijo v črnih skrilavcih s središčem v mestu Uchkuduk. Obstaja veliko majhnih pojavov in manifestacij rude. V Rusiji je Transbaikalija ostala glavna regija uranove rude. Približno 93% ruskega urana se pridobiva v nahajališču v regiji Čita (v bližini mesta Krasnokamensk). Rudarstvo izvaja Industrijsko rudarsko in kemično združenje Priargunsky (PIMCU), ki je del JSC Atomredmetzoloto (Uranium Holding), z uporabo rudarske metode.
Preostalih 7 % se pridobi z izpiranjem na kraju samem iz ZAO Dalur (regija Kurgan) in OAO Khiagda (Buryatia).
Nastale rude in uranov koncentrat se predelujejo v strojni tovarni Chepetsk.
Rudarstvo v Kazahstanu
Približno petina svetovnih zalog urana je skoncentrirana v Kazahstanu (21 % in 2. mesto na svetu). Skupni viri urana so približno 1,5 milijona ton, od tega je približno 1,1 milijona ton mogoče pridobiti z izpiranjem in situ.
Leta 2009 se je Kazahstan uvrstil na prvo mesto na svetu po pridobivanju urana.
Proizvodnja v Ukrajini
Glavno podjetje je Vzhodni rudarski in predelovalni obrat v mestu Zhovti Vody.
Cena
Kljub legendam o desetinah tisočih dolarjev za kilogram ali celo gram urana, njegova realna cena na trgu ni zelo visoka – neobogegani uranov oksid U 3 O 8 stane manj kot 100 ameriških dolarjev za kilogram. To je posledica dejstva, da je za zagon jedrskega reaktorja na neobogatenem uranu potrebnih desetine ali celo stotine ton goriva, za izdelavo jedrskega orožja pa je treba obogatiti veliko količino urana, da dobimo koncentracije, primerne za ustvarjanje bomba.
URAN (ime v čast planeta Urana, odkritega tik pred njim; lat. uran * a. uran; n. Uran; f. uran; in. uranio), U, je radioaktivni kemični element skupine III periodnega sistema Mendelejeva, atomsko število 92, atomska masa 238,0289, se nanaša na aktinide. Naravni uran je sestavljen iz mešanice treh izotopov: 238 U (99,282%, T 1/2 4,468,10 9 let), 235 U (0,712%, T 1/2 0,704,10 9 let), 234 U (0,006%, T 1/2 0,244,10 6 let). Znanih je tudi 11 umetnih radioaktivnih izotopov urana z masnimi številkami od 227 do 240.
Uran je leta 1789 v obliki UO 2 odkril nemški kemik M. G. Klaproth. Kovinski uran je leta 1841 pridobil francoski kemik E. Peligot. Dolgo časa je imel uran zelo omejeno uporabo in šele z odkritjem radioaktivnosti leta 1896 se je začelo njegovo preučevanje in uporaba.
Lastnosti urana
V prostem stanju je uran svetlo siva kovina; pod 667,7°C, je značilna rombična (a=0,28538 nm, b=0,58662 nm, c=0,49557 nm) kristalna mreža (a-modifikacija), v temperaturnem območju 667,7-774°C - tetragonalna (a=0,75 = nm, c = 0,5656 nm; R-modifikacija), pri višji temperaturi - telesno osredotočena kubična mreža (a = 0,3538 nm, g-modifikacija). Gostota 18700 kg / m 3, taljenje t 1135 ° C, vrelišče t približno 3818 ° C, molska toplotna zmogljivost 27,66 J / (mol.K), električna upornost 29,0,10 -4 (Ohm.m), toplotna prevodnost 22, 5 W/(m.K), temperaturni koeficient linearne ekspanzije 10.7.10 -6 K -1 . Temperatura prehoda urana v superprevodno stanje je 0,68 K; šibek paramagnet, specifična magnetna občutljivost 1.72.10 -6 . Jedra 235 U in 233 U se cepita spontano, pa tudi med zajemanjem počasnih in hitrih nevtronov, 238 U se cepita samo pri zajemanju hitrih (več kot 1 MeV) nevtronov. Ko se zajamejo počasni nevtroni, se 238 U spremeni v 239 Pu. Kritična masa urana (93,5 % 235U) v vodnih raztopinah je manjša od 1 kg, za odprto kroglo okoli 50 kg; za 233 U je kritična masa približno 1/3 kritične mase 235 U.
Izobraževanje in vsebine v naravi
Glavni porabnik urana je jedrska energetika (jedrski reaktorji, jedrske elektrarne). Poleg tega se uran uporablja za proizvodnjo jedrskega orožja. Vsa druga področja uporabe urana so močno podrejena.
(po Paulingu)
U←U 3+ -1,66V
U←U 2+ -0,1V
Zgodba
Že v starih časih (1. stoletje pr.n.št.) so naravni uran uporabljali za izdelavo rumene glazure za.
Uran je leta 1789 odkril nemški kemik Martin Heinrich Klaproth (Klaproth), ko je preučeval mineral ("uranov katran"). Po njem je dobil ime, odkrit je bil leta 1781. V kovinskem stanju je uran leta 1841 pridobil francoski kemik Eugene Peligot med redukcijo UCl 4 s kovinskim kalijem. uran je leta 1896 odkril Francoz. Sprva so 116 pripisovali uranu, vendar je leta 1871 prišel do zaključka, da ga je treba podvojiti. Po odkritju elementov z atomskimi številkami od 90 do 103 je ameriški kemik G. Seaborg prišel do zaključka, da je te elemente () pravilneje postaviti v periodični sistem v isto celico z elementom št. 89. Ta razporeditev je posledica dejstva, da je elektronska podnivo 5f zaključena v aktinidih.
Biti v naravi
Uran je značilen element za granitno plast in sedimentno lupino zemeljske skorje. Vsebnost v zemeljski skorji 2,5 10 -4 mas. V morski vodi je koncentracija urana manjša od 10 -9 g/l, skupaj pa morska voda vsebuje od 10 9 do 10 10 ton urana. Urana v zemeljski skorji ni v prosti obliki. Znanih je okoli 100 mineralov urana, najpomembnejši med njimi so U3O8, uraninit (U,Th)O2, ruda uranove smole (vsebuje uranove okside spremenljive sestave) in tujamunit Ca [(UO 2) 2 (VO 4 ) 2] 8H 2 Oh
izotopi
Naravni uran je sestavljen iz mešanice treh izotopov: 238 U - 99,2739 %, razpolovna doba T 1 / 2 = 4,51-10 9 let, 235 U - 0,7024 % (T 1 / 2 = 7,13-10 8 let) in 234 U - 0,0057% (T 1 / 2 \u003d 2,48 × 10 5 let).
Znanih je 11 umetnih radioaktivnih izotopov z masnim številom od 227 do 240.
Najbolj dolgoživi - 233 U (T 1 / 2 \u003d 1,62 10 5 let) dobimo z obsevanjem torija z nevtroni.
Izotopa urana 238 U in 235 U sta prednika dveh radioaktivnih serij.
Potrdilo o prejemu
Prva faza proizvodnje urana je koncentracija. Kamnina se zdrobi in zmeša z vodo. Komponente težke suspendirane snovi se hitreje oborijo. Če kamnina vsebuje primarne minerale urana, se hitro oborijo: to so težki minerali. Sekundarni minerali elementa #92 so lažji, v tem primeru se težka odpadna kamnina usede prej. (Vendar še zdaleč ni vedno zares prazen; lahko vsebuje veliko koristnih elementov, vključno z uranom).
Naslednja faza je izpiranje koncentratov, prenos elementa št. 92 v raztopino. Uporabite kislinsko in alkalno izpiranje. Prvi je cenejši, saj se za pridobivanje uporablja uran. Toda če v surovinah, kot na primer v uranu katran, je uran v štirivalentnem stanju, potem ta metoda ni uporabna: štirivalentni uran v žveplovi kislini je praktično netopen. In bodisi se morate zateči k alkalnemu izpiranju ali predoksidirati uran v šestvalentno stanje.
Ne uporabljajte kislinskega izpiranja in v primerih, ko uranov koncentrat vsebuje oz. Za njihovo raztapljanje je treba porabiti preveč kisline in v teh primerih je bolje uporabiti ().
Problem izpiranja urana iz rešuje s čiščenjem s kisikom. Tok se dovaja v mešanico uranove rude in mineralov, segreto na 150 °C. Hkrati nastane iz žveplovih mineralov, ki izpirajo uran.
Na naslednji stopnji je treba uran selektivno izolirati iz nastale raztopine. Sodobne metode - in - omogočajo rešitev tega problema.
Raztopina ne vsebuje samo urana, ampak tudi druge. Nekateri od njih se pod določenimi pogoji obnašajo enako kot uran: ekstrahirajo se z enakimi topili, nanesejo na iste ionsko izmenjevalne smole in oborijo pod enakimi pogoji. Zato je treba za selektivno izolacijo urana uporabiti številne redoks reakcije, da se na vsaki stopnji znebimo enega ali drugega nezaželenega spremljevalca. Na sodobnih ionsko izmenjevalnih smolah se uran sprošča zelo selektivno.
Metode ionska izmenjava in ekstrakcija dobri so tudi zato, ker omogočajo dokaj popolno ekstrakcijo urana iz slabih raztopin, v litru katerega je le desetinke grama elementa št. 92.
Po teh operacijah se uran prevede v trdno stanje - v enega od oksidov ali v tetrafluorid UF 4 . Toda ta uran je treba še vedno očistiti od nečistoč z velikim presekom zajetja toplotnih nevtronov - , . Njihova vsebnost v končnem izdelku ne sme presegati sto tisočin in milijonink odstotka. Tako je treba že pridobljen tehnično čist izdelek ponovno raztopiti - tokrat v. Uranil nitrat UO 2 (NO 3) 2 med ekstrakcijo s tributil fosfatom in nekaterimi drugimi snovmi dodatno očistimo do želenih pogojev. Nato ta snov kristalizira (ali obori peroksid UO 4 ·2H 2 O) in se začne previdno vžigati. Kot rezultat te operacije nastane uranov trioksid UO 3, ki se reducira v UO 2 .
Ta snov je predzadnja na poti od rude do kovine. Pri temperaturah od 430 do 600 ° C reagira s suhim vodikovim fluoridom in se spremeni v UF 4 tetrafluorid. Iz te spojine običajno pridobivajo kovinski uran. Prejmite s pomočjo ali običajno.
Fizične lastnosti
Uran je zelo težka, srebrno bela, sijoča kovina. V svoji čisti obliki je nekoliko mehkejši od jekla, kovran, prožen in ima rahle paramagnetne lastnosti. Uran ima tri alotropne oblike: alfa (prizmatična, stabilna do 667,7 °C), beta (štirikotna, stabilna od 667,7 do 774,8 °C), gama (s telesno osredotočeno kubično strukturo, ki obstaja od 774,8 °C do tališča ).
Kemijske lastnosti
Kemična aktivnost kovinskega urana je visoka. V zraku se prekrije z mavrično folijo. Uran v prahu se spontano vžge pri temperaturi 150-175 °C. Med zgorevanjem urana in toplotnim razpadom številnih njegovih spojin v zraku nastane uranov oksid U 3 O 8. Če se ta oksid segreje v atmosferi pri temperaturah nad 500 °C, nastane UO 2. Ko se uranovi oksidi zlijejo z oksidi drugih kovin, nastanejo uranati: K 2 UO 4 (kalijev uranat), CaUO 4 (kalcijev uranat), Na 2 U 2 O 7 (natrijev diuranat).
Aplikacija
Jedrsko gorivo
Največjo uporabo ima uran 235 U, pri katerem je mogoča samooskrba. Zato se ta izotop uporablja kot gorivo v, pa tudi v (kritična masa približno 48 kg). Izolacija izotopa U 235 iz naravnega urana je kompleksen tehnološki problem (glej). Izotop U 238 je sposoben cepitve pod vplivom bombardiranja z visokoenergetskimi nevtroni, ta lastnost se uporablja za povečanje moči (uporabljajo se nevtroni, ki nastanejo s termonuklearno reakcijo). Zaradi zajemanja nevtronov, ki mu sledi β-razpad, se lahko 238 U spremeni v 239, ki se nato uporablja kot jedrsko gorivo.
Uran-233, umetno pridobljen v reaktorjih (z obsevanjem z nevtroni in pretvorbo v in nato v uran-233), je jedrsko gorivo za jedrske elektrarne in proizvodnjo atomskih bomb (kritična masa približno 16 kg). Uran-233 je tudi najbolj obetavno gorivo za jedrske raketne motorje v plinski fazi.
Druge aplikacije
- Majhen dodatek urana daje steklu čudovit zelenkasto rumen odtenek.
- Uran-235 karbid v zlitini z niobijevim karbidom in cirkonijevim karbidom se uporablja kot gorivo za jedrske reaktivne motorje (delovna tekočina je vodik + heksan).
- Zlitine železa in osiromašenega urana (uran-238) se uporabljajo kot močni magnetostriktivni materiali.
- Na začetku dvajsetega stoletja uranil nitrat se pogosto uporablja kot virirno sredstvo za izdelavo barvnih fotografskih odtisov.
osiromašenega urana
Po ekstrakciji U-235 iz naravnega urana se preostali material imenuje "osiromašeni uran", ker je osiromašen z 235. izotopom. Po nekaterih poročilih je v Združenih državah shranjenih približno 560.000 ton heksafluorida osiromašenega urana (UF 6). Osiromašeni uran je za polovico manj radioaktiven kot naravni uran, predvsem zaradi odstranitve U-234 iz njega. Ker je glavna uporaba urana proizvodnja energije, je osiromašeni uran neuporaben izdelek z majhno ekonomsko vrednostjo.
Njegova glavna uporaba je povezana z visoko gostoto urana in razmeroma nizkimi stroški: njegova uporaba za zaščito pred sevanjem (čeprav se zdi čudno) in kot balast v letalskih aplikacijah, kot so kontrolne površine letal. Vsako letalo vsebuje za ta namen 1500 kg osiromašenega urana. Ta material se uporablja tudi v rotorjih žiroskopov za visoke hitrosti, velikih vztrajnikih, kot balast v vesoljskih spuščajočih se vozilih in dirkalnih jahtah pri vrtanju naftnih vrtin.
Oklepna jedra izstrelkov
Najbolj znana uporaba urana je kot jedra za ameriške . Po fuziji z 2 % ali 0,75 % in toplotni obdelavi (hitro gašenje kovine, segrete na 850 °C v vodi ali olju, nadaljnje držanje pri 450 °C 5 ur) postane kovinski uran trši in močnejši (natezna trdnost je več kot 1600). MPa, medtem ko je za čisti uran 450 MPa). V kombinaciji z visoko gostoto je zaradi tega utrjeni uranov ingot izjemno učinkovito orodje za prodor v oklep, podobno učinkovitosti kot dražji . Proces uničenja oklepa spremlja mletje uranovega oklepa v prah in vžig v zraku na drugi strani oklepa. Med operacijo Puščavska nevihta je na bojišču ostalo približno 300 ton osiromašenega urana (večinoma ostanki granat iz 30 mm topa GAU-8 jurišnih letal A-10, vsaka granata vsebuje 272 g uranove zlitine).
Takšne granate so Natove čete uporabljale v bojih v Jugoslaviji. Po njihovi uporabi je bila obravnavana ekološka problematika sevanja ozemlja države.
Osiromašeni uran se uporablja v sodobnih tankovskih oklepih, kot je tank.
Fiziološko delovanje
V mikrokoličinah (10 -5 -10 -8 %) se nahaja v tkivih rastlin, živali in ljudi. V največji meri ga kopičijo nekatere glive in alge. Uranove spojine se absorbirajo v prebavilih (približno 1%), v pljučih - 50%. Glavni depoji v telesu: vranica in bronho-pljučna. Vsebnost v organih in tkivih ljudi in živali ne presega 10-7 g.
Uran in njegove spojine strupeno. Posebno nevarni so aerosoli urana in njegovih spojin. Za aerosole vodotopnih uranovih spojin je MPC v zraku 0,015 mg/m 3 , za netopne oblike urana 0,075 mg/m 3 . Ko uran vstopi v telo, deluje na vse organe in je splošen celični strup. Molekularni mehanizem delovanja urana je povezan z njegovo sposobnostjo zatiranja aktivnosti. Najprej so prizadeti (v urinu se pojavijo beljakovine in sladkor). V kroničnih primerih so možne motnje hematopoeze in živčnega sistema.
Kopanje urana na svetu
Po "Rdeči knjigi urana", izdani leta 2005, je bilo izkopanih 41.250 ton urana (leta 2003 - 35.492 ton). Po podatkih OECD je na svetu 440 komercialnih uporab, ki porabijo 67.000 ton urana na leto. To pomeni, da njegova proizvodnja zagotavlja le 60 % njene porabe (preostanek se pridobi iz starih jedrskih bojnih glav).
Proizvodnja po državah v tonah po vsebnosti U za obdobje 2005-2006
Proizvodnja v Rusiji
Preostalih 7% se pridobi s podzemnim izpiranjem CJSC Dalur () in OJSC Khiagda ().
Nastale rude in uranov koncentrat se predelujejo v strojni tovarni Chepetsk.
Poglej tudi
Povezave
Jedrske tehnologije v veliki meri temeljijo na uporabi radiokemijskih metod, ki pa temeljijo na jedrsko-fizikalnih, fizikalnih, kemičnih in toksičnih lastnostih radioaktivnih elementov.
V tem poglavju se omejimo na kratek opis lastnosti glavnih cepljivih izotopov – urana in plutonija.
Uran
Uran ( uran) U - element skupine aktinidov, 7.-0. obdobje periodnega sistema, Z=92, atomska masa 238,029; najtežji od tistih, ki jih najdemo v naravi.
Znanih je 25 izotopov urana, od katerih so vsi radioaktivni. Najlažji 217U (Tj/ 2 = 26 ms), najtežji 2 4 2 U (7 T J / 2 = i6,8 min). Obstaja 6 jedrskih izomerov. V naravnem uranu so trije radioaktivni izotopi: 2 s 8 in (99,2 739%, Ti/2 = 4,47109 l), 2 35U (0,7205%, G, / 2 = 7,04-109 let) in 2 34U (0,0056%, ti/ 2=2,48-swl). Specifična radioaktivnost naravnega urana je 2,48104 Bq, razdeljena skoraj na polovico med 2 34U in 288 U; Majhno prispeva 235U (specifična aktivnost izotopa 233 v naravnem uranu je 21-krat manjša od aktivnosti 238U). Prerez zajema toplotnih nevtronov je 46, 98 in 2,7 barna za 2 zz, 2 35U in 2 3 8 U; cepitveni prerez 527 in 584 barn za 2 zz in 2 s 8 oz. naravna mešanica izotopov (0,7 % 235U) 4,2 skedenj.
Tab. 1. Jedrsko-fizikalne lastnosti 2 h9 Ri in 2 35C.
Tab. 2. Zajem nevtronov 2 35C in 2 h 8 C.
Šest izotopov urana je sposobnih spontane cepitve: 282 U, 2 szy, 234U, 235U, 2 s 6 u in 2 s 8 u. Naravna izotopa 233 in 235U se cepita pod delovanjem toplotnih in hitrih nevtronov, medtem ko se jedra 238 in cepijo le, če se zajamejo nevtroni z energijo več kot 1,1 MeV. Ko se zajamejo nevtroni z nižjo energijo, se jedra 288 U najprej pretvorijo v jedra 2 -i9U, ki se nato podvržejo p-razpadu in gredo najprej v 2 - "*9Np, nato pa v 2 39Pu. Učinkoviti preseki za zajemanje toplotni nevtroni 2 34U, 2 jedri 35U in 2 3 8 in so enaki 98, 683 in 2,7-barns. Popolna cepitev 2 35U vodi do "ekvivalenta toplotne energije" 2-107 kWh/kg. Iso 2 35U in 2 zzy se uporabljata kot jedrsko gorivo, ki lahko podpira verižno reakcijo cepitve.
Jedrski reaktorji proizvajajo n umetnih izotopov urana z masnimi številkami 227-240, od katerih je najdaljše živeči 233U (7 V 2 \u003d i.62 *io 5 let); dobimo ga z nevtronskim obsevanjem torija. Izotopi urana z masnimi številkami 239^257 se rodijo v supermočnih nevtronskih tokovih termonuklearne eksplozije.
Uran-232- tehnogeni nuklid, a-emiter, T x / 2=68,9 let, matični izotopi 2 3 6 Pu(a), 23 2 Np(p*) in 23 2 Pa(p), hčerinski nuklid 228 Th. Intenzivnost spontane cepitve je 0,47 razdelkov / s kg.
Uran-232 nastane kot posledica naslednjih razpadov:
P + - razpad nuklida * 3 a Np (Ti / 2 \u003d 14,7 min):
V jedrski industriji se 2 3 2 U proizvaja kot stranski produkt pri sintezi cepljivega (orožnega) nuklida 2 33 v torijevem gorivnem ciklu. Pri obsevanju z 2 3 2 Th nevtroni pride do glavne reakcije:
in stranska dvostopenjska reakcija:
Proizvodnja 232 U iz torija se pojavi samo na hitrih nevtronih (E„>6 MeV). Če je v začetni snovi 2 s°Th, potem tvorbo 2 3 2 U dopolni reakcija: 2 s°Th + u-> 2 3'Th. Ta reakcija poteka na toplotnih nevtronih. Generacija 2 3 2 U je nezaželena iz več razlogov. Zavira se z uporabo torija z najmanjšo koncentracijo 23°Th.
Razpad 2 od 2 se pojavi v naslednjih smereh:
Razpad v 228 Th (verjetnost 100 %, energija razpada 5,414 MeV):
energija oddanih a-delcev je 5,263 MeV (v 31,6 % primerov) in 5,320 MeV (v 68,2 % primerov).
- - spontana cepitev (verjetnost manjša od ~ 12%);
- - razpad grozdov s tvorbo nuklida 28 Mg (verjetnost razpada je manjša od 5 * 10 "12%):
Razpad grozda s tvorbo nuklida 2
Uran-232 je prednik dolge razpadne verige, ki vključuje nuklide - oddajnike trdih y-kvantov:
^U-(3,64 dni, a, y)-> 220 Rn-> (55,6 s, a)-> 21b Po-> (0,155 s, a)-> 212 Pb-> (10,64 h, p, y) - > 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 m, p, y -> 2o8 Pb.
Kopičenje 2 3 2 U je neizogibno pri proizvodnji 2 zzy v torijevem energetskem ciklu. Intenzivno y-sevanje, ki nastane zaradi razpada 2 3 2 U, ovira razvoj torijeve energije. Nenavadno je, da ima enakomerni izotop 2 3 2 11 velik prerez cepitve pod delovanjem nevtronov (75 barn za termične nevtrone), pa tudi visok prerez zajemanja nevtronov - 73 barn. 2 3 2 U se uporablja v metodi radioaktivnih sledilcev v kemijskih raziskavah.
2 z 2 in je prednik dolge razpadne verige (po shemi 2 z 2 Th), ki vključuje nuklide, ki oddajajo trde y-kvante. Kopičenje 2 3 2 U je neizogibno pri proizvodnji 2 zzy v torijevem energetskem ciklu. Intenzivno γ-sevanje, ki izhaja iz razpada 232 U, ovira razvoj torijeve energije. Nenavadno je, da ima enakomerni izotop 2 3 2 U velik presek cepitve pod delovanjem nevtronov (75 barn za termične nevtrone), pa tudi visok prerez zajemanja nevtronov - 73 barn. 2 3 2 U se pogosto uporablja v metodi radioaktivnih sledilcev v kemijskih in fizikalnih raziskavah.
Uran-233- tehnogeni radionuklid, a-sevalec (energije 4,824 (82,7%) in 4,783 MeV (14,9%),), TVi= 1,585105 let, matični nuklidi 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +) -> 2 33Pa(p), hčerinski nuklid 22 9Th. 2 zzi dobimo v jedrskih reaktorjih iz torija: 2 s 2 Th ujame nevtron in se spremeni v 2 zz Th, ki razpade v 2 zz Pa, nato pa v 2 zz. Jedra 2 zzi (neparni izotop) so sposobna tako spontane kot tudi cepitve pod delovanjem nevtronov katere koli energije, zaradi česar je primerna za proizvodnjo tako atomskega orožja kot reaktorskega goriva. Efektivni presek cepitve je 533 barn, prerez zajemanja je 52 barn, donos nevtronov je 2,54 na dogodek cepitve in 2,31 na absorbirani nevtron. Kritična masa 2 zz je trikrat manjša od kritične mase 2 35U (-16 kg). Intenzivnost spontane cepitve je 720 primerov / s kg.
Uran-233 nastane kot posledica naslednjih razpadov:
- (3 + -razpad nuklida 2 33Np (7^=36,2 min):
V industrijskem obsegu se 2 zzi pridobi iz 2 32Th z nevtronskim obsevanjem:
Ko se nevtron absorbira, se jedro 233 običajno cepi, vendar občasno zajame nevtron in se spremeni v 234U. Čeprav se 2 zzy, ki absorbira nevtron, običajno cepi, kljub temu včasih shrani nevtron in se spremeni v 2 34U. Čas delovanja 2 zz se izvaja tako v hitrih kot v termičnih reaktorjih.
Z vidika orožja je 2 zzi primerljiva z 2 39 Pu: njegova radioaktivnost je 1/7 aktivnosti 2 39 Pu (Ti/ 2 = 159200 l proti 24100 l za Pu), je kritična masa 2 szi 6o% višja od IgPu (16 kg proti 10 kg), hitrost spontane cepitve pa je 20-krat večja (b-u - « v primerjavi s 310 10). Nevtronski tok iz 239Pu je 3-krat večji kot iz 239Pu. Ustvarjanje jedrskega naboja na osnovi 2 sz zahteva več truda kot na ^Pu. Glavna ovira je prisotnost nečistoče 232U v 232U, katerega y-sevanje projektov razpadanja otežuje delo z 2zzi in olajša odkrivanje že pripravljenega orožja. Poleg tega je zaradi kratke razpolovne dobe 2 3 2 U aktiven vir a-delcev. 2 zzi z 1% 232 in ima 3-krat močnejšo a-aktivnost kot orožni plutonij in s tem večjo radiotoksičnost. Ta a-aktivnost povzroči rojstvo nevtronov v svetlobnih elementih naboja orožja. Da bi zmanjšali to težavo, mora biti prisotnost elementov, kot so Be, B, F, Li, minimalna. Prisotnost nevtronskega ozadja ne vpliva na delovanje implozijskih sistemov, vendar je za sheme orožja potrebna visoka stopnja čistosti lahkih elementov zgi ni škodljiv in celo zaželen, ker zmanjšuje možnost uporabe urana za orožne namene .Po predelavi izrabljenega jedrskega goriva in ponovni uporabi goriva doseže vsebnost 232U 0,1 + 0,2 %.
Razpad 2 zzy se pojavi v naslednjih smereh:
A-razpad v 22 9Th (verjetnost 100 %, energija razpada 4,909 MeV):
energija oddanih n-delcev je 4,729 MeV (v 1,61 % primerov), 4,784 MeV (v 13,2 % primerov) in 4,824 MeV (v 84,4 % primerov).
- - spontana cepitev (verjetnost
- - razpad grozdov s tvorbo nuklida 28 Mg (verjetnost razpada je manjša od 1,3*10 -13%):
Razpad grozda s tvorbo nuklida 24 Ne (verjetnost razpada 7,3-10-“%):
Razpadna veriga 2 zz spada v serijo Neptunium.
Specifična radioaktivnost je 2 zzi 3,57-8 Bq/g, kar ustreza a-aktivnosti (in radiotoksičnosti) -15 % plutonija. Samo 1 % 2 3 2 U poveča radioaktivnost na 212 mCi/g.
Uran-234(Uran II, UII) je del naravnega urana (0,0055%), 2,445105 let, a-emiter (energija a-delcev 4,777 (72%) in
4,723 (28%) MeV), matični radionuklidi: 2 s 8 Pu(a), 234 Pa(P), 234 Np(p +),
hčerinski izotop v 2 s"t.
Običajno je 234 U v ravnotežju z 2 3 8 u, ki razpada in nastaja z enako hitrostjo. Približno polovico radioaktivnosti naravnega urana prispeva 234U. Običajno dobimo 234U z ionsko izmenjevalno kromatografijo starih pripravkov čistega 238 Pu. Pri a-razpadu je *34U primeren za 234U, zato so stari pripravki 238Pu dobri viri 234U. 100 g 2s8Pu vsebuje 776 mg 234U po enem letu, po 3 letih
2,2 g 2 34U. Koncentracija 2 34U v visoko obogatenem uranu je zaradi prednostne obogatitve z lahkimi izotopi precej visoka. Ker je 234u močan y-sevalec, obstajajo omejitve glede njegove koncentracije v uranu, namenjenem predelavi v gorivo. Povišana raven 234i je sprejemljiva za reaktorje, vendar predelani SNF vsebuje že nesprejemljive ravni tega izotopa.
Razpad 234u poteka po naslednjih linijah:
A-razpad pri 23°T (verjetnost 100 %, energija razpada 4,857 MeV):
energija oddanih a-delcev je 4,722 MeV (v 28,4 % primerov) in 4,775 MeV (v 71,4 % primerov).
- - spontana cepitev (verjetnost 1,73-10-9%).
- - razpad grozdov s tvorbo nuklida 28 Mg (verjetnost razpada je 1,4-10 "n%, po drugih virih 3,9-10-"%):
- - razpad grozdov s tvorbo nuklidov 2 4Ne in 26 Ne (verjetnost razpada je 9-10 ", 2%, po drugih podatkih 2,3-10 - 11%):
Znan je edini izomer 2 34ti (Tx/ 2 = 33,5 μs).
Absorpcijski presek 2 toplotnih nevtronov 34U je 10 barn, za resonančni integral, povprečen na različne vmesne nevtrone, pa 700 barn. Zato se v reaktorjih s toplotnimi nevtroni pretvori v cepljivi 235U hitreje, kot se veliko večja količina 238U (s prečnim prerezom 2,7 barna) pretvori v 239Pu. Posledično SNF vsebuje manj 234U kot sveže gorivo.
Uran-235 spada v družino 4P + 3, je sposoben proizvajati verižno reakcijo cepitve. To je prvi izotop, na katerem je bila odkrita reakcija prisilne cepitve jeder pod delovanjem nevtronov. Ko absorbira nevtron, 235U preide v 2 zbi, ki je razdeljen na dva dela, pri čemer sprosti energijo in oddaja več nevtronov. Cepljiv z nevtroni katere koli energije, sposoben spontane cepitve, izotop 2 35U je del naravnega utana (0,72 %), a-oddajnika (energije 4,397 (57 %) in 4,367 (18 %) MeV), Ti/j=7,038-th 8 let, matični nuklidi 2 35Pa, 2 35Np in 2 39Pu, hči - 23"Th. Intenzivnost spontane cepitve 2 3su 0,16 razdelkov/s kg. Cepitev enega jedra 2 35U sprosti 200 MeV energije = 3,2 Yu p J, t.j. 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Prerez cepitve s toplotnimi nevtroni je 545 barnov, s hitrimi nevtroni pa 1,22 barna, donos nevtronov: na fisijski dogodek - 2,5, na absorbirani nevtron - 2,08.
Komentar. Prerez zajema počasnih nevtronov za tvorbo izotopa 2 si (10 barn), tako da je skupni absorpcijski prerez počasnih nevtronov 645 barn.
- - spontana cepitev (verjetnost 7*10~9%);
- - razpad grozdov s tvorbo nuklidov 2 °Ne, 2 5Ne in 28 Mg (verjetnosti so 8-io - 10 %, 8-kg 10 %, 8 * 10 ".0%):
riž. eno.
Edini znan izomer je 2 35n»u (7/ 2 = 26 min).
Specifična aktivnost 2 35C 7,77-u 4 Bq/g. Kritična masa orožnega urana (93,5 % 2 35U) za žogo z reflektorjem je 15-7-23 kg.
Fisija 2 » 5U se uporablja v atomskem orožju, za proizvodnjo energije in za sintezo pomembnih aktinidov. Verižna reakcija se vzdržuje zaradi presežka nevtronov, ki nastanejo med cepljenjem 2 35C.
Uran-236 se na Zemlji v naravi pojavlja v sledovih (na Luni je več), a-oddajnik (?
riž. 2. Radioaktivna družina 4/7+2 (vključno z -3 8 in).
V atomskem reaktorju 233 absorbira toplotni nevtron, po katerem se cepi z 82-odstotno verjetnostjo in oddaja y-kvant z verjetnostjo 18 % in se spremeni v 236 in . V majhnih količinah je del svežega goriva; se kopiči, ko se uran obseva z nevtroni v reaktorju, in se zato uporablja kot "signalna naprava" SNF. 2 h b in nastane kot stranski produkt pri ločevanju izotopov s plinasto difuzijo med regeneracijo izrabljenega jedrskega goriva. 236 U, proizveden v energijskem reaktorju, je nevtronski strup; njegova prisotnost v jedrskem gorivu je kompenzirana z visoko stopnjo obogatitve z 2 35U.
2b in se uporablja kot sledilnik za mešanje oceanskih voda.
uran-237,T&= 6,75 dni, beta in gama sevalec, je mogoče dobiti z jedrskimi reakcijami:
Odkrivanje 287 in izvedeno vzdolž črt z eu= o.v MeV (36%), 0,114 MeV (0,06%), 0,165 MeV (2,0%), 0,208 MeV (23%)
237U se uporablja v metodi radioaktivnih sledilcev v kemijskih raziskavah. Merjenje koncentracije (2 4°Am) v izpadih iz preskusa atomskega orožja daje dragocene informacije o vrsti naboja in uporabljeni opremi.
Uran-238- spada v družino 4P + 2, cepljiv z visokoenergetskimi nevtroni (več kot 1,1 MeV), sposoben spontane cepitve, je osnova naravnega urana (99,27 %), a-oddajnik, 7'; /2=4>468-109 let, neposredno razpade v 2 34Th, tvori številne genetsko sorodne radionuklide in se po 18 produktih spremeni v 206 Pb. Pure 2 3 8 U ima specifično radioaktivnost 1,22-104 Bq. Razpolovna doba je zelo dolga - približno 10 16 let, tako da je verjetnost cepitve glede na glavni proces - emisijo a-delca - le 10 "7. En kilogram urana daje le 10 spontanih cepitev na drugič, hkrati pa a-delec oddaja 20 milijonov jeder Nadrejeni nuklidi: 2 4 2 Pu(a), *spa(p-) 234Th, hči T,/ 2 = 2 :jaz 4 th.
Uran-238 nastane kot posledica naslednjih razpadov:
2 (V0 4) 2] 8N 2 0. Od sekundarnih mineralov je pogost hidratiziran kalcijev uranil fosfat Ca (U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0. Pogosto uran v mineralih spremljajo še drugi koristni elementi - titan , tantal, redke zemlje. Zato je naravno, da si prizadevamo za kompleksno predelavo rud, ki vsebujejo uran.
Osnovne fizikalne lastnosti urana: atomska masa 238,0289 a.m.u. (g/mol); atomski polmer 138 pm (1 pm = 12 m); ionizacijska energija (prvi elektron 7,11 eV; elektronska konfiguracija -5f36d‘7s 2; oksidacijska stanja 6, 5, 4, 3; G P l \u003d 113 2, 2 °; T t,1=3818°; gostota 19,05; specifična toplotna zmogljivost 0,115 JDKmol); natezna trdnost 450 MPa, talilna toplota 12,6 kJ/mol, toplota izhlapevanja 417 kJ/mol, specifična toplotna zmogljivost 0,115 J/(mol-K); molski volumen 12,5 cm3/mol; karakteristična temperatura Debye © D = 200K, temperatura prehoda v superprevodno stanje je 0,68K.
Uran je težka, srebrno bela, sijajna kovina. Je nekoliko mehkejše od jekla, temprano, prožno, ima rahle paramagnetne lastnosti in je piroforno v prahu. Uran ima tri alotropne oblike: alfa (rombična, a-U, parametri mreže 0=285, b= 587, c=49b pm, stabilno do 667,7°), beta (tetragonalno, p-U, stabilno od 667,7 do 774,8°), gama (s kubično telesno osredotočeno mrežo, y-U, obstoječa od 774,8° do = tališče, frm ii34 0), pri katerem je uran najbolj kovran in primeren za predelavo.
Pri sobni temperaturi je rombična a-faza stabilna, prizmatična struktura je sestavljena iz valovitih atomskih plasti, vzporednih z ravnino abc, v izjemno asimetrični prizmatični mreži. Znotraj plasti so atomi tesno povezani, medtem ko je moč vezi med atomi sosednjih plasti veliko šibkejša (slika 4). Ta anizotropna struktura otežuje spajanje urana z drugimi kovinami. Samo molibden in niobij ustvarjata zlitine v trdnem stanju z uranom. Vendar lahko kovinski uran medsebojno deluje s številnimi zlitinami in tvori intermetalne spojine.
V intervalu 668 ^ 775 ° je (3-uran. Tetragonalna mreža tipa rešetke ima večplastno strukturo s plastmi, vzporednimi z ravnino ab v položajih 1/4С, 1/2 z in 3/4C enotna celica. Pri temperaturah nad 775° nastane y-uran s kubično mrežo, osredotočeno na telo. Dodatek molibdena omogoča, da je y-faza pri sobni temperaturi. Molibden tvori široko paleto trdnih raztopin z y-uranom in stabilizira y-fazo pri sobni temperaturi. y-uran je veliko mehkejši in bolj prilagodljiv kot krhki a- in (3-fazni.
Nevtronsko obsevanje pomembno vpliva na fizikalne in mehanske lastnosti urana, kar povzroči povečanje velikosti vzorca, spremembo oblike, pa tudi močno poslabšanje mehanskih lastnosti (lezenje, krhkost) uranovih blokov med delovanje jedrskega reaktorja. Povečanje volumna je posledica kopičenja v uranu med cepljenjem nečistoč elementov z nižjo gostoto (prevod 1% urana v fragmentacijske elemente poveča prostornino za 3,4 %).
riž. 4. Nekatere kristalne strukture urana: a - a-uran, b - p-uran.
Najpogostejši načini za pridobivanje urana v kovinskem stanju so redukcija njegovih fluoridov z alkalijskimi ali zemeljskoalkalijskimi kovinami ali elektroliza njihovih solnih talin. Uran se lahko pridobi tudi z metalotermično redukcijo iz karbidov z volframom ali tantalom.
Sposobnost enostavnega darovanja elektronov določa redukcijske lastnosti urana in njegovo visoko kemično aktivnost. Uran lahko komunicira s skoraj vsemi elementi, razen z žlahtnimi plini, medtem ko pridobi oksidacijska stanja +2, +3, +4, +5, +6. V raztopini je glavna valenca 6+.
Kovinski uran, ki hitro oksidira na zraku, je prekrit z mavrično plastjo oksida. Drobni prah urana se spontano vžge na zraku (pri temperaturah 1504-175°), pri čemer nastane in;) Ov. Pri 1000° se uran združi z dušikom in tvori rumeni uranov nitrid. Voda lahko počasi reagira s kovino pri nizkih temperaturah in hitro pri visokih temperaturah. Uran burno reagira z vrelo vodo in paro, da sprosti vodik, ki z uranom tvori hidrid.
Ta reakcija je močnejša od zgorevanja urana v kisiku. Zaradi takšne kemične aktivnosti urana je treba uran v jedrskih reaktorjih zaščititi pred stikom z vodo.
Uran se raztopi v klorovodikovi, dušikovi in drugih kislinah, pri čemer tvori soli U(IV), vendar ne sodeluje z alkalijami. Uran izpodriva vodik iz anorganskih kislin in solnih raztopin kovin, kot so živo srebro, srebro, baker, kositer, platina in zlato. Z močnim stresanjem začnejo kovinski delci urana žareti.
Značilnosti strukture elektronskih lupin atoma urana (prisotnost ^/-elektronov) in nekatere njegove fizikalno-kemijske lastnosti služijo kot osnova za razvrstitev urana kot aktinida. Vendar pa obstaja kemijska analogija med uranom in Cr, Mo in W. Uran je zelo reaktiven in reagira z vsemi elementi, razen z žlahtnimi plini. V trdni fazi sta primera U(VI) uranil trioksid U0 3 in uranil klorid U0 2 C1 2 . Uranov tetraklorid UC1 4 in uranov dioksid U0 2
Primeri U(IV). Snovi, ki vsebujejo U(IV), so običajno nestabilne in ob daljši izpostavljenosti zraku postanejo šestvalentne.
V sistemu uran-kisik je vgrajenih šest oksidov: UO, U0 2 , U 4 0 9 in 3 Ov, U0 3 . Zanje je značilno široko območje homogenosti. U0 2 je bazični oksid, medtem ko je U0 3 amfoteren. U0 3 - v interakciji z vodo tvori številne hidrate, med katerimi sta najpomembnejša diuronska kislina H 2 U 2 0 7 in uranska kislina H 2 1U 4. Z alkalijami U0 3 tvori soli teh kislin - uranate. Ko se U0 3 raztopi v kislinah, nastanejo soli dvojno nabitega uranilnega kationa U0 2 a+.
Uranov dioksid, U0 2 , je stehiometrične sestave rjave barve. Ko se vsebnost kisika v oksidu poveča, se barva spremeni iz temno rjave v črno. Kristalna struktura tipa CaF 2, a = 0,547 nm; gostota 10,96 g / cm "* (najvišja gostota med uranovimi oksidi). , pl \u003d 2875 0, T kn „ \u003d 3450 °, D # ° 298 \u003d -1084,5 kJ / mol. Uranov dioksid je polprevodnik z luknjasto prevodnostjo, močan paramagnet. MAC = 0,015 mg/m3. Ne raztopimo v vodi. Pri temperaturi -200° dodaja kisik in doseže sestavo U0 2>25.
Uranov (IV) oksid se lahko pridobi z reakcijami:
Uranov dioksid ima le osnovne lastnosti, ustreza osnovnemu hidroksidu U (OH) 4, ki se nato spremeni v hidratizirani hidroksid U0 2 H 2 0. Uranov dioksid se v odsotnosti atmosferskega kisika počasi raztopi v močnih neoksidacijskih kislinah, da nastane W + ioni:
U0 2 + 2H 2 S0 4 ->U(S0 4) 2 + 2N 2 0. (38)
Topen je v koncentriranih kislinah, hitrost raztapljanja pa se lahko močno poveča z dodatkom fluorovega iona.
Ko se raztopi v dušikovi kislini, nastane uranilni ion 1U 2 2+:
Triuranov okoksid U 3 0s (uranov oksid) - prah, katerega barva se spreminja od črne do temno zelene; pri močnem drobljenju - olivno zelene barve. Veliki črni kristali puščajo zelene poteze na porcelanu. Znane so tri kristalne modifikacije U 3 0 h: a-U 3 C>8 - rombična kristalna struktura (sp. gr. C222; 0=0,671 nm; 6=1,197 nm; c=0,83 nm; d =0,839 nm); p-U 3 0e - rombična kristalna struktura (prostorska skupina Stst; 0 = 0,705 nm; 6 = 1,172 nm; 0 = 0,829 nm. Začetek razgradnje je 100° (preide na 110 2), MPC = 0,075 mg / m3.
U 3 C>8 lahko dobimo z reakcijo:
S žganjem U0 2, U0 2 (N0 3) 2, U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 ali (NH 4) 2 U 2 0 7 pri 750 0 na zraku ali v atmosferi kisika ( p = 150 + 750 mm Hg) prejemajo stehiometrično čist U 3 08.
Ko se U 3 0s žga pri T > 100°, se zmanjša na 110 2, vendar se pri hlajenju na zraku vrne v U 3 0s. U 3 0e se raztopi samo v koncentriranih močnih kislinah. V klorovodikovi in žveplovi kislini nastane mešanica U(IV) in U(VI), v dušikovi kislini pa uranil nitrat. Razredčena žveplova in klorovodikova kislina zelo šibko reagirata z U 3 Os tudi pri segrevanju, dodatek oksidantov (dušikova kislina, piroluzit) močno poveča hitrost raztapljanja. Koncentriran H 2 S0 4 raztopi U 3 Os s tvorbo U(S0 4) 2 in U0 2 S0 4 . Dušikova kislina raztopi U 3 Oe s tvorbo uranil nitrata.
Uranov trioksid, U0 3 - kristalna ali amorfna snov svetlo rumene barve. Reagira z vodo. MPC \u003d 0,075 mg / m 3.
Pridobiva se s kalciniranjem amonijevih poliuratov, uranovega peroksida, uranil oksalata pri 300-500 ° in heksahidrata uranil nitrata. V tem primeru nastane oranžni prah amorfne strukture z gostoto
6,8 g/cm. Kristalno obliko IO 3 lahko dobimo z oksidacijo U 3 0 8 pri temperaturah 450°-750° v toku kisika. Obstaja šest kristalnih modifikacij U0 3 (a, (3, y> §> ?, n) - U0 3 je higroskopičen in se na vlažnem zraku spremeni v uranil hidroksid. nadaljnje segrevanje na 6oo° omogoča pridobivanje U 3 Os.
Vodik, amoniak, ogljik, alkalijske in zemeljskoalkalijske kovine reducirajo U0 3 na U0 2 . S prehajanjem zmesi plinov HF in NH 3 nastane UF 4. V najvišji valenci ima uran amfoterne lastnosti. Pod delovanjem U0 3 kislin ali njegovih hidratov nastanejo uranilne soli (U0 2 2+), obarvane rumeno-zeleno:
Večina soli uranila je zelo topnih v vodi.
Z alkalijami, ko se zlije, U0 3 tvori soli uranske kisline - uranati MDKH,:
Z alkalnimi raztopinami uranov trioksid tvori soli poliuranskih kislin - poliuranata dgM 2 0y110 3 pH^O.
Soli uranove kisline so praktično netopne v vodi.
Kisle lastnosti U(VI) so manj izrazite kot bazične.
Uran reagira s fluorom pri sobni temperaturi. Stabilnost višjih halogenidov se zmanjša s fluoridov na jodide. Fluoridi UF 3 , U4F17, U2F9 in UF 4 so nehlapni, UFe pa je hlapen. Najpomembnejša med fluoridi sta UF 4 in UFe.
Ftpppippyanir okgilya t "yanya ppptrkart v praksi:
Reakcija v fluidizirani plasti poteka po enačbi:
Možna je uporaba fluoriranih sredstev: BrF 3, CC1 3 F (freon-11) ali CC1 2 F 2 (freon-12):
Uran (1U) fluorid UF 4 ("zelena sol") - prah od modrikasto zelene do smaragdne barve. G 11L \u003d SW6 °; G do, ",. \u003d -1730 °. DYa ° 29 8 = 1856 kJ / mol. Kristalna struktura je monoklinska (sp. gp C2/c; 0=1,273 nm; 5=1,075 nm; 0=0,843 nm; d= 6,7 nm; p \u003d 12b ° 20 "; gostota 6,72 g / cm3. UF 4 je stabilna, neaktivna, nehlapna spojina, slabo topna v vodi. Najboljše topilo za UF 4 je dišeča perklorova kislina HC10 4. Raztaplja se v oksidacijskih kislinah za tvorbo uranilne soli, ki se hitro raztopi v vroči raztopini Al(N0 3) 3 ali A1C1 3 , pa tudi v raztopini borove kisline, nakisane s H 2 S0 4 , HC10 4 ali HC1. ali borove kisline, prispevajo tudi k raztapljanje UF 4. Tvori številne težko topne dvojne soli s fluoridi drugih kovin (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7 itd.) NH 4 UF 5 je industrijskega pomena.
U(IV) fluorid je vmesni produkt v pripravku
tako UF6 kot kovinski uran.
UF 4 lahko dobimo z reakcijami:
ali z elektrolitsko redukcijo uranil fluorida.
Uranov heksafluorid UFe - pri sobni temperaturi kristali slonovine z visokim lomnim količnikom. Gostota
5,09 g/cm3, gostota tekočega UFe je 3,63 g/cm3. Leteča povezava. Tvoag = 5^>5°> Gil=64,5° (pod pritiskom). Tlak nasičene pare doseže atmosfero pri 560°. Entalpija tvorbe AR° 29 8 = -2116 kJ/mol. Kristalna struktura je rombična (sp. gr. Rpta; 0 = 0,999 nm; fe= 0,8962 nm; c=0,5207 nm; d 5,060 nm (250). MPC - 0,015 mg / m3. Iz trdnega stanja lahko UF6 sublimira iz trdne faze (sublimira) v plin, pri čemer zaobide tekočo fazo v širokem razponu tlakov. Toplota sublimacije pri 50 0 50 kJ/mg. Molekula nima dipolnega momenta, zato se UF6 ne povezuje. Hlapi UFr, - idealen plin.
Pridobiva se z delovanjem fluora na U njegovih spojin:
Poleg reakcij v plinski fazi obstajajo tudi reakcije v tekoči fazi.
pridobivanje UF6 z uporabo halofluoridov, npr
Obstaja način za pridobitev UF6 brez uporabe fluora - z oksidacijo UF 4:
UFe ne reagira s suhim zrakom, kisikom, dušikom in CO 2, vendar ob stiku z vodo, tudi s sledovi le-te, je podvržen hidrolizi:
Vzajemno deluje z večino kovin in tvori njihove fluoride, kar otežuje metode njegovega shranjevanja. Primerni materiali posod za delo z UF6 so: Ni, Monel in Pt pri segrevanju, Teflon, popolnoma suh kremen in steklo, baker in aluminij v hladnem. Pri temperaturah 25 yuo 0 tvori kompleksne spojine s fluoridi alkalijskih kovin in srebrom tipa 3NaFUFr>, 3KF2UF6.
Dobro se raztopi v različnih organskih tekočinah, anorganskih kislinah in v vseh halogenskih fluoridih. Inerten za sušenje 0 2 , N 2 , CO 2 , C1 2 , Br 2 . Za UFr so značilne redukcijske reakcije z večino čistih kovin. UF6 močno reagira z ogljikovodiki in drugimi organskimi snovmi, zato lahko zaprte posode z UFe eksplodirajo. UF6 v območju 25 - 100° tvori kompleksne soli s fluoridi alkalijskih in drugih kovin. Ta lastnost se uporablja v tehnologiji za selektivno ekstrakcijo UF
Uranovi hidridi UH 2 in UH 3 zasedajo vmesni položaj med solmi podobnimi hidridi in hidridi, kot so trdne raztopine vodika v kovini.
Ko uran reagira z dušikom, nastanejo nitridi. V sistemu U-N so znane štiri faze: UN (uranov nitrid), a-U 2 N 3 (seskvinitrid), p-U 2 N 3 in ZN If90. Sestave UN 2 (dinitrid) ni mogoče doseči. Zanesljive in dobro nadzorovane so sinteze uranovega mononitrida UN, ki jih je najbolje izvajati neposredno iz elementov. Uranovi nitridi so praškaste snovi, katerih barva se spreminja od temno sive do sive; videti kot kovina. UN ima kubično obrazno osredotočeno kristalno strukturo, kot je NaCl (0=4,8892 A); (/ = 14,324, 7 ^ = 2855 °, stabilen v vakuumu do 1700 0. Dobimo ga z reakcijo U ali U hidrida z N 2 ali NH 3 , razgradnja višjih nitridov U pri 1300 ° ali njihova redukcija s kovinskim uranom. U 2 N 3 je znan v dveh polimorfnih modifikacijah: kubični a in heksagonalni p (0=0,3688 nm, 6=0,5839 nm), sprošča N 2 v vakuumu nad 8oo°. Pridobiva se z redukcijo UN 2 z vodikom. Dinitrid UN 2 se sintetizira z reakcijo U z N 2 pri visokem tlaku N 2 . Uranovi nitridi so zlahka topni v kislinah in alkalijskih raztopinah, vendar se razgradijo s staljenimi alkalijami.
Uranov nitrid se pridobiva z dvostopenjskim karbotermično redukcijo uranovega oksida:
Ogrevanje v argonu pri 7M450 0 10 * 20 ur
Uranov nitrid s sestavo, ki je blizu dinitridu, UN 2, je mogoče pridobiti z delovanjem amoniaka na UF 4 pri visoki temperaturi in tlaku.
Uranov dinitrid se pri segrevanju razgradi:
Uranov nitrid, obogaten z 2 35U, ima višjo gostoto cepitve, toplotno prevodnost in tališče kot uranovi oksidi, tradicionalno gorivo sodobnih energijskih reaktorjev. Ima tudi dobro mehansko in stabilnost, ki presega tradicionalno gorivo. Zato ta spojina velja za obetavno osnovo za hitre nevtronske reaktorje na jedrsko gorivo (jedrski reaktorji IV generacije).
Komentar. ZN je zelo koristno obogatiti na '5N, ker ,4 N teži k zajemanju nevtronov, pri čemer nastane radioaktivni izotop 14 C z (n, p) reakcijo.
Uranov karbid UC 2 (?-faza) je svetlo siva kristalinična snov s kovinskim leskom. V sistemu U-C (uranovi karbidi) so UC 2 (?-faza), UC 2 (b 2-faza), U 2 C 3 (e-faza), UC (b 2-faza) - uranovi karbidi. Uranov dikarbid UC 2 lahko dobimo z reakcijami:
U + 2C ^ UC 2 (54v)
Uranovi karbidi se uporabljajo kot gorivo za jedrske reaktorje, obetavni so kot gorivo za vesoljske raketne motorje.
Uranil nitrat, uranil nitrat, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Vlogo kovine v tej soli ima uranilni kation 2+. Rumeni kristali z zelenkastim sijajem, zlahka topni v vodi. Vodna raztopina je kisla. Topen v etanolu, acetonu in etru, netopen v benzenu, toluenu in kloroformu. Pri segrevanju se kristali stopijo in sproščajo HN0 3 in H 2 0. Kristalni hidrat zlahka erodira na zraku. Značilna reakcija je, da pod delovanjem NH 3 nastane rumena oborina amonijevega urata.
Uran je sposoben tvoriti kovinske organske spojine. Primeri so ciklopentadienilni derivati s sestavo U(C 5 H 5) 4 in njihovi halogenirani u(C 5 H 5) 3 G ali u(C 5 H 5) 2 G 2 .
V vodnih raztopinah je uran najbolj stabilen v oksidacijskem stanju U(VI) v obliki uranilnega iona U0 2 2+. V manjši meri je zanj značilno stanje U(IV), lahko pa obstaja celo v obliki U(III). Oksidacijsko stanje U(V) lahko obstaja kot ion IO 2 +, vendar je to stanje redko opaženo zaradi nagnjenosti k nesorazmerju in hidrolizi.
V nevtralnih in kislih raztopinah U(VI) obstaja kot U0 2 2+ - rumeni uranilni ion. Dobro topne soli uranila vključujejo nitrat U0 2 (N0 3) 2, sulfat U0 2 S0 4, klorid U0 2 C1 2, fluorid U0 2 F 2, acetat U0 2 (CH 3 C00) 2. Te soli so izolirane iz raztopin v obliki kristaliničnih hidratov z različnim številom vodnih molekul. Rahlo topne soli uranila so: oksalat U0 2 C 2 0 4, fosfati U0 2 HP0. in UO2P2O4, amonijev uranil fosfat UO2NH4PO4, natrijev uranil vanadat NaU0 2 V0 4, ferocianid (ferocianid) (ferocianid). Za uranilni ion je značilna nagnjenost k tvorbi kompleksnih spojin. Znani so torej kompleksi s fluorovimi ioni tipa -, 4-; nitratni kompleksi' in 2 *; sulfatni kompleksi 2" in 4-; karbonatni kompleksi 4" in 2" itd. Pod delovanjem alkalij na raztopine uranilnih soli se sproščajo težko topne oborine diuranata tipa Me 2 U 2 0 7 (Me 2 U0 4 monouranatov ne izoliramo iz raztopin, pridobivamo jih s fuzijo uranovih oksidov z alkalijami) Poznani so Me 2 U n 0 3 n+i poliurati (npr. Na 2 U60i 9).
U(VI) se v kislih raztopinah reducira v U(IV) z železom, cinkom, aluminijem, natrijevim hidrosulfitom in natrijevim amalgamom. Raztopine so obarvane zeleno. Alkalije oborijo hidroksid in 0 2 (0H) 2 iz njih, fluorovodikova kislina - fluorid UF 4 -2,5H 2 0, oksalna kislina - oksalat U (C 2 0 4) 2 -6H 2 0. Nagnjenost k tvorbi kompleksov v U 4+ ion manj kot pri uranovih ionih.
Uran (IV) v raztopini je v obliki ionov U 4+, ki so zelo hidrolizirani in hidrirani:
Hidroliza se v kislih raztopinah zavira.
Uran (VI) v raztopini tvori uranil oksokacija - U0 2 2+ Znane so številne uranilne spojine, primeri med njimi so: 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 itd.
Med hidrolizo uranilnega iona nastanejo številni večjedrski kompleksi:
Z nadaljnjo hidrolizo se pojavi U 3 0s (0H) 2 in nato U 3 0 8 (0H) 4 2 -.
Za kvalitativno detekcijo urana se uporabljajo metode kemičnih, luminiscenčnih, radiometričnih in spektralnih analiz. Kemijske metode temeljijo predvsem na tvorbi obarvanih spojin (na primer rdeče-rjava barva spojine s ferocianidom, rumena z vodikovim peroksidom, modra z arsenazo reagentom). Luminiscenčna metoda temelji na sposobnosti številnih uranovih spojin, da pod vplivom UV žarkov dajejo rumenkasto-zelenkast sijaj.
Kvantitativno določanje urana se izvaja z različnimi metodami. Najpomembnejše med njimi so: volumetrične metode, ki vključujejo redukcijo U(VI) v U(IV), ki ji sledi titracija z raztopinami oksidantov; utežni metodi - precipitacija uranatov, peroksida, U(IV) kupferranatov, oksikinolata, oksalata itd. sledi njihovo žganje pri 100° in tehtanju U 3 0s; polarografske metode v raztopini nitrata omogočajo določitev 10 x 7 x 10-9 g urana; številne kolorimetrične metode (na primer s H 2 0 2 v alkalnem mediju, z arsenazo reagentom v prisotnosti EDTA, z dibenzoilmetanom, v obliki tiocianatnega kompleksa itd.); luminiscenčna metoda, ki omogoča določitev, kdaj je taljena z NaF do yu 11 g urana.
235U spada v skupino A sevalne nevarnosti, minimalna pomembna aktivnost MZA=3,7-10 4 Bq, 2 s 8 in - v skupino D, MZA=3,7-10 6 Bq (300 g).