Radioaktives Uran. Uranerz: Eigenschaften, Anwendung, Bergbau
Der Inhalt des Artikels
URANUS, U (Uran), ein metallisches chemisches Element der Aktinidenfamilie, zu der Ac, Th, Pa, U und Transuranelemente (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr) gehören. Berühmt wurde Uran durch seinen Einsatz in Atomwaffen und Kernenergie. Uranoxide werden auch zum Färben von Glas und Keramik verwendet.
In der Natur sein.
Der Urangehalt in der Erdkruste beträgt 0,003 % und kommt in der Oberflächenschicht der Erde in Form von vier Arten von Ablagerungen vor. Erstens handelt es sich hierbei um Uraninit-Adern oder Uranpech (Urandioxid UO 2), das sehr reich an Uran ist, aber selten. Sie gehen mit Radiumablagerungen einher, da Radium ein direktes Produkt des Isotopenzerfalls von Uran ist. Solche Adern kommen in Zaire, Kanada (Großer Bärensee), der Tschechischen Republik und Frankreich vor. Die zweite Uranquelle sind Konglomerate aus Thorium und Uranerzen zusammen mit Erzen anderer wichtiger Mineralien. Konglomerate enthalten normalerweise ausreichende Mengen an Gold und Silber, um gewonnen zu werden, wobei Uran und Thorium assoziierte Elemente sind. Große Vorkommen dieser Erze befinden sich in Kanada, Südafrika, Russland und Australien. Die dritte Uranquelle sind Sedimentgesteine und Sandsteine, die reich an dem Mineral Carnotit (Kaliumuranylvanadat) sind, das neben Uran eine erhebliche Menge Vanadium und andere Elemente enthält. Solche Erze kommen in den westlichen Bundesstaaten der USA vor. Eisen-Uran-Schiefer und Phosphaterze bilden eine vierte Sedimentquelle. Reichhaltige Vorkommen finden sich in den Schiefern Schwedens. Einige Phosphaterze in Marokko und den Vereinigten Staaten enthalten erhebliche Mengen an Uran, und Phosphatvorkommen in Angola und der Zentralafrikanischen Republik sind sogar noch reicher an Uran. Die meisten Braunkohlen und einige Kohlen enthalten normalerweise Uranverunreinigungen. Uranreiche Braunkohlevorkommen wurden in North und South Dakota (USA) sowie Steinkohle in Spanien und der Tschechischen Republik gefunden.
Öffnung.
Uranus wurde 1789 vom deutschen Chemiker M. Klaproth entdeckt, der das Element zu Ehren der Entdeckung des Planeten Uranus acht Jahre zuvor benannte. (Klaproth war der führende Chemiker seiner Zeit; er entdeckte auch andere Elemente, darunter Ce, Ti und Zr.) Tatsächlich handelte es sich bei der von Klaproth gewonnenen Substanz nicht um elementares Uran, sondern um eine oxidierte Form davon, und elementares Uran wurde erstmals durch gewonnen der französische Chemiker E. .Peligo im Jahr 1841. Vom Moment der Entdeckung bis zum 20. Jahrhundert. Uran hatte nicht die Bedeutung, die es heute hat, obwohl viele seiner physikalischen Eigenschaften sowie seine Atommasse und -dichte bestimmt wurden. Im Jahr 1896 stellte A. Becquerel fest, dass Uransalze eine Strahlung besitzen, die eine Fotoplatte im Dunkeln beleuchtet. Diese Entdeckung regte Chemiker dazu an, auf dem Gebiet der Radioaktivität zu forschen, und 1898 isolierten die französischen Physiker-Eheleute P. Curie und M. Sklodowska-Curie Salze der radioaktiven Elemente Polonium und Radium sowie E. Rutherford, F. Soddy und K. Fayans und andere Wissenschaftler entwickelten die Theorie des radioaktiven Zerfalls, die den Grundstein für die moderne Kernchemie und Kernenergie legte.
Erste Verwendungen von Uran.
Obwohl die Radioaktivität von Uransalzen bekannt war, wurden seine Erze im ersten Drittel dieses Jahrhunderts nur zur Gewinnung von begleitendem Radium verwendet, und Uran galt als unerwünschtes Nebenprodukt. Seine Verwendung konzentrierte sich hauptsächlich auf die Keramiktechnologie und Metallurgie; Uranoxide wurden häufig zum Färben von Glas in Farben von hellgelb bis dunkelgrün verwendet, was zur Entwicklung einer kostengünstigen Glasproduktion beitrug. Heutzutage werden Produkte aus diesen Branchen als unter ultravioletten Strahlen fluoreszierend identifiziert. Während des Ersten Weltkriegs und kurz danach wurde Uran in Form von Karbid zur Herstellung von Werkzeugstählen verwendet, ähnlich wie Mo und W; 4–8 % Uran ersetzten Wolfram, dessen Produktion damals begrenzt war. Zur Gewinnung von Werkzeugstählen wurden in den Jahren 1914–1926 jährlich mehrere Tonnen Ferroran mit bis zu 30 Masse-% U hergestellt. Diese Verwendung von Uran hielt jedoch nicht lange an.
Moderne Verwendungen von Uran.
Die Entstehung der Uranindustrie begann im Jahr 1939, als die Spaltung des Uranisotops 235 U durchgeführt wurde, was im Dezember 1942 zur technischen Umsetzung kontrollierter Kettenreaktionen der Uranspaltung führte. Dies war die Geburtsstunde des Atomzeitalters , als sich Uran von einem unbedeutenden Element zu einem der wichtigsten Elemente im Leben der Gesellschaft entwickelte. Die militärische Bedeutung von Uran für die Herstellung der Atombombe und ihre Verwendung als Treibstoff in Kernreaktoren führte dazu, dass die Nachfrage nach Uran astronomisch anstieg. Interessant ist die Chronologie des Wachstums des Uranbedarfs anhand der Sedimentgeschichte im Great Bear Lake (Kanada). Im Jahr 1930 wurde in diesem See Harzblende entdeckt, eine Mischung aus Uranoxiden, und 1932 wurde in diesem Gebiet die Technologie zur Radiumreinigung eingeführt. Aus jeder Tonne Erz (Harzmischung) wurde 1 g Radium und etwa eine halbe Tonne Nebenprodukt, Urankonzentrat, gewonnen. Allerdings gab es wenig Radium und der Abbau wurde eingestellt. Von 1940 bis 1942 wurde die Entwicklung wieder aufgenommen und mit der Verschiffung von Uranerz in die Vereinigten Staaten begonnen. Im Jahr 1949 wurde eine ähnliche Uranreinigung mit einigen Verbesserungen zur Herstellung von reinem UO 2 eingesetzt. Diese Produktion ist gewachsen und zählt heute zu den größten Uranproduktionsanlagen.
Eigenschaften.
Uran ist eines der schwersten Elemente, die in der Natur vorkommen. Reines Metall ist sehr dicht, duktil, elektropositiv mit geringer elektrischer Leitfähigkeit und hochreaktiv.
Uran hat drei allotrope Modifikationen: A-Uran (orthorhombisches Kristallgitter), kommt im Bereich von vor Zimmertemperatur bis 668°C; B-Uran (komplexes Kristallgitter vom tetragonalen Typ), stabil im Bereich von 668–774 °C; G-Uran (raumzentriertes kubisches Kristallgitter), stabil von 774°C bis zum Schmelzpunkt (1132°C). Da alle Isotope von Uran instabil sind, weisen alle seine Verbindungen Radioaktivität auf.
Isotope von Uran
238 U, 235 U, 234 U kommen in der Natur in einem Verhältnis von 99,3:0,7:0,0058 vor, und 236 U kommt in Spuren vor. Alle anderen Uranisotope von 226 U bis 242 U werden künstlich gewonnen. Besonders wichtig ist das Isotop 235 U. Unter dem Einfluss langsamer (thermischer) Neutronen spaltet es sich und setzt enorme Energie frei. Die vollständige Spaltung von 235 U führt zur Freisetzung eines „Wärmeenergieäquivalents“ von 2H 10 7 kWh/kg. Die Spaltung von 235 U kann nicht nur zur Erzeugung großer Energiemengen, sondern auch zur Synthese anderer wichtiger Actinidenelemente genutzt werden. Natürliches Isotop Uran kann in Kernreaktoren verwendet werden, um Neutronen zu erzeugen, die durch die Spaltung von 235 U entstehen, während überschüssige Neutronen, die für die Kettenreaktion nicht benötigt werden, von einem anderen natürlichen Isotop eingefangen werden können, was zur Produktion von Plutonium führt:
Beim Beschuss von 238 U mit schnellen Neutronen kommt es zu folgenden Reaktionen:
Nach diesem Schema kann das häufigste Isotop 238 U in Plutonium-239 umgewandelt werden, das wie 235 U auch unter dem Einfluss langsamer Neutronen spaltbar ist.
Derzeit wurde eine große Anzahl künstlicher Uranisotope gewonnen. Unter ihnen ist 233 U besonders hervorzuheben, da es bei der Wechselwirkung mit langsamen Neutronen ebenfalls spaltet.
Einige andere künstliche Uranisotope werden häufig als radioaktive Tracer in der chemischen und physikalischen Forschung verwendet; das ist zunächst einmal B- Emitter 237 U und A- Emitter 232 U.
Verbindungen.
Uran, ein hochreaktives Metall, hat Oxidationsstufen von +3 bis +6, liegt in der Aktivitätsreihe nahe an Beryllium, interagiert mit allen Nichtmetallen und bildet intermetallische Verbindungen mit Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn und Zn. Fein zerkleinertes Uran ist besonders reaktiv und geht bei Temperaturen über 500 °C häufig die für Uranhydrid charakteristischen Reaktionen ein. Stückiges Uran oder Späne brennen hell bei 700–1000 °C, Urandampf brennt bereits bei 150–250 °C; Uran reagiert mit HF bei 200–400 °C unter Bildung von UF 4 und H 2 . Uran löst sich selbst bei 90 °C langsam in konzentrierter HF oder H 2 SO 4 und 85 % H 3 PO 4, reagiert aber leicht mit konz. HCl und weniger aktiv mit HBr oder HI. Die aktivsten und schnellsten Reaktionen von Uran mit verdünnter und konzentrierter HNO 3 finden unter Bildung von Uranylnitrat statt ( siehe unten). In Gegenwart von HCl löst sich Uran schnell in organischen Säuren und bildet sich organische Salze U 4+. Je nach Oxidationsgrad bildet Uran mehrere Arten von Salzen (die wichtigsten davon sind U 4+, eines davon UCl 4 ist ein leicht oxidierbares grünes Salz); Uranylsalze (Radikal UO 2 2+) vom Typ UO 2 (NO 3) 2 haben eine gelbe Farbe und fluoreszieren Grün. Uranylsalze entstehen durch Auflösen des amphoteren Oxids UO 3 (gelbe Farbe) in einem sauren Medium. IN alkalische Umgebung UO 3 bildet Uranate wie Na 2 UO 4 oder Na 2 U 2 O 7 . Letztere Verbindung („gelbes Uranyl“) wird zur Herstellung von Porzellanglasuren und bei der Herstellung von Leuchtstoffgläsern verwendet.
Uranhalogenide wurden in den Jahren 1940–1950 umfassend untersucht, da sie zur Entwicklung von Methoden zur Trennung von Uranisotopen für die Atombombe oder den Kernreaktor verwendet wurden. Urantrifluorid UF 3 wurde durch Reduktion von UF 4 mit Wasserstoff gewonnen, Urantetrafluorid UF 4 wird auf verschiedene Weise durch Reaktionen von HF mit Oxiden wie UO 3 oder U 3 O 8 oder durch elektrolytische Reduktion von Uranylverbindungen gewonnen. Uranhexafluorid UF 6 wird durch Fluorierung von U oder UF 4 mit elementarem Fluor oder durch Einwirkung von Sauerstoff auf UF 4 gewonnen. Hexafluorid bildet bei 64 °C (1137 mm Hg) transparente Kristalle mit einem hohen Brechungsindex; die Verbindung ist flüchtig (unter Normaldruck sublimiert sie bei 56,54 °C). Uranoxohalogenide, beispielsweise Oxofluoride, haben die Zusammensetzung UO 2 F 2 (Uranylfluorid), UOF 2 (Uranoxiddifluorid).
Uran ist ein radioaktives Metall. In der Natur besteht Uran aus drei Isotopen: Uran-238, Uran-235 und Uran-234. Die höchste Stabilität weist Uran-238 auf.
| Charakteristisch | Bedeutung |
|---|---|
| allgemeine Informationen | |
| Name, Symbol | Uran-238, 238U |
| Alternative Namen | Uran eins, UI |
| Neutronen | 146 |
| Protonen | 92 |
| Nuklideigenschaften | |
| Atommasse | 238.0507882(20) a. essen. |
| Überschüssige Masse | 47 308,9(19) keV |
| Spezifische Bindungsenergie (pro Nukleon) | 7 570,120(8) keV |
| Isotopenhäufigkeit | 99,2745(106) % |
| Halbwertszeit | 4.468(3) 109 Jahre |
| Zersetzungsprodukte | 234Th, 238Pu |
| Elternisotope | 238Pa(β−) 242Pu(α) |
| Spin und Parität des Kerns | 0+ |
| Decay-Kanal | Zerfallsenergie |
| α-Zerfall | 4,2697(29) MeV |
| SF | |
| ββ | 1,1442(12) MeV |
Radioaktiver Zerfall von Uran
Unter radioaktivem Zerfall versteht man den Prozess einer plötzlichen Veränderung der Zusammensetzung oder inneren Struktur von Atomkernen, die durch Instabilität gekennzeichnet sind. Dabei werden Elementarteilchen, Gammastrahlen und/oder Kernfragmente emittiert. Radioaktive Substanzen enthalten einen radioaktiven Kern. Auch der beim radioaktiven Zerfall entstandene Tochterkern kann radioaktiv werden und zerfällt nach einer gewissen Zeit. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis sich ein stabiler Kern ohne Radioaktivität gebildet hat. E. Rutherford bewies 1899 experimentell, dass Uransalze drei Arten von Strahlen aussenden:
- α-Strahlen – ein Strom positiv geladener Teilchen
- β-Strahlen – ein Strom negativ geladener Teilchen
- γ-Strahlen erzeugen keine Abweichungen im Magnetfeld.
| Art der Strahlung | Nuklid | Halbwertszeit |
|---|---|---|
| Ο | Uran - 238 U | 4,47 Milliarden Jahre |
| α ↓ | ||
| Ο | Thorium - 234 Th | 24,1 Tage |
| β ↓ | ||
| Ο | Protaktinium – 234 Pa | 1,17 Minuten |
| β ↓ | ||
| Ο | Uran - 234 U | 245.000 Jahre |
| α ↓ | ||
| Ο | Thorium - 230 Th | 8000 Jahre |
| α ↓ | ||
| Ο | Radium - 226 Ra | 1600 Jahre |
| α ↓ | ||
| Ο | Polonium - 218 Po | 3,05 Minuten |
| α ↓ | ||
| Ο | Blei - 214 Pb | 26,8 Minuten |
| β ↓ | ||
| Ο | Wismut – 214 Bi | 19,7 Minuten |
| β ↓ | ||
| Ο | Polonium - 214 Po | 0,000161 Sekunden |
| α ↓ | ||
| Ο | Blei – 210 Pb | 22,3 Jahre |
| β ↓ | ||
| Ο | Wismut – 210 Bi | 5,01 Tage |
| β ↓ | ||
| Ο | Polonium - 210 Po | 138,4 Tage |
| α ↓ | ||
| Ο | Blei - 206 Pb | stabil |
Radioaktivität von Uran
Die natürliche Radioaktivität unterscheidet radioaktives Uran von anderen Elementen. Uranatome verändern sich allmählich, unabhängig von irgendwelchen Faktoren und Bedingungen. Dabei werden unsichtbare Strahlen ausgesendet. Nach den Umwandlungen, die bei Uranatomen stattfinden, wird ein anderes radioaktives Element erhalten und der Vorgang wiederholt sich. Er wird den Vorgang so oft wie nötig wiederholen, um ein nicht radioaktives Element zu erhalten. Beispielsweise haben einige Transformationsketten bis zu 14 Stufen. In diesem Fall ist das Zwischenelement Radium und die letzte Stufe ist die Bildung von Blei. Da es sich bei diesem Metall nicht um ein radioaktives Element handelt, ist die Reihe der Umwandlungen unterbrochen. Allerdings dauert es mehrere Milliarden Jahre, bis sich Uran vollständig in Blei verwandelt.
Radioaktives Uranerz führt häufig zu Vergiftungen in Unternehmen, die Uran-Rohstoffe abbauen und verarbeiten. Im menschlichen Körper ist Uran ein allgemeines Zellgift. Betroffen sind vor allem die Nieren, aber auch die Leber und der Magen-Darm-Trakt.
Uran hat keine völlig stabilen Isotope. Die längste Lebensdauer wird für Uran-238 beobachtet. Der Halbzerfall von Uran-238 findet über einen Zeitraum von 4,4 Milliarden Jahren statt. Etwas weniger als eine Milliarde Jahre dauert der Halbzerfall von Uran-235 – 0,7 Milliarden Jahre. Uran-238 macht über 99 % des Gesamtvolumens des natürlichen Urans aus. Aufgrund seiner enormen Halbwertszeit ist die Radioaktivität dieses Metalls nicht hoch; Alpha-Partikel können beispielsweise nicht in die Hornschicht der menschlichen Haut eindringen. Nach einer Reihe von Studien stellten Wissenschaftler fest, dass die Hauptstrahlungsquelle nicht Uran selbst ist, sondern das von ihm erzeugte Radongas sowie seine Zerfallsprodukte, die beim Atmen in den menschlichen Körper gelangen.
Eine Entdeckung im planetarischen Maßstab. Dies kann von Wissenschaftlern als Entdeckung des Uranus bezeichnet werden. Der Planet wurde 1781 entdeckt.
Seine Entdeckung war der Grund für die Benennung eines davon Elemente des Periodensystems. Uranus Metall wurde 1789 aus Harzmischung isoliert.
Der Hype um den neuen Planeten war noch nicht abgeklungen, daher lag die Idee, der neuen Substanz einen Namen zu geben, auf der Oberfläche.
Ende des 18. Jahrhunderts gab es noch kein Konzept der Radioaktivität. Mittlerweile ist dies die Haupteigenschaft von terrestrischem Uran.
Wissenschaftler, die mit ihm arbeiteten, waren Strahlung ausgesetzt, ohne es zu wissen. Wer der Pionier war und welche weiteren Eigenschaften das Element hat, verraten wir weiter.
Eigenschaften von Uran
Uran - Element, entdeckt von Martin Klaproth. Er verschmolz Harz mit Ätzmittel. Das Fusionsprodukt war unvollständig löslich.
Klaproth erkannte, dass die vermeintlichen , und in der Zusammensetzung des Minerals nicht vorhanden sind. Dann löste der Wissenschaftler die Mischung auf.
Aus der Lösung fielen grüne Sechsecke. Der Chemiker setzte sie gelbem Blut, also Kaliumhexacyanoferrat, aus.
Aus der Lösung fiel ein brauner Niederschlag aus. Klaproth reduzierte dieses Oxid Leinsamenöl, kalziniert. Das Ergebnis war ein Pulver.
Ich musste es bereits kalzinieren, indem ich es mit Braun vermischte. In der gesinterten Masse wurden Körner aus neuem Metall gefunden.
Später stellte sich heraus, dass dies nicht der Fall war reines Uran und sein Dioxid. Das Element wurde erst 60 Jahre später, im Jahr 1841, separat erworben. Und weitere 55 Jahre später entdeckte Antoine Becquerel das Phänomen der Radioaktivität.
Radioaktivität von Uran aufgrund der Fähigkeit des Elementkerns, Neutronen und Fragmente einzufangen. Gleichzeitig wird beeindruckende Energie freigesetzt.
Sie wird durch die kinetischen Daten von Strahlung und Fragmenten bestimmt. Es ist möglich, eine kontinuierliche Kernspaltung sicherzustellen.
Die Kettenreaktion wird gestartet, wenn natürliches Uran mit seinem 235. Isotop angereichert wird. Es ist nicht so, dass es Metall zugesetzt wird.
Im Gegenteil, das schwach radioaktive und unwirksame 238. Nuklid sowie das 234. werden aus dem Erz entfernt.
Ihre Mischung wird als abgereichertes Uran und das verbleibende Uran als angereichert bezeichnet. Genau das brauchen die Industriellen. Aber wir werden darüber in einem separaten Kapitel sprechen.
Uranus strahlt, sowohl Alpha als auch Beta mit Gammastrahlen. Sie wurden entdeckt, als man die Wirkung von Metall auf einer schwarz umhüllten Fotoplatte beobachtete.
Es wurde klar, dass das neue Element etwas ausstrahlte. Während die Curies untersuchten, was genau, erhielt Maria eine Strahlendosis, die dazu führte, dass der Chemiker an Blutkrebs erkrankte, an dem die Frau 1934 starb.
Betastrahlung kann nicht nur den menschlichen Körper, sondern auch das Metall selbst zerstören. Welches Element entsteht aus Uran? Antwort: - kurz.
Ansonsten heißt es Protaktinium. Entdeckt im Jahr 1913, gerade während der Erforschung von Uran.
Letzteres verwandelt sich ohne äußere Einflüsse und Reagenzien in Brevium, nur durch Beta-Zerfall.
Äußerlich Uran – chemisches Element- Farben mit metallischem Glanz.
So sehen alle Aktiniden aus, zu denen die Substanz 92 gehört. Die Gruppe beginnt mit der Nummer 90 und endet mit der Nummer 103.
Steht ganz oben auf der Liste radioaktives Element Uran, manifestiert sich als Oxidationsmittel. Oxidationsstufen können 2., 3., 4., 5., 6. sein.
Das heißt, das 92. Metall ist chemisch aktiv. Wenn Sie Uran zu Pulver zermahlen, entzündet es sich spontan an der Luft.
In seiner üblichen Form oxidiert die Substanz bei Kontakt mit Sauerstoff und wird mit einem schillernden Film bedeckt.
Wenn man die Temperatur auf 1000 Grad Celsius bringt, chem. Element Uran verbinden mit . Es entsteht ein Metallnitrid. Diese Substanz hat eine gelbe Farbe.
Werfen Sie es in Wasser und es löst sich auf, genau wie reines Uran. Alle Säuren greifen es außerdem an. Das Element verdrängt Wasserstoff aus organischen Elementen.
Uran verdrängt es auch aus Salzlösungen, , , , . Wenn eine solche Lösung geschüttelt wird, beginnen Partikel des 92. Metalls zu glühen.
Uransalze instabil, zerfallen im Licht oder in Gegenwart organischer Stoffe.
Das Element ist vielleicht nur gegenüber Alkalien gleichgültig. Das Metall reagiert nicht mit ihnen.
Entdeckung von Uran ist die Entdeckung eines superschweren Elements. Seine Masse ermöglicht es, das Metall, genauer gesagt die damit verbundenen Mineralien, aus dem Erz zu isolieren.
Es reicht aus, es zu zerdrücken und ins Wasser zu gießen. Die Uranpartikel werden sich zuerst absetzen. Hier beginnt der Metallabbau. Details im nächsten Kapitel.
Uranabbau
Nachdem ein schweres Sediment erhalten wurde, laugen die Industriellen das Konzentrat aus. Ziel ist es, das Uran in Lösung zu überführen. Es wird Schwefelsäure verwendet.
Eine Ausnahme gilt für Teer. Dieses Mineral ist in Säure nicht löslich, daher werden Alkalien verwendet. Das Geheimnis der Schwierigkeiten liegt im 4-wertigen Zustand von Uran.
Auch Säurelaugung funktioniert nicht. In diesen Mineralien ist das 92. Metall ebenfalls 4-wertig.
Dieses wird mit Hydroxid, bekannt als Natronlauge, behandelt. In anderen Fällen ist eine Sauerstoffspülung gut. Eine separate Bevorratung von Schwefelsäure ist nicht erforderlich.
Es reicht aus, das Erz mit Sulfidmineralien auf 150 Grad zu erhitzen und einen Sauerstoffstrom darauf zu richten. Dabei entsteht Säure, die ausgewaschen wird Uranus.
Chemisches Element und seine Anwendung mit reinen Metallformen verbunden. Um Verunreinigungen zu entfernen, wird Sorption eingesetzt.
Es wird auf Ionenaustauscherharzen durchgeführt. Auch die Extraktion mit organischen Lösungsmitteln ist geeignet.
Es bleibt nur noch, der Lösung Alkali zuzusetzen, um Ammoniumuranate auszufällen und darin aufzulösen Salpetersäure und entlarven.
Das Ergebnis sind Oxide des 92. Elements. Sie werden auf 800 Grad erhitzt und mit Wasserstoff reduziert.
Das endgültige Oxid wird umgewandelt Uranfluorid, aus dem durch Calcium-thermische Reduktion reines Metall gewonnen wird. Wie Sie sehen, ist es nicht einfach. Warum sich so sehr anstrengen?
Anwendungen von Uran
Das 92. Metall ist der Hauptbrennstoff von Kernreaktoren. Für stationäre Anlagen eignet sich ein mageres Gemisch, für Kraftwerke kommt ein angereichertes Element zum Einsatz.
Das 235. Isotop ist auch die Grundlage für Atomwaffen. Sekundärer Kernbrennstoff kann auch aus Metall 92 gewonnen werden.
Hier lohnt es sich, die Frage zu stellen: In welches Element wandelt sich Uran um?. Von seinem 238. Isotop ist , eine weitere radioaktive, superschwere Substanz.
Ganz am 238 Uran Großartig Halbwertszeit, dauert 4,5 Milliarden Jahre. Eine solche langfristige Zerstörung führt zu einer geringen Energieintensität.
Wenn wir die Verwendung von Uranverbindungen in Betracht ziehen, sind seine Oxide nützlich. Sie werden in der Glasindustrie eingesetzt.
Oxide wirken als Farbstoffe. Kann von hellgelb bis dunkelgrün erhalten werden. IN ultraviolette Strahlung das Material fluoresziert.
Diese Eigenschaft wird nicht nur bei Gläsern, sondern auch bei Uranglasuren genutzt. Die darin enthaltenen Uranoxide liegen zwischen 0,3 und 6 %.
Dadurch ist der Hintergrund sicher und überschreitet nicht 30 Mikrometer pro Stunde. Foto von Uranelementen, oder besser gesagt, Produkte mit seiner Beteiligung, sind sehr bunt. Der Glanz von Glas und Geschirr zieht die Blicke auf sich.
Uranpreis
Für ein Kilogramm nicht angereichertes Uranoxid gibt es etwa 150 Dollar. Spitzenwerte wurden im Jahr 2007 beobachtet.
Dann erreichten die Kosten 300 Dollar pro Kilo. Die Entwicklung von Uranerzen wird auch bei einem Preis von 90-100 konventionellen Einheiten profitabel bleiben.
Wer hat das Element Uran entdeckt? Er wusste nicht, welche Reserven er in der Erdkruste hatte. Jetzt sind sie gezählt.
Große Lagerstätten mit rentablem Förderpreis werden bis 2030 erschöpft sein.
Wenn keine neuen Vorkommen entdeckt werden oder keine Alternativen für das Metall gefunden werden, werden seine Kosten steigen.
Uran ist kein sehr typisches Aktinid; fünf davon sind bekannt Valenzzustände- von 2+ bis 6+. Einige Uranverbindungen haben charakteristische Farbe. So sind Lösungen von dreiwertigem Uran rot, vierwertiges Uran grün und sechswertiges Uran – es liegt in Form von Uranylion (UO 2) 2+ vor – färbt die Lösungen gelb... Die Tatsache, dass sechswertiges Uran mit vielen organischen Verbindungen Verbindungen bildet Komplexbildner, erwiesen sich als sehr wichtig für die Extraktionstechnologie des Elements Nr. 92.
Es ist charakteristisch, dass das Äußere Elektronenhülle Uranionen sind immer vollständig gefüllt; Die Valenzelektronen befinden sich in der vorherigen Elektronenschicht, in der 5f-Unterschale. Wenn wir Uran mit anderen Elementen vergleichen, ist es offensichtlich, dass Plutonium ihm am ähnlichsten ist. Der Hauptunterschied zwischen ihnen ist der große Ionenradius von Uran. Darüber hinaus ist Plutonium im vierwertigen Zustand am stabilsten und Uran im sechswertigen Zustand am stabilsten. Dies trägt zu ihrer Trennung bei, was sehr wichtig ist: Der Kernbrennstoff Plutonium-239 wird ausschließlich aus Uran gewonnen, energetisch Ballast von Uran-238. Plutonium entsteht in einer Uranmasse und muss getrennt werden!
Allerdings müssen Sie zunächst genau diese Uranmasse gewinnen, indem Sie eine lange technologische Kette durchlaufen, beginnend mit Erz. Typischerweise ein mehrkomponentiges, uranarmes Erz.
Leichtes Isotop eines schweren Elements
Als wir über die Beschaffung des Elements Nr. 92 sprachen, haben wir einen wichtigen Schritt bewusst weggelassen. Wie Sie wissen, ist nicht jedes Uran in der Lage, eine nukleare Kettenreaktion zu unterstützen. Uran-238, das 99,28 % des natürlichen Isotopengemisches ausmacht, ist dazu nicht in der Lage. Aus diesem Grund wird Uran-238 in Plutonium umgewandelt, und es wird versucht, die natürliche Mischung von Uran-Isotopen entweder zu trennen oder mit dem Isotop Uran-235 anzureichern, das in der Lage ist, thermische Neutronen zu spalten.
Zur Trennung von Uran-235 und Uran-238 wurden viele Methoden entwickelt. Am häufigsten wird die Gasdiffusionsmethode verwendet. Das Wesentliche ist, dass das Licht schneller durchdringt, wenn eine Mischung aus zwei Gasen durch eine poröse Trennwand geleitet wird. Bereits 1913 trennte F. Aston auf diese Weise teilweise Neonisotope.
Die meisten Uranverbindungen bei normale Bedingungen- Feststoffe und der gasförmige Zustand können nur bei sehr hohen Temperaturen übertragen werden, wenn von subtilen Prozessen der Isotopentrennung keine Rede sein kann. Allerdings sublimiert die farblose Verbindung von Uran mit Fluor, UF 6 Hexafluorid, bereits bei 56,5 °C (bei Atmosphärendruck). UF 6 ist die flüchtigste Uranverbindung und eignet sich am besten zur Isotopentrennung durch Gasdiffusion.
Uranhexafluorid zeichnet sich durch eine hohe chemische Aktivität aus. Korrosion von Rohren, Pumpen, Behältern, Wechselwirkungen mit der Schmierung von Mechanismen – eine kleine, aber beeindruckende Liste von Problemen, die die Entwickler von Diffusionsanlagen überwinden mussten. Wir stießen auf noch ernstere Schwierigkeiten.
Uranhexafluorid, das durch Fluoridierung einer natürlichen Mischung von Uranisotopen gewonnen wird, kann aus der Sicht der „Diffusion“ als eine Mischung aus zwei Gasen mit sehr ähnlichen Molekularmassen betrachtet werden – 349 (235+19*6) und 352 (238). +19*6). Der maximale theoretische Trennkoeffizient in einer Diffusionsstufe für Gase, die sich im Molekulargewicht so geringfügig unterscheiden, beträgt nur 1,0043. Unter realen Bedingungen ist dieser Wert sogar noch geringer. Es zeigt sich, dass es nur mit Hilfe mehrerer tausend Diffusionsschritte möglich ist, die Konzentration von Uran-235 von 0,72 auf 99 % zu steigern. Daher nehmen Uranisotopentrennanlagen eine Fläche von mehreren zehn Hektar ein. Die Fläche poröser Trennwände in den Trennkaskaden von Fabriken liegt etwa in der gleichen Größenordnung.
Kurz über andere Uranisotope
Natürliches Uran umfasst neben Uran-235 und Uran-238 auch Uran-234. Die Häufigkeit dieses seltenen Isotops wird als Zahl mit vier Nullen nach dem Komma ausgedrückt. Ein viel leichter zugängliches künstliches Isotop ist Uran-233. Es wird durch Bestrahlung von Thorium im Neutronenfluss eines Kernreaktors gewonnen:
232 90 Th + 10n → 233 90 Th -β-→ 233 91 Pa -β-→ 233 92 U
Nach allen Regeln Kernphysik Uran-233 wird als ungerades Isotop durch thermische Neutronen gespalten. Und was am wichtigsten ist: In Reaktoren mit Uran-233 kann (und wird) es zu einer erweiterten Reproduktion von Kernbrennstoff kommen. In einem herkömmlichen thermischen Neutronenreaktor! Berechnungen zeigen, dass sich beim Verbrennen eines Kilogramms Uran-233 in einem Thoriumreaktor 1,1 kg neues Uran-233 darin ansammeln sollten. Ein Wunder, und das ist alles! Wir haben ein Kilogramm Treibstoff verbrannt, aber die Treibstoffmenge hat sich nicht verringert.
Allerdings sind solche Wunder nur mit Kernbrennstoff möglich.
Der Uran-Thorium-Zyklus in thermischen Neutronenreaktoren ist der Hauptkonkurrent des Uran-Plutonium-Zyklus für die Reproduktion von Kernbrennstoff in schnellen Neutronenreaktoren... Eigentlich wurde Element Nr. 90 – Thorium – nur aus diesem Grund als a klassifiziert strategisches Material.
Andere künstliche Uranisotope spielen keine wesentliche Rolle. Erwähnenswert ist nur Uran-239 – das erste Isotop in der Umwandlungskette von Uran-238 und Plutonium-239. Seine Halbwertszeit beträgt nur 23 Minuten.
Uranisotope mit einer Massenzahl größer als 240 V moderne Reaktoren keine Zeit haben, sich zu formen. Die Lebensdauer von Uran-240 ist zu kurz und es zerfällt, bevor es Zeit hat, ein Neutron einzufangen.
In den superstarken Neutronenflüssen einer thermonuklearen Explosion gelingt es einem Urankern, in einer Millionstelsekunde bis zu 19 Neutronen einzufangen. In diesem Fall entstehen Uranisotope mit Massenzahlen von 239 bis 257. Ihre Existenz wurde durch das Auftreten entfernter Transuranelemente – Nachkommen schwerer Uranisotope – in den Produkten einer thermonuklearen Explosion entdeckt. Die „Begründer der Gattung“ selbst sind zu instabil für den Betazerfall und gehen in höhere Elemente über, lange bevor die Produkte der Kernreaktionen aus dem durch die Explosion vermischten Gestein extrahiert werden.
Moderne thermische Reaktoren verbrennen Uran-235. In bereits existierenden Reaktoren für schnelle Neutronen wird die Energie der Kerne eines gemeinsamen Isotops, Uran-238, freigesetzt, und wenn Energie wahrer Reichtum ist, dann werden Urankerne der Menschheit in naher Zukunft zugute kommen: die Energie des Elements Nr. 92 werden zur Grundlage unserer Existenz.
Es ist von entscheidender Bedeutung, sicherzustellen, dass Uran und seine Derivate nur in Kernreaktoren friedlicher Kraftwerke langsam, ohne Rauch und Flammen brennen.
EINE WEITERE QUELLE VON URAN. Heutzutage ist es Meerwasser geworden. Pilottechnische Anlagen zur Gewinnung von Uran aus Wasser mithilfe spezieller Sorptionsmittel sind bereits in Betrieb: Titanoxid oder mit bestimmten Reagenzien behandelte Acrylfasern.
WER WIE VIEL. In den frühen 80er Jahren betrug die Uranproduktion in kapitalistischen Ländern etwa 50.000 g pro Jahr (in U3Os). Etwa ein Drittel dieser Menge wurde von der US-Industrie bereitgestellt. Kanada liegt an zweiter Stelle, gefolgt von Südafrika. Nigor, Gabun, Namibia. Aus europäische Länder Frankreich produziert das meiste Uran und seine Verbindungen, sein Anteil war jedoch fast siebenmal geringer als der der Vereinigten Staaten.
NICHT-TRADITIONELLE VERBINDUNGEN. Obwohl es nicht unbegründet ist, dass die Chemie von Uran und Plutonium besser untersucht ist als die Chemie traditioneller Elemente wie Eisen, entdecken Chemiker immer noch neue Uranverbindungen. So erschien 1977 die Zeitschrift „Radiochemistry“, Bd. XIX, Nr. 6 berichteten über zwei neue Uranylverbindungen. Ihre Zusammensetzung ist MU02(S04)2-SH20, wobei M ein zweiwertiges Mangan- oder Kobaltion ist. Röntgenbeugungsmuster zeigten, dass es sich bei den neuen Verbindungen um Doppelsalze und nicht um eine Mischung zweier ähnlicher Salze handelte.
(nach Pauling)
U←U 3+ -1,66V
U←U 2+ -0,1V
| U | 92 |
| 238,0289 | |
| 5f 3 6d 1 7s 2 | |
| Uranus | |
Uranus(alte Bezeichnung Uran) ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 92 im Periodensystem und der Atommasse 238,029; gekennzeichnet durch das Symbol U ( Uran), gehört zur Familie der Aktiniden.
Geschichte
Schon in der Antike (1. Jahrhundert v. Chr.) wurde natürliches Uranoxid zur Herstellung gelber Glasur für Keramik verwendet. Die Uranforschung entwickelte sich wie eine von ihr ausgelöste Kettenreaktion. Informationen über seine Eigenschaften kamen zunächst, wie die ersten Impulse einer Kettenreaktion, mit langen Unterbrechungen von Fall zu Fall. Das erste wichtige Datum in der Geschichte des Urans ist das Jahr 1789, als der deutsche Naturphilosoph und Chemiker Martin Heinrich Klaproth die aus sächsischem Harzerz gewonnene goldgelbe „Erde“ in eine schwarze, metallähnliche Substanz umwandelte. Zu Ehren des damals am weitesten entfernten Planeten (acht Jahre zuvor von Herschel entdeckt) nannte Klaproth die neue Substanz Uran, da sie sie als Element betrachtete.
Fünfzig Jahre lang galt Klaproths Uran als Metall. Erst 1841 bewies Eugene Melchior Peligot, ein französischer Chemiker (1811-1890), dass Klaproths Uran trotz des charakteristischen metallischen Glanzes kein Element, sondern ein Oxid ist UO 2. Im Jahr 1840 gelang es Peligo, echtes Uran, ein stahlgraues Schwermetall, zu gewinnen und dessen Atomgewicht zu bestimmen. Der nächste wichtige Schritt in der Erforschung von Uran wurde 1874 von D. I. Mendeleev gemacht. Basierend auf seiner entwickelten Periodensystem, legte er Uran in die hinterste Zelle seines Tisches. Früher galt das Atomgewicht von Uran als 120. Der große Chemiker verdoppelte diesen Wert. 12 Jahre später wurde Mendelejews Vorhersage durch die Experimente des deutschen Chemikers Zimmermann bestätigt.
Die Erforschung von Uran begann im Jahr 1896: Der französische Chemiker Antoine Henri Becquerel entdeckte zufällig die Becquerel-Strahlen, die Marie Curie später in Radioaktivität umbenannte. Gleichzeitig gelang es dem französischen Chemiker Henri Moissan, eine Methode zur Herstellung von reinem Uranmetall zu entwickeln. Im Jahr 1899 entdeckte Rutherford, dass die Strahlung von Uranpräparaten inhomogen ist, dass es zwei Arten von Strahlung gibt – Alpha- und Betastrahlen. Sie tragen unterschiedliche elektrische Ladungen; Ihr Materiebereich und ihre Ionisierungsfähigkeit sind bei weitem nicht gleich. Wenig später, im Mai 1900, entdeckte Paul Villar eine dritte Strahlungsart – Gammastrahlen.
Ernest Rutherford führte 1907 die ersten Experimente durch, um während des Studiums das Alter von Mineralien zu bestimmen radioaktives Uran und Thorium basierend auf der Theorie der Radioaktivität, die er zusammen mit Frederick Soddy (Soddy, Frederick, 1877-1956; Nobelpreis für Chemie, 1921) entwickelte. Im Jahr 1913 führte F. Soddy das Konzept ein Isotope(aus dem Griechischen ισος – „gleich“, „gleich“ und τόπος – „Ort“), und 1920 sagte er voraus, dass Isotope zur Bestimmung des geologischen Alters von Gesteinen verwendet werden könnten. 1928 führte Niggot die ersten Gleichungen zur Altersberechnung ein und 1939 erstellte A.O.K. Nier (Nier, Alfred Otto Carl, 1911 – 1994) die ersten Gleichungen zur Berechnung des Alters und verwendete ein Massenspektrometer zur Isotopentrennung.
Im Jahr 1939 entdeckten Frederic Joliot-Curie und die deutschen Physiker Otto Frisch und Lise Meitner ein unbekanntes Phänomen, das bei der Bestrahlung eines Urankerns mit Neutronen auftritt. Es kam zu einer explosionsartigen Zerstörung dieses Kerns unter Bildung neuer Elemente, die viel leichter als Uran waren. Diese Zerstörung war explosiver Natur, Essensfragmente wurden mit enormer Geschwindigkeit in verschiedene Richtungen verstreut. So wurde ein Phänomen namens Kernreaktion entdeckt.
1939-1940 Yu. B. Khariton und Ya. B. Zeldovich waren die ersten, die theoretisch zeigten, dass es mit einer geringen Anreicherung von natürlichem Uran mit Uran-235 möglich ist, Bedingungen für die kontinuierliche Spaltung von Atomkernen zu schaffen, also die zu geben Verarbeiten Sie ein Kettenzeichen.
In der Natur sein
Uraninit-Erz
Uran ist in der Natur weit verbreitet. Der Clarke-Wert von Uran beträgt 1·10 -3 % (Gew.). Die Uranmenge in einer 20 km dicken Schicht der Lithosphäre wird auf 1,3 · 10 14 Tonnen geschätzt.
Der Großteil des Urans kommt in sauren Gesteinen mit hohem Gehalt vor Silizium. Eine beträchtliche Menge Uran ist in Sedimentgesteinen konzentriert, insbesondere in solchen, die mit organischem Material angereichert sind. Uran ist in großen Mengen als Verunreinigung in Thorium und Seltenerdmineralien (Orthit, Sphen CaTiO 3, Monazit (La,Ce)PO 4, Zirkon ZrSiO 4, Xenotim YPO4 usw.) vorhanden. Die wichtigsten Uranerze sind Pechblende (Uranpech), Uraninit und Carnotit. Die wichtigsten Mineralien, die Satelliten des Urans sind, sind Molybdänit MoS 2, Bleiglanz PbS, Quarz SiO 2, Calcit CaCO 3, Hydromuskovit usw.
| Mineral | Grundzusammensetzung des Minerals | Urangehalt, % |
|---|---|---|
| Uraninit | UO 2, UO 3 + ThO 2, CeO 2 | 65-74 |
| Carnotit | K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 2H 2 O | ~50 |
| Kasolit | 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 |
| Tyuyamunit | CaO 2UO 3 V 2 O 5 nH 2 O | 50-60 |
| Tseynerit | Cu(UO 2) 2 (AsO 4)2 nH 2 O | 50-53 |
| Otenitis | Ca(UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O | ~50 |
| Schreckingerit | Ca 3 NaUO 2 (CO 3) 3 SO 4 (OH) 9H 2 O | 25 |
| Ouranophane | CaO UO 2 2SiO 2 6H 2 O | ~57 |
| Fergusonit | (Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O 4 | 0.2-8 |
| Torburnit | Cu(UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O | ~50 |
| Sarg | U(SiO 4) 1-x (OH) 4x | ~50 |
Die wichtigsten in der Natur vorkommenden Formen von Uran sind Uraninit, Pechblende (Uranpech) und Uranschwarz. Sie unterscheiden sich lediglich in ihren Standortformen; es gibt eine Altersabhängigkeit: Uraninit kommt hauptsächlich in alten (präkambrischen Gesteinen) vor, Pechblende – vulkanogen und hydrothermisch – hauptsächlich in paläozoischen und jüngeren Hoch- und Mitteltemperaturformationen; Uranschwarze - hauptsächlich in jungen - känozoischen und jüngeren Formationen - hauptsächlich in Sedimentgesteinen mit niedriger Temperatur.
Der Urangehalt in der Erdkruste beträgt 0,003 % und kommt in der Oberflächenschicht der Erde in Form von vier Arten von Ablagerungen vor. Erstens gibt es Uraninit-Adern oder Uranpech (Urandioxid UO2), das sehr reich an Uran ist, aber selten. Sie werden seitdem von Radiumablagerungen begleitet Radium ist ein direktes Produkt des Isotopenzerfalls von Uran. Solche Adern finden sich in Zaire, Kanada (Great Bear Lake), Tschechien Und Frankreich. Die zweite Uranquelle sind Konglomerate aus Thorium und Uranerzen zusammen mit Erzen anderer wichtiger Mineralien. Konglomerate enthalten in der Regel ausreichende Mengen, um gefördert zu werden Gold Und Silber und die Begleitelemente sind Uran und Thorium. Große Vorkommen dieser Erze befinden sich in Kanada, Südafrika, Russland und Australien. Die dritte Uranquelle sind Sedimentgesteine und Sandsteine, die reich an dem Mineral Carnotit (Kaliumuranylvanadat) sind, das neben Uran eine erhebliche Menge enthält Vanadium und andere Elemente. Solche Erze kommen in den westlichen Bundesstaaten vor USA. Eisen-Uran-Schiefer und Phosphaterze bilden eine vierte Sedimentquelle. Reichhaltige Vorkommen im Schiefer gefunden Schweden. Einige Phosphaterze in Marokko und den Vereinigten Staaten enthalten erhebliche Mengen an Uran und Phosphatvorkommen in Angola und die Zentralafrikanische Republik sind sogar noch reicher an Uran. Die meisten Braunkohlen und einige Kohlen enthalten normalerweise Uranverunreinigungen. In North und South Dakota (USA) wurden uranreiche Braunkohlevorkommen sowie Steinkohlen entdeckt Spanien Und Tschechien
Isotope von Uran
Natürliches Uran besteht aus einer Mischung von drei Stoffen Isotope: 238 U - 99,2739 % (Halbwertszeit T 1/2 = 4,468×10 9 Jahre), 235 U – 0,7024 % ( T 1/2 = 7,038×10 8 Jahre) und 234 U – 0,0057 % ( T 1/2 = 2,455×10 5 Jahre). Letzteres Isotop ist nicht primär, sondern radiogen; es gehört zur radioaktiven 238 U-Reihe.
Die Radioaktivität des natürlichen Urans ist hauptsächlich auf die Isotope 238 U und 234 U zurückzuführen; im Gleichgewicht sind ihre spezifischen Aktivitäten gleich. Die spezifische Aktivität des 235 U-Isotops in natürlichem Uran ist 21-mal geringer als die Aktivität von 238 U.
Es sind 11 künstliche radioaktive Uranisotope mit Massenzahlen von 227 bis 240 bekannt. Das langlebigste davon ist 233 U ( T 1/2 = 1,62×10 5 Jahre) wird durch Bestrahlung von Thorium mit Neutronen gewonnen und kann durch thermische Neutronen spontan gespalten werden.
Die Uranisotope 238 U und 235 U sind die Vorfahren zweier radioaktiver Serien. Die letzten Elemente dieser Reihe sind Isotope führen 206 Pb und 207 Pb.
Unter natürlichen Bedingungen sind die häufigsten Isotope 234 U: 235U : 238 U= 0,0054: 0,711: 99,283. Die Hälfte der Radioaktivität von natürlichem Uran ist auf das Isotop zurückzuführen 234 U. Isotop 234 U entsteht durch Zerfall 238 U. Die letzten beiden zeichnen sich im Gegensatz zu anderen Isotopenpaaren und ungeachtet der hohen Migrationsfähigkeit von Uran durch eine geografische Konstanz des Verhältnisses aus. Die Größe dieses Verhältnisses hängt vom Alter des Urans ab. Zahlreiche Feldmessungen zeigten leichte Schwankungen. Bei Brötchen schwankt der Wert dieses Verhältnisses zum Standard also im Bereich von 0,9959 - 1,0042, bei Salzen zwischen 0,996 und 1,005. Bei uranhaltigen Mineralien (Pech, Uranschwarz, Kyrtolit, Erze seltener Erden) liegt der Wert dieses Verhältnisses zwischen 137,30 und 138,51; Darüber hinaus wurde der Unterschied zwischen den Formen U IV und U VI nicht festgestellt; in Sphen - 138,4. Bei einigen Meteoriten wurde ein Isotopenmangel festgestellt 235U. Die niedrigste Konzentration unter terrestrischen Bedingungen wurde 1972 vom französischen Forscher Bujigues in der Stadt Oklo in Afrika (Vorkommen in Gabun) festgestellt. So enthält normales Uran 0,7025 % Uran 235 U, während er in Oklo auf 0,557 % reduziert ist. Dies stützte die Hypothese, dass ein natürlicher Kernreaktor zu einem Isotopenabbrand führt, vorhergesagt von George W. Wetherill von der University of California in Los Angeles und Mark G. Inghram von der University of Chicago sowie Paul K. Kuroda, einem Chemiker an der University of California Arkansas beschrieb den Prozess bereits 1956. Darüber hinaus wurden in denselben Bezirken natürliche Kernreaktoren gefunden: Okelobondo, Bangombe usw. Derzeit sind etwa 17 natürliche Kernreaktoren bekannt.
Quittung
Die allererste Stufe der Uranproduktion ist die Konzentration. Das Gestein wird zerkleinert und mit Wasser vermischt. Schwere Aufhängungskomponenten setzen sich schneller ab. Enthält das Gestein primäre Uranminerale, fallen diese schnell aus: Dabei handelt es sich um Schwerminerale. Sekundäre Uranmineralien sind leichter, wodurch sich das schwere Abfallgestein früher absetzt. (Allerdings ist es nicht immer wirklich leer; es kann viele nützliche Elemente enthalten, einschließlich Uran).
Der nächste Schritt ist die Auslaugung der Konzentrate, bei der Uran in Lösung überführt wird. Es kommen saure und alkalische Auslaugungen zum Einsatz. Ersteres ist billiger, da zur Gewinnung von Uran Schwefelsäure verwendet wird. Aber wenn im Ausgangsmaterial, wie etwa Uran, enthalten ist Teer Liegt Uran in einem vierwertigen Zustand vor, ist diese Methode nicht anwendbar: Vierwertiges Uran ist in Schwefelsäure praktisch unlöslich. In diesem Fall müssen Sie entweder auf eine alkalische Auslaugung zurückgreifen oder das Uran vorab in einen sechswertigen Zustand oxidieren.
Auch wenn das Urankonzentrat Dolomit oder Magnesit enthält, die mit Schwefelsäure reagieren, kommt eine Säurelaugung nicht zum Einsatz. Verwenden Sie in diesen Fällen Natronlauge (Hydroxid). Natrium).
Das Problem der Uranauslaugung aus Erzen wird durch Sauerstoffeinblasen gelöst. Einem auf 150 °C erhitzten Gemisch aus Uranerz und Sulfidmineralien wird ein Sauerstoffstrom zugeführt. Dabei entstehen aus Schwefel Mineralien Schwefelsäure, das Uran wegwäscht.
Im nächsten Schritt muss Uran selektiv aus der resultierenden Lösung isoliert werden. Moderne Methoden- Extraktion und Ionenaustausch - ermöglichen uns, dieses Problem zu lösen.
Die Lösung enthält nicht nur Uran, sondern auch andere Kationen. Einige von ihnen verhalten sich unter bestimmten Bedingungen genauso wie Uran: Sie werden mit denselben organischen Lösungsmitteln extrahiert, auf denselben Ionenaustauscherharzen abgeschieden und fallen unter denselben Bedingungen aus. Um Uran selektiv zu isolieren, ist es daher notwendig, viele Redoxreaktionen durchzuführen, um in jeder Phase den einen oder anderen unerwünschten Begleiter loszuwerden. Auf modernen Ionenaustauscherharzen wird Uran sehr selektiv freigesetzt.
Methoden Ionenaustausch und Extraktion Sie sind auch deshalb gut, weil sie eine recht vollständige Gewinnung von Uran aus schlechten Lösungen ermöglichen (Urangehalt beträgt Zehntel Gramm pro Liter).
Nach diesen Vorgängen wird Uran in einen festen Zustand umgewandelt – in eines der Oxide oder in UF 4 -Tetrafluorid. Aber dieses Uran muss noch mit einem großen thermischen Neutroneneinfangquerschnitt von Verunreinigungen gereinigt werden – Bor, Cadmium, Hafnia. Ihr Anteil im Endprodukt sollte Hunderttausendstel und Millionstel Prozent nicht überschreiten. Um diese Verunreinigungen zu entfernen, wird eine technisch reine Uranverbindung in Salpetersäure gelöst. Dabei entsteht Uranylnitrat UO 2 (NO 3) 2, das bei der Extraktion mit Tributylphosphat und einigen anderen Stoffen weiter auf die geforderten Standards gereinigt wird. Anschließend wird diese Substanz kristallisiert (bzw. Peroxid UO 4 ·2H 2 O ausgefällt) und vorsichtig kalziniert. Als Ergebnis dieses Vorgangs entsteht Urantrioxid UO 3, das mit Wasserstoff zu UO 2 reduziert wird.
Urandioxid UO 2 wird bei Temperaturen von 430 bis 600 °C trockenem Fluorwasserstoff ausgesetzt, um UF 4 -Tetrafluorid zu erzeugen. Aus dieser Verbindung wird Uranmetall gewonnen Kalzium oder Magnesium.
Physikalische Eigenschaften
Uran ist ein sehr schweres, silberweiß glänzendes Metall. In reiner Form ist es etwas weicher als Stahl, formbar, flexibel und weist leicht paramagnetische Eigenschaften auf. Uran hat drei allotrope Formen: Alpha (prismatisch, stabil bis 667,7 °C), Beta (tetragonal, stabil von 667,7 °C bis 774,8 °C), Gamma (mit kubisch-raumzentrierter Struktur, vorhanden ab 774,8 °C). bis zum Schmelzpunkt).
Radioaktive Eigenschaften einiger Uranisotope (natürliche Isotope sind hervorgehoben):
Chemische Eigenschaften
Uran kann Oxidationsstufen von +III bis +VI aufweisen. Uran(III)-Verbindungen bilden instabile rote Lösungen und sind starke Reduktionsmittel:
4UCl 3 + 2H 2 O → 3UCl 4 + UO 2 + H 2
Uran(IV)-Verbindungen sind am stabilsten und bilden grüne wässrige Lösungen.
Uran(V)-Verbindungen sind instabil und disproportionieren in wässriger Lösung leicht:
2UO 2 Cl → UO 2 Cl 2 + UO 2
Uran ist chemisch gesehen ein sehr aktives Metall. Es oxidiert schnell an der Luft und wird mit einem regenbogenfarbenen Oxidfilm bedeckt. Feines Uranpulver entzündet sich spontan an der Luft; es entzündet sich bei einer Temperatur von 150-175 °C und bildet U 3 O 8. Bei 1000 °C verbindet sich Uran mit Stickstoff zu gelbem Urannitrid. Wasser kann Metall korrodieren, langsam bei niedrigen Temperaturen und schnell bei hohen Temperaturen sowie beim feinen Mahlen von Uranpulver. Uran löst sich in Salz-, Salpeter- und anderen Säuren und bildet vierwertige Salze, interagiert jedoch nicht mit Alkalien. Uranus verdrängt Wasserstoff aus anorganischen Säuren und Salzlösungen von Metallen wie z Quecksilber, Silber, Kupfer, Zinn, PlatinUndGold. Bei kräftigem Schütteln beginnen die Metallpartikel des Urans zu glühen. Uran hat vier Oxidationsstufen – III-VI. Sechswertige Verbindungen umfassen Urantrioxid (Uranyloxid) UO 3 und Uran-Uranylchlorid UO 2 Cl 2 . Urantetrachlorid UCl 4 und Urandioxid UO 2 sind Beispiele für vierwertiges Uran. Stoffe, die vierwertiges Uran enthalten, sind normalerweise instabil und werden sechswertig, wenn sie längere Zeit der Luft ausgesetzt werden. Uranylsalze wie Uranylchlorid zersetzen sich in Gegenwart von hellem Licht oder organischen Stoffen.
Anwendung
Kernbrennstoff
Die größte Anwendung ist Isotop Uran 235 U, in dem eine sich selbst tragende Kette vorliegt Kernreaktion. Daher wird dieses Isotop als Brennstoff in Kernreaktoren sowie in Atomwaffen verwendet. Die Isolierung des U 235-Isotops aus natürlichem Uran ist ein komplexes technologisches Problem (siehe Isotopentrennung).
Das Isotop U 238 kann unter dem Einfluss des Beschusses durch hochenergetische Neutronen gespalten werden; diese Eigenschaft wird genutzt, um die Leistung thermonuklearer Waffen zu erhöhen (es werden Neutronen verwendet, die durch eine thermonukleare Reaktion erzeugt werden).
Durch Neutroneneinfang und anschließenden β-Zerfall kann 238 U in 239 Pu umgewandelt werden, das dann als Kernbrennstoff verwendet wird.
Uran-233, künstlich in Reaktoren aus Thorium hergestellt (Thorium-232 fängt ein Neutron ein und wandelt sich in Thorium-233 um, das in Protactinium-233 und dann in Uran-233 zerfällt), könnte in Zukunft ein üblicher Kernbrennstoff für werden Atomkraftwerke(Es gibt bereits Reaktoren, die dieses Nuklid als Brennstoff verwenden, zum Beispiel KAMINI in Indien) und Produktion Atombomben(kritische Masse ca. 16 kg).
Uran-233 ist auch der vielversprechendste Treibstoff für Gasphasen-Atomraketentriebwerke.
Geologie
Die Hauptanwendung von Uran ist die Bestimmung des Alters von Mineralien und Gesteinen, um den Ablauf geologischer Prozesse zu bestimmen. Das ist es, was Geochronologie und Theoretische Geochronologie tun. Wesentlich ist auch die Lösung des Problems der Vermischung und Stoffquellen.
Die Lösung des Problems basiert auf den durch die Gleichungen beschriebenen Gleichungen des radioaktiven Zerfalls.
Wo 238 Uo, 235 U o— moderne Konzentrationen von Uranisotopen; ; — Zerfallskonstanten Atome des Urans bzw 238 U Und 235U.
Ihre Kombination ist sehr wichtig:
.
Da Gesteine unterschiedliche Urankonzentrationen enthalten, weisen sie eine unterschiedliche Radioaktivität auf. Diese Eigenschaft wird bei der Identifizierung von Gesteinen mit geophysikalischen Methoden verwendet. Diese Methode wird in der Erdölgeologie am häufigsten bei geophysikalischen Untersuchungen von Bohrlöchern eingesetzt; zu diesem Komplex gehören insbesondere γ- oder Neutronen-Gamma-Protokollierung, Gamma-Gamma-Protokollierung usw. Mit ihrer Hilfe werden Lagerstätten und Dichtungen identifiziert.
Andere Anwendungen
Eine kleine Zugabe von Uran verleiht Glas (Uranglas) eine schöne gelbgrüne Fluoreszenz.
Natriumuranat Na 2 U 2 O 7 wurde als gelbes Pigment in der Malerei verwendet.
Uranverbindungen wurden als Farben für die Bemalung von Porzellan sowie für keramische Glasuren und Emails verwendet (bemalt in den Farben: Gelb, Braun, Grün und Schwarz, je nach Oxidationsgrad).
Einige Uranverbindungen sind lichtempfindlich.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts Uranylnitrat Wird häufig zum Verstärken von Negativen und zum Färben (Tönen) von Positiven (Fotodrucken) in Braun verwendet.
Uran-235-Karbid, legiert mit Niobkarbid und Zirkoniumkarbid, wird als Kernbrennstoff verwendet Strahltriebwerke(Arbeitsflüssigkeit - Wasserstoff + Hexan).
Als leistungsstarke magnetostriktive Materialien werden Legierungen aus Eisen und abgereichertem Uran (Uran-238) verwendet.
Abgereichertes Uran
Abgereichertes Uran
Nachdem 235 U und 234 U aus natürlichem Uran extrahiert wurden, wird das verbleibende Material (Uran-238) als „abgereichertes Uran“ bezeichnet, da es an dem Isotop 235 abgereichert ist. Einigen Daten zufolge lagern in den Vereinigten Staaten etwa 560.000 Tonnen abgereichertes Uranhexafluorid (UF 6).
Abgereichertes Uran ist halb so radioaktiv wie natürliches Uran, was hauptsächlich auf die Entfernung von 234 U zurückzuführen ist. Da die Hauptverwendung von Uran die Energieerzeugung ist, ist abgereichertes Uran ein Produkt mit geringem Verbrauch und geringem wirtschaftlichen Wert.
Seine Verwendung ist vor allem auf die hohe Dichte des Urans und seine relativ geringen Kosten zurückzuführen. Abgereichertes Uran wird (ironischerweise) zur Strahlungsabschirmung und als Ballast in Luft- und Raumfahrtanwendungen wie Flugzeugsteuerflächen verwendet. Jedes Boeing 747-Flugzeug enthält für diese Zwecke 1.500 kg abgereichertes Uran. Dieses Material wird auch in Hochgeschwindigkeits-Gyroskoprotoren, großen Schwungrädern, als Ballast in Raumlandern und Rennyachten sowie beim Bohren von Ölquellen verwendet.
Panzerbrechende Projektilkerne
Die Spitze (Liner) eines Projektils vom Kaliber 30 mm (GAU-8-Kanonen eines A-10-Flugzeugs) mit einem Durchmesser von etwa 20 mm besteht aus abgereichertem Uran.
Die bekannteste Verwendung von abgereichertem Uran ist die Verwendung als Kern für panzerbrechende Projektile. Durch Legieren mit 2 % Mo oder 0,75 % Ti und Wärmebehandlung (schnelles Abschrecken des auf 850 °C erhitzten Metalls in Wasser oder Öl, weiteres 5-stündiges Halten bei 450 °C) wird Uranmetall härter und fester als Stahl (die Zugfestigkeit). Die Festigkeit beträgt mehr als 1600 MPa, obwohl sie für reines Uran 450 MPa beträgt. In Kombination mit der hohen Dichte ist der Uranbarren dadurch extrem gehärtet wirksame Mittel zum Durchdringen von Panzerungen, ähnlich wirksam wie teureres Wolfram. Die schwere Uranspitze verändert auch die Massenverteilung des Projektils und verbessert so seine aerodynamische Stabilität.
Ähnliche Legierungen vom Typ Stabilla werden in Pfeilflügelgeschossen für Panzer- und Panzerabwehrartilleriegeschütze verwendet.
Der Prozess der Panzerungszerstörung geht mit der Zerkleinerung eines Uranschweins zu Staub und seiner Entzündung an der Luft auf der anderen Seite der Panzerung einher (siehe Pyrophore). Während der Operation Desert Storm blieben etwa 300 Tonnen abgereichertes Uran auf dem Schlachtfeld (hauptsächlich die Überreste von 30-mm-GAU-8-Kanonengranaten von A-10-Kampfflugzeugen, wobei jede Granate 272 g einer Uranlegierung enthielt).
Solche Granaten wurden von NATO-Truppen bei Kampfhandlungen auf dem Territorium Jugoslawiens eingesetzt. Nach ihrer Bewerbung wurde darüber gesprochen ökologisches Problem Strahlenbelastung des Landesgebiets.
Uran wurde erstmals im Dritten Reich als Kern für Projektile verwendet.
Abgereichertes Uran wird in modernen Panzerpanzerungen wie dem M-1 Abrams-Panzer verwendet.
Physiologische Wirkung
Es kommt in Mikromengen (10−5–10−8 %) im Gewebe von Pflanzen, Tieren und Menschen vor. Es reichert sich am stärksten durch einige Pilze und Algen an. Uranverbindungen werden absorbiert Magen-Darmtrakt(ca. 1 %), in der Lunge - 50 %. Die wichtigsten Depots im Körper: Milz, Nieren, Skelett, Leber, Lunge und bronchopulmonale Lymphknoten. Der Gehalt in Organen und Geweben von Mensch und Tier überschreitet nicht 10 −7 g.
Uran und seine Verbindungen giftig. Besonders gefährlich sind Aerosole von Uran und seinen Verbindungen. Für Aerosole wasserlöslicher Uranverbindungen beträgt der MPC in der Luft 0,015 mg/m³, für unlösliche Uranformen beträgt der MPC 0,075 mg/m³. Wenn Uran in den Körper gelangt, wirkt es sich auf alle Organe aus und ist ein allgemeines Zellgift. Der molekulare Wirkungsmechanismus von Uran hängt mit seiner Fähigkeit zusammen, die Enzymaktivität zu unterdrücken. In erster Linie sind die Nieren betroffen (Eiweiß und Zucker treten im Urin auf, Oligurie). Bei chronischer Vergiftung sind Störungen der Hämatopoese und des Nervensystems möglich.
Produktion nach Ländern in Tonnen nach U-Gehalt für 2005-2006.
Produktion nach Unternehmen im Jahr 2006:
Cameco - 8,1 Tausend Tonnen
Rio Tinto - 7 Tausend Tonnen
AREVA - 5.000 Tonnen
Kazatomprom - 3,8 Tausend Tonnen
JSC TVEL - 3,5 Tausend Tonnen
BHP Billiton - 3 Tausend Tonnen
Navoi MMC - 2,1 Tausend Tonnen ( Usbekistan, Navoi)
Uran Eins - 1 Tausend Tonnen
Heathgate - 0,8 Tausend Tonnen
Denison Mines – 0,5 Tausend Tonnen
Produktion in Russland
In der UdSSR waren die wichtigsten Uranerzregionen die Ukraine (Zheltorechenskoye-, Pervomaiskoye-Lagerstätten usw.), Kasachstan (Northern - Balkashin-Erzlager usw.; Southern - Kyzylsay-Erzlager usw.; Vostochny; alle gehören überwiegend zu den vulkanogen-hydrothermischer Typ); Transbaikalien (Antey, Streltsovskoe usw.); Mittelasien, hauptsächlich Usbekistan mit Mineralisierung in Schwarzschiefer mit Schwerpunkt in der Stadt Uchkuduk. Es gibt viele kleine Erzvorkommen und -vorkommen. In Russland bleibt Transbaikalien die wichtigste Uranerzregion. Etwa 93 % des russischen Urans werden in der Lagerstätte in der Region Tschita (in der Nähe der Stadt Krasnokamensk) abgebaut. Der Bergbau erfolgt im Schachtverfahren durch die Priargunskoye Production Mining and Chemical Association (PPMCU), die Teil der OJSC Atomredmetzoloto (Uranium Holding) ist.
Die restlichen 7 % werden durch unterirdische Auslaugung durch JSC Dalur (Region Kurgan) und JSC Khiagda (Burjatien) gewonnen.
Die resultierenden Erze und das Urankonzentrat werden im mechanischen Werk Tschepetsk verarbeitet.
Produktion in Kasachstan
Etwa ein Fünftel der weltweiten Uranreserven sind in Kasachstan konzentriert (21 % und Platz 2 weltweit). Die gesamten Uranressourcen belaufen sich auf etwa 1,5 Millionen Tonnen, wovon etwa 1,1 Millionen Tonnen durch In-situ-Laugung abgebaut werden können.
Im Jahr 2009 belegte Kasachstan bei der Uranproduktion weltweit den ersten Platz.
Produktion in der Ukraine
Das Hauptunternehmen ist das Eastern Mining and Processing Plant in der Stadt Zhovti Vody.
Preis
Entgegen der vorherrschenden Legende über Zehntausende Dollar pro Kilogramm oder sogar Gramm Uran ist der tatsächliche Preis auf dem Markt nicht sehr hoch – nicht angereichertes Uranoxid U 3 O 8 kostet weniger als 100 US-Dollar pro Kilogramm. Dies liegt an der Tatsache, dass es zu starten ist Kernreaktor Unangereichertes Uran erfordert Dutzende oder sogar Hunderte Tonnen Brennstoff und muss für die Herstellung von Atomwaffen angereichert werden große Menge Uran, um Konzentrationen zu erreichen, die für den Bau einer Bombe geeignet sind