Uranium radioactif. Minerai d'uranium : propriétés, application, exploitation minière
Lire aussi
Le contenu de l'article
URANUS, U (uranium), élément chimique métallique de la famille des actinides, qui comprend Ac, Th, Pa, U et des éléments transuraniens (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). L'uranium est devenu célèbre grâce à son utilisation dans les armes nucléaires et énergie nucléaire. Les oxydes d'uranium sont également utilisés pour colorer le verre et la céramique.
Être dans la nature.
La teneur en uranium de la croûte terrestre est de 0,003 % et on le trouve dans la couche superficielle de la terre sous la forme de quatre types de gisements. Il s'agit d'abord de filons d'uraninite, ou brai d'uranium (dioxyde d'uranium UO 2), très riche en uranium, mais rare. Ils sont accompagnés de gisements de radium, puisque le radium est un produit direct de la désintégration isotopique de l'uranium. De telles veines se trouvent au Zaïre, au Canada (Grand Lac de l'Ours), en République tchèque et en France. La deuxième source d'uranium est constituée de conglomérats de minerais de thorium et d'uranium ainsi que de minerais d'autres minéraux importants. Les conglomérats contiennent généralement des quantités suffisantes d'or et d'argent pour être récupérés, l'uranium et le thorium étant des éléments associés. De grands gisements de ces minerais se trouvent au Canada, en Afrique du Sud, en Russie et en Australie. La troisième source d'uranium est constituée de roches sédimentaires et de grès riches en carnotite minérale (uranyle vanadate de potassium), qui contient, en plus de l'uranium, une quantité importante de vanadium et d'autres éléments. De tels minerais se trouvent dans les États occidentaux des États-Unis. Les schistes fer-uranifères et les minerais de phosphate constituent une quatrième source de sédiments. De riches gisements se trouvent dans les schistes de Suède. Certains minerais de phosphate au Maroc et aux États-Unis contiennent des quantités importantes d'uranium, et les gisements de phosphate en Angola et en République centrafricaine sont encore plus riches en uranium. La plupart des lignites et certains charbons contiennent généralement des impuretés d'uranium. Des gisements de lignite riches en uranium ont été découverts dans le Dakota du Nord et du Sud (États-Unis) et des charbons bitumineux en Espagne et en République tchèque.
Ouverture.
Uranus a été découvert en 1789 par le chimiste allemand M. Klaproth, qui a nommé cet élément en l'honneur de la découverte de la planète Uranus 8 ans plus tôt. (Klaproth était le principal chimiste de son époque ; il a également découvert d'autres éléments, notamment Ce, Ti et Zr.) En fait, la substance obtenue par Klaproth n'était pas de l'uranium élémentaire, mais une forme oxydée de celui-ci, et l'uranium élémentaire a été obtenu pour la première fois par le chimiste français E. .Peligo en 1841. Du moment de la découverte jusqu'au 20e siècle. L'uranium n'avait pas l'importance qu'il a aujourd'hui, même si bon nombre de ses propriétés physiques, ainsi que sa masse atomique et sa densité, ont été déterminées. En 1896, A. Becquerel établit que les sels d'uranium possèdent un rayonnement qui éclaire une plaque photographique dans l'obscurité. Cette découverte a incité les chimistes à rechercher dans le domaine de la radioactivité et en 1898, les physiciens français époux P. Curie et M. Sklodowska-Curie ont isolé des sels des éléments radioactifs polonium et radium, et E. Rutherford, F. Soddy, K. Fayans. et d'autres scientifiques ont développé la théorie de la désintégration radioactive, qui a jeté les bases de la chimie nucléaire et de l'énergie nucléaire modernes.
Premières utilisations de l'uranium.
Bien que la radioactivité des sels d'uranium soit connue, leurs minerais dans le premier tiers de ce siècle n'étaient utilisés que pour obtenir le radium qui les accompagnait, et l'uranium était considéré comme un sous-produit indésirable. Son utilisation se concentrait principalement dans la technologie céramique et la métallurgie ; Les oxydes d'uranium étaient largement utilisés pour colorer le verre dans des couleurs allant du jaune pâle au vert foncé, ce qui a contribué au développement d'une production de verre peu coûteuse. Aujourd’hui, les produits issus de ces industries sont identifiés comme fluorescents sous les rayons ultraviolets. Pendant la Première Guerre mondiale et peu de temps après, l'uranium sous forme de carbure a été utilisé dans la production d'aciers à outils, similaires au Mo et au W ; 4 à 8 % d'uranium ont remplacé le tungstène, dont la production était alors limitée. Pour obtenir des aciers à outils en 1914-1926, plusieurs tonnes de ferrouranium contenant jusqu'à 30 % (en masse) d'U étaient produites chaque année. Cependant, cette utilisation de l'uranium n'a pas duré longtemps.
Utilisations modernes de l'uranium.
L'industrie de l'uranium a commencé à prendre forme en 1939, lorsque la fission de l'isotope de l'uranium 235 U a été réalisée, ce qui a conduit à la mise en œuvre technique de réactions en chaîne contrôlées de fission de l'uranium en décembre 1942. C'est la naissance de l'ère de l'atome. , lorsque l'uranium est passé d'un élément insignifiant à l'un des éléments les plus importants de la société vivante. L'importance militaire de l'uranium pour la production de la bombe atomique et son utilisation comme combustible dans réacteurs nucléaires a provoqué une augmentation astronomique de la demande d’uranium. La chronologie de la croissance de la demande en uranium basée sur l'histoire des sédiments du Grand Lac de l'Ours (Canada) est intéressante. En 1930, de la résine blende, un mélange d'oxydes d'uranium, a été découverte dans ce lac, et en 1932, une technologie de purification du radium a été mise en place dans cette zone. De chaque tonne de minerai (mélange de résine), on a obtenu 1 g de radium et environ une demi-tonne de sous-produit, du concentré d'uranium. Cependant, il y avait peu de radium et son extraction fut arrêtée. De 1940 à 1942, le développement reprit et le minerai d'uranium commença à être expédié vers les États-Unis. En 1949, une purification similaire de l'uranium, avec quelques améliorations, a été utilisée pour produire de l'UO 2 pur. Cette production s'est développée et constitue aujourd'hui l'une des plus grandes installations de production d'uranium.
Propriétés.
L'uranium est l'un des éléments les plus lourds présents dans la nature. Le métal pur est très dense, ductile, électropositif avec une faible conductivité électrique et hautement réactif.
L'uranium a trois modifications allotropiques : un-uranium (réseau cristallin orthorhombique), existe dans la gamme allant de température ambiante jusqu'à 668°C ; b-l'uranium (réseau cristallin complexe de type tétragonal), stable entre 668 et 774°C ; g-uranium (réseau cristallin cubique centré), stable de 774°C jusqu'au point de fusion (1132°C). Puisque tous les isotopes de l’uranium sont instables, tous ses composés présentent une radioactivité.
Isotopes de l'uranium
238 U, 235 U, 234 U sont présents dans la nature dans un rapport de 99,3 : 0,7 : 0,0058, et le 236 U est présent à l'état de traces. Tous les autres isotopes de l'uranium de 226 U à 242 U sont obtenus artificiellement. L'isotope 235 U est particulièrement important. Sous l'influence de neutrons lents (thermiques), il se divise, libérant une énergie énorme. La fission complète de 235 U entraîne la libération d'un « équivalent d'énergie thermique » de 2H 10 7 kWh h/kg. La fission de 235 U peut être utilisée non seulement pour produire de grandes quantités d’énergie, mais également pour synthétiser d’autres éléments actinides importants. L'isotope naturel de l'uranium peut être utilisé dans les réacteurs nucléaires pour produire des neutrons produits par la fission de 235 U, tandis que les neutrons en excès non requis par la réaction en chaîne peuvent être capturés par un autre isotope naturel, entraînant la production de plutonium :
Lorsque le 238 U est bombardé de neutrons rapides, les réactions suivantes se produisent :
Selon ce schéma, l'isotope le plus courant 238 U peut être converti en plutonium 239, qui, comme le 235 U, est également capable de fission sous l'influence de neutrons lents.
Actuellement, un grand nombre d'isotopes artificiels de l'uranium ont été obtenus. Parmi eux, l’233 U est particulièrement remarquable car il fissile également lorsqu’il interagit avec des neutrons lents.
Certains autres isotopes artificiels de l'uranium sont souvent utilisés comme traceurs radioactifs dans la recherche chimique et physique ; c'est avant tout b- émetteur 237 U et un- émetteur 232 U.
Connexions.
L'uranium, un métal hautement réactif, a des états d'oxydation de +3 à +6, est proche du béryllium dans la série d'activités, interagit avec tous les non-métaux et forme des composés intermétalliques avec Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn et Zn. L'uranium finement broyé est particulièrement réactif et à des températures supérieures à 500°C, il entre souvent dans des réactions caractéristiques de l'hydrure d'uranium. L'uranium en morceaux ou les copeaux brûlent vivement entre 700 et 1 000 °C, et les vapeurs d'uranium brûlent déjà entre 150 et 250 °C ; l'uranium réagit avec le HF entre 200 et 400 °C, formant de l'UF 4 et du H 2 . L'uranium se dissout lentement dans HF ou H 2 SO 4 concentré et 85 % H 3 PO 4 même à 90°C, mais réagit facilement avec la concentration. HCl et moins actif avec HBr ou HI. Les réactions les plus actives et les plus rapides de l'uranium avec le HNO 3 dilué et concentré se produisent avec la formation de nitrate d'uranyle ( voir ci-dessous). En présence de HCl, l'uranium se dissout rapidement dans les acides organiques, formant sels organiques U 4+. Selon le degré d'oxydation, l'uranium forme plusieurs types de sels (les plus importants d'entre eux sont ceux de l'U 4+, l'un d'eux UCl 4 est un sel vert facilement oxydable) ; les sels d'uranyle (radical UO 2 2+) de type UO 2 (NO 3) 2 sont de couleur jaune et fluorescents vert. Les sels d'uranyle se forment en dissolvant l'oxyde amphotère UO 3 (couleur jaune) dans un milieu acide. DANS environnement alcalin UO 3 forme des uranates comme Na 2 UO 4 ou Na 2 U 2 O 7 . Ce dernier composé (« uranyle jaune ») est utilisé pour la fabrication d'émaux pour porcelaine et dans la production de verres fluorescents.
Les halogénures d'uranium ont été largement étudiés dans les années 1940-1950, car ils ont été utilisés pour développer des méthodes de séparation des isotopes de l'uranium pour la bombe atomique ou le réacteur nucléaire. Le trifluorure d'uranium UF 3 a été obtenu par réduction de UF 4 avec de l'hydrogène, et le tétrafluorure d'uranium UF 4 est obtenu de diverses manières par des réactions de HF avec des oxydes tels que UO 3 ou U 3 O 8 ou par réduction électrolytique de composés d'uranyle. L'hexafluorure d'uranium UF 6 est obtenu par fluoration de l'U ou de l'UF 4 avec du fluor élémentaire ou par action de l'oxygène sur UF 4 . L'hexafluorure forme des cristaux transparents à indice de réfraction élevé à 64°C (1137 mm Hg) ; le composé est volatil (sous pression normale il se sublime à 56,54°C). Les oxohalogénures d'uranium, par exemple les oxofluorures, ont la composition UO 2 F 2 (fluorure d'uranyle), UOF 2 (difluorure d'oxyde d'uranium).
L'uranium est un métal radioactif. Dans la nature, l'uranium est constitué de trois isotopes : l'uranium-238, l'uranium-235 et l'uranium-234. Le niveau de stabilité le plus élevé est enregistré dans l'uranium 238.
| Caractéristique | Signification |
|---|---|
| informations générales | |
| Nom, symbole | Uranium-238, 238U |
| Noms alternatifs | uranium un, interface utilisateur |
| Neutrons | 146 |
| Protons | 92 |
| Propriétés des nucléides | |
| Masse atomique | 238.0507882(20)a. manger. |
| Excès de masse | 47 308,9(19) keV |
| Énergie de liaison spécifique (par nucléon) | 7 570,120(8)keV |
| Abondance isotopique | 99,2745(106) % |
| Demi-vie | 4.468(3) 109 ans |
| Produits de décomposition | 234Th, 238Pu |
| Isotopes parents | 238Pa(β-) 242Pu(α) |
| Spin et parité du noyau | 0+ |
| Canal de décroissance | Énergie de désintégration |
| désintégration α | 4,2697 (29) MeV |
| SF | |
| ββ | 1,1442(12)MeV |
Désintégration radioactive de l'uranium
La désintégration radioactive est un processus de changement soudain dans la composition ou la structure interne des noyaux atomiques, caractérisés par une instabilité. Dans ce cas, des particules élémentaires, des rayons gamma et/ou des fragments nucléaires sont émis. Substances radioactives contiennent un noyau radioactif. Le noyau fille résultant de la désintégration radioactive peut également devenir radioactif et, après un certain temps, se désintégrer. Ce processus se poursuit jusqu'à la formation d'un noyau stable dépourvu de radioactivité. E. Rutherford a prouvé expérimentalement en 1899 que les sels d'uranium émettent trois types de rayons :
- Rayons α - un flux de particules chargées positivement
- Rayons β - un flux de particules chargées négativement
- Les rayons gamma ne créent pas de déviations dans le champ magnétique.
| Type de rayonnement | Nucléide | Demi-vie |
|---|---|---|
| Ο | Uranium - 238 U | 4,47 milliards d'années |
| α ↓ | ||
| Ο | Thorium - 234 ème | 24,1 jours |
| β ↓ | ||
| Ο | Protactinium - 234 Pa | 1,17 minutes |
| β ↓ | ||
| Ο | Uranium - 234 U | 245 000 ans |
| α ↓ | ||
| Ο | Thorium - 230 ème | 8000 ans |
| α ↓ | ||
| Ο | Radium - 226 Ra | 1600 ans |
| α ↓ | ||
| Ο | Polonium - 218 Po | 3,05 minutes |
| α ↓ | ||
| Ο | Plomb - 214 Pb | 26,8 minutes |
| β ↓ | ||
| Ο | Bismuth - 214 Bi | 19,7 minutes |
| β ↓ | ||
| Ο | Polonium - 214 Po | 0,000161 secondes |
| α ↓ | ||
| Ο | Plomb - 210 Pb | 22,3 ans |
| β ↓ | ||
| Ο | Bismuth - 210 Bi | 5,01 jours |
| β ↓ | ||
| Ο | Polonium - 210 Po | 138,4 jours |
| α ↓ | ||
| Ο | Plomb - 206 Pb | écurie |
Radioactivité de l'uranium
La radioactivité naturelle est ce qui distingue l'uranium radioactif des autres éléments. Les atomes d'uranium, quels que soient les facteurs et les conditions, changent progressivement. Dans ce cas, des rayons invisibles sont émis. Après les transformations qui se produisent avec les atomes d’uranium, un élément radioactif différent est obtenu et le processus est répété. Il répétera autant de fois que nécessaire pour obtenir un élément non radioactif. Par exemple, certaines chaînes de transformations comportent jusqu'à 14 étapes. Dans ce cas, l'élément intermédiaire est le radium et la dernière étape est la formation du plomb. Ce métal n'est pas un élément radioactif, la série de transformations est donc interrompue. Or, il faut plusieurs milliards d’années pour que l’uranium se transforme complètement en plomb.
Le minerai d'uranium radioactif provoque souvent des empoisonnements dans les entreprises impliquées dans l'extraction et le traitement des matières premières d'uranium. Dans le corps humain, l'uranium est un poison cellulaire général. Elle affecte principalement les reins, mais également le foie et le tractus gastro-intestinal.
L'uranium ne possède pas d'isotopes complètement stables. La durée de vie la plus longue est observée pour l'uranium 238. La semi-désintégration de l'uranium 238 se produit sur 4,4 milliards d'années. En un peu moins d'un milliard d'années, la demi-désintégration de l'uranium 235 a lieu - 0,7 milliard d'années. L'uranium 238 occupe plus de 99 % du volume total de l'uranium naturel. En raison de sa demi-vie colossale, la radioactivité de ce métal n'est pas élevée ; par exemple, les particules alpha ne peuvent pas pénétrer dans la couche cornée de la peau humaine. Après une série d'études, les scientifiques ont découvert que la principale source de rayonnement n'est pas l'uranium lui-même, mais le gaz radon qu'il produit, ainsi que ses produits de désintégration qui pénètrent dans le corps humain lors de la respiration.
Une découverte à l'échelle planétaire. C'est ce que l'on peut appeler la découverte d'Uranus par les scientifiques. La planète a été découverte en 1781.
Sa découverte a été la raison pour laquelle on a nommé l'un des éléments du tableau périodique. Uranus le métal a été isolé de la résine mélangée en 1789.
Le battage médiatique autour de la nouvelle planète ne s’était pas encore calmé, c’est pourquoi l’idée d’un nom pour la nouvelle substance gisait à la surface.
A la fin du XVIIIe siècle, la notion de radioactivité n'existait pas. C’est pourtant la principale propriété de l’uranium terrestre.
Les scientifiques qui ont travaillé avec lui ont été exposés à des radiations sans le savoir. Qui a été le pionnier et quelles sont les autres propriétés de l'élément, nous le dirons plus loin.
Propriétés de l'uranium
Uranium - élément, découvert par Martin Klaproth. Il a fusionné de la résine avec du caustique. Le produit de fusion n’était pas complètement soluble.
Klaproth s'est rendu compte que les supposés , et ne sont pas présents dans la composition du minéral. Ensuite, le scientifique a dissous la blende dans .
Les hexagones verts sont tombés de la solution. Le chimiste les a exposés au sang jaune, c'est-à-dire à l'hexacyanoferrate de potassium.
Un précipité brun s'est formé à partir de la solution. Klaproth a réduit cet oxyde l'huile de lin, calciné. Le résultat était une poudre.
J'ai déjà dû le calciner en le mélangeant avec du marron. Des grains de métal neuf ont été découverts dans la masse frittée.
Plus tard, il s'est avéré que ce n'était pas le cas uranium pur, et son dioxyde. L’élément n’a été obtenu séparément que 60 ans plus tard, en 1841. Et 55 ans plus tard, Antoine Becquerel découvre le phénomène de la radioactivité.
Radioactivité de l'uranium est dû à la capacité du noyau de l’élément à capter les neutrons et à se fragmenter. En même temps, une énergie impressionnante est libérée.
Elle est déterminée par les données cinétiques du rayonnement et des fragments. Il est possible d'assurer une fission continue des noyaux.
La réaction en chaîne démarre lorsque l’uranium naturel est enrichi de son 235ème isotope. Ce n’est pas comme si c’était ajouté au métal.
Au contraire, le 238ème nucléide, peu radioactif et inefficace, ainsi que le 234ème, sont éliminés du minerai.
Leur mélange est dit appauvri et l’uranium restant est dit enrichi. C’est exactement ce dont les industriels ont besoin. Mais nous en parlerons dans un chapitre séparé.
Uranus rayonne, à la fois alpha et bêta avec les rayons gamma. Ils ont été découverts en observant l'effet du métal sur une plaque photographique enveloppée de noir.
Il est devenu clair que le nouvel élément émettait quelque chose. Pendant que les Curie enquêtaient sur ce qui se passait exactement, Maria reçut une dose de radiations qui provoqua chez le chimiste un cancer du sang, dont la femme mourut en 1934.
Le rayonnement bêta peut détruire non seulement le corps humain, mais aussi le métal lui-même. Quel élément est formé à partir de l’uranium ? Réponse : - bref.
Sinon, on l'appelle protactinium. Découvert en 1913, juste lors de l'étude de l'uranium.
Ce dernier se transforme en brevium sans influences extérieures ni réactifs, uniquement à partir de la désintégration bêta.
Extérieurement uranium – élément chimique- des couleurs aux reflets métalliques.
C'est à cela que ressemblent tous les actinides, auxquels appartient la substance 92. Le groupe commence par le numéro 90 et se termine par le numéro 103.
En tête de liste élément radioactif uranium, se manifeste comme un agent oxydant. Les états d'oxydation peuvent être 2ème, 3ème, 4ème, 5ème, 6ème.
C'est-à-dire que le 92ème métal est chimiquement actif. Si vous réduisez l’uranium en poudre, il s’enflammera spontanément dans l’air.
Sous sa forme habituelle, la substance s'oxyde au contact de l'oxygène et se recouvre d'un film irisé.
Si vous portez la température à 1000 degrés Celsius, chimie. élément uranium se connecter avec . Un nitrure métallique se forme. Cette substance est de couleur jaune.
Jetez-le dans l’eau et il se dissoudra, tout comme l’uranium pur. Tous les acides le corrodent également. L'élément déplace l'hydrogène des éléments organiques.
L'uranium l'expulse également des solutions salines, , , , . Si une telle solution est secouée, les particules du 92ème métal commenceront à briller.
Sels d'uranium instable, se désintègre à la lumière ou en présence de matière organique.
L'élément n'est peut-être indifférent qu'aux alcalis. Le métal ne réagit pas avec eux.
Découverte de l'uranium est la découverte d'un élément super-lourd. Sa masse permet d'isoler le métal, ou plus précisément les minéraux qui l'accompagnent, du minerai.
Il suffit de l'écraser et de le verser dans l'eau. Les particules d'uranium se déposeront en premier. C’est ici que commence l’extraction des métaux. Détails dans le prochain chapitre.
Extraction d'uranium
Ayant reçu un sédiment lourd, les industriels lixivient le concentré. Le but est de convertir l'uranium en solution. L'acide sulfurique est utilisé.
Une exception est faite pour le goudron. Ce minéral n'est pas soluble dans l'acide, c'est pourquoi des alcalis sont utilisés. Le secret des difficultés réside dans l’état 4-valent de l’uranium.
La lixiviation acide ne fonctionne pas non plus avec. Dans ces minéraux, le 92ème métal est également 4-valent.
Celui-ci est traité avec de l'hydroxyde, appelé soude caustique. Dans d’autres cas, la purge à l’oxygène est bonne. Il n'est pas nécessaire de s'approvisionner en acide sulfurique séparément.
Il suffit de chauffer le minerai contenant des minéraux sulfurés à 150 degrés et de diriger un flux d'oxygène vers celui-ci. Cela conduit à la formation d’acide qui élimine Uranus.
Élément chimique et son application associé aux formes pures du métal. Pour éliminer les impuretés, la sorption est utilisée.
Elle est réalisée sur des résines échangeuses d'ions. L'extraction avec des solvants organiques convient également.
Il ne reste plus qu'à ajouter un alcali à la solution pour précipiter les uranates d'ammonium et les dissoudre dans acide nitrique et exposer.
Le résultat sera des oxydes du 92ème élément. Ils sont chauffés à 800 degrés et réduits à l'hydrogène.
L'oxyde final est converti en fluorure d'uranium, à partir duquel le métal pur est obtenu par réduction thermique du calcium. , comme vous pouvez le constater, n’est pas simple. Pourquoi essayer si fort ?
Applications de l'uranium
Le 92ème métal est le principal combustible des réacteurs nucléaires. Un mélange pauvre convient aux mélanges fixes et pour les centrales électriques, un élément enrichi est utilisé.
Le 235ème isotope est également à la base des armes nucléaires. Le combustible nucléaire secondaire peut également être obtenu à partir du métal 92.
Ici, cela vaut la peine de se poser la question, En quel élément l'uranium se transforme-t-il ?. À partir de son 238e isotope, , est une autre substance radioactive super-lourde.
Au 238ème uranium super demi-vie, dure 4,5 milliards d'années. Une telle destruction à long terme conduit à une faible intensité énergétique.
Si l'on considère l'utilisation de composés d'uranium, ses oxydes sont utiles. Ils sont utilisés dans l'industrie du verre.
Les oxydes agissent comme des colorants. Peut être obtenu du jaune pâle au vert foncé. DANS rayons ultraviolets le matériau est fluorescent.
Cette propriété est utilisée non seulement dans les verres, mais également dans les émaux à l'uranium. Les oxydes d'uranium qu'ils contiennent varient de 0,3 à 6 %.
De ce fait, le fond est sécurisé et ne dépasse pas 30 microns par heure. Photo d'éléments d'uranium, ou plutôt les produits avec sa participation, sont très colorés. La lueur des verres et des plats attire le regard.
Prix de l'uranium
Pour un kilogramme d'oxyde d'uranium non enrichi, ils donnent environ 150 dollars. Des valeurs maximales ont été observées en 2007.
Le coût a ensuite atteint 300 dollars le kilo. L'exploitation des minerais d'uranium restera rentable même au prix de 90 à 100 unités conventionnelles.
Qui a découvert l'élément uranium, ne savait pas quelles étaient ses réserves dans la croûte terrestre. Désormais, ils sont comptés.
Les grands gisements offrant un prix de production rentable seront épuisés d’ici 2030.
Si de nouveaux gisements ne sont pas découverts ou si des alternatives au métal ne sont pas trouvées, son coût augmentera.
L'uranium n'est pas un actinide très typique ; cinq d'entre eux sont connus ; états de valence- de 2+ à 6+. Certains composés de l'uranium ont couleur caractéristique. Ainsi, les solutions d'uranium trivalent sont rouges, l'uranium tétravalent est vert et l'uranium hexavalent - il existe sous forme d'ion uranyle (UO 2) 2+ - colore les solutions en jaune... Le fait que l'uranium hexavalent forme des composés avec de nombreux composés organiques agents complexants, se sont révélés très importants pour la technologie d'extraction de l'élément n°92.
Il est caractéristique que l'extérieur couche électronique les ions uranium sont toujours complètement remplis ; Les électrons de valence se trouvent dans la couche électronique précédente, dans la sous-couche 5f. Si l’on compare l’uranium avec d’autres éléments, il est évident que le plutonium lui ressemble le plus. La principale différence entre eux est le grand rayon ionique de l'uranium. De plus, le plutonium est le plus stable à l’état tétravalent et l’uranium est le plus stable à l’état hexavalent. Cela permet de les séparer, ce qui est très important : le combustible nucléaire plutonium-239 est obtenu exclusivement à partir d'uranium, ballast du point de vue énergétique de l'uranium-238. Le plutonium se forme dans une masse d'uranium, et il faut les séparer !
Cependant, il faut d’abord obtenir cette masse d’uranium en passant par une longue chaîne technologique, en commençant par le minerai. Il s'agit généralement d'un minerai à plusieurs composants et pauvre en uranium.
Isotope léger d'un élément lourd
Lorsque nous avons parlé de l'obtention de l'élément n°92, nous avons volontairement omis une étape importante. Comme vous le savez, tout l’uranium n’est pas capable de supporter une réaction nucléaire en chaîne. L'uranium 238, qui représente 99,28 % du mélange naturel d'isotopes, n'en est pas capable. De ce fait, l'uranium 238 est converti en plutonium et le mélange naturel d'isotopes de l'uranium doit être séparé ou enrichi avec l'isotope uranium 235, capable de fissionner les neutrons thermiques.
De nombreuses méthodes ont été développées pour séparer l'uranium 235 et l'uranium 238. La méthode la plus couramment utilisée est la diffusion gazeuse. Son essence est que si un mélange de deux gaz traverse une cloison poreuse, la lumière passera plus rapidement. En 1913, F. Aston a ainsi partiellement séparé les isotopes du néon.
La plupart des composés d'uranium à conditions normales- les solides et l'état gazeux ne peuvent être transférés qu'à des températures très élevées, alors qu'il ne peut être question de processus subtils de séparation isotopique. Cependant, le composé incolore de l'uranium avec le fluor, l'hexafluorure UF 6, se sublime déjà à 56,5°C (à pression atmosphérique). L'UF 6 est le composé de l'uranium le plus volatil et convient le mieux à la séparation de ses isotopes par diffusion gazeuse.
L'hexafluorure d'uranium se caractérise par une activité chimique élevée. Corrosion des tuyaux, des pompes, des conteneurs, interaction avec la lubrification des mécanismes - une liste petite mais impressionnante de problèmes que les créateurs d'installations de diffusion ont dû surmonter. Nous avons rencontré des difficultés encore plus graves.
L'hexafluorure d'uranium, obtenu par fluoration d'un mélange naturel d'isotopes d'uranium, du point de vue « diffusion », peut être considéré comme un mélange de deux gaz de masses moléculaires très similaires - 349 (235 + 19 * 6) et 352 (238 +19*6). Le coefficient de séparation théorique maximum dans une étape de diffusion pour des gaz dont le poids moléculaire diffère si légèrement n'est que de 1,0043. En conditions réelles, cette valeur est encore inférieure. Il s'avère qu'il n'est possible d'augmenter la concentration d'uranium 235 de 0,72 à 99 % qu'à l'aide de plusieurs milliers d'étapes de diffusion. Ainsi, les usines de séparation des isotopes de l'uranium occupent une superficie de plusieurs dizaines d'hectares. La superficie des cloisons poreuses dans les cascades de séparation des usines est à peu près du même ordre de grandeur.
En bref sur les autres isotopes de l'uranium
L'uranium naturel, outre l'uranium 235 et l'uranium 238, comprend l'uranium 234. L’abondance de cet isotope rare est exprimée sous la forme d’un nombre avec quatre zéros après la virgule. L'uranium 233 est un isotope artificiel beaucoup plus accessible. Il est obtenu en irradiant du thorium dans le flux neutronique d'un réacteur nucléaire :
232 90 Th + 10n → 233 90 Th -β-→ 233 91 Pa -β-→ 233 92 U
Selon toutes les règles Physique nucléaire l'uranium 233, en tant qu'isotope étrange, est fissionné par les neutrons thermiques. Et plus important encore, dans les réacteurs à uranium 233, une reproduction élargie du combustible nucléaire peut se produire (et se produit). Dans un réacteur à neutrons thermiques conventionnel ! Les calculs montrent que lorsqu'un kilogramme d'uranium 233 brûle dans un réacteur au thorium, 1,1 kg d'uranium 233 neuf devraient s'y accumuler. Un miracle, et c'est tout ! Nous avons brûlé un kilo de carburant, mais la quantité de carburant n’a pas diminué.
Mais de tels miracles ne sont possibles qu’avec le combustible nucléaire.
Le cycle uranium-thorium dans les réacteurs à neutrons thermiques est le principal concurrent du cycle uranium-plutonium pour la reproduction du combustible nucléaire dans les réacteurs à neutrons rapides... En fait, ce n'est qu'à cause de cela que l'élément n°90 - le thorium - a été classé comme un matériel stratégique.
Les autres isotopes artificiels de l'uranium ne jouent pas un rôle significatif. Il suffit de mentionner l'uranium-239 - le premier isotope de la chaîne de transformation de l'uranium-238 et du plutonium-239. Sa demi-vie n'est que de 23 minutes.
Isotopes de l'uranium de masse supérieure à 240 V réacteurs modernes n'ont pas le temps de se former. La durée de vie de l’uranium 240 est trop courte et il se désintègre avant d’avoir le temps de capturer un neutron.
Dans les flux de neutrons surpuissants d’une explosion thermonucléaire, un noyau d’uranium parvient à capturer jusqu’à 19 neutrons en un millionième de seconde. Dans ce cas, naissent des isotopes de l'uranium dont les nombres de masse vont de 239 à 257. Leur existence a été apprise grâce à l'apparition d'éléments transuraniens lointains - descendants d'isotopes lourds de l'uranium - dans les produits d'une explosion thermonucléaire. Les « fondateurs du genre » eux-mêmes sont trop instables pour se désintégrer bêta et passer aux éléments supérieurs bien avant que les produits des réactions nucléaires ne soient extraits de la roche mélangée par l'explosion.
Les réacteurs thermiques modernes brûlent de l'uranium 235. Dans les réacteurs à neutrons rapides déjà existants, l'énergie des noyaux d'un isotope commun, l'uranium 238, est libérée, et si l'énergie est une véritable richesse, alors les noyaux d'uranium profiteront à l'humanité dans un avenir proche : l'énergie de l'élément N° 92 sera devenir la base de notre existence.
Il est d'une importance vitale de garantir que l'uranium et ses dérivés brûlent uniquement dans les réacteurs nucléaires des centrales électriques pacifiques, et qu'ils brûlent lentement, sans fumée ni flamme.
UNE AUTRE SOURCE D'URANIUM. De nos jours, c’est devenu de l’eau de mer. Des installations pilotes-industrielles sont déjà en service pour extraire l'uranium de l'eau à l'aide d'absorbants spéciaux : oxyde de titane ou fibre acrylique traitée avec certains réactifs.
QUI COMBIEN. Au début des années 80, la production d'uranium dans les pays capitalistes était d'environ 50 000 g par an (en termes d'U3O). Environ un tiers de ce montant a été fourni par l'industrie américaine. Le Canada arrive en deuxième position, suivi de l'Afrique du Sud. Nigor, Gabon, Namibie. Depuis pays européens La France est le premier producteur d'uranium et de ses composés, mais sa part était près de sept fois inférieure à celle des États-Unis.
CONNEXIONS NON TRADITIONNELLES. Bien que ce ne soit pas sans fondement que la chimie de l'uranium et du plutonium soit aujourd'hui mieux étudiée que la chimie d'éléments traditionnels comme le fer, les chimistes continuent d'obtenir de nouveaux composés de l'uranium. Ainsi, en 1977, la revue « Radiochemistry », vol XIX, n°. 6 ont signalé deux nouveaux composés d'uranyle. Leur composition est MU02(S04)2-SH20, où M est un ion manganèse ou cobalt divalent. Les diagrammes de diffraction des rayons X ont indiqué que les nouveaux composés étaient des sels doubles et non un mélange de deux sels similaires.
(d'après Pauling)
U←U3+ -1,66 V
U←U2+ -0,1V
| U | 92 |
| 238,0289 | |
| 5f 3 6d 1 7s 2 | |
| Uranus | |
Uranus(ancien nom Uranium) est un élément chimique de numéro atomique 92 dans le tableau périodique et de masse atomique 238,029 ; désigné par le symbole U ( Uranium), appartient à la famille des actinides.
Histoire
Même dans l’Antiquité (1er siècle avant JC), l’oxyde d’uranium naturel était utilisé pour fabriquer des glaçures jaunes pour les céramiques. La recherche sur l'uranium s'est développée comme une réaction en chaîne générée par celui-ci. Au début, les informations sur ses propriétés, comme les premières impulsions d'une réaction en chaîne, arrivaient avec de longues interruptions, d'un cas à l'autre. La première date importante dans l’histoire de l’uranium est 1789, lorsque le philosophe naturel et chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth a restauré la « terre » jaune d’or extraite du minerai de résine saxonne en une substance semblable à du métal noir. En l'honneur de la planète la plus lointaine connue à cette époque (découverte par Herschel huit ans plus tôt), Klaproth, considérant la nouvelle substance comme un élément, la nomma uranium.
Pendant cinquante ans, l'uranium de Klaproth a été considéré comme un métal. Ce n'est qu'en 1841 qu'Eugène Melchior Peligot, un chimiste français (1811-1890), prouva que, malgré son éclat métallique caractéristique, l'uranium de Klaproth n'est pas un élément, mais un oxyde. UO2. En 1840, Peligo réussit à obtenir du véritable uranium, un métal lourd de couleur gris acier, et à déterminer son poids atomique. La prochaine étape importante dans l'étude de l'uranium a été franchie en 1874 par D. I. Mendeleïev. Basé sur son développement tableau périodique, il plaça l'uranium dans la cellule la plus éloignée de sa table. Auparavant, le poids atomique de l'uranium était estimé à 120. Le grand chimiste a doublé cette valeur. Douze ans plus tard, la prédiction de Mendeleïev fut confirmée par les expériences du chimiste allemand Zimmermann.
L'étude de l'uranium débute en 1896 : le chimiste français Antoine Henri Becquerel découvre accidentellement les rayons de Becquerel, que Marie Curie rebaptisera plus tard radioactivité. Parallèlement, le chimiste français Henri Moissan parvient à développer une méthode de production d'uranium métal pur. En 1899, Rutherford a découvert que le rayonnement des préparations d'uranium est inhomogène et qu'il existe deux types de rayonnement : les rayons alpha et bêta. Ils portent des charges électriques différentes ; Leur gamme de matière et leur capacité ionisante sont loin d’être les mêmes. Un peu plus tard, en mai 1900, Paul Villar découvre un troisième type de rayonnement : les rayons gamma.
Ernest Rutherford a mené les premières expériences en 1907 pour déterminer l'âge des minéraux alors qu'il étudiait uranium radioactif et le thorium basé sur la théorie de la radioactivité qu'il a créée avec Frederick Soddy (Soddy, Frederick, 1877-1956 ; prix Nobel de chimie, 1921). En 1913, F. Soddy introduit le concept de isotopes(du grec ισος - "égal", "même" et τόπος - "lieu"), et en 1920 il prédit que les isotopes pourraient être utilisés pour déterminer l'âge géologique des roches. En 1928, Niggot a mis en œuvre, et en 1939, A.O.K Nier (Nier, Alfred Otto Carl, 1911 - 1994) a créé les premières équations pour calculer l'âge et a utilisé un spectromètre de masse pour séparer les isotopes.
En 1939, Frédéric Joliot-Curie et les physiciens allemands Otto Frisch et Lise Meitner découvrent un phénomène inconnu qui se produit avec un noyau d'uranium lorsqu'il est irradié par des neutrons. Il y a eu une destruction explosive de ce noyau avec formation de nouveaux éléments beaucoup plus légers que l'uranium. Cette destruction était de nature explosive, des fragments de nourriture étant dispersés dans différentes directions à des vitesses énormes. Ainsi, un phénomène appelé réaction nucléaire a été découvert.
En 1939-1940 Yu. B. Khariton et Ya. B. Zeldovich ont été les premiers à montrer théoriquement qu'avec un petit enrichissement de l'uranium naturel en uranium 235, il est possible de créer des conditions pour la fission continue des noyaux atomiques, c'est-à-dire de donner le traiter un caractère de chaîne.
Être dans la nature
Minerai d'uraninite
L'uranium est largement distribué dans la nature. Le Clarke de l'uranium est de 1,10 -3 % (en poids). La quantité d'uranium dans une couche de 20 km d'épaisseur de la lithosphère est estimée à 1,3 10 14 tonnes.
La majeure partie de l'uranium se trouve dans des roches acides à forte teneur silicium. Une masse importante d'uranium est concentrée dans les roches sédimentaires, notamment celles enrichies en matière organique. L'uranium est présent en grande quantité comme impureté dans le thorium et les minéraux des terres rares (orthite, sphène CaTiO 3, monazite (La,Ce)PO 4, zircon ZrSiO 4, xénotime YPO4, etc.). Les minerais d'uranium les plus importants sont la pitchblende (brai d'uranium), l'uraninite et la carnotite. Les principaux minéraux satellites de l'uranium sont la molybdénite MoS 2, la galène PbS, le quartz SiO 2, la calcite CaCO 3, l'hydromuscovite, etc.
| Minéral | Composition de base du minéral | Teneur en uranium, % |
|---|---|---|
| Uraninite | UO 2, UO 3 + ThO 2, CeO 2 | 65-74 |
| Carnotite | K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 2H 2 O | ~50 |
| Kasolite | PbO 2 UO 3 SiO 2 H 2 O | ~40 |
| Samarcite | (Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th) (Nb, Ta, Ti, Sn) 2 O 6 | 3.15-14 |
| Brannérite | (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 |
| Oténite | Ca(UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O | ~50 |
| Schreckingérite | Ca 3 NaUO 2 (CO 3) 3 SO 4 (OH) 9H 2 O | 25 |
| Ouranophanes | CaO UO 2 2SiO 2 6H 2 O | ~57 |
| Fergusonite | (Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O 4 | 0.2-8 |
| Torburnite | Cu(UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O | ~50 |
| Cercueil | U(SiO4) 1-x (OH) 4x | ~50 |
Les principales formes d'uranium trouvées dans la nature sont l'uraninite, la pitchblende (poix d'uranium) et les noirs d'uranium. Ils ne diffèrent que par leurs formes de localisation ; il existe une dépendance à l'âge : l'uraninite est présente principalement dans les formations anciennes (roches précambriennes), la pitchblende - volcanogène et hydrothermale - principalement dans les formations paléozoïques et plus jeunes à haute et moyenne température ; noirs d'uranium - principalement dans les formations jeunes - cénozoïques et plus jeunes - principalement dans les roches sédimentaires à basse température.
La teneur en uranium de la croûte terrestre est de 0,003 % ; on le trouve dans la couche superficielle de la terre sous la forme de quatre types de gisements. Il existe d’abord des filons d’uraninite, ou brai d’uranium (dioxyde d’uranium UO2), très riches en uranium, mais rares. Ils sont accompagnés de dépôts de radium, puisque radium est un produit direct de la désintégration isotopique de l'uranium. De telles veines se trouvent au Zaïre, au Canada (Grand Lac de l'Ours), République tchèque Et France. La deuxième source d'uranium est constituée de conglomérats de minerais de thorium et d'uranium ainsi que de minerais d'autres minéraux importants. Les conglomérats contiennent généralement des quantités suffisantes pour être extraits or Et argent, et les éléments qui l'accompagnent sont l'uranium et le thorium. De grands gisements de ces minerais se trouvent au Canada, en Afrique du Sud, en Russie et Australie. La troisième source d'uranium est constituée de roches sédimentaires et de grès riches en carnotite minérale (uranyle vanadate de potassium), qui, en plus de l'uranium, en contient une quantité importante. vanadium et d'autres éléments. De tels minerais se trouvent dans les États occidentaux Etats-Unis. Les schistes fer-uranifères et les minerais de phosphate constituent une quatrième source de sédiments. De riches gisements découverts dans le schiste Suède. Certains minerais de phosphate au Maroc et aux États-Unis contiennent des quantités importantes d'uranium, et des gisements de phosphate aux États-Unis Angola et la République centrafricaine sont encore plus riches en uranium. La plupart des lignites et certains charbons contiennent généralement des impuretés d'uranium. Des gisements de lignite riches en uranium ont été découverts dans le Dakota du Nord et du Sud (États-Unis) et des charbons bitumineux Espagne Et République tchèque
Isotopes de l'uranium
L'uranium naturel est constitué d'un mélange de trois isotopes: 238 U - 99,2739% (demi-vie T 1/2 = 4,468×10 9 ans), 235 U - 0,7024% ( T 1/2 = 7,038×10 8 ans) et 234 U - 0,0057% ( T 1/2 = 2,455×10 5 ans). Le dernier isotope n'est pas primaire, mais radiogénique il fait partie de la série radioactive 238 U.
La radioactivité de l'uranium naturel est principalement due aux isotopes 238 U et 234 U en équilibre, leurs activités spécifiques sont égales. L'activité spécifique de l'isotope 235 U dans l'uranium naturel est 21 fois inférieure à l'activité du 238 U.
Il existe 11 isotopes radioactifs artificiels connus de l'uranium avec des nombres de masse compris entre 227 et 240. Le plus long d'entre eux est le 233 U ( T 1/2 = 1,62×10 5 ans) est obtenu en irradiant le thorium avec des neutrons et est capable de fission spontanée par des neutrons thermiques.
Les isotopes de l'uranium 238 U et 235 U sont les ancêtres de deux séries radioactives. Les derniers éléments de ces séries sont les isotopes plomb 206 Pb et 207 Pb.
Dans des conditions naturelles, les isotopes les plus courants sont 234U: 235U : 238U= 0,0054 : 0,711 : 99,283. La moitié de la radioactivité de l'uranium naturel est due à l'isotope 234U. Isotope 234U se forme à cause de la pourriture 238U. Les deux derniers, contrairement aux autres paires d'isotopes et quelle que soit la forte capacité de migration de l'uranium, se caractérisent par une constance géographique du rapport. L'ampleur de ce rapport dépend de l'âge de l'uranium. De nombreuses mesures de terrain ont montré ses légères fluctuations. Ainsi, en rouleaux, la valeur de ce rapport par rapport à l'étalon varie dans la plage de 0,9959 à 1,0042, en sels - de 0,996 à 1,005. Dans les minéraux contenant de l'uranium (brai brai, noir d'uranium, cyrtolite, minerais de terres rares), la valeur de ce rapport varie de 137,30 à 138,51 ; Par ailleurs, la différence entre les formes U IV et U VI n'est pas établie ; dans le sphène - 138,4. Une carence isotopique a été détectée dans certaines météorites 235U. Sa plus faible concentration en conditions terrestres a été trouvée en 1972 par le chercheur français Bujigues dans la ville d'Oklo en Afrique (gisement au Gabon). Ainsi, l'uranium normal contient 0,7025 % d'uranium 235 U, tandis qu'à Oklo il est réduit à 0,557 %. Cela conforte l'hypothèse d'un réacteur nucléaire naturel conduisant à la combustion des isotopes, prédite par George W. Wetherill de l'Université de Californie à Los Angeles et Mark G. Inghram de l'Université de Chicago et Paul K. Kuroda, chimiste à l'Université de Los Angeles. Arkansas, a décrit le processus en 1956. Par ailleurs, des réacteurs nucléaires naturels ont été découverts dans ces mêmes districts : Okelobondo, Bangombe, etc. Actuellement, environ 17 réacteurs nucléaires naturels sont connus.
Reçu
La toute première étape de la production d’uranium est la concentration. La roche est concassée et mélangée à de l'eau. Les composants lourds de la suspension se stabilisent plus rapidement. Si la roche contient des minéraux primaires d'uranium, ceux-ci précipitent rapidement : ce sont des minéraux lourds. Les minéraux d'uranium secondaire sont plus légers, auquel cas les stériles lourds se déposent plus tôt. (Cependant, il n’est pas toujours vraiment vide ; il peut contenir de nombreux éléments utiles, dont de l’uranium).
L'étape suivante est la lixiviation des concentrés, transférant l'uranium en solution. Des lixiviations acides et alcalines sont utilisées. Le premier est moins cher car l’acide sulfurique est utilisé pour extraire l’uranium. Mais si dans la matière première, comme l'uranium le goudron, l'uranium est à l'état tétravalent, alors cette méthode n'est pas applicable : l'uranium tétravalent est pratiquement insoluble dans l'acide sulfurique. Dans ce cas, il faut soit recourir à une lixiviation alcaline, soit pré-oxyder l'uranium jusqu'à l'état hexavalent.
La lixiviation acide n'est pas non plus utilisée dans les cas où le concentré d'uranium contient de la dolomite ou de la magnésite, qui réagissent avec l'acide sulfurique. Dans ces cas, utilisez de la soude caustique (hydroxyde sodium).
Le problème de la lixiviation de l'uranium des minerais est résolu par le soufflage d'oxygène. Un flux d'oxygène est fourni à un mélange de minerai d'uranium et de minéraux sulfurés chauffé à 150 °C. Dans ce cas, à partir de minéraux soufrés, il se forme acide sulfurique, qui élimine l'uranium.
À l'étape suivante, l'uranium doit être isolé sélectivement de la solution résultante. Méthodes modernes- l'extraction et l'échange d'ions - permettent de résoudre ce problème.
La solution contient non seulement de l'uranium, mais aussi d'autres cations. Certains d'entre eux, sous certaines conditions, se comportent de la même manière que l'uranium : ils sont extraits avec les mêmes solvants organiques, déposés sur les mêmes résines échangeuses d'ions, et précipitent dans les mêmes conditions. Ainsi, pour isoler sélectivement l'uranium, il est nécessaire de recourir à de nombreuses réactions redox afin de se débarrasser de l'un ou l'autre compagnon indésirable à chaque étape. Sur les résines échangeuses d’ions modernes, l’uranium est libéré de manière très sélective.
Méthodes échange d'ions et extraction Ils sont également bons car ils permettent d'extraire l'uranium de manière assez complète à partir de solutions pauvres (la teneur en uranium est de quelques dixièmes de gramme par litre).
Après ces opérations, l'uranium est converti à l'état solide - en l'un des oxydes ou en tétrafluorure d'UF 4. Mais cet uranium doit encore être purifié des impuretés avec une grande section efficace de capture des neutrons thermiques - bore, cadmium, Hafnia. Leur teneur dans le produit final ne doit pas dépasser les cent millièmes et millionièmes de pour cent. Pour éliminer ces impuretés, un composé d’uranium commercialement pur est dissous dans de l’acide nitrique. Dans ce cas, il se forme du nitrate d'uranyle UO 2 (NO 3) 2 qui, lors de l'extraction avec du phosphate de tributyle et certaines autres substances, est ensuite purifié selon les normes requises. Ensuite, cette substance est cristallisée (ou le peroxyde UO 4 ·2H 2 O est précipité) et soigneusement calcinée. À la suite de cette opération, il se forme du trioxyde d'uranium UO 3, qui est réduit avec de l'hydrogène en UO 2.
Le dioxyde d'uranium UO 2 est exposé au fluorure d'hydrogène sec à des températures de 430 à 600 °C pour produire du tétrafluorure d'UF 4. L'uranium métallique est récupéré de ce composé en utilisant calcium ou magnésium.
Propriétés physiques
L'uranium est un métal très lourd, blanc argenté et brillant. Dans sa forme pure, il est légèrement plus doux que l’acier, malléable, flexible et possède de légères propriétés paramagnétiques. L'uranium a trois formes allotropiques : alpha (prismatique, stable jusqu'à 667,7 °C), bêta (tétragonal, stable de 667,7 °C à 774,8 °C), gamma (à structure cubique centrée, existant à partir de 774,8 °C). au point de fusion).
Propriétés radioactives de certains isotopes de l'uranium (les isotopes naturels sont mis en évidence) :
Propriétés chimiques
L'uranium peut présenter des états d'oxydation de +III à +VI. Les composés d'uranium (III) forment des solutions rouges instables et sont de puissants agents réducteurs :
4UCl 3 + 2H 2 O → 3UCl 4 + UO 2 + H 2
Les composés d'uranium (IV) sont les plus stables et forment des solutions aqueuses vertes.
Les composés de l'uranium (V) sont instables et facilement disproportionnés en solution aqueuse :
2UO 2 Cl → UO 2 Cl 2 + UO 2
Chimiquement, l'uranium est un métal très actif. S'oxydant rapidement à l'air, il se recouvre d'un film d'oxyde arc-en-ciel. La fine poudre d'uranium s'enflamme spontanément dans l'air ; elle s'enflamme à une température de 150-175°C, formant U 3 O 8. À 1 000 °C, l’uranium se combine à l’azote pour former du nitrure d’uranium jaune. L'eau peut corroder le métal, lentement à basse température et rapidement à haute température, ainsi que lorsque la poudre d'uranium est finement broyée. L'uranium se dissout dans les acides chlorhydrique, nitrique et autres, formant des sels tétravalents, mais n'interagit pas avec les alcalis. Uranus déplace hydrogèneà partir d'acides inorganiques et de solutions salines de métaux tels que Mercure, argent, cuivre, étain, platineEtor. Lorsqu’on les secoue vigoureusement, les particules métalliques de l’uranium commencent à briller. L'uranium a quatre états d'oxydation - III-VI. Les composés hexavalents comprennent le trioxyde d'uranium (oxyde d'uranyle) UO 3 et le chlorure d'uranium et d'uranyle UO 2 Cl 2 . Le tétrachlorure d'uranium UCl 4 et le dioxyde d'uranium UO 2 sont des exemples d'uranium tétravalent. Les substances contenant de l'uranium tétravalent sont généralement instables et deviennent hexavalentes lorsqu'elles sont exposées à l'air pendant une longue période. Les sels d'uranyle, tels que le chlorure d'uranyle, se décomposent en présence de lumière vive ou de matière organique.
Application
Combustible nucléaire
La plus grande application est isotope l'uranium 235 U, dans lequel une chaîne autonome réaction nucléaire. Par conséquent, cet isotope est utilisé comme combustible dans les réacteurs nucléaires ainsi que dans les armes nucléaires. L'isolement de l'isotope U 235 de l'uranium naturel est un problème technologique complexe (voir séparation isotopique).
L'isotope U 238 est capable de fission sous l'influence d'un bombardement de neutrons à haute énergie ; cette caractéristique est utilisée pour augmenter la puissance des armes thermonucléaires (des neutrons générés par une réaction thermonucléaire sont utilisés).
Grâce à la capture de neutrons suivie d'une désintégration β, le 238 U peut être converti en 239 Pu, qui est ensuite utilisé comme combustible nucléaire.
L'uranium 233, produit artificiellement dans des réacteurs à partir du thorium (le thorium 232 capte un neutron et se transforme en thorium 233, qui se désintègre en protactinium 233 puis en uranium 233), pourrait à l'avenir devenir un combustible nucléaire courant pour centrales nucléaires(il existe déjà des réacteurs utilisant ce nucléide comme combustible, par exemple KAMINI en Inde) et production bombes atomiques(masse critique environ 16 kg).
L'uranium 233 est également le combustible le plus prometteur pour les moteurs de fusée nucléaire en phase gazeuse.
Géologie
La principale utilisation de l'uranium consiste à déterminer l'âge des minéraux et des roches afin de déterminer la séquence des processus géologiques. C'est ce que font la géochronologie et la géochronologie théorique. Résoudre le problème du mélange et des sources de matière est également essentiel.
La solution au problème est basée sur les équations de désintégration radioactive décrites par les équations.
Où 238 Uo, 235 UO— les concentrations modernes d'isotopes de l'uranium ; ; — constantes de désintégration atomes d'uranium respectivement 238U Et 235U.
Leur combinaison est très importante :
.
Étant donné que les roches contiennent différentes concentrations d'uranium, elles ont une radioactivité différente. Cette propriété est utilisée lors de l'identification des roches à l'aide de méthodes géophysiques. Cette méthode est la plus largement utilisée en géologie pétrolière lors des études géophysiques de puits ; ce complexe comprend notamment la diagraphie γ - ou gamma neutronique, la diagraphie gamma-gamma, etc.
Autres applications
Un petit ajout d'uranium donne une belle fluorescence jaune-vert au verre (verre d'uranium).
L'uranate de sodium Na 2 U 2 O 7 était utilisé comme pigment jaune en peinture.
Les composés d'uranium étaient utilisés comme peintures pour la peinture sur porcelaine et pour les émaux et émaux céramiques (peints en couleurs : jaune, marron, vert et noir, selon le degré d'oxydation).
Certains composés de l'uranium sont photosensibles.
Au début du 20e siècle nitrate d'uranyle largement utilisé pour améliorer les négatifs et les positifs de couleur (teinte) (tirages photographiques) marron.
Le carbure d'uranium 235 allié au carbure de niobium et au carbure de zirconium est utilisé comme combustible nucléaire moteurs à réaction(fluide de travail - hydrogène + hexane).
Les alliages de fer et d'uranium appauvri (uranium 238) sont utilisés comme matériaux magnétostrictifs puissants.
Uranium appauvri
Uranium appauvri
Une fois l’uranium 235 et l’uranium 234 extraits de l’uranium naturel, la matière restante (uranium 238) est appelée « uranium appauvri » car elle est appauvrie en isotope 235. Selon certaines données, environ 560 000 tonnes d'hexafluorure d'uranium appauvri (UF 6) seraient stockées aux États-Unis.
L'uranium appauvri est deux fois moins radioactif que l'uranium naturel, principalement en raison de l'élimination de l'234 U. L'uranium appauvri étant principalement utilisé pour la production d'énergie, il s'agit d'un produit peu utilisé et de faible valeur économique.
Son utilisation est principalement liée à la haute densité de l'uranium et à son coût relativement faible. L'uranium appauvri est utilisé pour la protection contre les radiations (ironiquement) et comme ballast dans les applications aérospatiales telles que les surfaces de contrôle des avions. Chaque Boeing 747 contient à cet effet 1 500 kg d'uranium appauvri. Ce matériau est également utilisé dans les rotors de gyroscopes à grande vitesse, les grands volants d'inertie, comme ballast dans les atterrisseurs spatiaux et les yachts de course, ainsi que lors du forage de puits de pétrole.
Noyaux de projectiles perforants
La pointe (liner) d'un projectile de calibre 30 mm (canons GAU-8 d'un avion A-10) d'un diamètre d'environ 20 mm est en uranium appauvri.
L’utilisation la plus connue de l’uranium appauvri est celle des noyaux de projectiles perforants. Lorsqu'il est allié avec 2 % de Mo ou 0,75 % de Ti et un traitement thermique (trempe rapide du métal chauffé à 850 °C dans de l'eau ou de l'huile, puis maintien à 450 °C pendant 5 heures), l'uranium métal devient plus dur et plus résistant que l'acier (la résistance à la traction la résistance est supérieure à 1600 MPa, malgré le fait que pour l'uranium pur elle est de 450 MPa). Combiné à la haute densité, cela rend le lingot d'uranium durci extrêmement des moyens efficaces pour une armure pénétrante, d'efficacité similaire à celle du tungstène plus cher. La pointe lourde en uranium modifie également la répartition de la masse du projectile, améliorant ainsi sa stabilité aérodynamique.
Des alliages similaires du type Stabilla sont utilisés dans les projectiles à ailettes en flèche pour les canons d'artillerie de char et antichar.
Le processus de destruction du blindage s'accompagne du broyage d'un cochon d'uranium en poussière et de son inflammation dans l'air de l'autre côté du blindage (voir Pyrophoricité). Environ 300 tonnes d'uranium appauvri sont restées sur le champ de bataille pendant l'opération Desert Storm (principalement des restes d'obus de canon GAU-8 de 30 mm provenant d'avions d'attaque A-10, chaque obus contenant 272 g d'alliage d'uranium).
De tels obus ont été utilisés par les troupes de l'OTAN lors d'opérations de combat sur le territoire de la Yougoslavie. Après leur candidature, il a été discuté problème écologique contamination radioactive du territoire du pays.
L’uranium a été utilisé pour la première fois comme noyau de projectiles sous le Troisième Reich.
L'uranium appauvri est utilisé dans les blindages de chars modernes, tels que le char M-1 Abrams.
Action physiologique
On le trouve en microquantités (10−5–10−8 %) dans les tissus des plantes, des animaux et des humains. Il s'accumule dans la plus grande mesure par certains champignons et algues. Les composés de l'uranium sont absorbés dans tube digestif(environ 1%), dans les poumons - 50%. Les principaux dépôts de l'organisme : rate, reins, squelette, foie, poumons et ganglions lymphatiques broncho-pulmonaires. Le contenu dans les organes et tissus humains et animaux ne dépasse pas 10 −7 g.
L'uranium et ses composés toxique. Les aérosols d'uranium et de ses composés sont particulièrement dangereux. Pour les aérosols de composés d'uranium solubles dans l'eau, le MPC dans l'air est de 0,015 mg/m³, pour les formes insolubles d'uranium, le MPC est de 0,075 mg/m³. Lorsque l’uranium pénètre dans l’organisme, il affecte tous les organes et constitue un poison cellulaire général. Le mécanisme moléculaire d'action de l'uranium est associé à sa capacité à supprimer l'activité enzymatique. Les reins sont principalement touchés (apparition de protéines et de sucres dans les urines, oligurie). En cas d'intoxication chronique, des troubles de l'hématopoïèse et du système nerveux sont possibles.
Production par pays en tonnes par teneur en U pour 2005-2006.
Production par entreprise en 2006 :
Cameco - 8,1 mille tonnes
Rio Tinto - 7 mille tonnes
AREVA - 5 mille tonnes
Kazatomprom - 3,8 mille tonnes
JSC TVEL - 3,5 mille tonnes
BHP Billiton - 3 mille tonnes
Navoi MMC - 2,1 mille tonnes ( Ouzbékistan, Navoï)
Uranium One - 1 mille tonnes
Heathgate - 0,8 mille tonnes
Mines Denison - 0,5 mille tonnes
Production en Russie
En URSS, les principales régions de minerai d'uranium étaient l'Ukraine (gisements de Zheltorechenskoye, Pervomaiskoye, etc.), le Kazakhstan (gisement de minerai du Nord - Balkashin, etc. ; Sud - gisement de Kyzylsay, etc. ; Vostochny ; tous appartiennent majoritairement à la type volcanogène-hydrothermal); Transbaïkalie (Antey, Streltsovskoe, etc.) ; Asie centrale, principalement l'Ouzbékistan avec une minéralisation en schistes noirs centrée dans la ville d'Uchkuduk. Il existe de nombreuses occurrences et occurrences de petits minerais. En Russie, la Transbaïkalie reste la principale région productrice d'uranium. Environ 93 % de l'uranium russe est extrait du gisement de la région de Chita (près de la ville de Krasnokamensk). L'exploitation minière est réalisée selon la méthode du puits par l'Association minière et chimique de production de Priargunskoye (PPMCU), qui fait partie de l'OJSC Atomredmetzoloto (Uranium Holding).
Les 7 % restants sont obtenus par lixiviation souterraine par JSC Dalur (région de Kurgan) et JSC Khiagda (Bouriatie).
Les minerais et le concentré d'uranium obtenus sont traités à l'usine mécanique de Chepetsk.
Production au Kazakhstan
Environ un cinquième des réserves mondiales d'uranium sont concentrées au Kazakhstan (21 % et 2e place mondiale). Les ressources totales d'uranium s'élèvent à environ 1,5 million de tonnes, dont environ 1,1 million de tonnes peuvent être extraites par lixiviation in situ.
En 2009, le Kazakhstan a pris la première place mondiale en matière de production d'uranium.
Production en Ukraine
L'entreprise principale est l'usine d'extraction et de transformation de l'Est située dans la ville de Zhovti Vody.
Prix
Malgré les légendes répandues selon lesquelles les quantités d'uranium en kilogrammes, voire en grammes, coûtent des dizaines de milliers de dollars, son prix réel sur le marché n'est pas très élevé - l'oxyde d'uranium non enrichi U 3 O 8 coûte moins de 100 dollars américains le kilogramme. Cela est dû au fait que pour lancer réacteur nucléaire L'uranium non enrichi nécessite des dizaines, voire des centaines de tonnes de combustible, et pour la fabrication d'armes nucléaires, il doit être enrichi un grand nombre de l'uranium pour obtenir des concentrations adaptées à la création d'une bombe