uraniu radioactiv. Minereu de uraniu: proprietăți, aplicare, extracție
Citeste si
Conținutul articolului
URANUS, U (uraniu), un element chimic metalic din familia actinidelor, care include Ac, Th, Pa, U și elementele transuraniu (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). ). Uraniul a devenit faimos pentru utilizarea sa în arme nucleare și energie nucleara. Oxizii de uraniu sunt, de asemenea, folosiți pentru a colora sticla și ceramica.
Găsirea în natură.
Conținutul de uraniu din scoarța terestră este de 0,003%, acesta apare în stratul de suprafață al pământului sub formă de patru tipuri de depozite. În primul rând, acestea sunt filoane de uraninit, sau smoală de uraniu (dioxid de uraniu UO 2), foarte bogate în uraniu, dar rare. Ele sunt însoțite de depozite de radiu, deoarece radiul este un produs direct al dezintegrarii izotopice a uraniului. Astfel de vene se găsesc în Zair, Canada (Marele Lac al Ursului), Republica Cehă și Franța. A doua sursă de uraniu sunt conglomeratele de toriu și minereu de uraniu, împreună cu minereurile din alte minerale importante. Conglomeratele conțin de obicei cantități suficiente de aur și argint pentru a fi extrase, iar uraniul și toriul devin elemente însoțitoare. Depozite mari de aceste minereuri se găsesc în Canada, Africa de Sud, Rusia și Australia. A treia sursă de uraniu sunt rocile sedimentare și gresiile, bogate în mineralul carnotită (uranil vanadat de potasiu), care conține, pe lângă uraniu, o cantitate semnificativă de vanadiu și alte elemente. Astfel de minereuri se găsesc în statele vestice ale Statelor Unite. Șisturile fier-uraniu și minereurile fosfatice constituie a patra sursă de zăcăminte. Depozite bogate se găsesc în șisturile din Suedia. Unele minereuri de fosfat din Maroc și Statele Unite conțin cantități semnificative de uraniu, iar zăcămintele de fosfat din Angola și Republica Centrafricană sunt și mai bogate în uraniu. Majoritatea ligniților și unii cărbuni conțin de obicei impurități de uraniu. S-au găsit zăcăminte de lignit bogate în uraniu în Dakota de Nord și de Sud (SUA) și cărbuni bituminoși în Spania și Republica Cehă.
Deschidere.
Uraniul a fost descoperit în 1789 de chimistul german M. Klaproth, care a numit elementul în onoarea descoperirii planetei Uranus cu 8 ani mai devreme. (Klaproth a fost principalul chimist al timpului său; el a descoperit și alte elemente, inclusiv Ce, Ti și Zr.) De fapt, substanța obținută de Klaproth nu era uraniu elementar, ci o formă oxidată a acestuia, iar uraniul elementar a fost primul obţinut de chimistul francez E. .Peligot în 1841. Din momentul descoperirii până în secolul XX. uraniul nu a fost la fel de important ca astăzi, deși multe dintre proprietățile sale fizice, precum și masa și densitatea atomică, au fost determinate. În 1896, A. Becquerel a descoperit că sărurile de uraniu au radiații care luminează o placă fotografică în întuneric. Această descoperire i-a stimulat pe chimiști să cerceteze în domeniul radioactivității, iar în 1898 fizicienii francezi, soții P. Curie și M. Sklodowska-Curie, au izolat săruri ale elementelor radioactive poloniu și radiu, și E. Rutherford, F. Soddy, C. Faianța și alți oameni de știință au dezvoltat teoria dezintegrarii radioactive, care a pus bazele chimiei nucleare moderne și ale energiei nucleare.
Primele aplicații ale uraniului.
Deși radioactivitatea sărurilor de uraniu era cunoscută, minereurile sale în prima treime a acestui secol au fost folosite doar pentru a obține radiul însoțitor, iar uraniul a fost considerat un produs secundar nedorit. Utilizarea sa s-a concentrat mai ales în tehnologia ceramicii și în metalurgie; Oxizii de uraniu au fost folosiți pe scară largă pentru a colora sticla în culori de la galben pal la verde închis, ceea ce a contribuit la dezvoltarea producției de sticlă ieftină. Astăzi, produsele din aceste industrii sunt identificate ca fiind fluorescente sub lumină ultravioletă. În timpul Primului Război Mondial și la scurt timp după aceea, uraniul sub formă de carbură a fost folosit la fabricarea oțelurilor pentru scule, în mod similar cu Mo și W; 4–8% uraniu a înlocuit tungstenul, care era limitată în producție la acea vreme. Pentru a obține oțeluri de scule în 1914–1926, au fost produse anual câteva tone de ferouraniu, care conțineau până la 30% (masă) U. Cu toate acestea, această utilizare a uraniului nu a durat mult.
Utilizarea modernă a uraniului.
Industria uraniului a început să prindă contur în 1939, când a fost efectuată fisiunea izotopului de uraniu 235 U, ceea ce a dus la implementarea tehnică a reacțiilor controlate în lanț de fisiune a uraniului în decembrie 1942. Aceasta a fost nașterea erei atomului, când uraniul s-a transformat dintr-un element minor într-unul dintre cele mai importante elemente din societatea vieții. Semnificația militară a uraniului pentru producerea bombei atomice și utilizarea sa ca combustibil în reactoare nucleare a făcut ca cererea de uraniu să crească astronomic. O cronologie interesantă a creșterii cererii de uraniu se bazează pe istoria zăcămintelor din Great Bear Lake (Canada). În 1930, în acest lac a fost descoperită blenda de rășină, un amestec de oxizi de uraniu, iar în 1932 s-a stabilit în această zonă o tehnologie de purificare a radiului. Din fiecare tonă de minereu (blendă de gudron), s-a obținut 1 g de radiu și aproximativ o jumătate de tonă de produs secundar - concentrat de uraniu. Cu toate acestea, radiul era rar și extracția sa a fost oprită. Din 1940 până în 1942, dezvoltarea a fost reluată și minereul de uraniu a fost expediat în Statele Unite. În 1949, o purificare similară a uraniului, cu unele modificări, a fost aplicată pentru a produce UO 2 pur. Această producție a crescut și este acum una dintre cele mai mari producții de uraniu.
Proprietăți.
Uraniul este unul dintre cele mai grele elemente găsite în natură. Metalul pur este foarte dens, ductil, electropozitiv, cu conductivitate electrică scăzută și foarte reactiv.
Uraniul are trei modificări alotropice: A-uraniul (reţeaua cristalină ortorombica), există în intervalul de la temperatura camerei până la 668° С; b- uraniu (o rețea cristalină complexă de tip tetragonal), stabilă în intervalul 668-774 ° С; g- uraniu (rețea cristalină cubică centrată pe corp), stabil de la 774 ° C până la punctul de topire (1132 ° C). Deoarece toți izotopii uraniului sunt instabili, toți compușii săi prezintă radioactivitate.
Izotopi ai uraniului
238 U, 235 U, 234 U se găsesc în natură într-un raport de 99,3:0,7:0,0058 și 236U în urme. Toți ceilalți izotopi ai uraniului de la 226 U la 242 U sunt obținuți artificial. Izotopul 235 U este de o importanță deosebită. Sub acțiunea neutronilor lenți (termici), acesta este divizat cu eliberarea de energie enormă. Fisiunea completă a 235 U are ca rezultat eliberarea unui „echivalent de energie termică” de 2h 10 7 kWh/kg. Fisiunea de 235 U poate fi folosită nu numai pentru a produce cantități mari de energie, ci și pentru a sintetiza alte elemente actinidice importante. Uraniul izotopic natural poate fi folosit în reactoare nucleare pentru a produce neutroni produși prin fisiunea 235U, în timp ce excesul de neutroni care nu este necesar de reacția în lanț poate fi captat de un alt izotop natural, rezultând producția de plutoniu:
Când sunt bombardate cu 238 U de neutroni rapizi, apar următoarele reacții:
Conform acestei scheme, cel mai comun izotop 238 U poate fi convertit în plutoniu-239, care, la fel ca 235 U, este, de asemenea, capabil de fisiune sub influența neutronilor lenți.
În prezent, s-a obținut un număr mare de izotopi artificiali ai uraniului. Printre acestea, 233 U este deosebit de remarcabil prin faptul că se fisiază și atunci când interacționează cu neutronii lenți.
Unii alți izotopi artificiali ai uraniului sunt adesea folosiți ca etichete radioactive (trasori) în cercetarea chimică și fizică; este in primul rand b- emitator 237 U si A- emitator 232 U.
Conexiuni.
Uraniul, un metal foarte reactiv, are stări de oxidare de la +3 la +6, este aproape de beriliu în seria de activități, interacționează cu toate nemetalele și formează compuși intermetalici cu Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn şi Zn. Uraniul fin divizat este deosebit de reactiv, iar la temperaturi peste 500°C intră adesea în reacții caracteristice hidrurii de uraniu. Uraniul cocoloși sau strunii ard puternic la 700–1000°C, în timp ce vaporii de uraniu ard deja la 150–250°C; uraniul reacționează cu HF la 200–400°C, formând UF4 și H2. Uraniul se dizolvă lent în HF concentrat sau H 2 SO 4 și 85% H 3 PO 4 chiar și la 90 ° C, dar reacționează ușor cu conc. HCl și mai puțin activ cu HBr sau HI. Reacțiile uraniului cu HNO3 diluat și concentrat se desfășoară cel mai activ și rapid cu formarea nitratului de uranil ( vezi mai jos). În prezența HCl, uraniul se dizolvă rapid în acizi organici, formându-se săruri organice U4+. În funcție de gradul de oxidare, uraniul formează mai multe tipuri de săruri (cele mai importante dintre ele cu U 4+, una dintre ele UCl 4 este o sare verde ușor oxidabilă); sărurile de uranil (radical UO 2 2+) de tip UO 2 (NO 3) 2 sunt galbene și fluorescente în verde. Sărurile de uranil se formează prin dizolvarea oxidului amfoter UO 3 (culoare galbenă) într-un mediu acid. ÎN mediu alcalin UO 3 formează uranați ca Na 2 UO 4 sau Na 2 U 2 O 7 . Acest din urmă compus („uranil galben”) este utilizat pentru fabricarea glazurilor de porțelan și în producția de ochelari fluorescente.
Halogenurile de uraniu au fost studiate pe scară largă în anii 1940-1950, deoarece au stat la baza dezvoltării metodelor de separare a izotopilor de uraniu pentru o bombă atomică sau un reactor nuclear. Trifluorura de uraniu UF 3 a fost obţinută prin reducerea UF 4 cu hidrogen, iar tetrafluorura de uraniu UF 4 se obţine în diferite moduri prin reacţii ale HF cu oxizi precum UO 3 sau U 3 O 8 sau prin reducerea electrolitică a compuşilor uranil. Hexafluorura de uraniu UF 6 se obţine prin fluorurarea U sau UF 4 cu fluor elementar sau prin acţiunea oxigenului asupra UF 4 . Hexafluorura formează cristale transparente cu un indice de refracție ridicat la 64°C (1137 mmHg); compusul este volatil (se sublimă la 56,54 °C în condiții normale de presiune). Oxohalogenurile de uraniu, de exemplu, oxofluorurile, au compoziţia UO 2 F 2 (fluorura de uranil), UOF 2 (difluorura de oxid de uraniu).
Uraniul este un metal radioactiv. În natură, uraniul este format din trei izotopi: uraniu-238, uraniu-235 și uraniu-234. Cel mai înalt nivel de stabilitate este înregistrat pentru uraniu-238.
| Caracteristică | Sens |
|---|---|
| Informații generale | |
| Nume, simbol | Uran-238, 238U |
| Titluri alternative | uraniu unul, UI |
| Neutroni | 146 |
| Protoni | 92 |
| Proprietățile nuclidelor | |
| Masă atomică | 238,0507882(20) a. mânca. |
| Masa in exces | 47 308,9(19) keV |
| Energie de legare specifică (per nucleon) | 7570,120(8) keV |
| Abundența izotopică | 99,2745(106) % |
| Jumătate de viață | 4.468(3) 109 ani |
| Produse de degradare | 234Th, 238Pu |
| Izotopi parentali | 238Pa (β−) 242Pu(α) |
| Spinul și paritatea nucleului | 0+ |
| Canal de dezintegrare | Energia de dezintegrare |
| α-degradare | 4,2697(29) MeV |
| SF | |
| ββ | 1,1442(12) MeV |
dezintegrarea radioactivă a uraniului
Dezintegrarea radioactivă este procesul unei schimbări bruște în compoziția sau structura internă a nucleelor atomice, care se caracterizează prin instabilitate. În acest caz, sunt emise particule elementare, cuante gamma și/sau fragmente nucleare. substanțe radioactive conţin un nucleu radioactiv. Nucleul fiică rezultat în urma dezintegrarii radioactive poate deveni și el radioactiv și, după un anumit timp, suferă dezintegrare. Acest proces continuă până când se formează un nucleu stabil, lipsit de radioactivitate. E. Rutherford a demonstrat experimental în 1899 că sărurile de uraniu emit trei tipuri de raze:
- raze α - un flux de particule încărcate pozitiv
- Raze β - un flux de particule încărcate negativ
- razele γ - nu creează abateri în câmpul magnetic.
| Tipul de radiație | Nuclid | Jumătate de viață |
|---|---|---|
| Ο | Uranus - 238 U | 4,47 miliarde de ani |
| α ↓ | ||
| Ο | Toriu - 234 mii | 24,1 zile |
| β ↓ | ||
| Ο | Protactiniu - 234 Pa | 1,17 minute |
| β ↓ | ||
| Ο | Uraniu - 234 U | 245.000 de ani |
| α ↓ | ||
| Ο | Toriu - 230 mii | 8000 de ani |
| α ↓ | ||
| Ο | Radiu - 226 Ra | 1600 de ani |
| α ↓ | ||
| Ο | Poloniu - 218 Po | 3,05 minute |
| α ↓ | ||
| Ο | Plumb - 214 Pb | 26,8 minute |
| β ↓ | ||
| Ο | Bismut - 214 Bi | 19,7 minute |
| β ↓ | ||
| Ο | Poloniu - 214 Po | 0,000161 secunde |
| α ↓ | ||
| Ο | Plumb - 210 Pb | 22,3 ani |
| β ↓ | ||
| Ο | Bismut - 210 Bi | 5,01 zile |
| β ↓ | ||
| Ο | Poloniu - 210 Po | 138,4 zile |
| α ↓ | ||
| Ο | Plumb - 206 Pb | grajd |
Radioactivitatea uraniului
Radioactivitatea naturală este ceea ce distinge uraniul radioactiv de alte elemente. Atomii de uraniu, indiferent de factori și condiții, se schimbă treptat. În acest caz, sunt emise raze invizibile. După transformările care au loc cu atomii de uraniu, se obține un alt element radioactiv și se repetă procesul. El va repeta de câte ori este necesar pentru a obține un element neradioactiv. De exemplu, unele lanțuri de transformări au până la 14 etape. În acest caz, elementul intermediar este radiul, iar ultima etapă este formarea plumbului. Acest metal nu este un element radioactiv, așa că o serie de transformări sunt întrerupte. Cu toate acestea, este nevoie de câteva miliarde de ani pentru transformarea completă a uraniului în plumb.
Minereul de uraniu radioactiv provoacă adesea otrăvire la întreprinderile implicate în extracția și prelucrarea materiilor prime de uraniu. În corpul uman, uraniul este o otravă celulară generală. Afectează în principal rinichii, dar apar și leziuni hepatice și gastrointestinale.
Uraniul nu are izotopi complet stabili. Cea mai lungă durată de viață este remarcată pentru uraniu-238. Semidezintegrarea uraniului-238 are loc peste 4,4 miliarde de ani. Puțin mai puțin de un miliard de ani este jumătate de descompunere a uraniului-235 - 0,7 miliarde de ani. Uraniul-238 ocupă peste 99% din volumul total de uraniu natural. Datorită timpului său de înjumătățire colosal, radioactivitatea acestui metal nu este ridicată, de exemplu, particulele alfa nu pot pătrunde în stratul cornos al pielii umane. După o serie de studii, oamenii de știință au descoperit că principala sursă de radiații nu este uraniul în sine, ci gazul radon format de acesta, precum și produsele sale de degradare care intră în corpul uman în timpul respirației.
Descoperire la scară planetară. Deci, puteți numi descoperirea de către oamenii de știință a lui Uranus. Planeta a fost descoperită în 1781.
Descoperirea ei a fost motivul pentru a numi unul dintre elementele tabelului periodic. Uranus metalul a fost izolat din blenda de rășini în 1789.
Motivul publicitar din jurul noii planete nu s-a domolit încă, prin urmare, ideea de a numi o nouă substanță a apărut la suprafață.
La sfârșitul secolului al XVIII-lea nu exista încă conceptul de radioactivitate. Între timp, aceasta este principala proprietate a uraniului terestru.
Oamenii de știință care au lucrat cu el au fost iradiați fără să știe. Cine a fost pionierul și care sunt celelalte proprietăți ale elementului, vom spune în continuare.
Proprietățile uraniului
Uraniul este un element descoperit de Martin Klaproth. A fuzionat rășina cu caustica. Produsul de fuziune nu a fost complet solubil.
Klaproth și-a dat seama că nu existau presupuse și în compoziția mineralului. Apoi, omul de știință a dizolvat problema.
Hexagoane verzi au căzut din soluție. Chimistul le-a expus la sânge galben, adică hexacianoferrat de potasiu.
Din soluție a căzut un precipitat maro. Acest oxid a fost restaurat de Klaproth ulei de in, calcinat. Am o pudră.
A trebuit să-l aprind deja, amestecând-o cu maro. Granulele unui metal nou au fost găsite în masa sinterizată.
Mai târziu s-a dovedit că nu a fost uraniu pur, și dioxidul său. Separat, elementul a fost primit doar 60 de ani mai târziu, în 1841. Și după încă 55, Antoine Becquerel a descoperit fenomenul radioactivității.
Radioactivitatea uraniului datorită capacităţii nucleului unui element de a capta neutroni şi de a se rupe. În același timp, se eliberează o energie impresionantă.
Se datorează datelor cinetice ale radiațiilor și fragmentelor. Este posibil să se asigure fisiunea continuă a nucleelor.
Reacția în lanț începe atunci când uraniul natural este îmbogățit cu al 235-lea izotop. Nu este ceva care se adaugă metalului.
Dimpotrivă, al 238-lea nuclid cu radioactivitate scăzută și ineficient, precum și al 234-lea, sunt îndepărtați din minereu.
Amestecul lor se numește sărăcit, iar uraniul rămas se numește îmbogățit. Exact de asta au nevoie industriașii. Dar despre asta vom vorbi într-un capitol separat.
Uranus radiaza, atât alfa cât și beta cu raze gamma. Au fost descoperite văzând efectul metalului pe o placă fotografică învelită în negru.
A devenit clar că noul element emite ceva. În timp ce soții Curie investigau despre ce este vorba, Marie a primit o doză de radiații care i-a determinat pe chimist să dezvolte cancer de sânge, din care femeia a murit în 1934.
Radiația beta poate distruge nu numai corpul uman, ci și metalul în sine. Ce element se formează din uraniu? Răspuns: Brevi.
În caz contrar, se numește protactiniu. Descoperit în 1913, tocmai când studia uraniul.
Acesta din urmă se transformă în brevia fără influențe externe și reactivi, doar din degradarea beta.
Pe plan extern uraniul este un element chimic- culori cu un luciu metalic.
Așa arată toate actinidele, cărora le aparține substanța a 92-a. Grupul începe cu al 90-lea număr și se termină cu al 103-lea.
Stând în fruntea listei element radioactiv uraniu, acționează ca un agent oxidant. Starile de oxidare pot fi a 2-a, a 3-a, a 4-a, a 5-a, a 6-a.
Adică, din punct de vedere chimic, al 92-lea metal este activ. Dacă măcinați uraniul într-o pulbere, acesta se va aprinde spontan în aer.
În forma sa obișnuită, substanța se va oxida la contactul cu oxigenul, devenind acoperită cu o peliculă irizată.
Dacă temperatura crește la 1000 de grade Celsius, chimic. elementul uraniu conectat cu . Se formează nitrură de metal. Această substanță este galbenă.
Aruncă-l în apă și dizolvă ca uraniul pur. Corodează-l și toți acizii. Elementul înlocuiește hidrogenul din materia organică.
Uraniul îl împinge afară, în același mod, din soluțiile sărate,,,,,. Dacă o astfel de soluție este agitată, particulele celui de-al 92-lea metal vor începe să strălucească.
săruri de uraniu instabil, se descompun la lumină sau în prezența substanțelor organice.
Elementul este indiferent, poate, doar la alcalii. Metalul nu reacționează cu ele.
Descoperirea uraniului este descoperirea unui element supergreu. Masa sa face posibilă izolarea metalului, mai precis, a mineralelor cu acesta, din minereu.
Este suficient să-l zdrobim și să adormi în apă. Particulele de uraniu se vor depune mai întâi. Aici începe mineritul. Detalii in capitolul urmator.
Exploatarea uraniului
După ce au primit un sediment greu, industriașii levăn concentratul. Scopul este de a aduce uraniul în soluție. Se folosește acid sulfuric.
Se face o excepție pentru gudron. Acest mineral este insolubil în acid, prin urmare, se folosesc alcalii. Secretul dificultăților în starea de 4 valențe a uraniului.
Leşierea acidă nu trece cu , . În aceste minerale, al 92-lea metal este, de asemenea, 4-valent.
Acesta este tratat cu hidroxid, cunoscut sub numele de hidroxid de sodiu. În alte cazuri, purjarea cu oxigen este bună. Nu este nevoie să faceți aprovizionare separat cu acid sulfuric.
Este suficient să încălziți minereul cu minerale sulfurate până la 150 de grade și să trimiteți un jet de oxigen către acesta. Acest lucru duce la formarea unui acid care se scurge Uranus.
Elementul chimic și aplicarea acestuia asociate cu forme pure de metal. Sorpția este utilizată pentru a îndepărta impuritățile.
Se realizează pe rășini schimbătoare de ioni. Potrivit și pentru extracția cu solvenți organici.
Rămâne să adăugați alcalii în soluție pentru a precipita uranați de amoniu, dizolvați-i acid azotic si subiect.
Rezultatul vor fi oxizii celui de-al 92-lea element. Sunt încălzite la 800 de grade și reduse cu hidrogen.
Oxidul rezultat este transformat în fluorură de uraniu, din care metalul pur se obține prin reducerea termică cu calciu. După cum puteți vedea, nu este simplu. De ce să încerci atât de mult?
Aplicarea uraniului
Al 92-lea metal este principalul combustibil pentru reactoarele nucleare. Un amestec slab este potrivit pentru staționari, iar un element îmbogățit este folosit pentru centrale electrice.
Al 235-lea izotop este, de asemenea, baza armelor nucleare. Combustibilul nuclear secundar poate fi obținut și din al 92-lea metal.
Aici merită să pui întrebarea, ce element transformă uraniul. Din al 238-lea izotop al său, se obține încă o substanță radioactivă, supergrea.
Chiar la 238-lea uraniu Grozav jumătate de viață, durează 4,5 miliarde de ani. O distrugere atât de lungă duce la un consum redus de energie.
Dacă luăm în considerare utilizarea compușilor de uraniu, oxizii săi vin la îndemână. Sunt folosite în industria sticlei.
Oxizii acționează ca coloranți. Poate fi obținut de la galben pal la verde închis. ÎN raze ultraviolete materialul este fluorescent.
Această proprietate este folosită nu numai în pahare, ci și în glazurele de uraniu pt. Oxizii de uraniu din ele sunt de la 0,3 la 6%.
Ca rezultat, fundalul este sigur, nu depășește 30 de microni pe oră. Fotografie cu elemente de uraniu, mai exact, produsele cu participarea lui, sunt foarte colorate. Stralucirea paharelor si a vaselor atrage privirile.
Prețul uraniului
Pentru un kilogram de oxid de uraniu neîmbogățit dau aproximativ 150 de dolari. Valorile maxime au fost observate în 2007.
Apoi costul a ajuns la 300 de dolari pe kilogram. Dezvoltarea minereurilor de uraniu va rămâne profitabilă chiar și la un preț de 90-100 de unități convenționale.
Cine a descoperit elementul uraniu, nu știa care sunt rezervele sale în scoarța terestră. Acum, au fost numărați.
Câmpurile mari cu un preț de producție profitabil vor fi epuizate până în 2030.
Dacă nu se descoperă noi depozite sau nu se găsesc alternative la metal, valoarea acestuia va crește.
Uranus nu este o actinidă foarte tipică, cinci dintre ele fiind cunoscute stări de valență- de la 2+ la 6+. Unii compuși ai uraniului au colorație caracteristică. Deci, soluții de uraniu trivalent - roșu, tetravalent - verde și uraniu hexavalent - există sub formă de ion de uranil (UO 2) 2+ - soluții de culori galbene... Faptul că uraniul hexavalent formează compuși cu mulți agenți organici de complexare s-a dovedit a fi foarte important pentru tehnologia de extragere a elementului nr. 92.
De obicei, exteriorul învelișul de electroni ionii de uraniu sunt întotdeauna umpluți în întregime; electronii de valență se află în stratul de electroni anterior, în subshell-ul 5f. Dacă comparăm uraniul cu alte elemente, este evident că plutoniul este cel mai asemănător cu acesta. Principala diferență dintre ele este raza ionică mare a uraniului. În plus, plutoniul este cel mai stabil în stare tetravalentă, în timp ce uraniul este cel mai stabil în stare hexavalentă. Acest lucru ajută la separarea lor, ceea ce este foarte important: plutoniul-239 de combustibil nuclear este obținut exclusiv din uraniu, uraniu de balast-238 din punct de vedere energetic. Plutoniul se formează într-o masă de uraniu și trebuie separate!
Cu toate acestea, înainte de a avea nevoie să obțineți chiar această masă de uraniu, după ce a trecut printr-un lanț tehnologic lung, începând cu minereu. De regulă, minereu multicomponent, sărac în uraniu.
Izotop ușor al unui element greu
Când vorbim despre obținerea elementului #92, am omis în mod deliberat un pas important. După cum știți, nu orice uraniu este capabil să susțină o reacție nucleară în lanț. Uraniul-238, care reprezintă 99,28% din amestecul natural de izotopi, nu este capabil de acest lucru. Din această cauză, uraniul-238 este transformat în plutoniu, iar amestecul natural de izotopi de uraniu se caută fie să fie divizat, fie să fie îmbogățit cu izotopul uraniu-235, care este capabil să fisioneze neutronii termici.
Au fost dezvoltate multe metode pentru separarea uraniului-235 și uraniu-238. Cea mai des folosită metodă este difuzia gazoasă. Esența sa este că, dacă un amestec de două gaze este trecut printr-o partiție poroasă, atunci cel ușor va trece mai repede. În 1913, F. Aston a separat parțial izotopii de neon în acest fel.
Majoritatea compușilor de uraniu la conditii normale- solidele pot fi, de asemenea, transferate în stare gazoasă doar la temperaturi foarte ridicate, când nu se poate vorbi de procese fine de separare a izotopilor. Cu toate acestea, compusul incolor al uraniului cu fluor - hexafluorura UF 6 se sublimează deja la 56,5 ° C (la presiunea atmosferică). UF 6 este cel mai volatil compus al uraniului și este cel mai potrivit pentru separarea izotopilor prin difuzie gazoasă.
Hexafluorura de uraniu se caracterizează printr-o activitate chimică ridicată. Coroziunea țevilor, pompelor, containerelor, interacțiunea cu lubrifierea mecanismelor este o listă mică, dar impresionantă de necazuri pe care creatorii instalațiilor de difuzie au trebuit să le depășească. Dificultăți și mai serioase întâlnite.
Hexafluorura de uraniu, obținută prin fluorurarea unui amestec natural de izotopi de uraniu, din punct de vedere al „difuziei”, poate fi considerată ca un amestec de două gaze cu greutăți moleculare foarte apropiate - 349 (235 + 19 * 6) și 352 (238). + 19 * 6). Factorul maxim de separare teoretic într-o etapă de difuzie pentru gazele care diferă atât de puțin în greutate moleculară este de numai 1,0043. În condiții reale, această valoare este și mai mică. Se pare că este posibilă creșterea concentrației de uraniu-235 de la 0,72 la 99% numai cu ajutorul a câteva mii de pași de difuzie. Prin urmare, plantele pentru separarea izotopilor de uraniu ocupă o suprafață de câteva zeci de hectare. Suprafața partițiilor poroase din cascadele divizoare ale plantelor este aproximativ de același ordin de mărime.
Pe scurt despre alți izotopi ai uraniului
Uraniul natural, pe lângă uraniu-235 și uraniu-238, include uraniu-234. Conținutul acestui izotop rar este exprimat ca un număr cu patru zecimale. Izotop artificial mult mai accesibil - uraniu-233. Se obține prin iradierea toriului în fluxul de neutroni al unui reactor nuclear:
232 90 Th + 10n → 233 90 Th -β-→ 233 91 Pa -β-→ 233 92 U
După toate regulile fizica nucleara uraniul-233, ca izotop ciudat, este fisionabil de neutroni termici. Și cel mai important, în reactoarele cu uraniu-233, poate avea loc (și se întâmplă) reproducerea extinsă a combustibilului nuclear. Într-un reactor de neutroni termici convențional! Calculele arată că, atunci când un kilogram de uraniu-233 arde într-un reactor cu toriu, ar trebui să se acumuleze în el 1,1 kg de uraniu-233 nou. Miracol, și numai! Au ars un kilogram de combustibil, dar combustibilul nu a scăzut.
Cu toate acestea, astfel de miracole sunt posibile numai cu combustibil nuclear.
Ciclul uraniu-toriu din reactoarele cu neutroni termici este principalul competitor al ciclului uraniu-plutoniu pentru producerea combustibilului nuclear în reactoare cu neutroni rapidi... De fapt, doar din această cauză, elementul nr. 90, toriu, a fost clasificat ca material strategic .
Alți izotopi artificiali de uraniu nu joacă un rol semnificativ. Merită menționat doar uraniul-239 - primul izotop din lanțul de transformări a uraniului-238 plutoniu-239. Timpul său de înjumătățire este de numai 23 de minute.
Izotopi de uraniu cu un număr de masă mai mare de 240 reactoare moderne nu se formează. Durata de viață a uraniului-240 este prea scurtă și se descompune fără a avea timp să capteze un neutron.
În fluxurile de neutroni super-puternice ale unei explozii termonucleare, nucleul de uraniu reușește să capteze până la 19 neutroni într-o milione de secundă. În acest caz, se nasc izotopi de uraniu cu numere de masă de la 239 la 257. Existența lor a fost învățată din apariția în produsele unei explozii termonucleare a elementelor transuraniului îndepărtate - descendenți ai izotopilor grei de uraniu. „Fondatorii genului” înșiși sunt prea instabili împotriva dezintegrarii beta și trec în elemente superioare cu mult înainte de extragerea produselor de reacție nucleară din roca amestecată de explozie.
Reactoarele termice moderne ard uraniu-235. În reactoarele cu neutroni rapidi deja existente, energia nucleelor izotopului larg răspândit - uraniu-238 este eliberată, iar dacă energia este adevărata bogăție, atunci nucleele de uraniu vor beneficia omenirea în viitorul apropiat: energia elementului N ° 92. va deveni baza existenței noastre.
Este de o importanță vitală să ne asigurăm că uraniul și derivații săi ard numai în reactoarele nucleare ale centralelor pașnice, ard încet, fără fum și flacără.
O ALTA SURSA DE URANIU. Astăzi a devenit apă de mare. Instalații pilot sunt deja în funcțiune pentru extragerea uraniului din apă cu adsorbanți speciali: oxid de titan sau fibră acrilică tratată cu anumiți reactivi.
CINE CÂT. La începutul anilor 1980, producția de uraniu în țările capitaliste era de aproximativ 50.000 g pe an (în termeni de U3O). Aproximativ o treime din această sumă a fost furnizată de industria americană. Pe locul doi se află Canada, urmată de Africa de Sud. Nigor, Gabon, Namibia. Din tari europene Franța produce cel mai mult uraniu și compușii săi, dar ponderea sa a fost de aproape șapte ori mai mică decât Statele Unite.
COMPUSI NETRADITIONALI. Deși nu este neîntemeiat să afirmăm că chimia uraniului și plutoniului este mai bine înțeleasă astăzi decât chimia unor elemente tradiționale precum fierul, totuși, chiar și astăzi chimiștii dezvoltă noi compuși ai uraniului. Deci, în 1977, revista Radiochimie, vol. XIX, nr. 6 au raportat doi compuși noi de uranil. Compoziția lor este MU02(S04)2-SH20, unde M este un ion de mangan sau cobalt divalent. Faptul că noii compuși sunt tocmai săruri duble, și nu un amestec de două săruri similare, a fost evidențiat de modelele de difracție de raze X.
(după Pauling)
U←U 3+ -1,66V
U←U 2+ -0,1V
| U | 92 |
| 238,0289 | |
| 5f 3 6d 1 7s 2 | |
| Uranus | |
Uranus(nume vechi Urania) este un element chimic cu număr atomic 92 în sistemul periodic, masa atomică 238,029; notat cu simbolul U ( Uraniu), aparține familiei actinidelor.
Poveste
Chiar și în antichitate (secolul I î.Hr.), oxidul de uraniu natural a fost folosit pentru a face glazură galbenă pentru ceramică. Cercetările privind uraniul au evoluat la fel ca reacția în lanț pe care o generează. La început, informațiile despre proprietățile sale, precum primele impulsuri ale unei reacții în lanț, au venit cu pauze lungi, de la caz la caz. Prima dată importantă din istoria uraniului este 1789, când filozoful și chimistul german Martin Heinrich Klaproth a redus „pământul” galben-auriu extras din minereul de rășină săsească la o substanță asemănătoare metalului negru. În cinstea celei mai îndepărtate planete cunoscute atunci (descoperită de Herschel cu opt ani mai devreme), Klaproth, considerând noua substanță un element, a numit-o uraniu.
Timp de cincizeci de ani, uraniul lui Klaproth a fost considerat un metal. Abia în 1841, Eugene Melchior Peligot - chimist francez (1811-1890)] a demonstrat că, în ciuda luciului metalic caracteristic, uraniul lui Klaproth nu este un element, ci un oxid. UO 2. În 1840, Peligo a reușit să obțină uraniu real, un metal greu de culoare gri-oțel, și să determine greutatea atomică a acestuia. Următorul pas important în studiul uraniului a fost făcut în 1874 de D. I. Mendeleev. Pe baza celor dezvoltate sistem periodic, a pus uraniu în celula cea mai îndepărtată a mesei sale. Anterior, greutatea atomică a uraniului era considerată egală cu 120. Marele chimist a dublat această valoare. După 12 ani, predicția lui Mendeleev a fost confirmată de experimentele chimistului german Zimmermann.
Studiul uraniului a început în 1896: chimistul francez Antoine Henri Becquerel a descoperit accidental razele Becquerel, pe care Marie Curie le-a redenumit mai târziu radioactivitate. În același timp, chimistul francez Henri Moissan a reușit să dezvolte o metodă de obținere a uraniului metalic pur. În 1899, Rutherford a descoperit că radiația preparatelor de uraniu este neuniformă, că există două tipuri de radiații - razele alfa și beta. Ele poartă o sarcină electrică diferită; departe de aceeași gamă în substanță și capacitate de ionizare. Puțin mai târziu, în mai 1900, Paul Villard a descoperit un al treilea tip de radiație - razele gamma.
Ernest Rutherford a efectuat în 1907 primele experimente pentru a determina vârsta mineralelor atunci când studiază uraniu radioactivși toriu bazat pe teoria radioactivității pe care a creat-o împreună cu Frederick Soddy (Soddy, Frederick, 1877-1956; Premiul Nobel pentru Chimie, 1921). În 1913, F. Soddy a introdus conceptul de izotopi(din grecescul ισος - „egal”, „același”, și τόπος - „loc”), iar în 1920 a prezis că izotopii ar putea fi folosiți pentru a determina vârsta geologică a rocilor. În 1928, Niggot și-a dat seama, iar în 1939, A.O.K. Nier (Nier, Alfred Otto Carl, 1911 - 1994) a creat primele ecuații pentru calcularea vârstei și a aplicat un spectrometru de masă pentru separarea izotopilor.
În 1939, Frederic Joliot-Curie și fizicienii germani Otto Frisch și Lisa Meitner au descoperit un fenomen necunoscut care are loc cu un nucleu de uraniu atunci când este iradiat cu neutroni. A avut loc o distrugere explozivă a acestui nucleu cu formarea de noi elemente mult mai ușoare decât uraniul. Această distrugere a fost de natură explozivă, fragmente de produse împrăștiate în diferite direcții cu viteze extraordinare. Astfel, a fost descoperit un fenomen numit reacție nucleară.
În 1939-1940. Yu. B. Khariton și Ya. B. Zel'dovich au arătat pentru prima dată teoretic că, cu o ușoară îmbogățire a uraniului natural cu uraniu-235, este posibil să se creeze condiții pentru fisiunea continuă a nucleelor atomice, adică conferă procesului un caracter în lanț.
Fiind în natură
minereu de uraninit
Uraniul este larg distribuit în natură. Uraniul clark este de 1,10 -3% (greutate). Cantitatea de uraniu dintr-un strat al litosferei de 20 km grosime este estimată la 1,3 10 14 tone.
Cea mai mare parte a uraniului se găsește în roci acide cu un conținut ridicat siliciu. O masă semnificativă de uraniu este concentrată în rocile sedimentare, în special cele îmbogățite în materie organică. Uraniul este prezent în cantități mari ca impuritate în toriu și mineralele pământurilor rare (ortita, sfenă CaTiO 3 , monazit (La,Ce)PO 4 , zircon ZrSiO 4 , xenotim YPO4 etc.). Cele mai importante minereuri de uraniu sunt smoala de gudron, uranitul și carnotita. Principalele minerale - sateliți ai uraniului sunt molibdenita MoS 2, galena PbS, cuarțul SiO 2, calcitul CaCO 3, hidromuscovit etc.
| Mineral | Compoziția principală a mineralului | Conținut de uraniu, % |
|---|---|---|
| uraninit | UO2, UO3 + Th02, CeO2 | 65-74 |
| Carnotite | K2(UO2)2(VO4)22H2O | ~50 |
| Cazolit | PbO2U03Si02H2O | ~40 |
| Samarskit | (Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th) (Nb, Ta, Ti, Sn) 2 O 6 | 3.15-14 |
| brannerita | (U, Ca, Fe, Y, Th)3Ti5O15 | 40 |
| Tuyamunit | CaO2UO3V2O5nH2O | 50-60 |
| zeynerit | Cu(UO2)2(AsO4)2nH2O | 50-53 |
| Otenită | Ca(U02)2(P04)2nH20 | ~50 |
| Schrekingerit | Ca3NaU02(C03)3S04(OH)9H2O | 25 |
| Ouranophanes | CaO UO22SiO26H2O | ~57 |
| fergusonit | (Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O 4 | 0.2-8 |
| Thorbernit | Cu(U02)2(P04)2nH20 | ~50 |
| coffinit | U(Si04) 1-x (OH) 4x | ~50 |
Principalele forme de uraniu găsite în natură sunt uranitul, smoala de gudron și negru de uraniu. Ele diferă doar prin formele de apariție; există o dependență de vârstă: uraninitul este prezent mai ales în antice (roci precambriene), pitchblenda - vulcanogenă și hidrotermală - în principal în formațiunile paleozoice și mai tinere de temperatură înaltă și medie; negru de uraniu - în principal în formațiuni tinere - cenozoice și mai tinere - în principal în roci sedimentare cu temperatură scăzută.
Conținutul de uraniu din scoarța terestră este de 0,003%, acesta apare în stratul de suprafață al pământului sub formă de patru tipuri de depozite. În primul rând, acestea sunt filoane de uraninit sau smoală de uraniu (dioxid de uraniu UO2), foarte bogate în uraniu, dar rare. Ele sunt însoțite de depozite de radiu, deoarece radiu este un produs direct al dezintegrarii izotopice a uraniului. Astfel de vene se găsesc în Zaire, Canada (Lacul Ursului Mare), Republica CehăȘi Franţa. A doua sursă de uraniu sunt conglomeratele de toriu și minereu de uraniu, împreună cu minereurile din alte minerale importante. Conglomeratele conțin de obicei cantități suficiente pentru a fi extrase aurȘi argint, iar elementele însoțitoare sunt uraniul și toriu. Depozite mari de aceste minereuri se găsesc în Canada, Africa de Sud, Rusia și Australia. A treia sursă de uraniu sunt rocile sedimentare și gresiile bogate în mineralul carnotită (uranil vanadat de potasiu), care conține, pe lângă uraniu, o cantitate semnificativă de vanadiu si alte elemente. Astfel de minereuri se găsesc în statele vestice STATELE UNITE ALE AMERICII. Șisturile fier-uraniu și minereurile fosfatice constituie a patra sursă de zăcăminte. Depozite bogate găsite în șisturi Suedia. Unele minereuri de fosfat din Maroc și Statele Unite conțin cantități semnificative de uraniu și zăcăminte de fosfat în Angola iar Republica Centrafricană sunt și mai bogate în uraniu. Majoritatea ligniților și unii cărbuni conțin de obicei impurități de uraniu. Zăcăminte de lignit bogate în uraniu găsite în Dakota de Nord și de Sud (SUA) și cărbuni bituminoși SpaniaȘi Republica Cehă
Izotopi ai uraniului
Uraniul natural este alcătuit dintr-un amestec de trei izotopi: 238 U - 99,2739% (timp de înjumătățire T 1/2 \u003d 4,468 × 10 9 ani), 235 U - 0,7024% ( T 1/2 \u003d 7,038 × 10 8 ani) și 234 U - 0,0057% ( T 1/2 = 2.455×10 5 ani). Ultimul izotop nu este primar, ci radiogenic; face parte din seria radioactivă 238 U.
Radioactivitatea uraniului natural se datorează în principal izotopilor 238 U și 234 U; în echilibru, activitățile lor specifice sunt egale. Activitatea specifică a izotopului 235 U în uraniul natural este de 21 de ori mai mică decât activitatea lui 238 U.
Există 11 izotopi radioactivi artificiali cunoscuți ai uraniului cu numere de masă de la 227 la 240. Cel mai longeviv dintre ei este 233 U ( T 1/2 \u003d 1,62 × 10 5 ani) se obține prin iradierea toriului cu neutroni și este capabil de fisiune spontană de neutroni termici.
Izotopii de uraniu 238 U și 235 U sunt progenitorii a două serii radioactive. Elementele finale ale acestor serii sunt izotopii conduce 206Pb și 207Pb.
În condiții naturale, izotopii sunt distribuiți în principal 234 U: 235 U : 238 U= 0,0054: 0,711: 99,283. Jumătate din radioactivitatea uraniului natural se datorează izotopului 234 U. Izotop 234 U format prin dezintegrare 238 U. Pentru ultimii doi, spre deosebire de alte perechi de izotopi și indiferent de capacitatea mare de migrare a uraniului, constanța geografică a raportului este caracteristică. Valoarea acestui raport depinde de vârsta uraniului. Numeroase măsurători naturale au arătat fluctuațiile sale nesemnificative. Deci, în rulouri, valoarea acestui raport în raport cu standardul variază între 0,9959 -1,0042, în săruri - 0,996 - 1,005. În mineralele cu conținut de uraniu (nasturan, uraniu negru, cirtolit, minereuri din pământuri rare), valoarea acestui raport variază între 137,30 și 138,51; de altfel, diferența dintre formele U IV și U VI nu a fost stabilită; în sfenă - 138,4. Deficiență de izotopi detectată la unii meteoriți 235 U. Cea mai scăzută concentrație în condiții terestre a fost găsită în 1972 de către cercetătorul francez Buzhigues în orașul Oklo din Africa (un depozit din Gabon). Astfel, uraniul normal conține 0,7025% uraniu 235 U, în timp ce în Oklo scade la 0,557%. Aceasta a susținut ipoteza unui reactor nuclear natural care duce la arderea izotopilor, prezisă de George W. Wetherill de la Universitatea California din Los Angeles și Mark G. Inghram de la Universitatea din Chicago și Paul K. Kuroda, chimist la Universitatea din Arkansas, care a descris procesul încă din 1956. În plus, în aceleași districte au fost găsite reactoare nucleare naturale: Okelobondo, Bangombe și altele.În prezent, se cunosc aproximativ 17 reactoare nucleare naturale.
Chitanță
Prima etapă a producției de uraniu este concentrarea. Roca este zdrobită și amestecată cu apă. Componentele substanței grele în suspensie se depun mai repede. Dacă roca conține minerale primare de uraniu, acestea precipită rapid: acestea sunt minerale grele. Mineralele secundare de uraniu sunt mai ușoare, caz în care roca sterilă grea se depune mai devreme. (Cu toate acestea, este departe de a fi întotdeauna gol; poate conține multe elemente utile, inclusiv uraniu).
Următoarea etapă este leșierea concentratelor, transferul uraniului în soluție. Aplicați leșiere acidă și alcalină. Primul este mai ieftin, deoarece acidul sulfuric este folosit pentru extragerea uraniului. Dar dacă în materie primă, ca, de exemplu, în uraniu gudron, uraniul este în stare tetravalentă, atunci această metodă nu este aplicabilă: uraniul tetravalent în acid sulfuric practic nu se dizolvă. În acest caz, trebuie fie să se recurgă la leșierea alcalină, fie să se preoxideze uraniul la starea hexavalentă.
Nu utilizați leșierea acidă și în cazurile în care concentratul de uraniu conține dolomit sau magnezit, reacționând cu acid sulfuric. În aceste cazuri, sodă caustică (hidroxid sodiu).
Problema leșierii uraniului din minereuri este rezolvată prin purjarea cu oxigen. Un flux de oxigen este alimentat într-un amestec de minereu de uraniu cu minerale sulfurate încălzit la 150 °C. În același timp, se formează minerale sulfuroase acid sulfuric, care spală uraniul.
În etapa următoare, uraniul trebuie izolat selectiv din soluția rezultată. Metode moderne- extracția și schimbul de ioni - permit rezolvarea acestei probleme.
Soluția conține nu numai uraniu, ci și alți cationi. Unele dintre ele se comportă în anumite condiții la fel ca uraniul: sunt extrase cu aceiași solvenți organici, depuse pe aceleași rășini schimbătoare de ioni și precipită în aceleași condiții. Prin urmare, pentru izolarea selectivă a uraniului, trebuie să folosiți multe reacții redox pentru a scăpa de unul sau altul însoțitor nedorit în fiecare etapă. Pe rășinile schimbătoare de ioni moderne, uraniul este eliberat foarte selectiv.
Metode schimbul de ioni și extracția sunt bune și pentru că vă permit să extrageți destul de complet uraniul din soluții sărace (conținutul de uraniu este de zecimi de gram pe litru).
După aceste operațiuni, uraniul este transferat în stare solidă - într-unul dintre oxizi sau în tetrafluorura de UF 4. Dar acest uraniu trebuie încă purificat de impurități cu o secțiune transversală mare de captare termică a neutronilor - bor, cadmiu, hafniu. Conținutul lor în produsul final nu trebuie să depășească sute de miimi și milioane de procente. Pentru a elimina aceste impurități, un compus de uraniu pur comercial este dizolvat în acid azotic. În acest caz, se formează azotat de uranil UO2 (NO3)2, care, la extracția cu tributil fosfat și alte substanțe, este purificat suplimentar în condițiile dorite. Apoi această substanță este cristalizată (sau peroxidul precipitat UO 4 ·2H 2 O) și începe să se aprindă cu grijă. În urma acestei operațiuni, se formează trioxid de uraniu UO 3, care se reduce cu hidrogen la UO 2.
Dioxidul de uraniu UO 2 la o temperatură de 430 până la 600 ° C este tratat cu acid fluorhidric uscat pentru a obţine tetrafluorura UF 4 . Uraniul metalic este redus din acest compus folosind calciu sau magneziu.
Proprietăți fizice
Uraniul este un metal foarte greu, alb-argintiu, strălucitor. În forma sa pură, este puțin mai moale decât oțelul, maleabil, flexibil și are ușoare proprietăți paramagnetice. Uraniul are trei forme alotrope: alfa (prismatic, stabil până la 667,7 °C), beta (cadrangular, stabil de la 667,7 °C la 774,8 °C), gamma (cu o structură cubică centrată pe corp existentă de la 774, 8 °C până la 774,8 °C). punct de topire).
Proprietățile radioactive ale unor izotopi de uraniu (au fost izolați izotopi naturali):
Proprietăți chimice
Uraniul poate prezenta stări de oxidare de la +III la +VI. Compușii uraniului (III) formează soluții instabile roșii și sunt agenți reducători puternici:
4UCl 3 + 2H 2 O → 3UCl 4 + UO 2 + H 2
Compușii de uraniu (IV) sunt cei mai stabili și formează soluții apoase verzi.
Compușii uraniului (V) sunt instabili și ușor disproporționați în soluție apoasă:
2UO 2 Cl → UO 2 Cl 2 + UO 2
Din punct de vedere chimic, uraniul este un metal foarte activ. Oxidându-se rapid în aer, este acoperit cu o peliculă de oxid irizat. Pulberea fină de uraniu se aprinde spontan în aer, se aprinde la o temperatură de 150-175 °C, formând U 3 O 8 . La 1000 °C, uraniul se combină cu azotul pentru a forma nitrură de uraniu galbenă. Apa este capabilă să corodeze metalul, încet la temperaturi scăzute și rapid la temperaturi ridicate, precum și cu măcinarea fină a pulberii de uraniu. Uraniul se dizolvă în acizi clorhidric, azotic și alți acizi, formând săruri tetravalente, dar nu interacționează cu alcalii. Uranus se deplasează hidrogen din acizi anorganici si solutii sarate ale metalelor precum Mercur, argint, cupru, staniu, platinăȘiaur. Cu tremurări puternice, particulele de metal de uraniu încep să strălucească. Uraniul are patru stări de oxidare - III-VI. Compuşii hexavalenţi includ trioxid de uraniu (oxid de uranil) UO3 şi clorură de uraniu UO2CI2. Tetraclorura de uraniu UCl4 și dioxidul de uraniu UO2 sunt exemple de uraniu tetravalent. Substanțele care conțin uraniu tetravalent sunt de obicei instabile și se transformă în uraniu hexavalent la expunerea prelungită la aer. Sărurile de uranil, cum ar fi clorura de uranil, se descompun în prezența luminii puternice sau a substanțelor organice.
Aplicație
Combustibil nuclear
Are cea mai mare aplicație izotop uraniu 235 U, în care un lanț auto-susținut reacție nucleară. Prin urmare, acest izotop este folosit ca combustibil în reactoarele nucleare, precum și în armele nucleare. Separarea izotopului U 235 de uraniul natural este o problemă tehnologică complexă (vezi separarea izotopilor).
Izotopul U 238 este capabil de fisiune sub influența bombardamentelor cu neutroni de înaltă energie, această caracteristică este folosită pentru a crește puterea armelor termonucleare (se folosesc neutroni generați de o reacție termonucleară).
Ca rezultat al captării neutronilor urmată de dezintegrarea β, 238 U poate fi convertit în 239 Pu, care este apoi folosit ca combustibil nuclear.
Uraniul-233, produs artificial în reactoare din toriu (toriul-232 captează un neutron și se transformă în toriu-233, care se descompune în protactiniu-233 și apoi în uraniu-233), poate deveni în viitor un combustibil nuclear comun pentru centrale nucleare(deja există reactoare care folosesc acest nuclid drept combustibil, de exemplu, KAMINI în India) și producție bombe atomice(masă critică aproximativ 16 kg).
Uraniul-233 este, de asemenea, cel mai promițător combustibil pentru motoarele de rachete nucleare în fază gazoasă.
Geologie
Ramura principală a utilizării uraniului este determinarea vârstei mineralelor și rocilor pentru a clarifica succesiunea proceselor geologice. Acest lucru este realizat de geocronologie și geocronologie teoretică. Rezolvarea problemei amestecării și a surselor de materie este de asemenea esențială.
Rezolvarea problemei se bazează pe ecuațiile dezintegrarii radioactive, descrise de ecuații.
Unde 238 Uo, 235 Uo— concentrații moderne de izotopi de uraniu; ; — constante de dezintegrare atomi, respectiv, de uraniu 238 UȘi 235 U.
Combinația lor este foarte importantă:
.
Datorită faptului că rocile conțin concentrații diferite de uraniu, acestea au radioactivitate diferită. Această proprietate este utilizată în selecția rocilor prin metode geofizice. Această metodă este cea mai utilizată în geologia petrolului pentru sondaje geofizice de sondă, acest complex include, în special, înregistrarea γ sau gamma neutronică, înregistrarea gamma-gamma etc. Cu ajutorul lor, sunt identificate rezervoare și sigilii.
Alte aplicații
Un mic adaos de uraniu dă o frumoasă fluorescență galben-verzuie sticlei (sticlă de uraniu).
Uranatul de sodiu Na 2 U 2 O 7 a fost folosit ca pigment galben în pictură.
Compușii de uraniu au fost folosiți ca vopsele pentru vopsirea pe porțelan și pentru glazuri și emailuri ceramice (colorate în culori: galben, maro, verde și negru, în funcție de gradul de oxidare).
Unii compuși ai uraniului sunt fotosensibili.
La începutul secolului al XX-lea nitrat de uranil A fost utilizat pe scară largă pentru a îmbunătăți negativele și pentru a păta (nuanța) pozitive (printuri fotografice) maro.
Carbura de uraniu-235 într-un aliaj cu carbură de niobiu și carbură de zirconiu este folosită ca combustibil pentru nucleare motoare cu reactie(fluidul de lucru este hidrogen + hexan).
Aliajele de fier și uraniu sărăcit (uraniu-238) sunt utilizate ca materiale magnetostrictive puternice.
uraniu sărăcit
uraniu sărăcit
După extracția 235U și 234U din uraniul natural, materialul rămas (uraniu-238) se numește „uraniu sărăcit” deoarece este sărăcit în izotopul 235. Potrivit unor rapoarte, aproximativ 560.000 de tone de hexafluorură de uraniu sărăcit (UF 6) sunt stocate în Statele Unite.
Uraniul sărăcit este la jumătate mai radioactiv decât uraniul natural, în principal datorită eliminării din acesta a 234 U. Datorită faptului că principala utilizare a uraniului este producerea de energie, uraniul sărăcit este un produs cu utilizare redusă, cu valoare economică scăzută.
Practic, utilizarea sa este asociată cu densitatea mare a uraniului și cu costul relativ scăzut al acestuia. Uraniul sărăcit este folosit pentru protecția împotriva radiațiilor (ironic) și ca balast în aplicații aerospațiale, cum ar fi suprafețele de control a aeronavelor. Fiecare aeronavă Boeing 747 conține 1.500 kg de uraniu sărăcit în acest scop. Acest material este, de asemenea, utilizat în rotoarele giroscopului de mare viteză, volantele mari, ca balast în vehiculele de coborâre în spațiu și iahturile de curse, în timpul forării puțurilor de petrol.
Miezuri de proiectile care străpung armura
Vârful (căptușeala) unui proiectil de calibrul 30 mm (tunurile GAU-8 ale aeronavei A-10) cu un diametru de aproximativ 20 mm din uraniu sărăcit.
Cea mai faimoasă utilizare a uraniului sărăcit este ca nuclee pentru proiectile care străpung armura. Atunci când este aliat cu 2% Mo sau 0,75% Ti și este tratat termic (stingerea rapidă a metalului încălzit la 850 °C în apă sau ulei, menținând în continuare la 450 °C timp de 5 ore), uraniul metalic devine mai dur și mai puternic decât oțelul (rezistența la tracțiune). este mai mare de 1600 MPa, în ciuda faptului că pentru uraniu pur este de 450 MPa). Combinat cu densitatea ridicată, acest lucru face ca lingoul de uraniu întărit extrem de instrument eficient pentru penetrarea armurii, similară ca eficiență cu tungstenul mai scump. Vârful greu de uraniu modifică și distribuția masei în proiectil, îmbunătățind stabilitatea aerodinamică a acestuia.
Aliaje similare de tip Stabilla sunt folosite în obuzele cu pene în formă de săgeată ale pieselor de artilerie de tancuri și antitanc.
Procesul de distrugere a armurii este însoțit de măcinarea lingoului de uraniu în praf și aprinderea lui în aer pe cealaltă parte a armurii (vezi Piroforicitate). Aproximativ 300 de tone de uraniu sărăcit au rămas pe câmpul de luptă în timpul Operațiunii Furtuna în deșert (în cea mai mare parte, acestea sunt rămășițele de obuze de la tunul de 30 mm GAU-8 al aeronavei de atac A-10, fiecare carcasă conține 272 g de aliaj de uraniu ).
Astfel de obuze au fost folosite de trupele NATO în luptele din Iugoslavia. După aplicarea lor, s-a discutat problema ecologica poluarea cu radiații a țării.
Pentru prima dată, uraniul a fost folosit ca miez pentru obuze în al treilea Reich.
Uraniul sărăcit este folosit în armurile moderne ale tancurilor, cum ar fi tancul M-1 Abrams.
Acțiune fiziologică
În microcantități (10 -5 -10 -8%) se găsește în țesuturile plantelor, animalelor și oamenilor. Se acumulează în cea mai mare măsură de către unele ciuperci și alge. Compușii de uraniu sunt absorbiți în tract gastrointestinal(aproximativ 1%), în plămâni - 50%. Principalele depozite din organism: splina, rinichii, scheletul, ficatul, plămânii și ganglionii limfatici bronho-pulmonari. Conținutul în organe și țesuturi ale oamenilor și animalelor nu depășește 10-7 g.
Uraniu și compușii săi toxic. Aerosolii de uraniu și compușii săi sunt deosebit de periculoși. Pentru aerosolii compușilor de uraniu solubili în apă, MPC în aer este de 0,015 mg/m³, pentru formele insolubile de uraniu, MPC este de 0,075 mg/m³. Când intră în organism, uraniul acționează asupra tuturor organelor, fiind o otravă celulară generală. Mecanismul molecular de acțiune al uraniului este asociat cu capacitatea sa de a inhiba activitatea enzimelor. În primul rând sunt afectați rinichii (proteinele și zahărul apar în urină, oligurie). Cu intoxicația cronică, sunt posibile tulburări hematopoietice și ale sistemului nervos.
Producția pe țări în tone după conținutul de U pentru 2005–2006
Productia companiilor in 2006:
Cameco - 8,1 mii de tone
Rio Tinto - 7 mii de tone
AREVA - 5 mii de tone
Kazatomprom - 3,8 mii de tone
SA TVEL — 3,5 mii tone
BHP Billiton - 3 mii de tone
Navoi MMC - 2,1 mii tone ( Uzbekistan, Navoi)
Uraniu Unu - 1 mie de tone
Heathgate - 0,8 mii de tone
Minele Denison - 0,5 mii de tone
Producția în Rusia
În URSS, principalele regiuni de minereu de uraniu au fost Ucraina (zăcămintele Zheltorechenskoye, Pervomayskoye etc.), Kazahstan (nord - zăcământul de minereu Balkashinskoe etc.; sudul - zăcământul de minereu Kyzylsay etc.; Vostochny; toate aparțin în principal). la tipul vulcanogen-hidrotermal); Transbaikalia (Antey, Streltsovskoye etc.); Asia de mijloc, în principal Uzbekistan cu mineralizare în șisturi negre cu centru în orașul Uchkuduk. Există multe apariții și manifestări mici de minereu. În Rusia, Transbaikalia a rămas principala regiune cu minereu de uraniu. Aproximativ 93% din uraniul rusesc este extras la zăcământul din regiunea Chita (lângă orașul Krasnokamensk). Exploatarea este efectuată de Asociația de minerit și chimie industrială Priargunsky (PIMCU), care face parte din JSC Atomredmetzoloto (Uranium Holding), folosind metoda minei.
Restul de 7% este obținut prin leșiere in situ de la ZAO Dalur (Regiunea Kurgan) și OAO Khiagda (Buriația).
Minereurile rezultate și concentratul de uraniu sunt prelucrate la Uzina Mecanică Chepetsk.
Exploatarea minieră în Kazahstan
Aproximativ o cincime din rezervele mondiale de uraniu sunt concentrate în Kazahstan (21% și locul 2 în lume). Resursele totale de uraniu sunt de aproximativ 1,5 milioane de tone, din care aproximativ 1,1 milioane de tone pot fi extrase prin levigare in situ.
În 2009, Kazahstanul a ajuns pe primul loc în lume în ceea ce privește exploatarea uraniului.
Producția în Ucraina
Principala întreprindere este Uzina de Mine și Procesare de Est din orașul Zhovti Vody.
Preț
În ciuda legendelor despre zeci de mii de dolari pentru cantități de kilograme sau chiar grame de uraniu, prețul său real pe piață nu este foarte mare - oxidul de uraniu neîmbogățit U 3 O 8 costă mai puțin de 100 de dolari SUA per kilogram. Acest lucru se datorează faptului că pentru a alerga reactor nuclear uraniul neîmbogățit are nevoie de zeci sau chiar sute de tone de combustibil, iar pentru fabricarea armelor nucleare este necesară îmbogățirea un numar mare de uraniu pentru a obține concentrații adecvate pentru construirea unei bombe