Uran jest jednym z metali ciężkich układu okresowego. Uran jest szeroko stosowany w przemyśle energetycznym i wojskowym. W układzie okresowym występuje pod numerem 92 i jest oznaczony łacińską literą U o liczbie masowej 238.
Jak odkryto Uran
Ogólnie rzecz biorąc, taki pierwiastek chemiczny jak uran jest znany od bardzo dawna. Wiadomo, że jeszcze przed naszą erą do produkcji żółtego szkliwa do ceramiki używano naturalnego tlenku uranu. Odkrycie tego pierwiastka datuje się na rok 1789, kiedy niemiecki chemik Martin Heinrich Klaproth odzyskał z rudy materiał przypominający czarny metal. Martin postanowił nazwać ten materiał Uranem, aby wesprzeć nazwę nowo odkrytej planety o tej samej nazwie (planeta Uran została odkryta w tym samym roku). W 1840 roku odkryto, że materiałem tym odkrytym przez Klaprotha okazał się tlenek uranu, pomimo charakterystycznego metalicznego połysku. Eugene Melchior Peligot zsyntetyzował atomowy uran z tlenku i określił jego masę atomową na 120 jednostek astronomicznych, a w 1874 r. Mendelejew podwoił tę wartość, umieszczając ją w najdalszym polu swojego stołu. Zaledwie 12 lat później decyzję Mendelejewa o podwojeniu masy potwierdziły eksperymenty niemieckiego chemika Zimmermanna.
Gdzie i jak wydobywa się uran?
Uran jest dość powszechnym pierwiastkiem, ale występuje powszechnie w postaci rudy uranowej. Abyście zrozumieli, jego zawartość w skorupie ziemskiej wynosi 0,00027% całkowitej masy Ziemi. Rudę uranu zwykle można znaleźć w kwaśnych skałach mineralnych o dużej zawartości krzemu. Głównymi rodzajami rud uranu są blenda smołowa, karnotyt, casolit i samarskit. Największe zasoby rud uranu, biorąc pod uwagę złoża rezerwowe, znajdują się w takich krajach jak Australia, Rosja i Kazachstan, a wśród nich Kazachstan zajmuje czołową pozycję. Wydobywanie uranu jest procesem bardzo trudnym i kosztownym. Nie wszystkie kraje stać na wydobycie i syntezę czystego uranu. Technologia produkcji jest następująca: w kopalniach wydobywa się rudę lub minerały porównywalne ze złotem lub kamieniami szlachetnymi. Wydobyte skały są kruszone i mieszane z wodą w celu oddzielenia pyłu uranowego od reszty. Pył uranowy jest bardzo ciężki i dlatego wytrąca się szybciej niż inne. Następnym krokiem jest oczyszczenie pyłu uranowego z innych skał poprzez ługowanie kwasowe lub zasadowe. Procedura wygląda mniej więcej tak: mieszaninę uranu podgrzewa się do temperatury 150°C i dostarcza czysty tlen pod ciśnieniem. W rezultacie powstaje kwas siarkowy, który oczyszcza uran z innych zanieczyszczeń. Cóż, na ostatnim etapie wybierane są cząstki czystego uranu. Oprócz pyłu uranowego istnieją również inne przydatne minerały.
Niebezpieczeństwo promieniowania radioaktywnego uranu
Wszyscy doskonale znają pojęcie promieniowania radioaktywnego i fakt, że powoduje ono nieodwracalne szkody dla zdrowia, które prowadzą do śmierci. Uran jest jednym z takich pierwiastków, który w pewnych warunkach może emitować promieniowanie radioaktywne. W postaci wolnej, w zależności od odmiany, może emitować promienie alfa i beta. Promienie alfa nie stanowią dużego zagrożenia dla ludzi, jeśli napromieniowanie jest zewnętrzne, ponieważ promieniowanie to ma niską zdolność przenikania, ale gdy dostaną się do organizmu, powodują nieodwracalne szkody. Nawet kartka papieru listowego wystarczy, aby pomieścić zewnętrzne promienie alfa. W przypadku promieniowania beta sytuacja jest poważniejsza, ale niewiele. Siła penetracji promieniowania beta jest większa niż promieniowania alfa, ale do zatrzymania promieniowania beta wymagane będzie 3-5 mm tkanki. Możesz mi powiedzieć jak to jest? Uran jest pierwiastkiem radioaktywnym używanym w broni nuklearnej! Zgadza się, jest używany w broni nuklearnej, która powoduje kolosalne szkody we wszystkich żywych istotach. Tyle, że gdy wybucha głowica nuklearna, główne szkody w organizmach żywych powodują promieniowanie gamma i strumień neutronów. Tego rodzaju promieniowanie powstaje w wyniku reakcji termojądrowej podczas eksplozji głowicy bojowej, która usuwa cząstki uranu ze stanu stabilnego i niszczy całe życie na ziemi.
Odmiany uranu
Jak wspomniano powyżej, uran ma kilka odmian. Odmiany sugerują obecność izotopów, więc rozumiesz, że izotopy oznaczają te same pierwiastki, ale o różnych liczbach masowych.
Istnieją więc dwa typy:
- Naturalny;
- Sztuczny;
Jak można się domyślić, naturalny to ten, który wydobywa się z ziemi, a sztuczny jest tworzony przez ludzi samodzielnie. Do naturalnych izotopów zaliczają się izotopy uranu o liczbach masowych 238, 235 i 234. Ponadto U-234 jest córką U-238, to znaczy pierwszy powstaje w wyniku rozpadu drugiego w warunkach naturalnych. Druga grupa izotopów, które powstają sztucznie, mają liczby masowe od 217 do 242. Każdy z izotopów ma inne właściwości i charakteryzuje się odmiennym zachowaniem w określonych warunkach. W zależności od potrzeb naukowcy zajmujący się energią nuklearną starają się znaleźć wszelkiego rodzaju rozwiązania problemów, ponieważ każdy izotop ma inną wartość energetyczną.
Okresy półtrwania
Jak wspomniano powyżej, każdy z izotopów uranu ma inną wartość energetyczną i inne właściwości, z których jedną jest okres półtrwania. Aby zrozumieć, co to jest, należy zacząć od definicji. Okres półtrwania to czas, w którym liczba atomów radioaktywnych zmniejsza się o połowę. Na okres półtrwania wpływa wiele czynników, np. wartość energetyczna czy całkowite oczyszczenie. Jeśli weźmiemy ten ostatni przykład za przykład, możemy obliczyć, ile czasu zajmie całkowite usunięcie radioaktywnego skażenia ziemi. Okresy półtrwania izotopów uranu:
Jak widać z tabeli, okres półtrwania izotopów waha się od minut do setek milionów lat. Każde z nich znajduje zastosowanie w różnych obszarach życia człowieka.
Aplikacja
Stosowanie uranu jest bardzo powszechne w wielu dziedzinach działalności, jednak największą wartość ma on w sektorach energetycznym i wojskowym. Największym zainteresowaniem cieszy się izotop U-235. Jego zaletą jest to, że jest w stanie samodzielnie utrzymać jądrową reakcję łańcuchową, która jest szeroko stosowana w wojsku do produkcji broni jądrowej i jako paliwo w reaktorach jądrowych. Ponadto uran jest szeroko stosowany w geologii do określania wieku minerałów i skał, a także do określania przebiegu procesów geologicznych. W przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym zubożony uran stosowany jest jako przeciwwaga i element centrujący. Znalazła zastosowanie także w malarstwie, a dokładniej jako farba do porcelany oraz do produkcji szkliw i emalii ceramicznych. Innym interesującym punktem można uznać wykorzystanie zubożonego uranu do ochrony przed promieniowaniem radioaktywnym, choć może to brzmieć dziwnie.
Uran(łac. uran), u, radioaktywny pierwiastek chemiczny z grupy III układu okresowego Mendelejewa, należy do rodziny aktynowce, liczba atomowa 92, masa atomowa 238,029; metal. Naturalny U. składa się z mieszaniny trzech izotopów: 238 u - 99,2739% z okresem półtrwania t 1 / 2 = 4,51 10 9 lat, 235 u - 0,7024% (t 1 / 2 = 7,13 10 8 lat) i 234 u – 0,0057% (t 1/2 = 2,48 10 5 lat). Spośród 11 sztucznych izotopów promieniotwórczych o liczbach masowych od 227 do 240 długowieczny wynosi 233 u (t 1 / 2 = 1,62 · 10 5 lat); otrzymuje się go przez napromienianie neutronami toru. 238 u i 235 u są przodkami dwóch szeregów radioaktywnych.
Odniesienie historyczne. U. otwarto w 1789 r. chemik M. G. Klaproth i nazwał go na cześć planety Uran, odkrytej przez V. Herschela w 1781 r. W stanie metalicznym U. uzyskano w 1841 r. przez Francuzów. chemik E. Peligo podczas redukcji ucl 4 metalicznym potasem. Początkowo U. przypisano masę atomową 120 i dopiero w 1871 r. D.I. Mendelejew Doszedłem do wniosku, że warto tę wartość podwoić.
Przez długi czas uran był przedmiotem zainteresowania jedynie wąskiego kręgu chemików i znajdował ograniczone zastosowanie w produkcji farb i szkła. Wraz z odkryciem zjawiska radioaktywność U. w 1896 i rad w 1898 r. rozpoczęto przemysłową obróbkę rud uranu w celu wydobycia i wykorzystania radu w badaniach naukowych i medycynie. Od 1942 r., po odkryciu w 1939 r. zjawiska rozszczepienia jądrowego , U. stał się głównym paliwem nuklearnym.
Dystrybucja w przyrodzie. U. jest charakterystycznym elementem warstwy granitu i powłoki osadowej skorupy ziemskiej. Średnia zawartość uranu w skorupie ziemskiej (clarke) wynosi 2,5 10 -4% wagowo, w kwaśnych skałach magmowych 3,5 10 -4%, w iłach i łupkach 3,2 10 -4%, w skałach zasadowych 5 · 10 -5% , w skałach ultrazasadowych płaszcza 3 · 10 -7%. U. migruje energicznie w wodach zimnych i gorących, obojętnych i zasadowych w postaci jonów prostych i złożonych, zwłaszcza w postaci kompleksów węglanowych. Reakcje redoks odgrywają ważną rolę w geochemii uranu, ponieważ związki uranu z reguły są dobrze rozpuszczalne w wodach ze środowiskiem utleniającym i słabo rozpuszczalne w wodach ze środowiskiem redukującym (na przykład siarkowodór).
Znanych jest około 100 minerałów uranu; 12 z nich ma znaczenie przemysłowe . Na przestrzeni historii geologicznej zawartość węgla w skorupie ziemskiej zmniejszała się w wyniku rozpadu radioaktywnego; Proces ten związany jest z gromadzeniem się atomów Pb i He w skorupie ziemskiej. Rozpad radioaktywny węgla odgrywa ważną rolę w energetyce skorupy ziemskiej, będąc znaczącym źródłem głębokiego ciepła.
Właściwości fizyczne. U. ma kolor podobny do stali i jest łatwy w obróbce. Posiada trzy modyfikacje alotropowe - a, b i g z temperaturami przemiany fazowej: a ® b 668,8 ± 0,4°C, b® g 772,2 ± 0,4°C; kształt a ma rombową siatkę A= 2,8538 å, B= 5,8662 å, Z= 4,9557 å), forma b – sieć tetragonalna (przy 720°C A = 10,759 , B= 5,656 å), kształt g – siatka sześcienna skupiona wokół ciała (przy 850°c a = 3,538 å). Gęstość U. w formie a (25°c) 19,05 ± 0,2 g/cm 3 , T pl 1132 ± 1°С; T kip 3818°C; przewodność cieplna (100–200°c), 28.05 wt/(M· DO) , (200–400°C) 29,72 wt/(M· DO) ; ciepło właściwe (25°c) 27,67 kJ/(kg· DO) ; oporność elektryczna w temperaturze pokojowej wynosi około 3 10 -7 om· cm, w 600°c 5,5 10 -7 om· cm; ma nadprzewodnictwo na poziomie 0,68 ± 0,02 K; słaby paramagnetyczny, właściwa podatność magnetyczna w temperaturze pokojowej 1,72 · 10 -6.
Właściwości mechaniczne węgla zależą od jego czystości oraz sposobu obróbki mechanicznej i cieplnej. Średnia wartość modułu sprężystości odlewu U. 20,5 10 -2 Mn/m 2 wytrzymałość na rozciąganie w temperaturze pokojowej 372–470 Mn/m 2 , wytrzymałość wzrasta po hartowaniu z faz b i g; średnia twardość Brinella 19,6–21,6 10 2 Mn/m 2 .
Napromieniowanie strumieniem neutronów (które występuje w reaktor jądrowy) zmienia właściwości fizyczne i mechaniczne uranu: rozwija się pełzanie i wzrasta kruchość, obserwuje się deformację produktów, co wymusza stosowanie uranu w reaktorach jądrowych w postaci różnych stopów uranu.
U. – pierwiastek radioaktywny. Jądra 235 u i 233 u rozszczepiają się samoistnie, a także po wychwyceniu zarówno wolnych (termicznych), jak i szybkich neutronów o efektywnym przekroju rozszczepienia 508 10 -24 cm 2 (508 stodoła) i 533 10 -24 cm 2 (533 stodoła) odpowiednio. Rozszczepienie jądra 238u przy wychwyceniu wyłącznie szybkich neutronów o energii co najmniej 1 Mev; po wychwyceniu wolnych neutronów 238 u zamienia się w 239 pu , którego właściwości jądrowe są bliskie 235 u. Krytyczny masa U. (93,5% 235 u) w roztworach wodnych jest mniejsza niż 1 kg, dla piłki otwartej - około 50 kg, dla piłki z odblaskiem - 15 - 23 kg; masa krytyczna 233 u – około 1/3 masy krytycznej 235 u.
Właściwości chemiczne. Konfiguracja zewnętrznej powłoki elektronowej atomu U. 7 S 2 6 D 1 5 F 3 . U. jest metalem reaktywnym, w związkach wykazuje stopnie utlenienia +3, +4, +5, +6, czasem +2; najbardziej stabilnymi związkami są u (iv) i u (vi). Na powietrzu powoli utlenia się, tworząc na powierzchni warstwę dwutlenku węgla, która nie chroni metalu przed dalszym utlenianiem. W stanie sproszkowanym U. jest piroforyczny i pali się jasnym płomieniem. Z tlenem tworzy dwutlenek uo 2, trójtlenek uo 3 i dużą liczbę tlenków pośrednich, z których najważniejszym jest u 3 o 8. Te pośrednie tlenki mają właściwości zbliżone do uo 2 i uo 3. W wysokich temperaturach uo 2 ma szeroki zakres jednorodności od uo 1,60 do uo 2,27. Z fluorem w temperaturze 500–600°C tworzy tetrafluorek (zielone kryształy w kształcie igieł, słabo rozpuszczalne w wodzie i kwasach) i sześciofluorek uf 6 (biała krystaliczna substancja, która sublimuje bez topnienia w temperaturze 56,4°C); z siarką – szereg związków, z których najważniejszym jest my (paliwo jądrowe). Kiedy uran reaguje z wodorem w temperaturze 220°C, otrzymuje się wodorek uh 3; z azotem w temperaturach od 450 do 700 °C i pod ciśnieniem atmosferycznym - azotek u 4 n 7, przy wyższym ciśnieniu azotu i w tej samej temperaturze można uzyskać un, u 2 n 3 i un 2; z węglem w temperaturze 750–800°c – monowęglik uc, diwęglik uc 2, a także u 2 c 3; tworzy różnego rodzaju stopy z metalami . U. powoli reaguje z wrzącą wodą, tworząc uo 2 i h 2, z parą wodną - w zakresie temperatur 150–250 ° C; rozpuszczalny w kwasie solnym i azotowym, słabo rozpuszczalny w stężonym kwasie fluorowodorowym. U (vi) charakteryzuje się tworzeniem jonu uranylu uo 2 2 + ; sole uranylu mają kolor żółty i są dobrze rozpuszczalne w wodzie i kwasach mineralnych; sole u (iv) są zielone i mniej rozpuszczalne; jon uranylowy jest niezwykle zdolny do tworzenia kompleksów w roztworach wodnych zarówno z substancjami nieorganicznymi, jak i organicznymi; Najważniejsze dla technologii są węglany, siarczany, fluorki, fosforany i inne kompleksy. Znana jest duża liczba uranów (sole kwasu uranowego niewyodrębniane w czystej postaci), których skład zmienia się w zależności od warunków produkcji; Wszystkie uranany mają niską rozpuszczalność w wodzie.
U. i jego związki są radioaktywne i toksyczne chemicznie. Maksymalna dopuszczalna dawka (MAD) dla narażenia zawodowego 5 rem W roku.
Paragon. U. otrzymuje się z rud uranu zawierających 0,05–0,5% u. Rudy praktycznie nie są wzbogacane, z wyjątkiem ograniczonej metody sortowania radiometrycznego opartej na promieniowaniu radu, który zawsze towarzyszy uranowi. Zasadniczo rudy ługuje się roztworami kwasu siarkowego, czasem kwasu azotowego lub roztworami sody z przeniesieniem uranu do kwaśnego roztworu w postaci uo 2 więc 4 lub anionów złożonych 4- i do roztworu sody - w postaci 4 -. Do ekstrakcji i zatężania uranu z roztworów i mas, a także do oczyszczania go z zanieczyszczeń, stosuje się sorpcję na żywicach jonowymiennych i ekstrakcję rozpuszczalnikami organicznymi (fosforan tributylu, kwasy alkilofosforowe, aminy). Następnie z roztworów wytrąca się uran amonu lub sodu lub wodorotlenek u(oh)4 przez dodanie zasady. Aby otrzymać związki o wysokiej czystości, produkty techniczne rozpuszcza się w kwasie azotowym i poddaje operacjom rafinacji, w wyniku czego produkty końcowe wynoszą uo 3 lub u 3 o 8; tlenki te są redukowane w temperaturze 650–800°C za pomocą wodoru lub zdysocjowanego amoniaku do uo 2, a następnie przekształcane do uf 4 przez działanie gazowym fluorowodorem w temperaturze 500–600°C. uf 4 można również otrzymać przez wytrącenie krystalicznego hydratu uf 4 · nh 2 o kwasem fluorowodorowym z roztworów, a następnie odwodnienie produktu w temperaturze 450°C w strumieniu wodoru. W przemyśle główną metodą otrzymywania uranu z uf 4 jest jego redukcja termiczna wapniowa lub magnezowo-termiczna z uzyskiem uranu w postaci wlewków o masie do 1,5 t. Wlewki są rafinowane w piecach próżniowych.
Bardzo ważnym procesem w technologii uranu jest wzbogacanie jego izotopu 235 u powyżej naturalnej zawartości w rudach lub wyodrębnienie tego izotopu w czystej postaci , ponieważ głównym paliwem jądrowym jest 235 u; Odbywa się to metodą termodyfuzji gazowej, odśrodkowej i innymi metodami opartymi na różnicy mas 235 u i 238 u; w procesach separacji uran stosuje się w postaci lotnego sześciofluorku uf 6. Przy otrzymywaniu wysoko wzbogaconego węgla lub izotopów uwzględnia się ich masy krytyczne; najwygodniejszym sposobem w tym przypadku jest redukcja tlenków uranu wapniem; Powstały żużel cao można łatwo oddzielić od węgla poprzez rozpuszczenie w kwasach.
Do otrzymywania sproszkowanego dwutlenku węgla, węglików, azotków i innych związków ogniotrwałych stosuje się metody metalurgii proszków.
Aplikacja. Metal U. lub jego związki stosowane są głównie jako paliwo jądrowe w reaktor nuklearny. W reaktorach stacjonarnych elektrowni jądrowych stosuje się naturalną lub niskowzbogaconą mieszaninę izotopów węgla, w reaktorach stacjonarnych elektrowni jądrowych stosuje się produkt wysoko wzbogacony. elektrownie jądrowe lub w reaktorach na prędkie neutrony. 235 u jest źródłem energii jądrowej w bronie nuklearne. 238u służy jako źródło wtórnego paliwa jądrowego – plutonu.
V. M. Kulifeev.
Uran w organizmie. W śladowych ilościach (10 -5 –10 -5%) występuje w tkankach roślin, zwierząt i ludzi. W popiele roślinnym (o zawartości U w glebie około · 10 -4) jego stężenie wynosi 1,5 · 10 -5%. W największym stopniu uran jest akumulowany przez niektóre grzyby i glony (te ostatnie aktywnie uczestniczą w biogennej migracji uranu wzdłuż łańcucha woda – rośliny wodne – ryby – człowiek). U. przedostaje się do organizmu zwierząt i ludzi wraz z pożywieniem i wodą do przewodu pokarmowego, z powietrzem do dróg oddechowych, a także przez skórę i błony śluzowe. U. związki wchłaniają się w przewodzie pokarmowym - około 1% napływającej ilości związków rozpuszczalnych i nie więcej niż 0,1% trudno rozpuszczalnych; Odpowiednio 50% i 20% wchłania się w płucach. U. jest nierównomiernie rozmieszczony w organizmie. Głównymi magazynami (miejscami odkładania i gromadzenia) są śledziona, nerki, szkielet, wątroba, a przy wdychaniu związków słabo rozpuszczalnych – płuca i węzły chłonne oskrzelowo-płucne. U. (w postaci węglanów i kompleksów z białkami) przez długi czas nie krąży we krwi. Zawartość U w narządach i tkankach zwierząt i ludzi nie przekracza 10 -7 r/r. Zatem krew bydła zawiera 1 10 -8 g/ml, wątroba 8 10 -8 r/r, mięśnie 4 10 -8 r/r,śledziona 9 10 -8 r/r. Zawartość U w narządach człowieka wynosi: w wątrobie 6 10 -9 r/r, w płucach 6 10 -9 –9 10 -9 g/g, w śledzionie 4,7 10 -9 r/r, we krwi 4 10 -9 g/ml, w nerkach 5,3 10 -9 (warstwa korowa) i 1,3 10 -9 r/r(warstwa szpikowa), w kościach 1 10 -9 r/r, w szpiku kostnym 1 10 -9 r/r, we włosach 1,3 10 -7 r/r. U. zawarty w tkance kostnej powoduje jej ciągłe napromienianie (okres półtrwania U. ze szkieletu wynosi około 300 dni) . Najniższe stężenia U występują w mózgu i sercu (10-10 r/r). Dzienne spożycie j. z pożywienia i płynów – 1,9 10 -6 g, s powietrze – 7 10 -9 G. Dzienne wydalanie U z organizmu człowieka wynosi: z moczem 0,5 · 10 -7 –5 · 10 -7, z kałem – 1,4 · 10 -6 –1,8 · 10 -6 g, s włosy – 2 10 -8 g.
Według Międzynarodowej Komisji Ochrony Przed Promieniowaniem średnia zawartość U w organizmie człowieka wynosi 9,10 -8 g. Wartość ta może się różnić w zależności od regionu. Uważa się, że U. jest niezbędny do normalnego życia zwierząt i roślin, ale jego funkcje fizjologiczne nie zostały wyjaśnione.
GP Galibin.
Efekt toksyczny Uran wynika z jego właściwości chemicznych i zależy od rozpuszczalności: uran i inne rozpuszczalne związki uranu są bardziej toksyczne.Zatrucie uranem i jego związkami jest możliwe w przedsiębiorstwach zajmujących się wydobyciem i przetwarzaniem surowców uranowych oraz w innych obiektach przemysłowych, w których jest on stosowany proces technologiczny. Kiedy dostanie się do organizmu, wpływa na wszystkie narządy i tkanki, będąc ogólną trucizną komórkową. Objawy zatrucia wynikają przede wszystkim z uszkodzenie nerek (pojawienie się białka i cukru w moczu, późniejsze skąpomocz) , wpływa również na wątrobę i przewód żołądkowo-jelitowy. Wyróżnia się zatrucia ostre i przewlekłe; te ostatnie charakteryzują się stopniowym rozwojem i mniej nasilonymi objawami. W przypadku przewlekłego zatrucia możliwe są zaburzenia hematopoezy, układu nerwowego itp. Uważa się, że molekularny mechanizm działania U. jest związany z jego zdolnością do tłumienia aktywności enzymów.
Zapobieganie zatruciom: ciągłość procesów technologicznych, stosowanie szczelnych urządzeń, zapobieganie zanieczyszczeniom powietrza, oczyszczanie ścieków przed ich wprowadzeniem do zbiorników wodnych, miód. monitorowanie stanu zdrowia pracowników i przestrzeganie norm higienicznych w zakresie dopuszczalnej zawartości U i jego związków w środowisku.
V. F. Kirillov.
Oświetlony.: Doktryna promieniotwórczości. Historia i nowoczesność, wyd. B. M. Kedrova, M., 1973; Petrosyants A.M., Od badań naukowych do przemysłu nuklearnego, M., 1970; Emelyanov V.S., Evstyukhin A.I., Metalurgia paliwa jądrowego, M., 1964; Sokursky Yu. N., Sterlin Ya. M., Fedorchenko V. A., Uranium and his Alloys, M., 1971; Evseeva L. S., Perelman A. I., Ivanov K. E., Geochemistry of uranium in the hypergenetic area, wyd. 2, M., 1974; Farmakologia i toksykologia związków uranu, [tłum. z języka angielskiego], t. 2, M., 1951; Guskova V.N., Uran. Charakterystyka radiacyjno-higieniczna, M., 1972; Andreeva O. S., Higiena pracy przy pracy z uranem i jego związkami, M., 1960; Novikov Yu V., Zagadnienia higieniczne badania zawartości uranu w środowisku zewnętrznym i jego wpływu na organizm, M., 1974.
Kiedy odkryto radioaktywne pierwiastki układu okresowego, człowiek w końcu wymyślił dla nich zastosowanie. Stało się to w przypadku uranu. Używano go zarówno do celów wojskowych, jak i pokojowych. Przerabiano rudę uranu, powstały pierwiastek wykorzystywano w przemyśle farb i lakierów oraz szkle. Po odkryciu jego radioaktywności zaczęto go stosować. Jak czyste i przyjazne dla środowiska jest to paliwo? To jest nadal przedmiotem dyskusji.
Naturalny uran
Uran nie występuje w przyrodzie w czystej postaci - jest składnikiem rud i minerałów. Głównymi rudami uranu są karnotyt i blenda smołowa. Znaczące złoża tego strategicznego minerału znaleziono także w minerałach ziem rzadkich i torfie - ortycie, tytanicie, cyrkonie, monazycie, ksenotymie. Złoża uranu można znaleźć w skałach o kwaśnym środowisku i wysokim stężeniu krzemu. Jego towarzyszami są kalcyt, galena, molibdenit itp.
Światowe złoża i rezerwy
Do chwili obecnej zbadano wiele złóż w 20-kilometrowej warstwie powierzchni ziemi. Wszystkie zawierają ogromną liczbę ton uranu. Taka ilość może zapewnić ludzkości energię na wiele setek lat. Wiodącymi krajami, w których ruda uranu występuje w największych ilościach, są Australia, Kazachstan, Rosja, Kanada, Republika Południowej Afryki, Ukraina, Uzbekistan, USA, Brazylia, Namibia.
Rodzaje uranu
Radioaktywność określa właściwości pierwiastka chemicznego. Naturalny uran składa się z trzech izotopów. Dwóch z nich jest twórcami serii radioaktywnej. Naturalne izotopy uranu wykorzystuje się do produkcji paliwa do reakcji nuklearnych i broni. Uran-238 służy również jako surowiec do produkcji plutonu-239.
Izotopy uranu U234 są nuklidami potomnymi U238. Są uznawane za najbardziej aktywne i zapewniają silne promieniowanie. Izotop U235 jest 21 razy słabszy, choć z powodzeniem wykorzystuje się go do powyższych celów – posiada zdolność podtrzymywania bez dodatkowych katalizatorów.
Oprócz naturalnych istnieją również sztuczne izotopy uranu. Dziś znanych jest ich 23, najważniejszym z nich jest U233. Wyróżnia się możliwością aktywacji pod wpływem wolnych neutronów, podczas gdy reszta wymaga szybkich cząstek.
Klasyfikacja rudy
Chociaż uran można znaleźć niemal wszędzie – nawet w organizmach żywych – warstwy, w których się znajduje, mogą być różnej wielkości. Od tego zależą również metody ekstrakcji. Rudę uranu klasyfikuje się według następujących parametrów:
- Warunki powstawania - rudy endogeniczne, egzogenne i metamorfogeniczne.
- Mineralizacja uranu obejmuje pierwotne, utlenione i mieszane rudy uranu.
- Kruszywo i wielkość ziaren minerałów - frakcje gruboziarniste, średnioziarniste, drobnoziarniste, drobnoziarniste i rozproszone.
- Przydatność zanieczyszczeń - molibdenu, wanadu itp.
- Skład zanieczyszczeń to węglan, krzemian, siarczek, tlenek żelaza, kaustobiolit.
W zależności od klasyfikacji rudy uranu istnieje metoda ekstrakcji z niej pierwiastka chemicznego. Krzemian poddaje się działaniu różnych kwasów, węglanu - roztworów sody, kaustobiolit wzbogaca się w wyniku spalania, a tlenek żelaza wytapia się w wielkim piecu.
Jak wydobywa się rudę uranu?
Jak w każdym przedsiębiorstwie wydobywczym, istnieje pewna technologia i metody wydobywania uranu ze skały. Wszystko zależy również od tego, który izotop znajduje się w warstwie litosfery. Rudę uranu wydobywa się na trzy sposoby. Ekonomicznie opłacalne jest wyizolowanie pierwiastka ze skały, gdy jego zawartość wynosi 0,05-0,5%. Istnieją metody ekstrakcji kopalniane, kamieniołomowe i ługownicze. Zastosowanie każdego z nich zależy od składu izotopów i głębokości skały. W płytkich złożach możliwe jest wydobycie rudy uranowej w kamieniołomach. Ryzyko narażenia na promieniowanie jest minimalne. Nie ma problemów ze sprzętem - szeroko stosowane są buldożery, ładowarki i wywrotki.
Wydobycie w kopalniach jest bardziej złożone. Metodę tę stosuje się, gdy pierwiastek występuje na głębokości do 2 kilometrów i jest ona opłacalna ekonomicznie. Skała musi zawierać wysokie stężenie uranu, aby nadawała się do wydobycia. Sztolnia zapewnia maksymalne bezpieczeństwo, wynika to ze sposobu wydobywania rudy uranu pod ziemią. Pracownikom zapewnia się specjalną odzież, a godziny pracy są ściśle ograniczone. Kopalnie są wyposażone w windy i wzmocnioną wentylację.
Ługowanie – trzecia metoda – jest najczystszą z punktu widzenia ochrony środowiska i bezpieczeństwa pracowników przedsiębiorstwa górniczego. Przez system studni wierconych pompowany jest specjalny roztwór chemiczny. Rozpuszcza się w formacji i nasyca się związkami uranu. Roztwór jest następnie wypompowywany i przesyłany do zakładów przetwórczych. Metoda ta jest bardziej postępowa, pozwala na redukcję kosztów ekonomicznych, choć istnieje szereg ograniczeń w jej stosowaniu.
Depozyty na Ukrainie
Kraj okazał się szczęśliwym posiadaczem złóż pierwiastka, z którego jest produkowany.Według prognoz ukraińskie rudy uranu zawierają do 235 ton surowca. Obecnie potwierdzone zostały jedynie złoża o masie około 65 ton. Pewna ilość została już opracowana. Część uranu wykorzystano w kraju, a część wyeksportowano.
Za główne złoże uważa się rejon rud uranu Kirowograd. Zawartość uranu jest niska - od 0,05 do 0,1% na tonę skały, więc koszt materiału jest wysoki. W rezultacie powstałe surowce wymieniane są w Rosji na gotowe pręty paliwowe dla elektrowni.
Drugim dużym złożem jest Nowokonstantinowskie. Zawartość uranu w skale pozwoliła obniżyć koszty prawie 2 razy w porównaniu do Kirowogradu. Jednak od lat 90-tych nie prowadzono żadnej zabudowy, wszystkie kopalnie zostały zalane. W związku z pogarszającymi się stosunkami politycznymi z Rosją Ukraina może zostać pozbawiona paliwa
Rosyjska ruda uranu
Pod względem produkcji uranu Federacja Rosyjska zajmuje piąte miejsce wśród innych krajów świata. Najbardziej znane i potężne to Khiagdinskoye, Kolichkanskoye, Istochnoye, Koretkondinskoye, Namarusskoye, Dobrynskoye (Republika Buriacji), Argunskoye, Zherlovoye.W regionie Czyta wydobywa się 93% całego wydobytego rosyjskiego uranu (głównie metodami kamieniołomów i kopalni).
Nieco inaczej sytuacja wygląda w przypadku złóż w Buriacji i Kurganie. Rudy uranu w Rosji w tych regionach są zdeponowane w sposób umożliwiający wydobycie surowców poprzez ługowanie.
W sumie w Rosji przewiduje się złoża 830 ton uranu, a potwierdzonych rezerw jest około 615 ton. Są to także złoża w Jakucji, Karelii i innych regionach. Ponieważ uran jest strategicznym surowcem światowym, liczby mogą być niedokładne, ponieważ większość danych ma charakter tajny i dostęp do nich ma tylko określona kategoria osób.
URAN (nazwany na cześć odkrytej wkrótce wcześniej planety Uran; łac. uran * a. uran; n. Uran; f. uran; i. uranio), U, jest radioaktywnym pierwiastkiem chemicznym III grupy układu okresowego Mendelejewa, liczba atomowa 92, masa atomowa 238,0289, należy do aktynowców. Uran naturalny składa się z mieszaniny trzech izotopów: 238 U (99,282%, T 1/2 4468,10 9 lat), 235 U (0,712%, T 1/2 0,704,10 9 lat), 234 U (0,006%, T 1 /2 0,244,10 6 lat). Znanych jest także 11 sztucznych izotopów promieniotwórczych uranu o liczbach masowych od 227 do 240. 238 U i 235 U są założycielami dwóch naturalnych serii rozpadu, w wyniku których przekształcają się w stabilne izotopy odpowiednio 206 Pb i 207 Pb.
Uran został odkryty w 1789 roku w postaci UO 2 przez niemieckiego chemika M. G. Klaprotha. Uran metaliczny otrzymał w 1841 roku francuski chemik E. Peligot. Przez długi czas uran miał bardzo ograniczone zastosowanie i dopiero wraz z odkryciem radioaktywności w 1896 r. rozpoczęto jego badania i zastosowanie.
Właściwości uranu
W stanie wolnym uran jest jasnoszarym metalem; poniżej 667,7°C charakteryzuje się siecią krystaliczną rombową (a=0,28538 nm, b=0,58662 nm, c=0,49557 nm) (a-modyfikacja), w zakresie temperatur 667,7-774°C - tetragonalną (a = 1,0759 nm , c = 0,5656 nm; modyfikacja G), w wyższej temperaturze - siatka sześcienna skupiona na ciele (a = 0,3538 nm, modyfikacja g). Gęstość 18700 kg/m 3, temperatura topnienia 1135°C, temperatura wrzenia około 3818°C, ciepło molowe 27,66 J/(mol.K), opór elektryczny 29,0.10 -4 (Ohm.m), przewodność cieplna 22, 5 W/(m.K), współczynnik temperaturowy rozszerzalności liniowej 10.7.10 -6 K -1. Temperatura przejścia uranu w stan nadprzewodzący wynosi 0,68 K; słaba paramagnetyczność, specyficzna podatność magnetyczna 1.72.10 -6. Jądra 235 U i 233 U rozszczepiają się samoistnie, a także po wychwyceniu wolnych i szybkich neutronów, rozszczepienie 238 U następuje dopiero po wychwyceniu szybkich (powyżej 1 MeV) neutronów. Kiedy powolne neutrony zostaną wychwycone, 238 U zamienia się w 239 Pu. Masa krytyczna uranu (93,5% 235U) w roztworach wodnych jest mniejsza niż 1 kg, dla otwartej kuli wynosi około 50 kg; dla masy krytycznej 233 U wynosi około 1/3 masy krytycznej 235 U.
Edukacja i utrzymanie w naturze
Głównym konsumentem uranu jest energia jądrowa (reaktory jądrowe, elektrownie jądrowe). Ponadto uran jest wykorzystywany do produkcji broni nuklearnej. Wszystkie pozostałe obszary wykorzystania uranu mają znaczenie ściśle podrzędne.
(według Paulinga)
U←U3+ -1,66V
U←U2+ -0,1V
| U | 92 |
| 238,0289 | |
| 5f 3 6d 1 7s 2 | |
| Uran | |
Uran(stara nazwa Uran) jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 92 w układzie okresowym i masie atomowej 238,029; oznaczony symbolem U ( Uran), należy do rodziny aktynowców.
Fabuła
Już w starożytności (I wiek p.n.e.) do produkcji żółtego szkliwa do ceramiki używano naturalnego tlenku uranu. Badania nad uranem rozwijały się niczym wywołana przez niego reakcja łańcuchowa. Początkowo informacje o jego właściwościach, niczym pierwsze impulsy reakcji łańcuchowej, napływały z długimi przerwami, od przypadku do przypadku. Pierwszą ważną datą w historii uranu jest rok 1789, kiedy niemiecki filozof przyrody i chemik Martin Heinrich Klaproth przywrócił złotożółtą „ziemię” wydobywaną z saksońskiej rudy żywicy do substancji przypominającej czarny metal. Na cześć najdalszej znanej wówczas planety (odkrytej osiem lat wcześniej przez Herschela) Klaproth, uznając nową substancję za pierwiastek, nazwał ją uranem.
Przez pięćdziesiąt lat uran Klaprotha był uważany za metal. Dopiero w 1841 roku Eugene Melchior Peligot, francuski chemik (1811-1890), udowodnił, że pomimo charakterystycznego metalicznego połysku uran Klaprotha nie jest pierwiastkiem, lecz tlenkiem UO 2. W 1840 roku Peligo udało się pozyskać prawdziwy uran, metal ciężki o stalowoszarej barwie i określić jego masę atomową. Kolejny ważny krok w badaniach uranu dokonał w 1874 r. D. I. Mendelejew. Opierając się na opracowanym przez siebie układzie okresowym, umieścił uran w najdalszym ogniwie swojego stołu. Wcześniej uważano, że masa atomowa uranu wynosi 120. Wielki chemik podwoił tę wartość. 12 lat później przewidywania Mendelejewa potwierdziły eksperymenty niemieckiego chemika Zimmermanna.
Badania nad uranem rozpoczęły się w 1896 r.: francuski chemik Antoine Henri Becquerel przypadkowo odkrył promienie Becquerela, które później Marie Curie nazwała radioaktywnością. W tym samym czasie francuskiemu chemikowi Henri Moissanowi udało się opracować metodę wytwarzania czystego uranu metalicznego. W 1899 roku Rutherford odkrył, że promieniowanie preparatów uranu jest niejednorodne, że istnieją dwa rodzaje promieniowania - promienie alfa i beta. Niosą różne ładunki elektryczne; Ich zakres materii i zdolność jonizacji są dalekie od tego samego. Nieco później, w maju 1900 roku, Paul Villar odkrył trzeci rodzaj promieniowania – promienie gamma.
Ernest Rutherford przeprowadził pierwsze eksperymenty w 1907 r. w celu określenia wieku minerałów podczas badania radioaktywnego uranu i toru w oparciu o teorię radioaktywności, którą stworzył wspólnie z Frederickiem Soddym (Soddy, Frederick, 1877-1956; Nagroda Nobla w dziedzinie chemii, 1921). W 1913 roku F. Soddy wprowadził koncepcję izotopy(od greckiego ισος – „równy”, „taki sam” i τόπος – „miejsce”), a w 1920 roku przewidział, że do określenia wieku geologicznego skał będzie można wykorzystać izotopy. W 1928 r. Niggot wprowadził, a w 1939 r. AOK Nier (Nier, Alfred Otto Carl, 1911 - 1994) stworzył pierwsze równania do obliczania wieku i użył spektrometru mas do rozdzielenia izotopów.
W 1939 roku Frederic Joliot-Curie oraz niemieccy fizycy Otto Frisch i Lise Meitner odkryli nieznane zjawisko, które zachodzi w jądrze uranu pod wpływem napromieniania neutronami. Nastąpiło wybuchowe zniszczenie tego rdzenia i utworzenie nowych pierwiastków znacznie lżejszych od uranu. Zniszczenie to miało charakter wybuchowy, fragmenty żywności rozsypały się w różnych kierunkach z ogromną prędkością. W ten sposób odkryto zjawisko zwane reakcją jądrową.
W latach 1939-1940 Yu B. Khariton i Ya B. Zeldovich jako pierwsi teoretycznie wykazali, że przy niewielkim wzbogaceniu uranu naturalnego w uran-235 można stworzyć warunki do ciągłego rozszczepienia jąder atomowych, czyli dać przetworzyć znak łańcuchowy.
Będąc w naturze
Ruda uraninitu
Uran jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie. Clarke'a uranu wynosi 1,10 -3% (wag.). Ilość uranu w warstwie litosfery o grubości 20 km szacuje się na 1,3 · 10 · 14 ton.
Większość uranu występuje w skałach kwaśnych o dużej zawartości krzem. Znaczna masa uranu koncentruje się w skałach osadowych, zwłaszcza wzbogaconych w materię organiczną. Uran występuje w dużych ilościach jako zanieczyszczenie toru i minerałów ziem rzadkich (ortyt, sfen CaTiO 3, monacyt (La,Ce)PO 4, cyrkon ZrSiO 4, ksenotym YPO4 itp.). Najważniejszymi rudami uranu są blenda smołowa (smoła uranowa), uraninit i karnotyt. Głównymi minerałami będącymi satelitami uranu są molibdenit MoS 2, galena PbS, kwarc SiO 2, kalcyt CaCO 3, hydromuskowit itp.
| Minerał | Podstawowy skład minerału | Zawartość uranu,% |
|---|---|---|
| Uraninit | UO 2, UO 3 + ThO 2, CeO 2 | 65-74 |
| Karnotyt | K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 2H 2 O | ~50 |
| Kasolit | PbO 2 UO 3 SiO 2 H 2 O | ~40 |
| Samarskit | (Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th) (Nb, Ta, Ti, Sn) 2 O 6 | 3.15-14 |
| Branneryt | (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 |
| Zapalenie ucha | Ca(UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O | ~50 |
| Schreckingeryt | Ca 3 NaUO 2 (CO 3) 3 SO 4 (OH) 9H 2 O | 25 |
| Uranofany | CaO UO 2 2SiO 2 6H 2 O | ~57 |
| Fergusonit | (Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O 4 | 0.2-8 |
| Torburnit | Cu(UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O | ~50 |
| Trumna | U(SiO 4) 1-x (OH) 4x | ~50 |
Głównymi formami uranu występującymi w przyrodzie są uraninit, blenda smołowa (smo uranowa) i sadza uranowa. Różnią się jedynie formami lokalizacji; istnieje zależność od wieku: uraninit występuje głównie w starożytnych (skałach prekambryjskich), blenda smołowa – wulkanogenna i hydrotermalna – głównie w utworach paleozoiku oraz młodszych, wysoko- i średniotemperaturowych; sadze uranowe – głównie w utworach młodych – kenozoicznych i młodszych – głównie w niskotemperaturowych skałach osadowych.
Zawartość uranu w skorupie ziemskiej wynosi 0,003%, występuje on w powierzchniowej warstwie ziemi w postaci czterech rodzajów złóż. Po pierwsze, istnieją żyły uraninitu, czyli paku uranowego (dwutlenek uranu UO2), bardzo bogatego w uran, ale rzadkiego. Towarzyszą im bowiem złoża radu rad jest bezpośrednim produktem rozpadu izotopowego uranu. Takie żyły znajdują się w Zairze w Kanadzie (Wielkie Jezioro Niedźwiedzie), Republika Czeska I Francja. Drugim źródłem uranu są konglomeraty toru i rud uranu wraz z rudami innych ważnych minerałów. Konglomeraty zwykle zawierają ilości wystarczające do ekstrakcji złoto I srebro, a pierwiastkami towarzyszącymi są uran i tor. Duże złoża tych rud znajdują się w Kanadzie, Republice Południowej Afryki, Rosji i Australia. Trzecim źródłem uranu są skały osadowe i piaskowce bogate w mineralny karnotyt (uranylowanadan potasu), który oprócz uranu zawiera znaczną ilość wanad i inne elementy. Rudy takie występują w stanach zachodnich USA. Czwartym źródłem osadów są łupki żelazowo-uranowe i rudy fosforanowe. Bogate złoża znalezione w łupkach Szwecja. Niektóre rudy fosforanowe w Maroku i Stanach Zjednoczonych zawierają znaczne ilości uranu i złóż fosforanów Angola i Republika Środkowoafrykańska są jeszcze bogatsze w uran. Większość węgla brunatnego i niektóre węgle zawierają zwykle zanieczyszczenia uranem. W Północnej i Południowej Dakocie (USA) odkryto złoża węgla brunatnego bogatego w uran oraz węgli bitumicznych Hiszpania I Republika Czeska
Izotopy uranu
Naturalny uran składa się z mieszaniny trzech izotopy: 238 U - 99,2739% (okres półtrwania T 1/2 = 4,468×10 9 lat), 235 U - 0,7024% ( T 1/2 = 7,038×10 8 lat) i 234 U – 0,0057% ( T 1/2 = 2,455×10 5 lat). Ten ostatni izotop nie jest izotopem pierwotnym, ale radiogennym; należy do radioaktywnej serii 238 U.
Radioaktywność uranu naturalnego wynika głównie z izotopów 238 U i 234 U; w równowadze ich aktywności właściwe są równe. Aktywność właściwa izotopu 235 U w uranie naturalnym jest 21 razy mniejsza niż aktywność 238 U.
Znanych jest 11 sztucznych izotopów promieniotwórczych uranu o liczbach masowych od 227 do 240. Najdłużej żyjący z nich to 233 U ( T 1/2 = 1,62×10 5 lat) otrzymuje się przez napromieniowanie toru neutronami i jest zdolny do spontanicznego rozszczepienia pod wpływem neutronów termicznych.
Izotopy uranu 238 U i 235 U są przodkami dwóch szeregów radioaktywnych. Ostatnimi elementami tych szeregów są izotopy Ołów 206 Pb i 207 Pb.
W warunkach naturalnych najczęstszymi izotopami są 234 U: 235 U : 238 U= 0,0054: 0,711: 99,283. Połowa radioaktywności naturalnego uranu wynika z jego izotopu 234 U. Izotop 234 U powstaje w wyniku rozpadu 238 U. Dwie ostatnie, w przeciwieństwie do innych par izotopów i niezależnie od dużej zdolności migracyjnej uranu, charakteryzują się stałą geograficzną stosunku. Wielkość tego stosunku zależy od wieku uranu. Liczne pomiary terenowe wykazały jego niewielkie wahania. Zatem w bułkach wartość tego stosunku w stosunku do normy waha się w granicach 0,9959 – 1,0042, w solach – 0,996 – 1,005. W minerałach zawierających uran (smoła, sadza uranowa, cyrtolit, rudy metali ziem rzadkich) wartość tego stosunku waha się od 137,30 do 138,51; Ponadto nie ustalono różnicy pomiędzy formami U IV i U VI; w kuli - 138,4. W niektórych meteorytach wykryto niedobór izotopów 235 U. Najniższe jego stężenie w warunkach lądowych odkrył w 1972 roku francuski badacz Bujigues w miejscowości Oklo w Afryce (złoże w Gabonie). Zatem normalny uran zawiera 0,7025% uranu 235 U, podczas gdy w Oklo jest on zredukowany do 0,557%. Potwierdziło to hipotezę o naturalnym reaktorze jądrowym prowadzącym do spalenia izotopów, przewidywaną przez George’a W. Wetherilla z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles i Marka G. Inghrama z Uniwersytetu w Chicago oraz Paula K. Kurody, chemika z Uniwersytetu w Los Angeles. Arkansas opisał ten proces w 1956 roku. Ponadto naturalne reaktory jądrowe znaleziono w tych samych dzielnicach: Okelobondo, Bangombe itp. Obecnie znanych jest około 17 naturalnych reaktorów jądrowych.
Paragon
Pierwszym etapem produkcji uranu jest koncentracja. Skała jest kruszona i mieszana z wodą. Ciężkie elementy zawieszenia osiadają szybciej. Jeśli skała zawiera pierwotne minerały uranu, wytrącają się one szybko: są to minerały ciężkie. Minerały uranu wtórnego są lżejsze, w takim przypadku ciężkie skały płonne osiadają wcześniej. (Jednak nie zawsze jest naprawdę pusty; może zawierać wiele przydatnych pierwiastków, w tym uran).
Kolejnym etapem jest ługowanie koncentratów, przeniesienie uranu do roztworu. Stosuje się ługowanie kwasowe i zasadowe. Pierwszy jest tańszy, ponieważ do ekstrakcji uranu używa się kwasu siarkowego. Ale jeśli w surowcu, takim jak uran smoła, uran jest w stanie czterowartościowym, wówczas ta metoda nie ma zastosowania: czterowartościowy uran jest praktycznie nierozpuszczalny w kwasie siarkowym. W takim przypadku należy albo zastosować ługowanie alkaliczne, albo wstępnie utlenić uran do stanu sześciowartościowego.
Ługowania kwasem nie stosuje się także w przypadku, gdy koncentrat uranu zawiera dolomit lub magnezyt, które reagują z kwasem siarkowym. W takich przypadkach użyj sody kaustycznej (wodorotlenek sód).
Problem ługowania uranu z rud rozwiązuje się poprzez wdmuchiwanie tlenu. Strumień tlenu doprowadza się do mieszaniny rudy uranu i minerałów siarczkowych podgrzanej do temperatury 150°C. W tym przypadku z minerałów siarkowych powstaje kwas siarkowy, który wypłukuje uran.
W kolejnym etapie uran należy selektywnie wyizolować z powstałego roztworu. Nowoczesne metody - ekstrakcja i wymiana jonowa - mogą rozwiązać ten problem.
Roztwór zawiera nie tylko uran, ale także inne kationy. Niektóre z nich pod pewnymi warunkami zachowują się tak samo jak uran: są ekstrahowane tymi samymi rozpuszczalnikami organicznymi, osadzane na tych samych żywicach jonowymiennych i wytrącają się w tych samych warunkach. Dlatego, aby selektywnie wyizolować uran, konieczne jest zastosowanie wielu reakcji redoks, aby na każdym etapie pozbyć się tego czy innego niepożądanego towarzysza. W nowoczesnych żywicach jonowymiennych uran jest uwalniany bardzo selektywnie.
Metody wymiana jonowa i ekstrakcja Są również dobre, ponieważ pozwalają na całkowitą ekstrakcję uranu ze słabych roztworów (zawartość uranu wynosi dziesiąte części grama na litr).
Po tych operacjach uran przekształca się w stan stały - w jeden z tlenków lub w tetrafluorek UF 4. Ale ten uran nadal wymaga oczyszczenia z zanieczyszczeń o dużym przekroju wychwytu neutronów termicznych - bor, kadm, hafnia. Ich zawartość w produkcie końcowym nie powinna przekraczać stu tysięcznych i milionowych procenta. Aby usunąć te zanieczyszczenia, handlowo czysty związek uranu rozpuszcza się w kwasie azotowym. Powstaje w tym przypadku azotan uranylu UO 2 (NO 3) 2, który podczas ekstrakcji fosforanem tributylu i niektórymi innymi substancjami poddaje się dalszemu oczyszczaniu do wymaganych standardów. Następnie substancję tę krystalizuje się (lub wytrąca się nadtlenek UO 4·2H 2 O) i ostrożnie kalcynuje. W wyniku tej operacji powstaje trójtlenek uranu UO 3, który ulega redukcji wodorem do UO 2.
Dwutlenek uranu UO 2 poddaje się działaniu suchego fluorowodoru w temperaturach od 430 do 600 °C w celu wytworzenia tetrafluorku UF 4. Z tego związku odzyskuje się uran metaliczny za pomocą wapń Lub magnez.
Właściwości fizyczne
Uran jest bardzo ciężkim, srebrzystobiałym i błyszczącym metalem. W czystej postaci jest nieco bardziej miękki od stali, plastyczny, elastyczny i ma niewielkie właściwości paramagnetyczne. Uran ma trzy formy alotropowe: alfa (pryzmatyczna, stabilna do 667,7 °C), beta (tetragonalna, stabilna od 667,7 °C do 774,8 °C), gamma (o strukturze sześciennej skupionej wokół ciała, istniejąca od 774,8 °C do temperatury topnienia).
Właściwości radioaktywne niektórych izotopów uranu (podkreślono izotopy naturalne):
Właściwości chemiczne
Uran może wykazywać stopnie utlenienia od +III do +VI. Związki uranu(III) tworzą niestabilne czerwone roztwory i są silnymi środkami redukującymi:
4UCl 3 + 2H 2O → 3UCl 4 + UO 2 + H2
Związki uranu(IV) są najbardziej stabilne i tworzą zielone roztwory wodne.
Związki uranu (V) są niestabilne i łatwo dysproporcjonalne w roztworze wodnym:
2UO 2 Cl → UO 2 Cl 2 + UO 2
Chemicznie uran jest metalem bardzo aktywnym. Szybko utleniając się na powietrzu, pokrywa się tęczową warstwą tlenku. Drobny proszek uranu zapala się samoistnie w powietrzu, zapala się w temperaturze 150-175 ° C, tworząc U 3 O 8. W temperaturze 1000 ° C uran łączy się z azotem, tworząc żółty azotek uranu. Woda może powodować korozję metalu, powoli w niskich temperaturach i szybko w wysokich temperaturach, a także gdy proszek uranu jest drobno zmielony. Uran rozpuszcza się w kwasach solnym, azotowym i innych, tworząc czterowartościowe sole, ale nie wchodzi w interakcje z zasadami. Uran przemieszcza się wodór z kwasów nieorganicznych i roztworów soli metali takich jak rtęć, srebro, miedź, cyna, platynaIzłoto. Po energicznym wstrząśnięciu cząstki metalu uranu zaczynają świecić. Uran ma cztery stopnie utlenienia - III-VI. Związki sześciowartościowe obejmują trójtlenek uranu (tlenek uranylu) UO 3 i chlorek uranu uranylu UO 2 Cl 2 . Czterochlorek uranu UCl 4 i dwutlenek uranu UO 2 są przykładami czterowartościowego uranu. Substancje zawierające czterowartościowy uran są zwykle niestabilne i stają się sześciowartościowe pod wpływem długotrwałego kontaktu z powietrzem. Sole uranylu, takie jak chlorek uranylu, rozkładają się w obecności jasnego światła lub materii organicznej.
Aplikacja
Paliwo jądrowe
Największą aplikacją jest izotop uran 235 U, w którym możliwa jest samopodtrzymująca jądrowa reakcja łańcuchowa. Dlatego izotop ten jest wykorzystywany jako paliwo w reaktorach jądrowych, a także w broni jądrowej. Izolacja izotopu U 235 z uranu naturalnego jest złożonym problemem technologicznym (patrz rozdział izotopów).
Izotop U 238 ma zdolność rozszczepienia pod wpływem bombardowania neutronami o dużej energii, co wykorzystuje się do zwiększenia mocy broni termojądrowej (wykorzystuje się neutrony powstałe w wyniku reakcji termojądrowej).
W wyniku wychwytu neutronów, po którym następuje rozpad β, 238 U można przekształcić w 239 Pu, który następnie wykorzystuje się jako paliwo jądrowe.
Uran-233, sztucznie wytwarzany w reaktorach z toru (tor-232 wychwytuje neutron i zamienia się w tor-233, który rozpada się na protaktyn-233, a następnie na uran-233), może w przyszłości stać się powszechnym paliwem jądrowym dla energetyki jądrowej elektrownie (już teraz istnieją reaktory wykorzystujące ten nuklid jako paliwo, np. KAMINI w Indiach) i produkcję bomb atomowych (masa krytyczna około 16 kg).
Uran-233 jest także najbardziej obiecującym paliwem do nuklearnych silników rakietowych w fazie gazowej.
Geologia
Głównym zastosowaniem uranu jest określanie wieku minerałów i skał w celu ustalenia kolejności procesów geologicznych. Tym właśnie zajmuje się geochronologia i geochronologia teoretyczna. Niezbędne jest także rozwiązanie problemu mieszania i źródeł materii.
Rozwiązanie problemu opiera się na równaniach rozpadu promieniotwórczego opisanych tymi równaniami.
Gdzie 238 Uo, 235 U o— współczesne stężenia izotopów uranu; ; — stałe rozpadu atomy uranu 238 U I 235 U.
Ich połączenie jest bardzo ważne:
.
Ze względu na to, że skały zawierają różne stężenia uranu, mają różną radioaktywność. Właściwość tę wykorzystuje się przy identyfikacji skał metodami geofizycznymi. Metoda ta jest najszerzej stosowana w geologii ropy naftowej podczas badań geofizycznych odwiertów, kompleks ten obejmuje w szczególności rejestrację γ lub rejestrację neutronów gamma, rejestrację gamma-gamma itp. Za ich pomocą identyfikuje się zbiorniki i uszczelnienia.
Inne aplikacje
Niewielki dodatek uranu nadaje szkłu piękną żółto-zieloną fluorescencję (szkło uranowe).
Uran sodu Na 2 U 2 O 7 stosowano jako żółty pigment w malarstwie.
Związki uranu stosowano jako farby do malowania porcelany oraz do szkliw i emalii ceramicznych (malowane w kolorach: żółtym, brązowym, zielonym i czarnym, w zależności od stopnia utlenienia).
Niektóre związki uranu są światłoczułe.
Na początku XX wieku azotan uranylu szeroko stosowany do wzmacniania negatywów i kolorowych (odcieni) pozytywów (odbitek fotograficznych) w kolorze brązowym.
Węglik uranu-235 stopiony z węglikiem niobu i węglikiem cyrkonu stosowany jest jako paliwo do nuklearnych silników odrzutowych (płyn roboczy - wodór + heksan).
Stopy żelaza i zubożonego uranu (uran-238) są stosowane jako materiały o silnym działaniu magnetostrykcyjnym.
Wyczerpany uran
Wyczerpany uran
Po wyekstrahowaniu 235 U i 234 U z naturalnego uranu, pozostały materiał (uran-238) nazywany jest „uranem zubożonym”, ponieważ jest zubożony w izotop 235. Według niektórych danych w Stanach Zjednoczonych magazynowanych jest około 560 000 ton zubożonego sześciofluorku uranu (UF 6).
Uran zubożony jest o połowę mniej radioaktywny niż uran naturalny, głównie ze względu na usunięcie z niego 234 U. Ponieważ głównym zastosowaniem uranu jest produkcja energii, uran zubożony jest produktem o niskim zużyciu i niskiej wartości ekonomicznej.
Jego zastosowanie wiąże się głównie z dużą gęstością uranu i jego stosunkowo niskim kosztem. Zubożony uran jest używany do ochrony przed promieniowaniem (jak na ironię) i jako balast w zastosowaniach lotniczych i kosmicznych, takich jak powierzchnie sterowe samolotów. Każdy samolot Boeing 747 zawiera do tych celów 1500 kg zubożonego uranu. Materiał ten jest również stosowany w szybkoobrotowych wirnikach żyroskopowych, dużych kołach zamachowych, jako balast w lądownikach kosmicznych i jachtach regatowych oraz podczas wiercenia szybów naftowych.
Rdzenie pocisków przeciwpancernych
Końcówka (wkładka) pocisku kalibru 30 mm (działa GAU-8 samolotu A-10) o średnicy około 20 mm wykonana jest ze zubożonego uranu.
Najbardziej znanym zastosowaniem zubożonego uranu są rdzenie pocisków przeciwpancernych. Po dodaniu stopu 2% Mo lub 0,75% Ti i obróbce cieplnej (szybkie hartowanie metalu podgrzanego do 850°C w wodzie lub oleju, dalsze utrzymywanie w temperaturze 450°C przez 5 godzin) uran metaliczny staje się twardszy i mocniejszy niż stal (wytrzymałość na rozciąganie wytrzymałość jest większa 1600 MPa, mimo że dla czystego uranu jest to 450 MPa). W połączeniu z dużą gęstością sprawia to, że sztabka utwardzanego uranu jest niezwykle skutecznym przebijakiem pancerza, podobnym pod względem skuteczności do droższego wolframu. Końcówka z ciężkiego uranu zmienia również rozkład masy pocisku, poprawiając jego stabilność aerodynamiczną.
Podobne stopy typu Stabilla stosowane są w pociskach z ukośnymi żebrami do dział artylerii czołgowej i przeciwpancernej.
Procesowi niszczenia pancerza towarzyszy rozdrobnienie świni uranowej na pył i jego zapłon w powietrzu po drugiej stronie pancerza (patrz Piroforyczność). Podczas operacji Pustynna Burza na polu bitwy pozostało około 300 ton zubożonego uranu (głównie pozostałości 30-milimetrowych pocisków armaty GAU-8 z samolotu szturmowego A-10, każdy pocisk zawierający 272 g stopu uranu).
Pociski tego typu były używane przez wojska NATO w działaniach bojowych na terenie Jugosławii. Po ich zastosowaniu omówiono środowiskowy problem skażenia radiacyjnego terytorium kraju.
Uran został po raz pierwszy użyty jako rdzeń pocisków w Trzeciej Rzeszy.
Zubożony uran jest używany w opancerzeniu nowoczesnych czołgów, takich jak czołg M-1 Abrams.
Działanie fizjologiczne
Występuje w mikroilościach (10–5–10–8%) w tkankach roślin, zwierząt i ludzi. W największym stopniu kumuluje się w niektórych grzybach i glonach. Związki uranu wchłaniają się w przewodzie pokarmowym (około 1%), w płucach - 50%. Główne magazyny w organizmie: śledziona, nerki, szkielet, wątroba, płuca i węzły chłonne oskrzelowo-płucne. Zawartość w narządach i tkankach ludzi i zwierząt nie przekracza 10–7 g.
Uran i jego związki toksyczny. Szczególnie niebezpieczne są aerozole uranu i jego związków. W przypadku aerozoli rozpuszczalnych w wodzie związków uranu MPC w powietrzu wynosi 0,015 mg/m3, dla nierozpuszczalnych form uranu MPC wynosi 0,075 mg/m3. Kiedy uran dostanie się do organizmu, wpływa na wszystkie narządy, będąc ogólną trucizną komórkową. Molekularny mechanizm działania uranu jest związany z jego zdolnością do tłumienia aktywności enzymów. Dotyczy to przede wszystkim nerek (białko i cukier pojawiają się w moczu, skąpomocz). W przypadku przewlekłego zatrucia możliwe są zaburzenia hematopoezy i układu nerwowego.
Produkcja według kraju w tonach według zawartości U w latach 2005-2006.
Produkcja według firmy w 2006 roku:
Cameco – 8,1 tys. ton
Rio Tinto – 7 tysięcy ton
AREVA - 5 tysięcy ton
Kazatomprom – 3,8 tys. ton
JSC TVEL - 3,5 tys. ton
BHP Billiton – 3 tysiące ton
Navoi MMC - 2,1 tys. ton ( Uzbekistan, Navoi)
Uran One - 1 tysiąc ton
Heathgate - 0,8 tys. ton
Kopalnie Denison - 0,5 tys. ton
Produkcja w Rosji
W ZSRR głównymi regionami rud uranu były Ukraina (złoża Żeltoreczenskoje, Perwomajskoje itp.), Kazachstan (północno - złoża rudy Bałkaszyn itp.; Południe - złoże Kyzyłsaj itp.; Wostoczny; wszystkie należą głównie do typ wulkanogenno-hydrotermalny); Transbaikalia (Antey, Streltsovskoe itp.); Azja Środkowa, głównie Uzbekistan z mineralizacją w czarnych łupkach, skupioną w mieście Uchkuduk. Istnieje wiele małych zjawisk i przejawów rudy. W Rosji głównym regionem złóż rud uranu pozostaje Transbaikalia. Około 93% rosyjskiego uranu wydobywa się ze złoża w rejonie Czyty (w pobliżu miasta Krasnokamensk). Wydobycie prowadzone jest metodą szybową przez Stowarzyszenie Górniczo-Chemiczne Priargunskoye Production Mining and Chemical Association (PPMCU), które jest częścią OJSC Atomredmetzoloto (Uranium Holding).
Pozostałe 7% uzyskiwane jest w drodze podziemnego ługowania przez JSC Dalur (region Kurgan) i JSC Khiagda (Buryacja).
Powstałe rudy i koncentrat uranu są przetwarzane w Zakładzie Mechanicznym w Czepetsku.
Produkcja w Kazachstanie
Około jednej piątej światowych zasobów uranu koncentruje się w Kazachstanie (21% i 2. miejsce na świecie). Całkowite zasoby uranu wynoszą około 1,5 miliona ton, z czego około 1,1 miliona ton można wydobyć w drodze ługowania na miejscu.
W 2009 roku Kazachstan zajął pierwsze miejsce na świecie w produkcji uranu.
Produkcja na Ukrainie
Głównym przedsiębiorstwem jest Wschodni Zakład Górniczo-Przetwórczy w mieście Żowe Wody.
Cena
Pomimo panujących legend o kosztach dziesiątek tysięcy dolarów za kilogram, a nawet gram uranu, jego rzeczywista cena na rynku nie jest zbyt wysoka – niewzbogacony tlenek uranu U 3 O 8 kosztuje niecałe 100 dolarów za kilogram. Wynika to z faktu, że do uruchomienia reaktora jądrowego wykorzystującego niewzbogacony uran potrzebne są dziesiątki, a nawet setki ton paliwa, a do wyprodukowania broni jądrowej trzeba wzbogacić dużą ilość uranu, aby uzyskać stężenia odpowiednie do wytworzenia bomby