Уран, химический элемент: история открытия и реакция деления ядра. Уран элемент. Свойства, добыча, применение и цена урана

Уран не очень типичный актиноид, известно пять его валентных состояний - от 2+ до 6+ . Некоторые соединения урана имеют характерную окраску. Так, растворы трехвалентного урана - красного цвета, четырехвалентного - зеленого, а шестивалентный уран - он существует в форме уранил-иона (UO 2) 2+ - окрашивает растворы в желтый цвет... Тот факт, что шестивалентный уран образует соединения со многими органическими комплексообразователями, оказался очень важным для технологии извлечения элемента № 92.

Характерно, что внешняя электронная оболочка ионов урана всегда заполнена целиком; валентные электроны находятся в предыдущем электронном слое, в подоболочке 5f. Если сравнивать уран с другими элементами, то очевидно, что больше всего на него похож плутоний. Основное различие между ними - большой ионный радиус урана. Кроме того, плутоний наиболее устойчив в четырехвалентном состоянии, а уран - в шестивалентном. Это помогает разделить их, что очень важно: ядерное горючее плутоний-239 получают исключительно из урана, балластного с точки зрения энергетики урана-238. Плутоний образуется в массе урана, и их надо разделить!

Впрочем, раньше нужно получить эту самую массу урана, пройдя длинную технологическую цепочку, начинающуюся с руды. Как правило, многокомпонентной, бедной ураном руды.

Легкий изотоп тяжелого элемента

Рассказывая о получении элемента № 92, мы умышленно опустили одну важную стадию. Как известно, не всякий уран способен поддерживать цепную ядерную реакцию. Уран-238, на долю которого в природной смеси изотопов приходится 99,28%, на это не способен. Из-за того и превращают в плутоний уран-238, а природную смесь изотопов урана стремятся либо разделить, либо обогатить изотопом уран-235, способным делиться тепловыми нейтронами.

Способов разделения урана-235 и урана-238 разработано немало. Чаще всего пользуются методом газовой диффузии. Суть его в том, что если через пористую перегородку пропускать смесь двух газов, то легкий будет проходить быстрее. Еще в 1913 г. Ф. Астон таким путем частично разделил изотопы неона .

Большинство соединений урана при нормальных условиях - твердые тела и в газообразное состояние могут быть переведены только при очень высоких температурах, когда ни о каких тонких процессах разделения изотопов не может идти и речи. Однако бесцветное соединение урана с фтором - гексафторид UF 6 возгоняется уже при 56,5°С (при атмосферном давлении). UF 6 - самое летучее соединение урана, и оно лучше всего подходит для разделения его изотопов методом газовой диффузии.

Гексафториду урана свойственна большая химическая активность. Коррозия труб, насосов, емкостей, взаимодействие со смазкой механизмов - небольшой, но внушительный перечень неприятностей, которые пришлось преодолеть создателям диффузионных заводов. Встретились трудности и посерьезнее.

Гексафторид урана, получаемый фторированием естественной смеси изотопов урана, с «диффузионной» точки зрения можно рассматривать как смесь двух газов с очень близкими молекулярными массами - 349 (235+19*6) и 352 (238+19*6). Максимальный теоретический коэффициент разделения на одной диффузионной ступени для газов, столь незначительно отличающихся по молекулярной массе, равен всего 1,0043. В реальных условиях эта величина еще меньше. Получается, что повысить концентрацию урана-235 от 0,72 до 99% можно только с помощью нескольких тысяч диффузионных ступеней. Поэтому заводы по разделению изотопов урана занимают территорию в несколько десятков гектаров. Площадь пористых перегородок в разделительных каскадах заводов - величина примерно того же порядка.

Коротко о других изотопах урана

В естественный уран, кроме урана-235 и урана-238, входит уран-234. Содержание этого редкого изотопа выражается числом с четырьмя нулями после запятой. Гораздо доступнее искусственный изотоп - уран-233. Его получают, облучая в нейтронном потоке ядерного реактора торий:

232 90 Th + 10n → 233 90 Th -β-→ 233 91 Pa -β-→ 233 92 U
По всем правилам ядерной физики уран-233, как изотоп нечетный, делится тепловыми нейтронами. И самое главное, в реакторах с ураном-233 может происходить (и происходит) расширенное воспроизводство ядерного горючего. В обычном реакторе на тепловых нейтронах! Расчеты показывают, что при выгорании в ториевом реакторе килограмма урана-233 в нем же должно накопиться 1,1 кг нового урана-233. Чудо, да и только! Сожгли килограмм горючего, а горючего-то не убавилось.

Впрочем, подобные чудеса возможны лишь с ядерным горючим.

Уран-ториевый цикл в реакторах на тепловых нейтронах - главный конкурент уран-плутониевого цикла воспроизводства ядерного горючего в реакторах на быстрых нейтронах... Собственно, только из-за этого отнесли к числу стратегических материалов элемент № 90 - торий.

Другие искусственные изотопы урана не играют заметной роли. Стоит упомянуть еще лишь об уране-239 - первом изотопе в цепи превращений уран-238 плутоний-239. Его период полураспада всего 23 минуты.

Изотопы урана с массовым числом больше 240 в современных реакторах не успевают образоваться. Слишком мало время жизни урана-240, и он распадается, не успев захватить нейтрон.

В сверхмощных нейтронных потоках термоядерного взрыва ядро урана за миллионную долю секунды успевает захватить до 19 нейтронов. При этом рождаются изотопы урана с массовыми числами от 239 до 257. Об их существовании узнали по появлению в продуктах термоядерного взрыва далеких трансурановых элементов - потомков тяжелых изотопов урана. Сами «основатели рода» слишком неустойчивы к бета-распаду и переходят в высшие элементы задолго до извлечения продуктов ядерных реакций из перемешанной взрывом породы.

В современных тепловых реакторах сгорает уран-235. В уже существующих реакторах на быстрых нейтронах освобождается энергия ядер распространенного изотопа - урана-238, и если энергия - подлинное богатство, то урановые ядра уже в недалеком будущем облагодетельствуют человечество: энергия элемента N° 92 станет основой нашего существования.

Жизненно важно сделать так, чтобы уран и его производные сгорали только в атомных реакторах мирных энергетических установок, сгорали медленно, без дыма и пламени.

ЕЩЕ ОДИН ИСТОЧНИК УРАНА. В наши дни им стала морская вода. Уже действуют опытно-промышленные установки для извлечения урана из воды специальными сорбентами: окисью титана или акриловым волокном, обработанным определенными реактивами.

КТО СКОЛЬКО. В начале 80-х годов производство урана в капиталистических странах составляло около 50 000 г в год (в пересчете на U3Os). Примерно треть этого количества давала промышленность США. На втором месте - Канада, далее ЮАР. Нигор, Габон, Намибия. Из европейских стран больше всего урана и его соединений производит Франция, однако ее доля была почти в семь раз меньше, чем США.

НЕТРАДИЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Хотя не лишено оснований утверждение о том, что в наши дни химия урана и плутония изучена лучше, чем химия таких традиционных элементов, как железо, однако и в наши дни химики получают новые урановые соединения. Так, в 1977 г. журнал «Радиохимия» т. XIX, вып. 6 сообщил о двух новых соединениях уранила. Их состав - MU02(S04)2-SH20, где М - ион двухвалентного марганца или кобальта. О том, что новые соединения - именно двойные соли, а не смесь двух похожих солей, свидетельствовали рентгенограммы.

Уран - химический элемент семейства актиноидов с атомным номером 92. Является важнейшим ядерным топливом. Его концентрация в земной коре составляет около 2 частей на миллион. К важным урановым минералам относятся окись урана (U 3 O 8), уранинит (UO 2), карнотит (уранил-ванадат калия), отенит (уранил-фосфат калия) и торбернит (водный фосфат меди и уранила). Эти и другие урановые руды являются источниками ядерного топлива и содержат во много раз больше энергии, чем все известные извлекаемые месторождения ископаемого топлива. 1 кг урана 92 U дает столько же энергии, сколько 3 млн кг угля.

История открытия

Химический элемент уран - плотный, твердый металл серебристо-белого цвета. Он пластичный, ковкий и поддается полировке. В воздухе метал окисляется и в измельченном состоянии загорается. Относительно плохо проводит электричество. Электронная формула урана - 7s2 6d1 5f3.

Хотя элемент был обнаружен в 1789 г. немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом, который назвал его в честь недавно открытой планеты Уран, сам металл был изолирован в 1841 г. французским химиком Эженом-Мельхиором Пелиго путем восстановления из тетрахлорида урана (UCl 4) калием.

Радиоактивность

Создание периодической системы российским химиком Дмитрием Менделеевым в 1869 году сосредоточило внимание на уране как на самом тяжелом из известных элементов, которым он оставался до открытия нептуния в 1940 г. В 1896-м французский физик Анри Беккерель обнаружил в нем явление радиоактивности. Это свойство позже было найдено во многих других веществах. Теперь известно, что радиоактивный во всех его изотопах уран состоит из смеси 238 U (99,27 %, период полураспада - 4 510 000 000 лет), 235 U (0,72 %, период полураспада - 713 000 000 лет) и 234 U (0,006 %, период полураспада - 247 000 лет). Это позволяет, например, определять возраст горных пород и минералов для изучения геологических процессов и возраста Земли. Для этого в них измеряется количество свинца, который является конечным продуктом радиоактивного распада урана. При этом 238 U является исходным элементом, а 234 U - один из продуктов. 235 U порождает ряд распада актиния.

Открытие цепной реакции

Химический элемент уран стал предметом широкого интереса и интенсивного изучения после того, как немецкие химики Отто Хан и Фриц Штрассман в конце 1938 г. при его бомбардировке медленными нейтронами обнаружили в нем ядерное деление. В начале 1939 г. американский физик итальянского происхождения Энрико Ферми предположил, что среди продуктов расщепления атома могут быть элементарные частицы, способные породить цепную реакцию. В 1939 г. американские физики Лео Сциллард и Герберт Андерсон, а также французский химик Фредерик Жолио-Кюри и их коллеги подтвердили это предсказание. Последующие исследования показали, что в среднем при делении атома высвобождается 2,5 нейтрона. Эти открытия привели к первой самоподдерживающейся цепной ядерной реакции (02.12.1942), первой атомной бомбе (16.07.1945), первому ее использованию в ходе военных действий (06.08.1945), первой атомной подводной лодке (1955) и первой полномасштабной атомной электростанции (1957).

Состояния окисления

Химический элемент уран, являясь сильным электроположительным металлом, реагирует с водой. Он растворяется в кислотах, но не в щелочах. Важными состояниями окисления являются +4 (как в оксиде UO 2 , тетрагалогенидах, таких как UCl 4 , и зеленом водном ионе U 4+) и +6 (как в оксиде UO 3 , гексафториде UF 6 и ионе уранила UO 2 2+). В водном растворе уран наиболее устойчив в составе иона уранила, обладающего линейной структурой [О = U = О] 2+ . Элемент также имеет состояния +3 и +5, но они неустойчивы. Красный U 3+ медленно окисляется в воде, которая не содержит кислорода. Цвет иона UO 2 + неизвестен, поскольку он претерпевает диспропорционирование (UO 2 + одновременно сводится к U 4+ и окисляется до UO 2 2+) даже в очень разбавленных растворах.

Ядерное топливо

При воздействии медленных нейтронов деление атома урана происходит в относительно редком изотопе 235 U. Это единственный природный расщепляющийся материал, и он должен быть отделен от изотопа 238 U. Вместе с тем после поглощения и отрицательного бета-распада уран-238 превращается в синтетический элемент плутоний, который расщепляется под действием медленных нейтронов. Поэтому природный уран можно использовать в реакторах-преобразователях и размножителях, в которых деление поддерживается редким 235 U и одновременно с трансмутацией 238 U производится плутоний. Из широко распространенного в природе изотопа тория-232 может быть синтезирован делящийся 233 U для использования в качестве ядерного топлива. Уран также важен как первичный материал, из которого получают синтетические трансурановые элементы.

Другие применения урана

Соединения химического элемента ранее использовались в качестве красителей для керамики. Гексафторид (UF 6) представляет собой твердое вещество с необычно высоким давлением паров (0,15 атм = 15 300 Па) при 25 °C. UF 6 химически очень реактивный, но, несмотря на его коррозионную природу в парообразном состоянии, UF 6 широко используется в газодиффузионных и газоцентрифужных методах получения обогащенного урана.

Металлоорганические соединения представляют собой интересную и важную группу соединений, в которых связи металл-углерод соединяют металл с органическими группами. Ураноцен является органоураническим соединением U(С 8 Н 8) 2 , в котором атом урана зажат между двумя слоями органических колец, связанными с циклооктатетраеном C 8 H 8 . Его открытие в 1968 г. открыло новую область металлоорганической химии.

Обедненный природный уран применяется в качестве средства радиационной защиты, балласта, в бронебойных снарядах и танковой броне.

Переработка

Химический элемент, хотя и очень плотный (19,1 г/см 3), является относительно слабым, невоспламеняющимся веществом. Действительно, металлические свойства урана, по-видимому, позиционируют его где-то между серебром и другими истинными металлами и неметаллами, поэтому его не используют в качестве конструкционного материала. Основная ценность урана заключается в радиоактивных свойствах его изотопов и их способности делиться. В природе почти весь (99,27 %) металл состоит из 238 U. Остальную часть составляют 235 U (0,72 %) и 234 U (0,006 %). Из этих естественных изотопов только 235 U непосредственно расщепляется нейтронным облучением. Однако при его поглощении 238 U образует 239 U, который в конечном итоге распадается на 239 Pu - делящийся материал, имеющий большое значение для атомной энергетики и ядерного оружия. Другой делящийся изотоп, 233 U, может образоваться нейтронным облучением 232 Th.

Кристаллические формы

Характеристики урана обусловливают его реакцию с кислородом и азотом даже в нормальных условиях. При более высоких температурах он вступает в реакцию с широким спектром легирующих металлов, образуя интерметаллические соединения. Образование твердых растворов с другими металлами происходит редко из-за особых кристаллических структур, образованных атомами элемента. Между комнатной температурой и температурой плавления 1132 °C металлический уран существует в 3 кристаллических формах, известных как альфа (α), бета (β) и гамма (γ). Трансформация из α- в β-состояние происходит при 668 °C и от β до γ - при 775 °C. γ-уран имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую структуру, а β - тетрагональную. α-фаза состоит из слоев атомов в высокосимметричной орторомбической структуре. Эта анизотропная искаженная структура препятствует атомам легирующих металлов заменять атомы урана или занимать пространство между ними в кристаллической решетке. Обнаружено, что твердые растворы образуют только молибден и ниобий.

Руды

Земная кора содержит около 2 частей урана на миллион, что говорит о его широком распространении в природе. По оценкам, океаны содержат 4,5 × 10 9 т этого химического элемента. Уран является важной составляющей более чем 150 различных минералов и второстепенным компонентом еще 50. Первичные минералы, обнаруженные в магматических гидротермальных жилах и в пегматитах, включают уранинит и его разновидность настуран. В этих рудах элемент встречается в форме диоксида, который вследствие окисления может варьироваться от UO 2 до UO 2,67 . Другой экономически значимой продукцией урановых рудников являются аутунит (гидратированный уранилфосфат кальция), тобернит (гидратированный уранилфосфат меди), коффинит (черный гидратированный силикат урана) и карнотит (гидратированный уранил-ванадат калия).

По оценкам, более 90 % известных недорогих запасов урана приходится на Австралию, Казахстан, Канаду, Россию, Южную Африку, Нигер, Намибию, Бразилию, КНР, Монголию и Узбекистан. Большие месторождения находятся в конгломератных скальных образованиях озера Эллиот, расположенного к северу от озера Гурон в Онтарио, Канада, и в южноафриканском золотом прииске Витватерсранде. Песчаные образования на плато Колорадо и в Вайомингском бассейне западной части США также содержатся значительные запасы урана.

Добыча

Урановые руды встречаются как в приповерхностных, так и глубоких (300-1200 м) отложениях. Под землей мощность пласта достигает 30 м. Как и в случае с рудами других металлов, добыча урана на поверхности производится крупным землеройным оборудованием, а разработка глубоких отложений - традиционными методами вертикальных и наклонных шахт. Мировое производство уранового концентрата в 2013 г. составило 70 тыс. т. Наиболее продуктивные урановые рудники расположены в Казахстане (32 % всей добычи), Канаде, Австралии, Нигере, Намибии, Узбекистане и России.

Урановые руды обычно включают лишь небольшое количество ураносодержащих минералов, и они не поддаются плавке прямыми пирометаллургическими методами. Вместо этого для извлечения и очистки урана должны использоваться гидрометаллургические процедуры. Повышение концентрации значительно снижает нагрузку на контуры обработки, но ни один из обычных способов обогащения, обычно используемых для переработки полезных ископаемых, например гравитационный, флотация, электростатический и даже ручная сортировка, неприменимы. За немногими исключениями эти методы приводят к значительной потере урана.

Обжиг

Гидрометаллургической обработке урановых руд часто предшествует высокотемпературная стадия кальцинирования. Обжиг обезвоживает глину, удаляет углеродистые материалы, окисляет соединения серы до безобидных сульфатов и окисляет любые другие восстановители, которые могут мешать последующей обработке.

Выщелачивание

Из обожженных руд уран извлекается как кислотными, так и щелочными водными растворами. Для успешного функционирования всех систем выщелачивания химический элемент должен либо первоначально присутствовать в более стабильной 6-валентной форме, либо окисляться до этого состояния в процессе обработки.

Кислотное выщелачивание обычно проводят путем перемешивания смеси руды и выщелачивателя в течение 4-48 ч при температуре окружающей среды. За исключением особых обстоятельств используется серная кислота. Ее подают в количествах, достаточных для получения конечного щелока при рН 1,5. Схемы выщелачивания серной кислоты обычно используют либо диоксид марганца, либо хлорат для окисления четырехвалентного U 4+ до 6-валентного уранила (UO 2 2+). Как правило, для окисления U 4+ достаточно примерно 5 кг двуокиси марганца или 1,5 кг хлората натрия на тонну. В любом случае окисленный уран реагирует с серной кислотой с образованием уранилсульфатного комплексного аниона 4- .

Руда, содержащая значительное количество основных минералов, таких как кальцит или доломит, выщелачивается 0,5-1-молярным раствором карбоната натрия. Хотя были изучены и протестированы различные реагенты, основным окислителем урана является кислород. Обычно руда выщелачиваются на воздухе при атмосферном давлении и при температуре 75-80 °C в течение периода времени, который зависит от конкретного химического состава. Щелочь реагирует с ураном с образованием легкорастворимого комплексного иона 4- .

Перед дальнейшей обработкой растворы, образующиеся в результате кислотного или карбонатного выщелачивания, должны быть осветлены. Крупномасштабное разделение глин и других рудных шламов осуществляется за счет использования эффективных хлопьеобразующих агентов, в том числе полиакриламидов, гуаровой смолы и животного клея.

Экстракция

Сложные ионы 4- и 4- могут быть сорбированы из их соответствующих выщелачивающих растворов ионообменных смол. Эти специальные смолы, характеризующиеся кинетикой их сорбции и элюирования, размером частиц, стабильностью и гидравлическими свойствами, могут использоваться в различных технологиях обработки, например в неподвижном и подвижном слое, методом ионообменной смолы в пульпе корзинного и непрерывного типа. Обычно для элюирования сорбированного урана используют растворы хлорида натрия и аммиака или нитратов.

Уран можно выделить из кислых рудных щелоков путем экстракции растворителем. В промышленности используются алкилфосфорные кислоты, а также вторичные и третичные алкиламины. Как правило, экстракция растворителем предпочтительна по сравнению с ионообменными методами для кислотных фильтратов, содержащих более 1 г/л урана. Однако этот метод не применяется при карбонатном выщелачивании.

Затем уран очищают, растворяя в азотной кислоте с образованием уранилнитрата, экстрагируют, кристаллизуют и прокаливают с образованием трехокиси UO 3 . Восстановленный диоксид UO2 реагирует с фтористым водородом с образованием тетафторида UF4, из которого металлический уран восстанавливается магнием или кальцием при температуре 1300 °C.

Тетрафторид можно фторировать при температуре 350 °C до образования гексафторида UF 6 , используемого для отделения обогащенного урана-235 методом газовой диффузии, газового центрифугирования или жидкой термодиффузии.

(по Полингу) 1.38 U←U 4+ -1.38В
U←U 3+ -1.66В
U←U 2+ -0.1В 6, 5, 4, 3 Термодинамические свойства 19.05 / ³ 0.115 /( ·) 27.5 /( ·) 1405.5 12.6 / 4018 417 / 12.5 ³/ Кристаллическая решётка орторомбическая 2.850 Отношение c/a n/a n/a

История

Ещё в древнейшие времена (I-й век до нашей эры) природная урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для .

Уран был открыт в 1789 немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом (Klaproth) при исследовании минерала («урановая смолка»). Назван им в честь , открытой в 1781. В металлическом состоянии уран получен в 1841 французским химиком Эженом Пелиго при восстановлении UCl 4 металлическим калием. урана обнаружил в 1896 француз . Первоначально урану приписывали 116, но в 1871 пришел к выводу, что ее надо удвоить. После открытия элементов с атомными номерами от 90 до 103 американский химик Г.Сиборг пришел к выводу, что эти элементы () правильнее располагать в периодической системе в одной клетке с элементом № 89 . Такое расположение связано с тем, что у актиноидов происходит достройка 5f-электронного подуровня.

Нахождение в природе

Уран - характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Содержание в земной коре 2,5 10 -4 % по массе. В морской воде концентрация урана менее 10 -9 г/л, всего в морской воде содержится от 10 9 до 10 10 тонн урана. В свободном виде уран в земной коре не встречается. Известно около 100 минералов урана, важнейшие из них U 3 O 8 , уранинит (U,Th)O 2 , урановая смоляная руда (содержит оксиды урана переменного состава) и тюямунит Ca[(UO 2) 2 (VO 4) 2 ] 8H 2 O.

Изотопы

Природный Уран состоит из смеси трёх изотопов: 238 U - 99,2739%, период полураспада T 1 / 2 = 4,51Ї10 9 лет, 235 U - 0,7024% (T 1 / 2 = 7,13Ї10 8 лет) и 234 U - 0,0057% (T 1 / 2 = 2,48Ї10 5 лет).

Известно 11 искусственных радиоактивных изотопов с массовыми числами от 227 до 240.

Наиболее долгоживущий - 233 U (T 1 / 2 = 1,62Ї10 5 лет) получается при облучении тория нейтронами.

Изотопы урана 238 U и 235 U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов.

Получение

Самая первая стадия уранового производства - концентрирование. Породу дробят и смешивают с водой. Тяжелые компоненты взвеси осаждаются быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они осаждаются быстро: это тяжелые минералы. Вторичные минералы элемента № 92 легче, в этом случае раньше оседает тяжелая пустая порода. (Впрочем, далеко не всегда она действительно пустая; в ней могут быть многие полезные элементы, в том числе и уран).

Следующая стадия - выщелачивание концентратов, перевод элемента № 92 в раствор. Применяют кислотное и щелочное выщелачивание. Первое - дешевле, поскольку для извлечения урана используют . Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке , уран находится в четырехвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырехвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. И либо нужно прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Не применяют кислотное выщелачивание и в тех случаях, если урановый концентрат содержит или . Слишком много кислоты приходится тратить на их растворение, и в этих случаях лучше воспользоваться ( ).

Проблему выщелачивания урана из решает кислородная продувка. В нагретую до 150 °C смесь урановой руды с минералами подают поток . При этом из сернистых минералов образуется , которая и вымывает уран.

На следующем этапе из полученного раствора нужно избирательно выделить уран. Современные методы - и - позволяют решить эту проблему.

Раствор содержит не только уран, но и другие . Некоторые из них в определенных условиях ведут себя так же, как уран: экстрагируются теми же растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. Поэтому для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, чтобы на каждой стадии избавляться от того или иного нежелательного попутчика. На современных ионообменных смолах уран выделяется весьма селективно.

Методы ионного обмена и экстракции хороши еще и тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов, в литре которых лишь десятые доли грамма элемента № 92.

После этих операций уран переводят в твердое состояние - в один из оксидов или в тетрафторид UF 4 . Но этот уран еще надо очистить от примесей с большим сечением захвата тепловых нейтронов - , . Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Вот и приходится уже полученный технически чистый продукт еще раз растворять - на этот раз в . Уранилнитрат UO 2 (NO 3) 2 при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций. Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO 4 ·2H 2 O) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трехокись урана UO 3 , которую восстанавливают до UO 2 .

Это вещество - предпоследнее на пути от руды к металлу. При температуре от 430 до 600 °C оно реагирует с сухим фтористым водородом и превращается в тетрафторид UF 4 . Именно из этого соединения обычно получают металлический уран. Получают с помощью или обычным .

Физические свойства

Уран очень тяжелый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667.7 °C), бета (четырехугольная, стабильна от 667.7 до 774.8 °C), гамма (с объемно центрированной кубической структурой, существующей от 774.8 °C до точки плавления).

Химические свойства

Химическая активность металлического урана высока. На воздухе он покрывается радужной пленкой . Порошкообразный уран , он самовозгорается при температуре 150-175 °C. При сгорании урана и термическом разложении многих его соединений на воздухе образуется оксид урана U 3 O 8 . Если этот оксид нагревать в атмосфере при температуре выше 500 °C, образуется UO 2 . При сплавлении оксидов урана с оксидами других металлов образуются уранаты: К 2 UO 4 (уранат калия), СаUO 4 (уранат кальция), Na 2 U 2 O 7 (диуранат натрия).

Применение

Ядерное топливо

Наибольшее применение имеет урана 235 U, в котором возможна самоподдерживающаяся . Поэтому этот изотоп используется как топливо в , а также в (критическая масса около 48 кг). Выделение изотопа U 235 из природного урана - сложная технологическая проблема, (см. ). Изотоп U 238 способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности (используются нейтроны, порожденные термоядерной реакцией). В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом 238 U может превращаться в 239 , который затем используется как ядерное топливо.

Уран-233 искуственно получаемый в реакторах (посредством облучения нейтронами и превращающегося в и затем в уран-233) является ядерным топливом для атомных электростанций и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг). Уран-233 так же наиболее перспективное топливо для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Другие сферы применения

• Небольшая добавка урана придаёт красивый зеленовато-жёлтый оттенок стеклу.
• Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело - водород+гексан).
• Сплавы железа и обедненного урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.
• В начале ХХ века уранилнитрат широко применялся в качестве вирирующего агента для получения тонированных фотографических отпечатков.

Обеднённый уран

После извлечения U-235 из природного урана, оставшийся материал носит название «обедненный уран», так как он обеднен 235-ым изотопом. По некоторым данным в США хранится около 560 000 тонн обедненного гексафторида урана (UF 6). Обедненный уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счет удаления из него U-234. Из-за того, что основное использование урана - производство энергии, обедненный уран бесполезный продукт с низкой экономическое ценностью.

В основном его использование связано с большой плотностью урана и относительно низкой его стоимостью: использование его для радиационной защиты (как это не странно) и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолете содержится 1500 кг обедненного урана для этих целей. Еще этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.

Сердечники бронебойных снарядов

Самое известное применение урана - в качестве сердечников для американских . При сплавлении с 2% или 0.75% и термической обработке (быстрая закалка разогретого до 850 °С металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450 °С 5 часов) металлический уран становится тверже и прочнее (прочность на разрыв больше 1600 МПа, при том, что у чистого урана он равен 450 МПа). В сочетании с большой плотностью, это делает закаленную урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому . Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль урановой болванки и воспламенением ее на воздухе с другой стороны брони. Около 300 тонн обедненного урана остались на поле боя во время операции «Буря в Пустыне» (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолетов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава).

Такие снаряды были использованы войсками НАТО в боевых действиях на территории Югославии. После их применения обсуждалась экологическая проблема радиационного загрязнения территории страны.

Обедненный уран используется в современной танковой броне, например, танка .

Физиологическое действие

В микроколичествах (10 -5 -10 -8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких - 50 %. Основные депо в организме: селезенка, и бронхо-легочные . Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10 -7 г.

Уран и его соединения токсичны . Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м 3 , для нерастворимых форм урана 0,075 мг/м 3 . При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность . В первую очередь поражаются (появляются белок и сахар в моче, ). При хронической возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Добыча урана в мире

Согласно «Красной книге по урану», выпущенной , в 2005 добыто 41250 тонн урана (в 2003 - 35492 тонны). Согласно данным ОЭСР, в мире функционирует 440 коммерческого назначения, которые потребляют в год 67 тыс. тонн урана. Это означает, что его производство обеспечивает лишь 60 % объема его потребления (остальное извлекается из старых ядерных боеголовок).

Добыча по странам в тоннах по содержанию U на 2005-2006 гг.

Добыча в России

Остальные 7 % получают методом подземного выщелачивания ЗАО «Далур» () и ОАО «Хиагда» ().

Полученные руды и урановый концентрат перерабатываются на Чепецком механическом заводе.

См. также

Ссылки

УРАН (химический элемент) УРАН (химический элемент)

УРА́Н (лат. Uranium), U (читается «уран»), радиоактивный химический элемент с атомным номером 92, атомная масса 238,0289. Актиноид. Природный уран состоит из смеси трех изотопов: 238 U, 99,2739%, с периодом полураспада Т 1/2 = 4,51·10 9 лет, 235 U, 0,7024%, с периодом полураспада Т 1/2 = 7,13·10 8 лет, 234 U, 0,0057%, с периодом полураспада Т 1/2 = 2,45·10 5 лет. 238 U (уран-I, UI) и 235 U (актиноуран, АсU) являются родоначальниками радиоактивных рядов. Из 11 искусственно полученных радионуклидов с массовыми числами 227-240 долгоживущий 233 U (Т 1/2 = 1,62·10 5 лет), он получается при нейтронном облучении тория (см. ТОРИЙ) .
Конфигурация трех внешних электронных слоев 5s 2 p 6 d 10 f 3 6s 2 p 6 d 1 7 s 2 , уран относится к f -элементам. Расположен в IIIB группе в 7 периоде периодической системы элементов. В соединениях проявляет степени окисления +2, +3, +4, +5 и +6, валентности II, III, IV, V и VI.
Радиус нейтрального атома урана 0,156 нм, радиус ионов: U 3 + - 0,1024 нм, U 4 + - 0,089 нм, U 5 + - 0,088 нм и U 6+ - 0,083 нм. Энергии последовательной ионизации атома 6,19, 11,6, 19,8, 36,7 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,22.
История открытия
Уран был открыт в 1789 немецким химиком М. Г. Клапротом (см. КЛАПРОТ Мартин Генрих) при исследовании минерала «смоляной обманки». Назван им в честь планеты Уран, открытой У. Гершелем (см. ГЕРШЕЛЬ) в 1781. В металлическом состоянии уран получен в 1841 французским химиком Э. Пелиго (см. ПЕЛИГО Эжен Мелькьор) при восстановлении UCl 4 металлическим калием. Радиоактивные свойства урана обнаружил в 1896 француз А. Беккерель (см. БЕККЕРЕЛЬ Антуан Анри) .
Первоначально урану приписывали атомную массу 116, но в 1871 Д. И. Менделеев (см. МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович) пришел к выводу, что ее надо удвоить. После открытия элементов с атомными номерами от 90 до 103 американский химик Г. Сиборг (см. СИБОРГ Гленн Теодор) пришел к выводу, что эти элементы (актиноиды) (см. АКТИНОИДЫ) правильнее располагать в периодической системе в одной клетке с элементом №89 актинием. Такое расположение связано с тем, что у актиноидов происходит достройка 5f -электоронного подуровня.
Нахождение в природе
Уран - характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Содержание в земной коре 2,5·10 -4 % по массе. В морской воде концентрация урана менее 10 -9 г/л, всего в морской воде содержится от 10 9 до 10 10 тонн урана. В свободном виде уран в земной коре не встречается. Известно около 100 минералов урана, важнейшие из них настуран U 3 O 8 , уранинит (см. УРАНИНИТ) (U,Th)O 2 , урановая смоляная руда (содержит оксиды урана переменного состава) и тюямунит Ca[(UO 2) 2 (VO 4) 2 ]·8H 2 O.
Получение
Уран получают из урановых руд, содержащих 0,05-0,5% U. Извлечение урана начинается с получения концентрата. Руды выщелачивают растворами серной, азотной кислот или щелочью. В полученном растворе всегда содержатся примеси других металлов. При отделении от них урана, используют различия в их окислительно-восстановительных свойствах. Окислительно-восстановительные процессы сочетают с процессами ионного обмена и экстракции.
Из полученного раствора уран извлекают в виде оксида или тетрафторида UF 4 , методом металлотермии:
UF 4 + 2Mg = 2MgF 2 + U
Образовавшийся уран содержит в незначительных количествах примеси бор (см. БОР (химический элемент)) , кадмий (см. КАДМИЙ) и некоторых других элементов, так называемых реакторных ядов. Поглощая образующиеся при работе ядерного реактора нейтроны, они делают уран непригодным для использования в качестве ядерного горючего.
Чтобы избавиться от примесей, металлический уран растворяют в азотной кислоте, получая уранилнитрат UO 2 (NO 3) 2 . Уранилнитрат экстрагируют из водного раствора трибутилфосфатом. Продукт очистки из экстракта снова переводят в оксид урана или в тетрафторид, из которых вновь получают металл.
Часть урана получают регенерацией отработавшего в реакторе ядерного горючего. Все операции по регенерации урана проводят дистанционно.
Физические и химические свойства
Уран - серебристо-белый блестящий металл. Металлический уран существует в трех аллотропических (см. АЛЛОТРОПИЯ) модификациях. До 669°C устойчива a-модификация с орторомбической решеткой, параметры а = 0,2854нм, в = 0,5869 нм и с = 0,4956 нм, плотность 19,12 кг/дм 3 . От 669°C до 776°C устойчива b-модификация с тетрагональной решеткой (параметры а = 1,0758 нм, с = 0,5656 нм). До температуры плавления 1135°C устойчива g-модификация с кубической объемно-центрированной решеткой (а = 0,3525 нм). Температура кипения 4200°C.
Химическая активность металлического урана высока. На воздухе он покрывается пленкой оксида. Порошкообразный уран пирофорен, при сгорании урана и термическом разложении многих его соединений на воздухе образуется оксид урана U 3 O 8 . Если этот оксид нагревать в атмосфере водорода (см. ВОДОРОД) при температуре выше 500°C, образуется диоксид урана UO 2:
U 3 O 8 + Н 2 = 3UO 2 + 2Н 2 О
Если уранилнитрат UO 2 (NO 3) 2 нагреть при 500°C, то, разлагаясь, он образует триоксид урана UO 3 . Кроме оксидов урана стехиометрического состава UO 2 , UO 3 и U 3 О 8 , известен оксид урана состава U 4 O 9 и несколько метастабильных оксидов и оксидов переменного состава.
При сплавлении оксидов урана с оксидами других металлов образуются уранаты: К 2 UO 4 (уранат калия), СаUO 4 (уранат кальция), Na 2 U 2 O 7 (диуранат натрия).
Взаимодействуя с галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) , уран дает галогениды урана. Среди них гексафторид UF 6 представляет собой желтое кристаллическое вещество, легко сублимирующееся даже при слабом нагревании (40-60°C) и столь же легко гидролизующееся водой. Важнейшее практическое значение имеет гексафторид урана UF 6 . Получают его взаимодействием металлического урана, оксидов урана или UF 4 с фтором или фторирующими агентами BrF 3 , СCl 3 F (фреон-11) или ССl 2 F 2 (фреон-12):
U 3 O 8 + 6CCl 2 F 2 = UF 4 + 3COCl 2 + CCl 4 + Cl 2
UF 4 + F 2 = UF 6
или
U 3 O 8 + 9F 2 = 3UF 6 + 4O 2
Известны фториды и хлориды, отвечающие степеням окисления урана +3, +4, +5 и +6. Получены бромиды урана UBr 3 , UBr 4 и UBr 5 , а также иодиды урана UI 3 и UI 4 . Синтезированы такие оксигалогениды урана, как UO 2 Cl 2 UOCl 2 и другие.
При взаимодействии урана с водородом образуется гидрид урана UH 3 , обладающий высокой химической активностью. При нагревании гидрид разлагается, образуя водород и порошкообразный уран. При спекании урана с бором возникают, в зависимости от молярного отношения реагентов и условий проведения процесса, бориды UB 2 , UB 4 и UB 12 .
С углеродом (см. УГЛЕРОД) уран образует три карбида UC, U 2 C 3 и UC 2 .
Взаимодействием урана с кремнием (см. КРЕМНИЙ) получены силициды U 3 Si, U 3 Si 2 , USi, U 3 Si 5 , USi 2 и U 3 Si 2 .
Получены нитриды урана (UN, UN 2 , U 2 N 3) и фосфиды урана (UP, U 3 P 4 , UP 2). С серой (см. СЕРА) уран образует ряд сульфидов: U 3 S 5 , US, US 2 , US 3 и U 2 S 3 .
Металлический уран растворяется в HCl и HNO 3 , медленно реагирует с H 2 SO 4 и H 3 PO 4 . Возникают соли, содержащие катион уранила UO 2 2+ .
В водных растворах существуют соединения урана в степенях окисления от +3 до +6. Стандартный окислительный потенциал пары U(IV)/U(III) - 0,52 B, пары U(V)/U(IV) 0,38 B, пары U(VI)/U(V) 0,17 B, пары U(VI)/U(IV) 0,27. Ион U 3+ в растворе неустойчив, ион U 4+ стабилен в отсутствие воздуха. Катион UO 2 + нестабилен и в растворе диспропорционирует на U 4+ и UO 2 2+ . Ионы U 3+ имеют характерную красную окраску, ионы U 4+ - зеленую, ионы UO 2 2+ - желтую.
В растворах наиболее устойчивы соединения урана в степени окисления +6. Все соединения урана в растворах склонны к гидролизу и комплексообразованию, наиболее сильно - катионы U 4+ и UO 2 2+ .
Применение
Металлический уран и его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах. Малообогащенная смесь изотопов урана применяется в стационарных реакторах атомных электростанций. Продукт высокой степени обогащения - в ядерных реакторах, работающих на быстрых нейтронах. 235 U яыляется источником ядерной энергии в ядерном оружии. 238 U служит источником вторичного ядерного горючего - плутония.
Физиологическое действие
В микроколичествах (10 -5 -10 -8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1%), в легких - 50%. Основные депо в организме: селезенка, почки, скелет, печень, легкие и бронхо-легочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10 -7 гг.
Уран и его соединения высокотоксичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м 3 , для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м 3 . При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "УРАН (химический элемент)" в других словарях:

U (Uran, uranium; при О = 16 атомн. вес U = 240) элемент с наибольшим атомным весом; все элементы, по атомному весу, помещаются между водородом и ураном. Это тяжелейший член металлической подгруппы VI группы периодической системы (см. Хром,… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Уран (U) Атомный номер 92 Внешний вид простого вещества Свойства атома Атомная масса (молярная масса) 238.0289 а. е. м. (г/моль) … Википедия

Уран (лат. Uranium), U, радиоактивный химический элемент III группы периодической системы Менделеева, относится к семейству актиноидов, атомный номер 92, атомная масса 238,029; металл. Природный У. состоит из смеси трёх изотопов: 238U √ 99,2739%… … Большая советская энциклопедия

Уран (хим. элемент) - УРАН (Uranium), U, радиоактивный химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 92, атомная масса 238,0289; относится к актиноидам; металл, tпл 1135°C. Уран главный элемент атомной энергетики (ядерное топливо), используется в… … Иллюстрированный энциклопедический словарь Википедия

- (греч. uranos небо). 1) бог неба, отец Сатурна, старейший из богов, по греч. мифол. 2) редкий металл, имеющий в чистом состоянии вид серебристых листочков. 3) большая планета, открытая Гершелем в 1781 г. Словарь иностранных слов, вошедших в… … Словарь иностранных слов русского языка

Уран:* Уран (мифология) древнегреческий бог. Сын Геи * Уран (планета) планета Солнечной системы * Уран (музыкальный инструмент) древнетюркский и казахский музыкальный духовой инструмент * Уран (элемент) химический элемент * Операция… … Википедия

- (Uranium), U, радиоактивный химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 92, атомная масса 238,0289; относится к актиноидам; металл, tпл 1135шC. Уран главный элемент атомной энергетики (ядерное топливо), используется в… … Современная энциклопедия

Ещё в древнейшие времена (I век до нашей эры) природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики . Первая важная дата в истории урана - 1789 год , когда немецкий натурфилософ и химик Мартин Генрих Клапрот восстановил извлечённую из саксонской смоляной руды золотисто-жёлтую «землю» до чёрного металлоподобного вещества. В честь самой далёкой из известных тогда планет (открытой Гершелем восемью годами раньше) Клапрот, считая новое вещество элементом , назвал его ураном (этим он хотел поддержать предложение Иоганна Боде назвать новую планету «Уран» вместо «Звезда Георга», как предложил Гершель). Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом . Только в 1841 г. французский химик Эжен Мелькиор Пелиго (англ. ) (1811-1890)) доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а оксид UO 2 . В 1840 г. Пелиго удалось получить настоящий уран - тяжёлый металл серо-стального цвета - и определить его атомный вес. Следующий важный шаг в изучении урана сделал в 1874 г. Д. И. Менделеев . Опираясь на разработанную им периодическую систему , он поместил уран в самой дальней клетке своей таблицы . Прежде атомный вес урана считали равным 120. Великий химик удвоил это значение. Через 12 лет предвидение Менделеева было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана .

В 1896 г., исследуя уран, французский химик Антуан Анри Беккерель случайно открыл лучи Беккереля, которые позже Мария Кюри переименовала в радиоактивность . В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ получения чистого металлического урана. В 1899 г. Резерфорд обнаружил, что излучение урановых препаратов неоднородно, что есть два вида излучения - альфа- и бета-лучи . Они несут различный электрический заряд ; далеко не одинаковы их пробег в веществе и ионизирующая способность. Чуть позже, в мае 1900 г., Поль Вийар открыл третий вид излучения - гамма-лучи .

Эрнест Резерфорд провёл в 1907 г. первые опыты по определению возраста минералов при изучении радиоактивных урана и тория на основе созданной им совместно с Фредериком Содди (Soddy, Frederick, 1877-1956; Нобелевская премия по химии, 1921) теории радиоактивности. В 1913 г. Ф. Содди ввёл понятие об изотопах (от др.-греч. ἴσος - «равный», «одинаковый», и τόπος - «место»), а в 1920 г. предсказал, что изотопы можно использовать для определения геологического возраста горных пород . В 1928 г. Ниггот реализовал, а в 1939 г. A. O. К. Нир (Nier, Alfred Otto Carl, 1911-1994) создал первые уравнения для расчёта возраста и применил масс-спектрометр для разделения изотопов.

Месторождения

Содержание урана в земной коре составляет 0,0003 %, он встречается в поверхностном слое земли в виде четырёх разновидностей отложений. Во-первых, это жилы уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO 2), очень богатые ураном, но редко встречающиеся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие жилы встречаются в Демократической Республике Конго , Канаде (Большое Медвежье озеро), Чехии и Франции . Вторым источником урана являются конгломераты ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов. Конгломераты обычно содержат достаточные для извлечения количества золота и серебра , а сопутствующими элементами становятся уран и торий. Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и Австралии . Третьим источником урана являются осадочные породы и песчаники , богатые минералом карнотитом (уранил-ванадат калия), который содержит, кроме урана, значительное количество ванадия и других элементов. Такие руды встречаются в западных штатах США . Железоурановые сланцы и фосфатные руды составляют четвёртый источник отложений. Богатые отложения обнаружены в глинистых сланцах Швеции . Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, а фосфатные залежи в Анголе и Центральноафриканской Республике ещё более богаты ураном. Большинство лигнитов и некоторые угли обычно содержат примеси урана. Богатые ураном отложения лигнитов обнаружены в Северной и Южной Дакоте (США) и битумных углях Испании и Чехии .

В слое литосферы толщиной 20 км содержится ~ 10 14 т, в морской воде 10 9 -10 10 т. Россия по запасам урана, с учетом резервных месторождений, занимает третье место в мире (после Австралии и Казахстана). В месторождениях России содержится почти 550 тыс.т запасов урана, или немногим менее 10 % его мировых запасов; около 63 % их сосредоточено в Республике Саха (Якутия). Основными месторождениями урана в России являются: Стрельцовское, Октябрьское, Антей, Мало-Тулукуевское, Аргунское молибден-урановые в вулканитах (Читинская область), Далматовское урановое в песчаниках (Курганская область), Хиагдинское урановое в песчаниках (Республика Бурятия), Южное золото-урановое в метасоматитах и Северное урановое в метасоматитах (Республика Якутия) . Кроме того, выявлено и оценено множество более мелких урановых месторождений и рудопроявлений .

Изотопы

Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана (выделены природные изотопы) :

Природный уран состоит из смеси трёх изотопов : 238 U (изотопная распространённость 99,2745 %, период полураспада T 1/2 = 4,468·10 9 лет), 235 U (0,7200 %, T 1/2 = 7,04·10 8 лет) и 234 U (0,0055 %, T 1/2 = 2,455·10 5 лет) . Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда 238 U.

В природных условиях распространены в основном изотопы 234 U, 235 U и 238 U с относительным содержанием 234 U: 235 U: 238 U = 0,0054: 0,711: 99,283 . Почти половина радиоактивности природного урана обусловлена изотопом 234 U, который, как уже отмечено, образуется в ходе распада 238 U. Для отношения содержаний 235 U: 238 U в отличие от других пар изотопов и независимо от высокой миграционной способности урана характерно географическое постоянство: 235 U/ 238 U = 137,88 . Величина этого отношения в природных образованиях не зависит от их возраста. Многочисленные натурные измерения показали его незначительные колебания. Так в роллах величина этого отношения относительно эталона изменяется в пределах 0,9959-1,0042 , в солях - 0,996-1,005 . В урансодержащих минералах (настуран, урановая чернь, циртолит, редкоземельные руды) величина этого отношения колеблется в пределах 137,30 - 138,51; причём различие между формами U IV и U VI не установлено ; в сфене - 138,4 . В отдельных метеоритах выявлен недостаток изотопа 235 U. Наименьшая его концентрация в земных условиях найдена в 1972 г. французским исследователем Бужигесом в местечке Окло в Африке (месторождение в Габоне). Так, в природном уране содержится 0,720 % урана 235 U, тогда как в Окло оно уменьшается до 0,557 % . Это послужило подтверждением гипотезы о существовании природного ядерного реактора , который стал причиной выгорания изотопа 235 U. Гипотеза была высказана Джорджем Ветриллом (George W. Wetherill) из Калифорнийского университета в Лос­-Анджелесе, Марком Ингрэмом (Mark G. Inghram) из Чикагского университета и Полом Курода (Paul K. Kuroda), химиком из Университета Арканзаса, ещё в 1956 г. описавшим процесс . Кроме этого, в этих же округах найдены природные ядерные реакторы: Окелобондо, Бангомбе (Bangombe) и др. В настоящее время известно 17 природных ядерных реакторов.

Получение

Самая первая стадия уранового производства - концентрирование. Породу дробят и смешивают с водой. Тяжёлые компоненты взвеси осаждаются быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они осаждаются быстро: это тяжёлые минералы. Вторичные минералы урана легче, в этом случае раньше оседает тяжёлая пустая порода. (Впрочем, далеко не всегда она действительно пустая; в ней могут быть многие полезные элементы, в том числе и уран).

Следующая стадия - выщелачивание концентратов, перевод урана в раствор. Применяют кислотное и щелочное выщелачивание. Первое - дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту . Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке , уран находится в четырёхвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырёхвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. В этом случае нужно либо прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Не применяют кислотное выщелачивание и в тех случаях, если урановый концентрат содержит доломит или магнезит , реагирующие с серной кислотой. В этих случаях пользуются едким натром (гидроксидом натрия).

Проблему выщелачивания урана из руд решает кислородная продувка. В нагретую до 150 °C смесь урановой руды с сульфидными минералами подают поток кислорода . При этом из сернистых минералов образуется серная кислота , которая и вымывает уран.

На следующем этапе из полученного раствора нужно избирательно выделить уран. Современные методы - экстракция и ионный обмен - позволяют решить эту проблему.

Раствор содержит не только уран, но и другие катионы . Некоторые из них в определённых условиях ведут себя так же, как уран: экстрагируются теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. Поэтому для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, чтобы на каждой стадии избавляться от того или иного нежелательного попутчика. На современных ионообменных смолах уран выделяется весьма селективно.

Методы ионного обмена и экстракции хороши ещё и тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов (содержание урана - десятые доли грамма на литр).

После этих операций уран переводят в твёрдое состояние - в один из оксидов или в тетрафторид UF 4 . Но этот уран ещё надо очистить от примесей с большим сечением захвата тепловых нейтронов - бора , кадмия , гафния . Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Для удаления этих примесей технически чистое соединение урана растворяют в азотной кислоте . При этом образуется уранилнитрат UO 2 (NO 3) 2 , который при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций. Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO 4 ·2H 2 O) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трёхокись урана UO 3 , которую восстанавливают водородом до UO 2 .

На диоксид урана UO 2 при температуре от 430 до 600 °C воздействуют газообразным фтористым водородом для получения тетрафторида UF 4 . Из этого соединения восстанавливают металлический уран с помощью кальция или магния .

Физические свойства

Уран - очень тяжёлый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали , ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: (призматическая, стабильна до 667,7 °C), (четырёхугольная, стабильна от 667,7 °C до 774,8 °C), (с объёмно центрированной кубической структурой, существующей от 774,8 °C до точки плавления).

Химические свойства

Характерные степени окисления

Уран может проявлять степени окисления от +3 до +6.

Кроме того, существует оксид U 3 O 8 . Степень окисления в нём формально дробная, а реально он представляет собой смешанный оксид урана (V) и (VI).

Нетрудно видеть, что по набору степеней окисления и характерных соединений уран близок к элементам VIB подгруппы (хрому , молибдену , вольфраму). Из-за этого его длительное время относили к этой подгруппе („размывание периодичности“).

Свойства простого вещества

Химически уран весьма активен. Он быстро окисляется на воздухе и покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150-175 °C, образуя U 3 O 8 . Реакции металлического урана с другими неметаллами приведены в таблице.

Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана:

В кислотах-неокислителях уран растворяется, образуя UO 2 или соли U 4+ (при этом выделяется водород). С кислотами-окислителями (азотной, концентрированной серной) уран образует соответствующие соли уранила UO 2 2+
С растворами щелочей уран не взаимодействует.

При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.

Соединения урана III

Соли урана(+3) (преимущественно, галогениды) - восстановители. На воздухе при комнатной температуре они обычно устойчивы, однако при нагревании окисляются до смеси продуктов. Хлор окисляет их до UCl 4 Образуют неустойчивые растворы красного цвета, в которых проявляют сильные восстановительные свойства:

Галогениды урана III образуются при восстановлении галогенидов урана (IV) водородом:

(550-590 о C)

или иодоводородом:

(500 о C)

а также при действии галогеноводорода на гидрид урана UH 3 .

Кроме того, существует гидрид урана (III) UH 3 . Его можно получить, нагревая порошок урана в водороде при температурах до 225 о С, а выше 350 о С он разлагается. Большую часть его реакций (например, реакцию с парами воды и кислотами) можно формально рассматривать как реакцию разложения с последующей реакцией металлического урана:

Соединения урана IV

Уран (+4) образует легко растворимые в воде соли зеленого цвета. Они легко окисляются до урана (+6)

Соединения урана V

Соединения урана(+5) неустойчивы и легко диспропорционируют в водном растворе:

Хлорид урана V при стоянии частично диспропорционирует:

а частично отщепляет хлор:

Соединения урана VI

Степени окисления +6 соответствует оксид UO 3 . В кислотах он растворяется с образованием соединений катиона уранила UO 2 2+ :

C основаниями UO 3 (аналогично CrO 3 , MoO 3 и WO 3) образует различные уранат-анионы (в первую очередь, диуранат U 2 O 7 2-). Последние, однако, чаще получают действием оснований на соли уранила:

Из соединений урана (+6), не содержащих кислород, известны только гексахлорид UCl 6 и фторид UF 6 . Последний играет важнейшую роль в разделении изотопов урана.

Соединения урана (+6) наиболее устойчивы на воздухе и в водных растворах.

Ураниловые соли, такие как уранилхлорид, распадаются на ярком свету или в присутствии органических соединений.

Применение

Ядерное топливо

Наибольшее применение имеет изотоп урана 235 U , в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция . Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах , а также в ядерном оружии . Выделение изотопа U 235 из природного урана - сложная технологическая проблема (см. разделение изотопов).

Приведем некоторые цифры для реактора мощностью 1000 МВт, работающего с нагрузкой в 80 %, и вырабатывающего 7000 ГВт·ч в год. Работа одного такого реактора в течение года требует 20 тонн уранового топлива с содержанием 3.5% U-235, который получают после обогащения примерно 153 тонн естественного урана.

Изотоп U 238 способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами , эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией).

В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом 238 U может превращаться в 239 Pu , который затем используется как ядерное топливо .

Тепловыделяющая способность урана

1 тонна обогащенного урана по тепловыделяющей способности равна 1 миллиону 350 тысячам тонн нефти или природного газа.

Геология

Основное применение урана в геологии - определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимается геохронология . Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках вещества.

В основе решения задачи лежат уравнения радиоактивного распада:

где 238 U o , 235 U o - современные концентрации изотопов урана; ; -постоянные распада атомов соответственно урана 238 U и 235 U .

Весьма важным является их комбинация:

.

В связи с тем, что горные породы содержат различные концентрации урана, они обладают различной радиоактивностью. Это свойство используется при выделении горных пород геофизическими методами. Наиболее широко этот метод применяется в нефтяной геологии при геофизических исследованиях скважин , в этот комплекс входит, в частности, γ - каротаж или нейтронный гамма-каротаж, гамма-гамма-каротаж и т. д. . С их помощью происходит выделение коллекторов и флюидоупоров .

Другие сферы применения

Обеднённый уран

После извлечения 235 U и 234 U из природного урана, оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. По некоторым данным, в США хранится около 560 000 тонн обеднённого гексафторида урана (UF 6).

Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него 234 U. Из-за того, что основное использование урана - производство энергии, обеднённый уран - малополезный продукт с низкой экономической ценностью.

В основном его использование связано с большой плотностью урана и относительно низкой его стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты (как это ни странно), - используется чрезвычайно высокое сечение захвата, и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолёте «Боинг-747 » содержится 1500 кг обеднённого урана для этих целей. Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, болидах формулы-1 , при бурении нефтяных скважин.

Сердечники бронебойных снарядов

Самое известное применение обеднённого урана - в качестве сердечников для бронебойных снарядов . Большая плотность (в три раза тяжелее стали), делает закалённую урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому и ненамного более тяжёлому вольфраму . Тяжёлый урановый наконечник также изменяет распределение масс в снаряде, улучшая его аэродинамическую устойчивость.

Подобные сплавы типа «Стабилла» применяются в стреловидных оперённых снарядах танковых и противотанковых артиллерийских орудий.

Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль урановой болванки и воспламенением её на воздухе с другой стороны брони (см. Пирофорность). Около 300 тонн обеднённого урана остались на поле боя во время операции «Буря в Пустыне » (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолётов A-10 , каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава).

Такие снаряды были использованы войсками НАТО в боевых действиях на территории Югославии . После их применения обсуждалась экологическая проблема радиационного загрязнения территории страны.

Впервые уран в качестве сердечника для снарядов был применен в Третьем рейхе .

Обеднённый уран используется в современной танковой броне, например, танка M-1 «Абрамс» .

Физиологическое действие

В микроколичествах (10 −5 -10 −8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких - 50 %. Основные депо в организме: селезёнка , почки , скелет , печень , лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы . Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10 −7 г.

Уран и его соединения токсичны . Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Уран практически необратимо, как и многие другие тяжелые металлы, связывается с белками, прежде всего, с сульфидными группами аминокислот, нарушая их функцию. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов . В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Разведанные запасы урана в мире

Количество урана в земной коре примерно в 1000 раз превосходит количество золота, в 30 раз - серебра, при этом, данный показатель приблизительно равен аналогичному показателю у свинца и цинка. Немалая часть урана рассеяна в почвах, горных породах и морской воде. Только относительно небольшая часть концентрируется в месторождениях, где содержание данного элемента в сотни раз превышает его среднее содержание в земной коре. Разведанные мировые запасы урана в месторождениях составляют 5,4 млн тонн.

Добыча урана в мире

10 стран, дающих 94 % мировой добычи урана

Согласно «Красной книге по урану» , выпущенной ОЭСР , в 2005 добыто 41 250 тонн урана (в 2003 - 35 492 тонны). Согласно данным ОЭСР, в мире функционирует 440 реакторов коммерческого назначения и около 60 научных, которые потребляют в год 67 тыс. тонн урана. Это означает, что его добыча из месторождений обеспечивала лишь 60 % объёма его потребления (на 2009 г. эта доля возросла до 79 % ). Остальной уран, потребляемый энергетикой или 17,7 %, поступает из вторичных источников.

Уран для «научных и военных» целей

Большая часть урана для «научных и военных» целей извлекается из старых ядерных боеголовок:

• по договору СНВ-II 352 тонны - из оговорённых 500 (несмотря на то что договор не вступил в силу, в связи выходом России из договора 14 июня 2002)
• по договору СНВ-I (вступил в силу 5 декабря 1994 г, истек 5 декабря 2009 года) с российской стороны 500 тонн,
• по договору СНВ-III (ДСНВ) - договор подписан 8 апреля 2010 года в Праге. Договор сменил истёкший в декабре 2009 года СНВ-I.

Добыча в России

В СССР основными уранорудными регионами были Украина (месторождение Желтореченское, Первомайское и др.), Казахстан (Северный - Балкашинское рудное поле и др.; Южный - Кызылсайское рудное поле и др.; Восточный; все они принадлежат преимущественно вулканогенно -гидротермальному типу); Забайкалье (Антей, Стрельцовское и др.); Средняя Азия, в основном Узбекистан с оруденениями в чёрных сланцах с центром в г. Учкудук . Имеется масса мелких рудопроявлений и проявлений. В России основным урановорудным регионом осталось Забайкалье. На месторождении в Читинской области (около города Краснокаменск) добывается около 93 % российского урана. Добычу осуществляет шахтным способом «Приаргунское производственное горно-химическое объединение » (ППГХО), входящее в состав ОАО «Атомредметзолото» (Урановый холдинг).

Остальные 7 % получают методом подземного выщелачивания ЗАО «Далур» (Курганская область) и ОАО «Хиагда» (Бурятия).

Полученные руды и урановый концентрат перерабатываются на Чепецком механическом заводе.

По годовому производству урана (около 3,3 тыс. т.) Россия занимает 4 место после Казахстана. Годовое же потребление урана в России сейчас составляет 16 тыс. т и складывается из расходов на собственные АЭС в объёме 5,2 тыс. т, а также на экспорт тепловыделяющих средств (5,5 тыс. т) и низкообогащенного урана (6 тыс. т) .

Добыча в Казахстане

В 2009 году Казахстан вышел на первое место в мире по добыче урана (добыто 13 500 тонн) .

Добыча на Украине

Стоимость

Несмотря на бытующие легенды о десятках тысяч долларов за килограммовые или даже грамовые количества урана, реальная его цена на рынке не очень высока - необогащённая окись урана U 3 O 8 стоит меньше 100 американских долларов за килограмм .

Разработка урановых руд рентабельна при цене на уран в районе 80 долл./кг. В настоящее время цена урана не позволяет налаживать эффективную разработку его месторождений, поэтому существуют прогнозы, что возможен рост цены на уран до 75-90 долл./кг к 2013-2014 гг.

К 2030 г. будут полностью отработаны крупные и доступные месторождения с запасами до 80 дол./кг и в освоение начнут вовлекаться труднодоступные месторождения с себестоимостью производства более 130 дол./кг урана

Связано это с тем, что для запуска атомного реактора на необогащённом уране нужны десятки или даже сотни тонн топлива, а для изготовления ядерного оружия следует обогатить большое количество урана для получения пригодных для создания бомбы концентраций .

См. также

Ссылки

• И. Н. Бекман. «Уран». Учебное пособие. Вена, 2008, Москва, 2009. (в формате PDF)
• Россия продала США значительные запасы оружейного урана

Примечания

1. Редкол.: Зефиров Н. С. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. - Москва: Большая Российская энциклопедия, 1999. - Т. 5. - С. 41.
2. WebElements Periodic Table of the Elements | Uranium | crystal structures
3. Уран в Толковом словаре русского языка под ред. Ушакова
4. Энциклопедия «Кругосвет»
5. Уран. Информационно-аналитический центр «Минерал»
6. Сырьевая база урана. С. С. Наумов, ГОРНЫЙ ЖУРНАЛ, N12,1999
7. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties
8. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties ». Nuclear Physics A 729 : 3–128. DOI :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 .
9. В урановых рудах в следовых количествах присутствует уран-236, образующийся из урана-235 при нейтронном захвате; в ториевых рудах имеются следы урана-233 , возникающего из тория-232 после нейтронного захвата и двух последовательных бета-распадов. Однако содержание этих изотопов урана настолько мало, что может быть обнаружено лишь в специальных высокочувствительных измерениях.
10. Rosholt J.N., et al. Isotopic fractionatio of uranium related to role feature in Sandstone, Shirley Basin, Wyoming.//Economic Geology, 1964, 59, 4, 570-585
11. Rosholt J.N., et al. Evolution of the isotopic composition of uranium and thorium in Soil profiles.//Bull.Geol.Soc.Am./1966, 77, 9, 987-1004
12. Чалов П. И. Изотопное фракционирование природного урана. - Фрунзе: Илим, 1975.
13. Tilton G.R. et al. Isotopic composition and distribution of lead, uranium, and thorium in a precambrian granite.//Bull.Geol.Soc.Am., 1956, 66, 9, 1131-1148
14. Шуколюков Ю. А. и др. Изотопные исследования „природного ядерного реактора“.//Геохимия, 1977, 7. С. 976-991.
15. Мешик Алекс. Древний ядерный реактор.//В мире науки. Геофизика. 2006.2
16. Реми Г. Неорганическая химия. т.2. М., Мир, 1966. С. 206-223
17. Кац Дж, Рабинович Е. Химия урана. М., Изд-во иностранной литературы, 1954.
18. Хмелевской В. К. Геофизические методы исследования земной коры. Международный университет природы, общества и человека „Дубна“, 1997.
19. Справочник по геологии нефти и газа /Под ред. Еременко Н. А. - М.: Недра, 1984
20. Техническая энциклопедия 1927 года », том 24, столб. 596…597, статья «Уран»
21. http://www.pdhealth.mil/downloads/Characterisation_of_DU_projectiles.pdf
22. Добыча урана в мире
23. NEA, IAEA . - OECD Publishing , 2006. - ISBN 9789264024250
24. World Nuclear Association. Supply of Uranium. 2011.
25. Минерально-сырьевая база и производство урана в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Машковцев Г. А., Мигута А. К., Щеточкин В. Н., Минеральные ресурсы России. Экономика и управление, 1-2008
26. Добыча урана в Казахстане. Доклад Мухтара Джакишева
27. Конырова, К . Казахстан вышел на первое место по добыче урана в мире (рус.) , Информационное агентство TREND (30.12.2009). Проверено 30 декабря 2009.
28. Удо Ретберг; Перевод Александра Полоцкого (рус.) . Перевод (12.08.2009). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 12 мая 2010.
29. Эксперты о прогнозе цен на уран Российское атомное сообщество
30. http://2010.atomexpo.ru/mediafiles/u/files/Present/9.1_A.V.Boytsov.pdf
31. Ядерное оружие См. подраздел про урановую бомбу.

Соединения урана

Аммония диуранат ((NH 4) 2 U 2 O 7) Ацетат уранила (UO 2 (CH 3 COO) 2) Боргидрид урана (U(BH 4) 4) Бромид урана(III) (UBr 3) Бромид урана(IV) (UBr 4) Бромид урана(V) (UBr 5) Гидрид урана(III) (UH 3) Гидроксид урана(III) (U(OH) 3) Гидроксид уранила (UO 2 (OH) 2) Диурановая кислота (H 2 U 2 O 7) Иодид урана(III) (UJ 3) Иодид урана(IV) (UJ 4) Карбонат уранила (UO 2 CO 3) Монооксид урана (UO) US UP Натрия диуранат (Na 2 U 2 O 7) Натрия уранат (Na 2 UO 4) Нитрат уранила (UO 2 (NO 3) 2) Нонаоксид тетраурана (U 4 O 9) Оксид урана(IV) (UO 2) Оксид урана(VI)-диурана(V) (U 3 O 8) Пероксид урана (UO 4) Сульфат урана(IV) (U(SO 4) 2) Сульфат уранила (UO 2 SO 4) Тридекаоксид пентаурана (U 5 O 13) Триоксид урана (UO 3) Урановая кислота (H 2 UO 4) Формиат уранила (UO 2 (CHO 2) 2) Фосфат урана(III) (U 2 (PO 4) 3) Фторид урана(III) (UF 3) Фторид урана(IV) (UF 4) Фторид урана(V) (UF 5) Фторид урана(VI) (UF 6) Фторид уранила (UO 2 F 2) Хлорид урана(III) (UCl 3) Хлорид урана(IV) (UCl 4) Хлорид урана(V) (UCl 5) Хлорид урана(VI) (UCl 6) Хлорид уранила (UO 2 Cl 2)

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева