Cine a descoperit elementul uraniu. Elemente radioactive

Uranus este unul dintre elementele metalice grele ale tabelului periodic. Uraniul este utilizat pe scară largă în energie și industria militară. În tabelul periodic poate fi găsit la numărul 92 și este desemnat prin litera latină U cu un număr de masă de 238.

Cum a fost descoperit Uranus

De fapt, așa element chimic cum este cunoscut uraniul de foarte mult timp. Se știe că și înainte de epoca noastră, oxidul de uraniu natural a fost folosit pentru a face glazură galbenă pentru ceramică. Descoperirea acestui element poate fi urmărită încă din 1789, când un chimist german pe nume Martin Heinrich Klaproth a recuperat dintr-un minereu un material asemănător unui metal negru. Martin a decis să numească acest material Uranus pentru a susține numele noii planete descoperite cu același nume (planeta Uranus a fost descoperită în același an). În 1840, s-a dezvăluit că acest material, descoperit de Klaproth, s-a dovedit a fi oxid de uraniu, în ciuda luciului metalic caracteristic. Eugene Melchior Peligot a sintetizat uraniul atomic din oxid și a determinat greutatea atomică a acestuia să fie de 120 UA, iar în 1874 Mendeleev a dublat această valoare, plasându-l în celula cea mai îndepărtată a tabelului său. Doar 12 ani mai târziu, decizia lui Mendeleev de a dubla masa a fost confirmată de experimentele chimistului german Zimmermann.

Unde și cum se extrage uraniul?

Uraniul este un element destul de comun, dar este comun sub formă de minereu de uraniu. Ca să înțelegeți, conținutul său în scoarța terestră este de 0,00027% din masa totală a Pământului. Minereul de uraniu este de obicei inclus în acid roci minerale cu conținut ridicat de siliciu. Principalele tipuri de minereuri de uraniu sunt pitchblenda, carnotita, casolitul și samarskitul. Cele mai mari rezerve de minereuri de uraniu, ținând cont de depozitele de rezervă, se află în țări precum Australia, Rusia și Kazahstan, iar dintre toate acestea, Kazahstanul ocupă o poziție de lider. Exploatarea uraniului este o procedură foarte dificilă și costisitoare. Nu toate țările își permit să extragă și să sintetizeze uraniu pur. Tehnologia de producție este următoarea: minereul sau mineralele sunt extrase în mine, comparabile cu aurul sau pietrele prețioase. Rocile extrase sunt zdrobite și amestecate cu apă pentru a separa praful de uraniu de restul. Praful de uraniu este foarte greu și, prin urmare, precipită mai repede decât altele. Următorul pas este purificarea prafului de uraniu din alte roci prin levigare acidă sau alcalină. Procedura arată cam așa: amestecul de uraniu este încălzit la 150 °C și oxigenul pur este furnizat sub presiune. Ca urmare, acid sulfuric care purifică uraniul de alte impurități. Ei bine, în etapa finală, sunt selectate particule de uraniu pur. Pe lângă praful de uraniu, există și alte minerale utile.

Pericolul radiațiilor radioactive din uraniu

Toată lumea este conștientă de conceptul de radiații radioactive și de ceea ce provoacă aceasta. prejudiciu ireparabil sănătate, ceea ce duce la moarte. Uraniul este un astfel de element care, în anumite condiții, poate elibera radiații radioactive. În formă liberă, în funcție de varietatea sa, poate emite raze alfa și beta. Razele alfa nu prezintă un mare pericol pentru oameni dacă iradierea este externă, deoarece această radiație are o capacitate de penetrare scăzută, dar atunci când intră în organism provoacă daune ireparabile. Chiar și o coală de hârtie de scris este suficientă pentru a conține raze alfa externe. Cu radiațiile beta, lucrurile sunt mai grave, dar nu prea mult. Puterea de penetrare a radiației beta este mai mare decât cea a radiației alfa, dar vor fi necesare 3-5 mm de țesut pentru a conține radiația beta. Poți să-mi spui cum este asta? Uraniul este un element radioactiv care este utilizat în arme nucleare! Așa este, este folosit în arme nucleare, care provoacă daune colosale tuturor viețuitoarelor. Doar că atunci când un focos nuclear detonează, principalele daune aduse organismelor vii sunt cauzate de radiațiile gamma și de un flux de neutroni. Aceste tipuri de radiații se formează ca urmare a unei reacții termonucleare în timpul exploziei unui focos, care elimină particulele de uraniu dintr-o stare stabilă și distruge toată viața de pe pământ.

Soiuri de uraniu

După cum am menționat mai sus, uraniul are mai multe varietăți. Varietățile implică prezența izotopilor, ca să înțelegeți, izotopii implică aceleași elemente, dar cu numere de masă diferite.

Deci există două tipuri:

1. Natural;
2. Artificial;

După cum probabil ați ghicit, cea naturală este cea care este extrasă din pământ, iar cea artificială este creată de oameni pe cont propriu. Izotopii naturali includ izotopi de uraniu cu numerele de masă 238, 235 și 234. Mai mult, U-234 este fiica lui U-238, adică primul este obținut din dezintegrarea celui de-al doilea în conditii naturale. Al doilea grup de izotopi, care sunt creați artificial, au numere de masă de la 217 la 242. Fiecare dintre izotopi are proprietăți diferite și se caracterizează printr-un comportament diferit în anumite condiții. În funcție de nevoi, oamenii de știință nucleari încearcă să găsească tot felul de soluții la probleme, deoarece fiecare izotop are un alt valoarea energetică.

Înjumătățiți

După cum sa menționat mai sus, fiecare dintre izotopii uraniului are o valoare energetică diferită și proprietăți diferite, dintre care una este timpul de înjumătățire. Pentru a înțelege ce este, trebuie să începeți cu o definiție. Timpul de înjumătățire este timpul în care numărul de atomi radioactivi este redus la jumătate. Timpul de înjumătățire afectează mulți factori, de exemplu valoarea sa energetică sau purificarea completă. Dacă luăm ca exemplu pe acesta din urmă, putem calcula cât timp va dura pentru a elimina complet contaminarea radioactivă a pământului. Timpul de înjumătățire al izotopilor de uraniu:

După cum se poate observa din tabel, timpul de înjumătățire al izotopilor variază de la minute la sute de milioane de ani. Fiecare dintre ele își găsește aplicare în diferite domenii ale vieții oamenilor.

Utilizarea uraniului este foarte răspândită în multe domenii de activitate, dar are cea mai mare valoare în sectoarele energetice și militare. Izotopul U-235 este de cel mai mare interes. Avantajul său este că este capabil să mențină independent o reacție nucleară în lanț, care este utilizată pe scară largă în afacerile militare pentru fabricarea de arme nucleare și ca combustibil în reactoare nucleare. În plus, uraniul este utilizat pe scară largă în geologie pentru a determina vârsta mineralelor și rocilor, precum și pentru a determina cursul proceselor geologice. În industria auto și aeronautică, uraniul sărăcit este folosit ca contragreutate și element de centrare. Aplicație a fost găsită și în pictură, și mai precis ca vopsea pentru porțelan și pentru fabricarea glazurilor și emailurilor ceramice. încă unul punct interesant poate fi considerată folosirea uraniului sărăcit pentru protecția împotriva radiațiilor radioactive, oricât de ciudat ar suna.

Uraniul (U) este un element cu număr atomic 92 și greutate atomică 238,029. Este un element chimic radioactiv din grupa III a tabelului periodic al lui Dmitri Ivanovici Mendeleev, aparține familiei actinidelor. Uraniul este un metal foarte greu (de 2,5 ori mai greu decât fierul, de peste 1,5 ori mai greu decât plumbul), alb-argintiu, metal strălucitor. În forma sa pură, este puțin mai moale decât oțelul, maleabil, flexibil și are ușoare proprietăți paramagnetice.

Uraniul natural este format dintr-un amestec de trei izotopi: 238U (99,274%) cu un timp de înjumătățire de 4,51∙109 ani; 235U (0,702%) cu un timp de înjumătățire de 7,13∙108 ani; 234U (0,006%) cu un timp de înjumătățire de 2,48∙105 ani. Ultimul izotop nu este primar, ci radiogenic, face parte din seria 238U radioactiv. Izotopii de uraniu 238U și 235U sunt strămoșii a două serii radioactive. Elementele finale ale acestor serii sunt izotopii de plumb 206Pb și 207Pb.

În prezent, 23 de izotopi radioactivi artificiali ai uraniului sunt cunoscuți cu numere de masă de la 217 la 242. „Durata lungă” dintre aceștia este 233U cu un timp de înjumătățire de 1,62∙105 ani. Se obține ca rezultat al iradierii cu neutroni a toriu și este capabil de fisiune sub influența neutronilor termici.

Uraniul a fost descoperit în 1789 de chimistul german Martin Heinrich Klaproth, ca urmare a experimentelor sale cu mineralul pitchblenda - „pulciul de uraniu”. Numele noului element a fost dat în onoarea planetei Uranus, descoperită recent (1781) de William Herschel. Pentru următoarea jumătate de secol, substanța obținută de Klaproth a fost considerată un metal, dar în 1841 acest lucru a fost infirmat de chimistul francez Eugene Melchior Peligo, care a dovedit natura oxidică a uraniului (UO2), obținut de chimistul german. Peligo însuși a reușit să obțină uraniu metal prin reducerea UCl4 cu potasiu metal și, de asemenea, a determinat greutatea atomică a noului element. Următorul în dezvoltarea cunoștințelor despre uraniu și proprietățile sale a fost D.I Mendeleev - în 1874, pe baza teoriei pe care a dezvoltat-o ​​despre periodizarea elementelor chimice, a plasat uraniul în celula cea mai îndepărtată a tabelului său. Chimistul rus a dublat greutatea atomică a uraniului (120), determinată anterior de Peligot, corectitudinea unor astfel de presupuneri a fost confirmată doisprezece ani mai târziu de experimentele chimistului german Zimmermann;

Timp de multe decenii, uraniul a fost de interes doar pentru un cerc restrâns de chimiști și oameni de știință naturală, utilizarea sa a fost, de asemenea, limitată - producția de sticlă și vopsele. Abia odată cu descoperirea radioactivității acestui metal (în 1896 de către Henri Becquerel) a început prelucrare industrială minereuri de uraniu din 1898. Mult mai târziu (1939) a fost descoperit fenomenul de fisiune nucleară, iar din 1942 uraniul a devenit principalul combustibil nuclear.

Cea mai importantă proprietate a uraniului este că nucleele unora dintre izotopii săi sunt capabile de fisiune atunci când captează neutroni, în urma cărora este eliberată o cantitate imensă de energie. Această proprietate a elementului nr. 92 este utilizată în reactoarele nucleare, care servesc ca surse de energie și, de asemenea, stă la baza funcționării bombei atomice. Uraniul este folosit în geologie pentru a determina vârsta mineralelor și rocilor pentru a determina succesiunea proceselor geologice (geocronologie). Datorită faptului că rocile conțin concentrații diferite de uraniu, acestea au radioactivitate diferită. Această proprietate este utilizată la identificarea rocilor folosind metode geofizice. Această metodă este cea mai utilizată în geologia petrolului în timpul studiilor geofizice ale puțurilor. Compușii de uraniu au fost folosiți ca vopsele pentru vopsirea pe porțelan și pentru glazuri și emailuri ceramice (vopsite în culori: galben, maro, verde și negru, în funcție de gradul de oxidare), de exemplu, uranatul de sodiu Na2U2O7 a fost folosit ca pigment galben în pictura.

Proprietăți biologice

Uraniul este un element destul de comun în mediul biologic concentratorii acestui metal sunt considerați a fi unele tipuri de ciuperci și alge, care sunt incluse în lanțul ciclului biologic al uraniului în natură după următoarea schemă: apă - plante acvatice- peste - om. Astfel, cu alimente și apă, uraniul intră în corpul oamenilor și al animalelor, sau mai degrabă în tractul gastrointestinal, unde sunt absorbiți aproximativ un procent din compușii ușor solubili și nu mai mult de 0,1% din cei puțin solubili. Acest element intră în tractul respirator și în plămâni, precum și în mucoasele și pielea cu aer. ÎN tractului respirator, și mai ales în plămâni, absorbția are loc mult mai intens: compușii ușor solubili sunt absorbiți cu 50%, iar cei puțin solubili cu 20%. Astfel, uraniul se găsește în cantități mici (10-5 - 10-8%) în țesuturile animale și umane. La plante (în reziduu uscat), concentrația de uraniu depinde de conținutul său în sol, astfel încât cu o concentrație în sol de 10-4%, planta conține 1,5∙10-5% sau mai puțin. Distribuția uraniului între țesuturi și organe este neuniformă principalele locuri de acumulare sunt țesutul osos (scheletul), ficatul, splina, rinichii, precum și plămânii și ganglionii limfatici bronhopulmonari (atunci când compușii slab solubili intră în plămâni). Uraniul (carbonați și complexe cu proteine) este îndepărtat din sânge destul de repede. În medie, conținutul celui de-al 92-lea element în organele și țesuturile animalelor și oamenilor este de 10-7%. De exemplu, sângele bovinelor conține 1∙10-8 g/ml de uraniu, iar sângele uman conține 4∙10-10 g/g. Ficatul de bovine conține 8∙10-8 g/g, la om în același organ 6∙10-9 g/g; splina bovinelor conține 9∙10-8 g/g, la om - 4,7∙10-7 g/g. În țesuturile musculare ale bovinelor se acumulează până la 4∙10-11 g/g. În plus, în corpul uman, uraniul este conținut în plămâni în intervalul 6∙10-9 - 9∙10-9 g/g; în rinichi 5,3∙10-9 g/g (stratul cortical) şi 1,3∙10-8 g/g (stratul medular); în țesutul osos 1∙10-9 g/g; în măduva osoasă 1∙10-8 g/g; în păr 1,3∙10-7 g/g. Uraniul găsit în oase provoacă iradierea constantă a țesutului osos (perioada de îndepărtare completă a uraniului din schelet este de 600 de zile). Cea mai mică cantitate din acest metal se află în creier și inimă (aproximativ 10-10 g/g). După cum am menționat mai devreme, principalele moduri prin care uraniul intră în organism sunt apa, alimentele și aerul. Doza zilnică de metal care intră în organism cu alimente și lichide este de 1,9∙10-6 g, cu aer - 7∙10-9 g Cu toate acestea, în fiecare zi uraniul este excretat din organism: cu urină de la 0,5∙10-7 g. până la 5∙10-7 g; cu fecale de la 1,4∙10-6 g la 1,8∙10-6 g Pierderi cu păr, unghii și fulgi de piele moartă - 2∙10-8 g.

Oamenii de știință sugerează că uraniul în cantități mici este necesar pentru funcționarea normală a corpului uman, a animalelor și a plantelor. Cu toate acestea, rolul său în fiziologie nu a fost încă clarificat. S-a stabilit că conținutul mediu al celui de-al 92-lea element din corpul uman este de aproximativ 9∙10-5 g ( Comisia Internațională privind protecția împotriva radiațiilor). Adevărat, această cifră fluctuează oarecum pentru diferite regiuni și teritorii.

În ciuda rolului său biologic încă necunoscut, dar cert în organismele vii, uraniul rămâne unul dintre cele mai periculoase elemente. În primul rând, acest lucru se manifestă prin efectul toxic al acestui metal, care se datorează proprietăților sale chimice, în special solubilității compușilor. De exemplu, compușii solubili (uranil și alții) sunt mai toxici. Cel mai adesea, otrăvirea cu uraniu și compușii săi are loc la fabricile de îmbogățire, întreprinderile de extracție și prelucrare a materiilor prime de uraniu și alte unități de producție în care uraniul este implicat în procesele tehnologice.

Pătrunzând în organism, uraniul afectează absolut toate organele și țesuturile acestora, deoarece acțiunea are loc la nivel celular: suprimă activitatea enzimelor. Rinichii sunt afectați în primul rând, ceea ce se manifestă printr-o creștere bruscă a zahărului și a proteinelor în urină, dezvoltând ulterior oligurie. Sunt afectate tractul gastrointestinal și ficatul. Intoxicatia cu uraniu se imparte in acuta si cronica, aceasta din urma dezvoltandu-se treptat si poate fi asimptomatica sau cu simptome usoare. Totuși, mai târziu intoxicații cronice duce la tulburări hematopoietice, sistemul nervosși alte probleme grave de sănătate.

O tonă de rocă de granit conține aproximativ 25 de grame de uraniu. Energia care poate fi eliberată în timpul arderii acestor 25 de grame într-un reactor este comparabilă cu energia care este eliberată în timpul arderii a 125 de tone. cărbuneîn cuptoarele centralelor termice puternice! Pe baza acestor date, se poate presupune că, în viitorul apropiat, granitul va fi considerat unul dintre tipurile de combustibil mineral. În total, stratul de suprafață relativ subțire de douăzeci de kilometri al scoarței terestre conține aproximativ 1014 tone de uraniu atunci când este transformat în echivalent energetic, rezultatul este pur și simplu o cifră colosală - 2,36,1024 kilowați-oră; Chiar și toate zăcămintele de combustibili fosili dezvoltate, explorate și propuse luate împreună nu sunt capabile să furnizeze nici măcar o milioneme din această energie!

Se știe că aliajele de uraniu supuse tratamentului termic se remarcă prin limite de randament mai mari, rezistență crescută la fluaj și coroziune și o tendință mai mică de modificare a formei produselor sub fluctuațiile de temperatură și sub influența iradierii. Pe baza acestor principii, la începutul secolului al XX-lea și până în anii treizeci, uraniul sub formă de carbură a fost folosit la producerea oțelurilor pentru scule. În plus, a fost folosit pentru a înlocui wolfram în unele aliaje, care era mai ieftin și mai accesibil. În producția de ferouraniu, ponderea U a fost de până la 30%. Adevărat, în a doua treime a secolului al XX-lea o astfel de utilizare a uraniului a dispărut.

După cum se știe, în adâncurile Pământului nostru există un proces constant de descompunere a izotopilor de urnă. Deci, oamenii de știință au calculat că eliberarea instantanee de energie din întreaga masă a acestui metal închis în învelișul pământului ar încălzi planeta noastră la o temperatură de câteva mii de grade! Cu toate acestea, un astfel de fenomen, din fericire, este imposibil - la urma urmei, eliberarea de căldură are loc treptat, pe măsură ce nucleele de uraniu și derivații săi suferă o serie de transformări radioactive pe termen lung. Durata unor astfel de transformări poate fi judecată după timpul de înjumătățire al izotopilor naturali ai uraniului, de exemplu, pentru 235U este de 7.108 ani, iar pentru 238U - 4,51.109 ani. Cu toate acestea, căldura uraniului încălzește semnificativ Pământul. Dacă întreaga masă a Pământului ar conține aceeași cantitate de uraniu ca și în stratul superior de douăzeci de kilometri, atunci temperatura planetei ar fi mult mai mare decât este acum. Cu toate acestea, pe măsură ce vă deplasați spre centrul Pământului, concentrația de uraniu scade.

În reactoarele nucleare, doar o mică parte din uraniul încărcat este procesată, acest lucru se datorează zgurii combustibilului cu produse de fisiune: 235U se arde, reacția în lanț se stinge treptat. Cu toate acestea, barele de combustibil sunt încă pline cu combustibil nuclear, care trebuie consumat din nou. Pentru a face acest lucru, elementele de combustibil vechi sunt demontate și trimise spre reciclare - sunt dizolvate în acizi, iar uraniul este extras din soluția rezultată prin extracție, fragmentele de fisiune care trebuie eliminate rămân în soluție. Astfel, se dovedește că industria uraniului este o producție chimică aproape fără deșeuri!

Plantele pentru separarea izotopilor de uraniu ocupă o suprafață de câteva zeci de hectare, iar aria partițiilor poroase din cascadele de separare ale plantei este aproximativ de același ordin de mărime. Acest lucru se datorează complexității metodei de difuzie pentru separarea izotopilor de uraniu - la urma urmei, pentru a crește concentrația de 235U de la 0,72 la 99%, sunt necesare câteva mii de pași de difuzie!

Folosind metoda uraniului-plumb, geologii au putut afla vârsta celor mai vechi minerale atunci când au studiat rocile meteoritice, au putut determina data aproximativă a nașterii planetei noastre; Datorită „ceasului cu uraniu”, a fost determinată vârsta solului lunar. Interesant, s-a dovedit că timp de 3 miliarde de ani nu a existat nicio activitate vulcanică pe Lună, iar satelitul natural al Pământului rămâne un corp pasiv. La urma urmei, chiar și cele mai tinere bucăți de materie lunară și-au trăit viața mai multa varsta cele mai vechi minerale pământeşti.

Poveste

Utilizarea uraniului datează de foarte mult timp - încă din secolul I î.Hr., oxidul natural de uraniu a fost folosit pentru a face o glazură galbenă folosită la colorarea ceramicii.

În timpurile moderne, studiul uraniului a avut loc treptat - în mai multe etape, cu creștere continuă. A început odată cu descoperirea acestui element în 1789 de către filozoful și chimistul german Martin Heinrich Klaproth, care a redus „pământul” galben-auriu extras din minereu de smoală săsească („zuia de uraniu”) la o substanță asemănătoare metalului negru (uraniu). oxid - UO2). Numele a fost dat în onoarea celei mai îndepărtate planete cunoscute la acea vreme - Uranus, care la rândul său a fost descoperită în 1781 de William Herschel. În acest moment, prima etapă în studiul noului element (Klaproth era încrezător că a descoperit un nou metal) se încheie și vine o pauză de mai bine de cincizeci de ani.

Anul 1840 poate fi considerat începutul unei noi etape în istoria cercetării uraniului. Din acest an, un tânăr chimist din Franța, Eugene Melchior Peligo (1811-1890), a preluat problema obținerii uraniului metalic în curând (1841) a reușit - uraniul metalic s-a obținut prin reducerea UCl4 cu potasiu metalic; În plus, el a demonstrat că uraniul descoperit de Klaproth este de fapt doar oxidul său. De asemenea, francezul a determinat greutatea atomică estimată a noului element - 120. Apoi, din nou, a avut loc o pauză lungă în studiul proprietăților uraniului.

Abia în 1874 au apărut noi presupuneri despre natura uraniului: Dmitri Ivanovici Mendeleev, urmând teoria pe care a dezvoltat-o ​​despre periodizarea elementelor chimice, găsește un loc pentru un nou metal în tabelul său, plasând uraniul în ultima celulă. În plus, Mendeleev a dublat greutatea atomică a uraniului presupusă anterior, fără a greși nici în acest sens, ceea ce a fost confirmat de experimentele chimistului german Zimmermann 12 ani mai târziu.

Din 1896, descoperirile în domeniul studierii proprietăților uraniului au „căzut” una după alta: în anul menționat mai sus, destul de întâmplător (în timp ce studiam fosforescența cristalelor de sulfat de potasiu uranil), fizica de 43 de ani. profesorul Antoine Henri Becquerel deschide „Razele lui Becquerel”, redenumit mai târziu radioactivitate de Marie Curie. În același an, Henri Moissan (din nou un chimist din Franța) dezvoltă o metodă de producere a uraniului metalic pur.

În 1899, Ernest Rutherford a descoperit eterogenitatea radiațiilor din preparatele de uraniu. S-a dovedit că există două tipuri de radiații - razele alfa și beta, diferite în proprietăți: poartă sarcini electrice diferite, au lungimi diferite de cale în materie și capacitatea lor de ionizare este, de asemenea, diferită. Un an mai târziu, razele gamma au fost descoperite și de Paul Villar.

Ernest Rutherford și Frederick Soddy au dezvoltat împreună teoria radioactivității uraniului. Pe baza acestei teorii, în 1907, Rutherford a întreprins primele experimente pentru a determina vârsta mineralelor atunci când studia uraniul și toriul radioactiv. În 1913, F. Soddy a introdus conceptul de izotopi (din greaca veche iso - „egal”, „identic”, și topos - „loc”). În 1920, același om de știință a sugerat că izotopii ar putea fi folosiți pentru a determina vârsta geologică a rocilor. Ipotezele sale s-au dovedit a fi corecte: în 1939, Alfred Otto Karl Nier a creat primele ecuații pentru calcularea vârstelor și a folosit un spectrometru de masă pentru a separa izotopii.

În 1934, Enrico Fermi a efectuat o serie de experimente privind bombardarea elementelor chimice cu neutroni – particule descoperite de J. Chadwick în 1932. În urma acestei operațiuni, în uraniu au apărut substanțe radioactive necunoscute anterior. Fermi și alți oameni de știință care au participat la experimentele sale au sugerat că au descoperit elemente transuraniu. Timp de patru ani, au fost făcute încercări de a detecta elemente transuraniu printre produsele bombardamentului cu neutroni. Totul s-a încheiat în 1938, când chimiștii germani Otto Hahn și Fritz Strassmann au stabilit că, prin captarea unui neutron liber, nucleul izotopului de uraniu 235U se divide, eliberând (pe un nucleu de uraniu) o cantitate destul de mare de energie, în principal din cauza cineticii. fragmente de energie și radiații. Chimiștii germani nu au reușit să avanseze mai departe. Lise Meitner și Otto Frisch au putut să-și fundamenteze teoria. Această descoperire a fost originea utilizării energiei intra-atomice atât în ​​scopuri pașnice, cât și în scopuri militare.

Fiind în natură

Conținutul mediu de uraniu din scoarța terestră (clarke) este de 3∙10-4% din masă, ceea ce înseamnă că există mai mult din acesta în intestinele pământului decât argint, mercur și bismut. Uraniul este un element caracteristic pentru stratul de granit și învelișul sedimentar al scoarței terestre. Deci, într-o tonă de granit există aproximativ 25 de grame de element nr. 92. În total, peste 1000 de tone de uraniu sunt conținute în stratul superior relativ subțire al Pământului, de douăzeci de kilometri. În roci magmatice acide 3,5∙10-4%, în argile și șisturi 3,2∙10-4%, în special îmbogățite în materie organică, în roci bazice 5∙10-5%, în rocile ultrabazice ale mantalei 3∙10-7% .

Uraniul migrează viguros în apele reci și calde, neutre și alcaline sub formă de ioni simpli și complecși, în special sub formă de complexe carbonatice. Reacțiile redox joacă un rol important în geochimia uraniului, totul pentru că compușii uraniului, de regulă, sunt foarte solubili în ape cu mediu oxidant și slab solubili în ape cu mediu reducător (hidrogen sulfurat).

Sunt cunoscute mai mult de o sută de minereuri de uraniu, acestea diferă prin compoziția chimică, originea și concentrația de uraniu a întregului soi, doar o duzină sunt de interes practic; Principalii reprezentanți ai uraniului, care au cea mai mare importanță industrială, în natură pot fi considerați oxizi - uraninit și varietățile sale (smoală smoală și negru de uraniu), precum și silicați - coffinit, titanați - davidit și brannerit; fosfați hidrați și arseniați de uranil - mica de uraniu.

Uraninitul - UO2 este prezent predominant în rocile antice - precambriene sub formă de forme cristaline clare. Uranitul formează serii izomorfe cu thorianit ThO2 și ittrocerianit (Y,Ce)O2. În plus, toate uranitele conțin produse de descompunere radiogenă ai uraniului și toriu: K, Po, He, Ac, Pb, precum și Ca și Zn. Uraninitul în sine este un mineral la temperatură înaltă, caracteristic pegmatitelor de granit și sienită în asociere cu niobat-tantal-titanați complexi de uraniu (columbit, piroclor, samarskite și altele), zircon, monazit. În plus, uranitul apare în rocile hidrotermale, skarn și sedimentare. Depozite mari de uraninit sunt cunoscute în Canada, Africa, Statele Unite ale Americii, Franța și Australia.

Pitchblenda (U3O8), cunoscută și sub denumirea de gudron de uraniu sau blenda de rășini, care formează agregate colomorfe criptocristaline - un mineral vulcanic și hidrotermal, este reprezentată în formațiunile paleozoice și mai tinere de temperatură înaltă și medie. Sateliții constanti ai pitchblendei sunt sulfuri, arsenide, bismut nativ, arsen și argint, carbonați și alte elemente. Aceste minereuri sunt foarte bogate în uraniu, dar sunt extrem de rare, adesea însoțite de radiu, acest lucru se explică ușor: radiul este un produs direct al dezintegrarii izotopice a uraniului.

Negrule de uraniu (agregate pământoase libere) se prezintă în principal în formațiuni tinere - cenozoice și mai tinere, caracteristice depozitelor hidrotermale sulfuro-uraniu și sedimentare.

Uraniul este, de asemenea, extras ca produs secundar din minereuri care conțin mai puțin de 0,1%, de exemplu, din conglomerate purtătoare de aur.

Principalele zăcăminte de minereuri de uraniu sunt situate în SUA (Colorado, Dakota de Nord și de Sud), Canada (provincile Ontario și Saskatchewan), Africa de Sud (Witwatersrand), Franța (Masif Central), Australia (Teritoriul de Nord) și multe alte țări. . În Rusia, principala regiune a minereului de uraniu este Transbaikalia. Aproximativ 93% din uraniul rusesc este extras la zăcământul din regiunea Chita (lângă orașul Krasnokamensk).

Aplicație

Energia nucleară modernă este pur și simplu de neconceput fără elementul nr. 92 și proprietățile sale. Deși nu cu mult timp în urmă - înainte de lansarea primului reactor nuclear, minereurile de uraniu erau extrase în principal pentru a extrage radiu din ele. Cantități mici de compuși ai uraniului au fost utilizate în unii coloranți și catalizatori. De fapt, uraniul era considerat un element care nu avea aproape nicio semnificație industrială și cât de radical s-a schimbat situația după descoperirea capacității izotopilor de uraniu de a fi fisiune! Acest metal a primit instantaneu statutul de materie primă strategică nr. 1.

În zilele noastre, principala zonă de aplicare a uraniului metalic, precum și a compușilor săi, este combustibilul pentru reactoare nucleare. Astfel, în reactoarele staționare ale centralelor nucleare se folosește un amestec slab (natural) de izotopi de uraniu, iar în instalațiile nucleare de putere și în reactoarele cu neutroni rapizi se utilizează uraniu foarte îmbogățit.

Izotopul de uraniu 235U este cel mai utilizat, deoarece este posibilă o reacție nucleară în lanț auto-susținută, ceea ce nu este tipic pentru alți izotopi de uraniu. Datorită acestei proprietăți, 235U este folosit ca combustibil în reactoare nucleare, precum și în arme nucleare. Cu toate acestea, separarea izotopului 235U de uraniul natural este o problemă tehnologică complexă și costisitoare.

Cel mai comun izotop al uraniului din natură, 238U, se poate fisiune atunci când este bombardat cu neutroni de înaltă energie. Această proprietate a acestui izotop este folosită pentru a crește puterea armelor termonucleare - sunt utilizați neutronii generați de o reacție termonucleară. În plus, izotopul de plutoniu 239Pu este obținut din izotopul 238U, care, la rândul său, poate fi folosit și în reactoare nucleare și într-o bombă atomică.

Recent, izotopul de uraniu 233U, produs artificial în reactoare din toriu, și-a găsit o mare utilizare este obținut prin iradierea toriului în fluxul de neutroni al unui reactor nuclear:

23290Th + 10n → 23390Th -(β–)→ 23391Pa –(β–)→ 23392U

Neutroni termici fisionali 233U în plus, în reactoarele cu 233U, poate avea loc reproducerea extinsă a combustibilului nuclear. Deci, atunci când un kilogram de 233U arde într-un reactor de toriu, ar trebui să se acumuleze în el 1,1 kg de 233U nou (ca urmare a captării neutronilor de către nucleele de toriu). În viitorul apropiat, ciclul uraniu-toriu din reactoarele cu neutroni termici va fi principalul concurent al ciclului uraniu-plutoniu pentru reproducerea combustibilului nuclear în reactoare cu neutroni rapizi. Reactoarele care folosesc acest nuclid drept combustibil există deja și funcționează (KAMINI în India). 233U este, de asemenea, cel mai promițător combustibil pentru motoarele de rachete nucleare în fază gazoasă.

Alți izotopi artificiali ai uraniului nu joacă un rol semnificativ.

După ce izotopii „necesari” 234U și 235U sunt extrași din uraniul natural, materia primă rămasă (238U) se numește „uraniu sărăcit”, este la jumătate la fel de radioactiv decât uraniul natural, în principal datorită eliminării 234U din acesta. Deoarece principala utilizare a uraniului este producerea de energie, din acest motiv uraniul sărăcit este un produs cu utilizare redusă, cu valoare economică scăzută. Cu toate acestea, datorită prețului său scăzut, precum și densitate mareși secțiune transversală de captare extrem de mare, este utilizat pentru ecranarea radiațiilor și ca balast în aplicații aerospațiale, cum ar fi suprafețele de control a aeronavelor. În plus, uraniul sărăcit este folosit ca balast în aterizatoarele spațiale și iahturile de curse; la rotoarele giroscopului de mare viteză, volantele mari și la forarea puțurilor de petrol.

Cu toate acestea, cea mai faimoasă utilizare a uraniului sărăcit este în aplicațiile militare - ca miezuri pentru obuzele care străpung armura și armura tancului modern, cum ar fi tancul M-1 Abrams.

Utilizările mai puțin cunoscute ale uraniului implică în principal compușii săi. Așadar, un mic adaos de uraniu dă o fluorescență galben-verzuie frumoasă sticlei, unii compuși ai uraniului sunt fotosensibili, din acest motiv azotatul de uranil a fost utilizat pe scară largă pentru a îmbunătăți negativul și culoarea (nuanța) pozitive (printuri fotografice) maro.

Carbura 235U aliată cu carbură de niobiu și carbură de zirconiu este folosită ca combustibil pentru motoarele cu reacție nucleare. Aliajele de fier și uraniu sărăcit (238U) sunt utilizate ca materiale magnetostrictive puternice. Uranatul de sodiu Na2U2O7 era folosit ca pigment galben în pictură anterior, compușii de uraniu erau folosiți ca vopsele pe porțelan și pentru glazuri și emailuri ceramice (vopsite în culori: galben, maro, verde și negru, în funcție de gradul de oxidare); .

Productie

Uraniul este obținut din minereuri de uraniu, care diferă semnificativ într-o serie de caracteristici (condiții de formare, „contrast”, conținut de impurități utile etc.), principalul dintre acestea fiind procentul de uraniu. După acest criteriu, se disting cinci tipuri de minereuri: foarte bogate (conțin peste 1% uraniu); bogat (1-0,5%); medie (0,5-0,25%); obișnuite (0,25-0,1%) și sărace (mai puțin de 0,1%). Cu toate acestea, chiar și din minereuri care conțin 0,01-0,015% uraniu, acest metal este extras ca produs secundar.

De-a lungul anilor de dezvoltare a materiilor prime de uraniu, au fost dezvoltate multe metode de separare a uraniului de minereuri. Acest lucru se datorează atât importanței strategice a uraniului în unele zone, cât și diversității manifestărilor sale naturale. Cu toate acestea, în ciuda varietății de metode și materii prime, orice producție de uraniu constă în trei etape: concentrarea preliminară a minereului de uraniu; leșierea uraniului și obținerea de compuși ai uraniului suficient de puri prin precipitare, extracție sau schimb ionic. În continuare, în funcție de scopul uraniului rezultat, produsul este îmbogățit cu izotopul 235U sau redus imediat la uraniu elementar.

Deci, minereul este inițial concentrat - roca este zdrobită și umplută cu apă. În acest caz, elementele mai grele ale amestecului se depun mai repede. În rocile care conțin minerale primare de uraniu au loc precipitații rapide, deoarece sunt foarte grele. Atunci când minereurile care conțin minerale secundare de uraniu sunt concentrate, se depun rocă sterilă, care este mult mai grea decât mineralele secundare, dar poate conține elemente foarte utile.

Minereurile de uraniu nu sunt aproape niciodată îmbogățite, cu excepția metodei organice de sortare radiometrică, bazată pe radiația γ a radiului, care însoțește întotdeauna uraniul.

Următoarea etapă în producția de uraniu este levigarea, aducând astfel uraniul în soluție. Practic, minereurile sunt levigate cu soluții de acizi sulfuric, uneori azotic sau soluții de sodă cu transfer de uraniu într-o soluție acidă sub formă de UO2SO4 sau anioni complecși și într-o soluție de sodă sub formă de anion cu 4 complexe. Metoda care folosește acid sulfuric este mai ieftină, însă nu este întotdeauna aplicabilă dacă materia primă conține uraniu tetravalent (rășină de uraniu), care nu este solubilă în acid sulfuric. În astfel de cazuri, se folosește leșierea alcalină sau uraniul tetravalent este oxidat la o stare hexavalentă. Folosirea sodei caustice (sodă caustică) este recomandată atunci când se scurge minereurile care conțin magneză sau dolomit, care necesită prea mult acid pentru a se dizolva.

După etapa de levigare, soluția conține nu numai uraniu, ci și alte elemente, care, la fel ca uraniul, sunt extrase cu aceiași solvenți organici, depuse pe aceleași rășini schimbătoare de ioni și precipită în aceleași condiții. Într-o astfel de situație, pentru izolarea selectivă a uraniului, este necesară utilizarea multor reacții redox pentru a elimina elementul nedorit în diferite etape. Unul dintre avantajele metodelor de schimb de ioni și extracție este că uraniul este extras destul de complet din soluții sărace.

După toate operațiunile de mai sus, uraniul este transformat în stare solidă - într-unul dintre oxizi sau în tetrafluorură de UF4. Un astfel de uraniu conține impurități cu o secțiune transversală mare de captare termică a neutronilor - litiu, bor, cadmiu, metale din pământuri rare. În produsul final, conținutul lor nu trebuie să depășească o sută de miimi și milioane de procente! Pentru a face acest lucru, uraniul este dizolvat din nou, de data aceasta în acid azotic. Nitratul de uranil UO2(NO3)2 în timpul extracției cu tributil fosfat și alte substanțe este purificat suplimentar la standardele cerute. Această substanță este apoi cristalizată (sau precipitată) și calcinată cu grijă. În urma acestei operațiuni, se formează trioxid de uraniu UO3, care se reduce cu hidrogen la UO2. La temperaturi de la 430 la 600° C, oxidul de uraniu reacţionează cu acidul fluorhidric uscat şi se transformă în tetrafluorură de UF4. Deja din acest compus, uraniul metal se obține de obicei cu ajutorul calciului sau magneziului prin reducere obișnuită.

Proprietăți fizice

Uraniul metal este foarte greu, este de două ori și jumătate mai greu decât fierul și de o ori și jumătate mai greu decât plumbul! Acesta este unul dintre cele mai grele elemente stocate în intestinele Pământului. Cu culoarea și strălucirea alb-argintie, uraniul seamănă cu oțelul. Metal pur Este plastic, moale, are o densitate mare, dar în același timp este ușor de prelucrat. Uraniul este electropozitiv, are proprietăți paramagnetice nesemnificative - susceptibilitate magnetică specifică la temperatura camerei 1,72·10 -6, are conductivitate electrică scăzută, dar reactivitate ridicată. Acest element are trei modificări alotropice: α, β și γ. Forma α are o rețea cristalină ortorombică cu următorii parametri: a = 2,8538 Å, b = 5,8662 Å, c = 469557 Å. Această formă este stabilă în intervalul de temperatură de la temperatura camerei până la 667,7°C. Densitatea uraniului în forma a la o temperatură de 25°C este de 19,05 ± 0,2 g/cm3. Forma β are o rețea cristalină tetragonală, stabilă în intervalul de temperatură de la 667,7°C la 774,8°C. Parametrii rețelei tetragonale: a = 10,759 Å, b = 5,656 Å. γ-formă cu o structură cubică centrată pe corp, stabilă de la 774,8°C până la punctul de topire (1132°C).

Toate cele trei faze pot fi văzute în timpul procesului de recuperare a uraniului. Pentru aceasta, se folosește un aparat special, care este o țeavă de oțel fără sudură, care este căptușită cu oxid de calciu, acest lucru este necesar pentru ca oțelul țevii să nu interacționeze cu uraniul. Un amestec de tetrafluorură de uraniu și magneziu (sau calciu) este încărcat în aparat, după care este încălzit la 600 ° C. Când se atinge această temperatură, aprindetorul electric este pornit și o reacție de reducere exotermă, în care amestecul încărcat se topește complet. Uraniul lichid (temperatura 1132 ° C) datorită greutății sale se scufundă complet în fund. După depunerea completă a uraniului în partea inferioară a aparatului, începe răcirea, uraniul se cristalizează, atomii săi sunt aranjați în ordine strictă, formând o rețea cubică - aceasta este faza γ. Următoarea tranziție are loc la 774 ° C - rețeaua cristalină a metalului de răcire devine tetragonală, ceea ce corespunde fazei β. Când temperatura lingoului scade la 668° C, atomii își rearanjează din nou rândurile, aranjate în valuri în straturi paralele - faza α. În plus, nu apar modificări.

Parametrii principali ai uraniului se referă întotdeauna la faza α. Punct de topire (topire) 1132°C, punctul de fierbere al uraniului (tfierbere) 3818°C. Capacitate termică specifică la temperatura camerei 27,67 kJ/(kg·K) sau 6,612 cal/(g·°С). Rezistivitatea electrică la o temperatură de 25°C este de aproximativ 3·10 -7 ohm·cm, iar deja la 600°С este de 5,5·10 -7 ohm·cm. Conductivitatea termică a uraniului se modifică, de asemenea, în funcție de temperatură: în intervalul 100-200 ° C este egală cu 28,05 W/(m K) sau 0,067 cal/(cm sec ° C), iar când este crescută la 400 ° C crește până la 29,72 W/(m K) 0,071 cal/(cm sec °C). Uraniul are supraconductivitate la 0,68 K. Duritatea medie Brinell este de 19,6 - 21,6·10 2 Mn/m 2 sau 200-220 kgf/mm 2.

Multe proprietăți mecanice ale celui de-al 92-lea element depind de puritatea acestuia și de modurile de tratament termic și mecanic. Deci pentru uraniu turnat rezistența la tracțiune la temperatura camerei este de 372-470 MN/m2 sau 38-48 kgf/mm2, modulul elastic mediu este de 20,5·10 -2 MN/m2 sau 20,9·10 -3 kgf/mm2. Rezistența uraniului crește după stingerea din fazele β și γ.

Iradierea uraniului printr-un flux de neutroni, interacțiunea cu elementele combustibile de răcire cu apă din uraniu metalic și alți factori de funcționare în reactoare puternice cu neutroni termici - toate acestea duc la modificări ale proprietăților fizice și mecanice ale uraniului: metalul devine fragil, fluent. se dezvoltă, iar produsele din uraniu metalic sunt deformate. Din acest motiv, aliajele de uraniu, de exemplu cu molibden, sunt utilizate în reactoarele nucleare, un astfel de aliaj este rezistent la apă, întărește metalul, menținând o rețea cubică la temperatură ridicată.

Proprietăți chimice

Din punct de vedere chimic, uraniul este un metal foarte activ. În aer, se oxidează cu formarea unei pelicule iridescente de dioxid de UO2 la suprafață, care nu protejează metalul de oxidarea ulterioară, așa cum se întâmplă cu titanul, zirconiul și o serie de alte metale. Cu oxigen, uraniul formează dioxid de UO2, trioxid de UO3 și un număr mare de oxizi intermediari, dintre care cel mai important este U3O8, proprietățile acestor oxizi sunt similare cu UO2 și UO3; În stare de pulbere, uraniul este piroforic și se poate aprinde cu o încălzire ușoară (150 °C și peste), arderea este însoțită de o flacără strălucitoare, formând în cele din urmă U3O8. La o temperatură de 500-600 °C, uraniul interacționează cu fluorul pentru a forma cristale verzi, în formă de ac, care sunt ușor solubile în apă și acizi - tetrafluorura de uraniu UF4, precum și UF6 - hexafluorura (cristale albe care se sublimă fără a se topi la o temperatură). temperatura de 56,4 °C). UF4, UF6 sunt exemple de interacțiune a uraniului cu halogenii pentru a forma halogenuri de uraniu. Uraniul se combină cu ușurință cu sulful, formând o serie de compuși, dintre care cel mai important este SUA - combustibil nuclear. Uraniul reacționează cu hidrogenul la 220 °C pentru a forma hidrura UH3, care este foarte activă din punct de vedere chimic. Odată cu încălzirea suplimentară, UH3 se descompune în hidrogen și uraniu sub formă de pulbere. Interacțiunea cu azotul are loc la temperaturi mai ridicate - de la 450 la 700 °C și presiunea atmosferică se obține nitrură U4N7 cu creșterea presiunii de azot la aceleași temperaturi, se pot obține UN, U2N3 și UN2. La temperaturi mai ridicate (750-800 °C), uraniul reacționează cu carbonul pentru a forma UC monocarbură, UC2 dicarbură și, de asemenea, U2C3. Uraniul reacţionează cu apa pentru a forma UO2 şi H2, şi cu apa rece mai lent, dar mai activ când este cald. În plus, reacția are loc și cu vaporii de apă la temperaturi de la 150 la 250 °C. Acest metal se dizolvă în HCI clorhidric și acizi azotici HNO3, mai puțin activ în acid fluorhidric foarte concentrat și reacționează lent cu H2SO4 sulfuric și acizii ortofosforici H3PO4. Produșii reacțiilor cu acizii sunt săruri de uraniu tetravalente. Din acizii anorganici și sărurile unor metale (aur, platină, cupru, argint, staniu și mercur), uraniul este capabil să înlocuiască hidrogenul. Uraniul nu interacționează cu alcalii.

În compuși, uraniul este capabil să prezinte următoarele stări de oxidare: +3, +4, +5, +6, uneori +2. U3+ nu există în natură și poate fi obținut doar în laborator. Compușii de uraniu pentavalent sunt în cea mai mare parte instabili și se descompun destul de ușor în compuși de uraniu tetravalent și hexavalent, care sunt cei mai stabili. Uraniul hexavalent se caracterizează prin formarea ionului de uranil UO22+, ale cărui săruri sunt de culoare galbenă și sunt foarte solubile în apă și acizi minerali. Un exemplu de compuși de uraniu hexavalenți este trioxidul de uraniu sau anhidrida de uraniu UO3 (pulbere portocalie), care este un oxid amfoter. Când sunt dizolvate în acizi, se formează săruri, de exemplu, uraniu clorură de uraniu UO2Cl2. Când alcalii acționează asupra soluțiilor de săruri de uranil, se obțin săruri ale acidului uranic H2UO4 - uranați și acid diuranic H2U2O7 - diuranați, de exemplu, uranat de sodiu Na2UO4 și diuranat de sodiu Na2U2O7. Sărurile de uraniu tetravalent (tetraclorura de uraniu UCl4) sunt verzi și mai puțin solubile. Când sunt expuși la aer pentru o perioadă lungă de timp, compușii care conțin uraniu tetravalent sunt de obicei instabili și se transformă în cei hexavalenti. Sărurile de uranil, cum ar fi clorura de uranil, se descompun în prezența luminii puternice sau a materiei organice.

URANUS (numit după planeta Uranus descoperită cu puțin timp înainte; lat. uraniu * a. uraniu; n. Uran; f. uraniu; i. uranio), U, este un element chimic radioactiv din grupa III a sistemului periodic al lui Mendeleev, atomic numarul 92, masa atomica 238,0289, se referă la actinide. Uraniul natural este format dintr-un amestec de trei izotopi: 238 U (99,282%, T 1/2 4.468,10 9 ani), 235 U (0,712%, T 1/2 0,704,10 9 ani), 234 U (0,006%, T 1). /2 0.244.10 6 ani). Există, de asemenea, 11 izotopi radioactivi artificiali cunoscuți ai uraniului cu numere de masă de la 227 la 240. 238 U și 235 U sunt fondatorii a două serii de descompunere naturală, în urma cărora se transformă în izotopi stabili 206 Pb și, respectiv, 207 Pb.

Uraniul a fost descoperit în 1789 sub formă de UO 2 de către chimistul german M. G. Klaproth. Uraniul metal a fost obținut în 1841 de chimistul francez E. Peligot. Perioadă lungă de timp uraniul a avut utilizări foarte limitate și abia odată cu descoperirea radioactivității în 1896 a început studiul și utilizarea sa.

Proprietățile uraniului

În stare liberă, uraniul este un metal de culoare gri deschis; sub 667,7°C se caracterizează printr-o rețea cristalină ortorombic (a=0,28538 nm, b=0,58662 nm, c=0,49557 nm) (a-modificare), în intervalul de temperatură 667,7-774°C - tetragonal (a = 1,075 nm). , c = 0,5656 nm, G-modificare), la o temperatură mai mare - rețea cubică centrată pe corp (a = 0,3538 nm, G-modificare). Densitate 18700 kg/m 3, punct de topire 1135°C, punct de fierbere aproximativ 3818°C, capacitate termică molară 27,66 J/(mol.K), rezistivitate electrică 29,0,10 -4 (Ohm.m), conductivitate termică 22, 5 W/(m.K), coeficient de temperatură de dilatare liniară 10.7.10 -6 K -1. Temperatura de tranziție a uraniului în starea supraconductoare este de 0,68 K; paramagnetică slabă, susceptibilitate magnetică specifică 1.72.10 -6. Nucleele 235 U și 233 U se fisionează spontan, precum și la captarea neutronilor lenți și rapidi, 238 U se fisionează numai la capturarea neutronilor rapizi (mai mult de 1 MeV). Când neutronii lenți sunt capturați, 238 U se transformă în 239 Pu. Masa critică a uraniului (93,5% 235U) în soluții apoase este mai mică de 1 kg, pentru o minge deschisă este de aproximativ 50 kg; pentru 233 U masa critică este aproximativ 1/3 din masa critică de 235 U.

Educație și păstrare în natură

Principalul consumator de uraniu este energia nucleară (reactoare nucleare, centrale nucleare). În plus, uraniul este folosit pentru a produce arme nucleare. Toate celelalte domenii de utilizare a uraniului au o importanță strict subordonată.

Tehnologiile nucleare se bazează în mare măsură pe utilizarea metodelor de radiochimie, care la rândul lor se bazează pe proprietățile nucleare fizice, fizice, chimice și toxice ale elementelor radioactive.

În acest capitol ne vom limita la o scurtă descriere a proprietăților principalelor izotopi fisionali - uraniu și plutoniu.

Uranus

Uranus ( uraniu) U - element al grupării actinide, perioada 7-0 a sistemului periodic, Z=92, masa atomică 238,029; cel mai greu găsit în natură.

Există 25 de izotopi cunoscuți ai uraniului, toți radioactivi. Cel mai usor 217U (Tj/ 2 =26 ms), cel mai greu 2 4 2 U (7 T J / 2 =i6,8 min). Există 6 izomeri nucleari. Uraniul natural conține trei izotopi radioactivi: 2 8 și (99, 2 739%, Ti/ 2 = 4,47109 l), 2 35 U (0,7205%, G, / 2 = 7,04-109 ani) și 2 34 U ( 0,0056%, Ti/ 2=2,48-yuz l). Radioactivitatea specifică a uraniului natural este de 2,48104 Bq, împărțită aproape la jumătate între 2 34 U și 288 U; 2 35U aduce o contribuție mică (activitatea specifică a izotopului 2 zi din uraniul natural este de 21 de ori mai mică decât activitatea lui 2 3 8 U). Secțiunile transversale de captare a neutronilor termici sunt de 46, 98 și 2,7 barn pentru 2 zzi, 2 35U și, respectiv, 2 3 8 U; diviziune sectia 527 si 584 hambar pentru 2 zzi si 2 z 8 si, respectiv; amestec natural de izotopi (0,7% 235U) 4,2 hambar.

Masă 1. Proprietăți fizice nucleare 2 h9 Ri și 2 35Ts.

Masă 2. Captarea neutronilor 2 35Ts și 2 z 8 C.

Șase izotopi ai uraniului sunt capabili de fisiune spontană: 282 U, 2 zzi, 234 U, 235 U, 2 z 6 i și 2 z 8 i. Izotopii naturali 2 33 și 2 35 U fisiune sub influența atât a neutronilor termici, cât și a celor rapizi, iar nucleele 2 3 8 sunt capabile de fisiune numai atunci când captează neutroni cu o energie mai mare de 1,1 MeV. Atunci când captează neutroni cu energie mai mică, nucleele de 288 U se transformă mai întâi în nuclee de 2 -i9U, care apoi suferă dezintegrare p și se transformă mai întâi în 2 -"*9Np și apoi în 2 39Pu. Secțiunile transversale eficiente pentru captarea termică. neutroni de 2 34U, 2 nuclei 35U și 2 з 8 și sunt egali cu 98, 683 și, respectiv, 2,7-barn. Diviziunea completă a 2 35U duce la un „echivalent de energie termică” de 2-107 kWh/kg 2 35U și 2 zi sunt utilizate ca reacție în lanț de fisiune.

Reactoarele nucleare produc n izotopi artificiali de uraniu cu numere de masă 227-^240, dintre care cea mai lungă viață este 233U (7 V 2 =i.62 *io 5 ani); se obtine prin iradierea cu neutroni a toriului. În fluxurile de neutroni super-puternice ale unei explozii termonucleare, se nasc izotopi de uraniu cu numere de masă de 239^257.

Uran-232- nuclid tehnogen, emițător a, T x / 2=68,9 ani, izotopi părinte 2 h 6 Pu(a), 23 2 Np(p*) și 23 2 Ra(p), nuclid fiică 228 Th. Intensitatea fisiunii spontane este de 0,47 divizii/s kg.

Uraniul-232 se formează ca urmare a următoarelor descompunere:

P + -dezintegrarea nuclidului *3 a Np (Ti/ 2 =14,7 min):

În industria nucleară, 2 3 2 U este produs ca produs secundar în timpul sintezei nuclidului 2 zi fisil (de calitate pentru arme) în ciclul combustibilului toriu. Când 2 3 2 Th este iradiat cu neutroni, are loc reacția principală:

și o reacție secundară în doi pași:

Producția de 232 U din toriu are loc numai cu neutroni rapizi (E„>6 MeV). Dacă substanța inițială conține 2 3°TH, atunci formarea lui 2 3 2 U este completată de reacția: 2 3°TH + u-> 2 3'TH. Această reacție are loc folosind neutroni termici. Generarea de 2 3 2 U este nedorită din mai multe motive. Este suprimată prin utilizarea toriu cu o concentrație minimă de 2 3°TH.

Dezintegrarea lui 2 × 2 are loc în următoarele direcții:

O dezintegrare în 228 Th (probabilitate 10%, energie de dezintegrare 5,414 MeV):

energia particulelor alfa emise este de 5,263 MeV (în 31,6% din cazuri) și 5,320 MeV (în 68,2% din cazuri).

• - fisiune spontană (probabilitate mai mică de ~ 12%);
• - dezintegrarea clusterului cu formarea nuclidului 28 Mg (probabilitate de dezintegrare mai mică de 5*10" 12%):

Dezintegrarea clusterului cu formarea nuclidului 2

Uraniul-232 este fondatorul unui lanț lung de descompunere, care include nuclizi - emițători de y-quanta dure:

^U-(3,64 zile, a,y)-> 220 Rn-> (55,6 s, a)-> 21b Po->(0,155 s, a)-> 212 Pb->(10,64 ore, p, y) - > 212 Bi -> (60,6 m, p, y) -> 212 Po a, y) -> 208x1, 212 Po -> (3 "Yu' 7 s, a) -> 2o8 Pb (înjunghiere), 2o8 T1- >(3,06 m, p, y-> 2o8 Pb.

Acumularea de 2 3 2 U este inevitabilă în timpul producerii de 2 zi în ciclul energetic toriu. Radiațiile y intense care decurg din dezintegrarea 2 3 2 U împiedică dezvoltarea energiei toriului. Ceea ce este neobișnuit este că izotopul uniform 2 3 2 11 are o secțiune transversală de fisiune mare sub influența neutronilor (75 de hambare pentru neutroni termici), precum și o secțiune transversală mare de captare a neutronilor - 73 de hambare. 2 3 2 U este utilizat în metoda trasoarelor radioactive în cercetare chimică.

2 h 2 și este fondatorul unui lanț lung de dezintegrare (conform schemei 2 h 2 T), care include emițători de nuclizi de y-quanta tare. Acumularea de 2 3 2 U este inevitabilă în timpul producerii de 2 zi în ciclul energetic toriu. Radiațiile y intense care decurg din dezintegrarea 232 U împiedică dezvoltarea energiei toriului. Ceea ce este neobișnuit este că izotopul uniform 2 3 2 U are o secțiune transversală de fisiune mare sub influența neutronilor (75 de barni pentru neutroni termici), precum și o secțiune transversală mare de captare a neutronilor - 73 de hambare. 2 3 2 U este adesea folosit în metoda trasorului radioactiv în cercetarea chimică și fizică.

Uran-233- radionuclid artificial, emițător a (energie 4,824 (82,7%) și 4,783 MeV (14,9%)), Tvi= 1,585105 ani, nuclizi părinte 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +)-> 2 ззРа(р), nuclid fiică 22 9Th. 2 zzi se obține în reactoarele nucleare din toriu: 2 z 2 Th captează un neutron și se transformă în 2 zzT, care se descompune în 2 zzRa, iar apoi în 2 zzi. Nucleele lui 2 zi (izotop impar) sunt capabile atât de fisiune spontană, cât și de fisiune sub influența neutronilor de orice energie, ceea ce o face potrivită atât pentru producerea de arme atomice, cât și pentru combustibil pentru reactoare. Secțiunea transversală efectivă de fisiune este de 533 barn, secțiunea transversală de captare este de 52 barn, randamentul de neutroni: per eveniment de fisiune - 2,54, per neutron absorbit - 2,31. Masa critică a 2 zzi este de trei ori mai mică decât masa critică a 2 35U (-16 kg). Intensitatea fisiunii spontane este de 720 diviziuni/s kg.

Uraniul-233 se formează ca urmare a următoarelor descompunere:

- (3 + -dezintegrarea nuclidului 2 33Np (7^=36,2 min):

La scară industrială, 2 zi se obține din 2 32Th prin iradiere cu neutroni:

Atunci când un neutron este absorbit, nucleul 2 zzi se divide de obicei, dar ocazional captează un neutron, transformându-se în 2 34U. Deși 2 zzi se împarte de obicei după absorbția unui neutron, uneori reține un neutron, transformându-se în 2 34U. Producția de 2 zzi se realizează atât în ​​reactoare rapide, cât și în reactoare termice.

Din punct de vedere al armelor, 2 ZZI este comparabil cu 2 39Pu: radioactivitatea sa este de 1/7 față de 2 39Pu (Ti/ 2 = 159200 litri față de 24100 litri pentru Pu), masa critică a 2 zi este cu 60% mai mare decât cea a ^Pu (16 kg față de 10 kg), iar rata de fisiune spontană este de 20 de ori mai mare (bth - ' versus 310 10). Fluxul de neutroni de la 2 zzi este de trei ori mai mare decât cel de la 2 39Pi. Crearea unei sarcini nucleare bazată pe 2 zi necesită mai mult efort decât pe ^Pi. Principalul obstacol este prezența impurității 232 U în 2ZZI, a cărei radiație y a proiectelor de dezintegrare îngreunează lucrul cu 2ZZI și facilitează detectarea armelor terminate. În plus, timpul scurt de înjumătățire al 2 3 2 U îl face o sursă activă de particule alfa. 2 zi cu 1% 232 și are o activitate a de trei ori mai puternică decât plutoniul pentru arme și, în consecință, o radiotoxicitate mai mare. Această activitate a provoacă crearea de neutroni în elementele ușoare ale încărcăturii armei. Pentru a minimiza această problemă, prezența elementelor precum Be, B, F, Li ar trebui să fie minimă. Prezența unui fundal de neutroni nu afectează funcționarea sistemelor de implozie, dar circuitele de tun necesită un nivel ridicat de puritate pentru elementele ușoare. ). În combustibilul reactoarelor de putere termică, prezența 2 Acest lucru nu este dăunător și chiar de dorit, deoarece reduce posibilitatea utilizării uraniului în scopuri de arme După reprocesarea combustibilului uzat și reutilizarea combustibilului, conținutul de 232U ajunge la aproximativ 1 + 0,2%.

Dezintegrarea lui 2 zi are loc în următoarele direcții:

O dezintegrare în 22 9Th (probabilitate 10%, energie de dezintegrare 4,909 MeV):

energia particulelor de yahr emise este de 4,729 MeV (în 1,61% din cazuri), 4,784 MeV (în 13,2% din cazuri) și 4,824 MeV (în 84,4% din cazuri).

• - diviziune spontană (probabilitate
• - dezintegrarea clusterului cu formarea nuclidului 28 Mg (probabilitate de descompunere mai mică de 1,3*10_13%):

Dezintegrarea clusterului cu formarea nuclidului 24 Ne (probabilitate de dezintegrare 7,3-10-“%):

Lanțul de descompunere a 2 zzi aparține seriei neptuniului.

Radioactivitatea specifică a 2 zi este de 3,57-8 Bq/g, ceea ce corespunde unei activități a (și radiotoxicității) de -15% a plutoniului. Doar 1% 2 3 2 U crește radioactivitatea la 212 mCi/g.

Uran-234(Uranus II, UII) parte din uraniu natural (0,0055%), 2,445105 ani, emițător a (energia particulelor a 4,777 (72%) și

4,723 (28%) MeV), radionuclizi părinte: 2 h 8 Pu(a), 234 Pa(P), 234 Np(p +),

izotop fiică în 2 z”th.

De obicei, 234 U este în echilibru cu 2 h 8 u, descompunând și formându-se în aceeași viteză. Aproximativ jumătate din radioactivitatea uraniului natural este contribuită de 234U. De obicei, 234U este obținut prin cromatografia cu schimb de ioni a preparatelor vechi de 2 × 8 Pu pur. În timpul dezintegrarii a, *zRi dă 2 34U, așa că preparatele vechi de 2 h 8 Ru sunt surse bune de 2 34U. yuo g 238Pi conține după un an 776 mg 2 34U, după 3 ani

2,2 g 2 34U. Concentrația de 2 34U în uraniu foarte îmbogățit este destul de mare datorită îmbogățirii preferențiale cu izotopi de lumină. Deoarece 2 34u este un emițător y puternic, există restricții privind concentrația sa în uraniu destinat procesării în combustibil. Nivelurile crescute de 234i sunt acceptabile pentru reactoare, dar combustibilul uzat reprocesat conține deja niveluri inacceptabile ale acestui izotop.

Dezintegrarea lui 234i are loc în următoarele direcții:

Dezintegrare A la 2 3°Т (probabilitate 100%, energie de dezintegrare 4,857 MeV):

energia particulelor alfa emise este de 4,722 MeV (în 28,4% din cazuri) și 4,775 MeV (în 71,4% din cazuri).

• - diviziune spontană (probabilitate 1,73-10-9%).
• - dezintegrarea clusterului cu formarea nuclidului 28 Mg (probabilitate de dezintegrare 1,4-10%, conform altor date 3,9-10%):

• - dezintegrarea clusterului cu formarea nuclizilor 2 4Ne și 26 Ne (probabilitate de dezintegrare 9-10", 2%, conform altor date 2,3-10_11%):

Singurul izomer cunoscut este 2 34ti (Tx/ 2 = 33,5 μs).

Secțiunea transversală de absorbție a 2 neutroni termici 34U este de 100 barn, iar pentru integrala de rezonanță mediată pe diverși neutroni intermediari este de 700 barn. Prin urmare, în reactoarele cu neutroni termici, acesta este convertit în 235U fisil la o viteză mai rapidă decât cantitatea mult mai mare de 238U (cu o secțiune transversală de 2,7 barn) este convertită în 2 39Ru. Ca rezultat, combustibilul uzat conține mai puțin 2 34U decât combustibilul proaspăt.

Uran-235 aparține familiei 4P+3, capabilă să producă o reacție în lanț de fisiune. Acesta este primul izotop în care a fost descoperită reacția de fisiune nucleară forțată sub influența neutronilor. Prin absorbția unui neutron, 235U devine 2 zbi, care este împărțit în două părți, eliberând energie și emițând mai mulți neutroni. Fisionabil de neutroni de orice energie și capabil de fisiune spontană, izotopul 2 35U face parte din ufanul natural (0,72%), un emițător a (energii 4,397 (57%) și 4,367 (18%) MeV), Ti/j=7,038-8 ani, nuclizi mamă 2 35Pa, 2 35Np și 2 39Pu, fiica - 23Th. Viteza de fisiune spontană 2 3su 0,16 fisiune/s kg. Când un nucleu de 2 35U fisiune, se eliberează 200 MeV de energie = 3,210 p J, adică. 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Secțiunea transversală a fisiunii prin neutroni termici este de 545 hambare, iar prin neutroni rapizi - 1,22 hambare, randament de neutroni: per act de fisiune - 2,5, per neutron absorbit - 2,08.

Comentariu. Secțiune transversală pentru captarea neutronilor lenți pentru a produce izotopul 2 zi (oo barn), deci totalul secţiune transversală absorbția neutronilor lenți este de 645 barn.

• - fisiune spontană (probabilitate 7*10~9%);
• - dezintegrarea clusterului cu formarea nuclizilor 2 °Ne, 2 5Ne și 28 Mg (probabilitățile, respectiv, sunt 8-io_10%, 8-kg 10%, 8*10",0%):

Orez. 1.

Singurul izomer cunoscut este 2 35n»u (7/ 2 = 2b min).

Activitate specifică 2 35C 7,77-4 Bq/g. Masa critică de uraniu pentru arme (93,5% 2 35U) pentru o minge cu reflector este de 15-7-23 kg.

2 » Fisiunea 5U este utilizată în armele atomice, pentru producerea de energie și pentru sinteza actinidelor importante. Reacția în lanț se menține datorită excesului de neutroni produs în timpul fisiunii de 2 35C.

Uran-236 găsit în mod natural pe Pământ în urme (există mai mult pe Lună), emițător a (?

Orez. 2. Familia radioactivă 4/7+2 (inclusiv -з 8 è).

Într-un reactor atomic, 2 sz absoarbe un neutron termic, după care fisiune cu o probabilitate de 82%, iar cu o probabilitate de 18% emite un cuantic y și se transformă în 2 sb și (pentru 100 de nuclee fisionate 2 35U acolo sunt 22 de nuclee formate 2 3 6 U) . În cantități mici, face parte din combustibilul proaspăt; se acumulează atunci când uraniul este iradiat cu neutroni într-un reactor și, prin urmare, este folosit ca „dispozitiv de semnalizare” pentru combustibilul nuclear uzat. 2 h b și se formează ca produs secundar în timpul separării izotopilor prin difuzia gazelor în timpul regenerării combustibilului nuclear uzat. 236 U este o otravă de neutroni formată într-un reactor de putere prezența sa în combustibilul nuclear este compensată de un nivel ridicat de îmbogățire 2 35 U.

2 z b și este folosit ca trasor al amestecării apelor oceanice.

Uraniu-237,T&= 6,75 zile, emițător beta și gamma, pot fi obținute din reacții nucleare:

Detectarea 287 și efectuată în conformitate cu Ey= o,ob MeV (36%), 0,114 MeV (0,06%), 0,165 MeV (2,0%), 0,208 MeV (23%)

237U este utilizat în metoda radiotracerului în cercetarea chimică. Măsurarea concentrației (2-4°Am) în precipitații de la testele cu arme atomice oferă informații valoroase despre tipul de încărcare și echipamentul utilizat.

Uran-238- aparține familiei 4P+2, fisionabilă de neutroni de înaltă energie (mai mult de 1,1 MeV), capabilă de fisiune spontană, formează baza uraniului natural (99,27%), emițător a, 7’; /2=4>468-109 ani, se descompune direct în 2 34Th, formează un număr de radionuclizi înrudiți genetic, iar după 18 produse se transformă în 206 Pb. Pur 2 3 8 U are o radioactivitate specifică de 1,22-104 Bq. Timpul de înjumătățire este foarte lung - aproximativ 10 16 ani, deci probabilitatea de fisiune în raport cu procesul principal - emisia unei particule alfa - este de numai 10" 7. Un kilogram de uraniu dă doar 10 fisiuni spontane pe secundă, iar în același timp particulele alfa emit 20 de milioane de nuclei mamă: 2 4 2 Pu(a), *38ra(p-) 234Th, fiică. T,/ 2 = 2 :i 4 Th.

Uraniul-238 se formează ca urmare a următoarelor descompunere:

2 (V0 4) 2 ] 8H 2 0. Dintre mineralele secundare, uranil fosfatul de calciu hidratat Ca(U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0 este frecvent însoțit de uraniu în minerale - titan, tantal, pământuri rare. Prin urmare, este firesc să ne străduim pentru procesarea complexă a minereurilor care conțin uraniu.

Proprietățile fizice de bază ale uraniului: masa atomică 238,0289 amu. (g/mol); raza atomică 138 pm (1 pm = 12 m); energie de ionizare (primul electron 7,11 eV; configurație electronică -5f36d‘7s 2; stări de oxidare 6, 5, 4, 3; GP l = 113 2, 2 °; T t,1=3818°; densitate 19,05; căldură specifică 0,115 JDKmol); rezistență la rupere 450 MPa, căldură de fuziune 12,6 kJ/mol, căldură de evaporare 417 kJ/mol, căldură specifică 0,115 J/(mol-K); volum molar 12,5 cm3/mol; temperatura caracteristică Debye © D =200K, temperatura de tranziție la starea supraconductoare aproximativ.68K.

Uraniul este un metal greu, alb-argintiu, strălucitor. Este puțin mai moale decât oțelul, maleabil, flexibil, are ușoare proprietăți paramagnetice și este piroforic sub formă de pulbere. Uraniul are trei forme alotrope: alfa (ortorombic, a-U, parametri reticulat 0=285, b= 587, c=49b pm, stabil până la 667,7°), beta (tetragonal, p-U, stabil de la 667,7 la 774,8°), gamma (cu o rețea cubică centrată pe corp, y-U, existent de la 774,8° până la punctele de topire, frm= ii34 0), la care uraniul este cel mai maleabil și mai convenabil pentru prelucrare.

La temperatura camerei, faza a ortorombica este stabilă, structura prismatică este formată din straturi atomice ondulate paralele cu planul ABC,într-o rețea prismatică extrem de asimetrică. În straturi, atomii sunt strâns legați, în timp ce puterea legăturilor dintre atomi din straturile adiacente este mult mai slabă (Figura 4). Această structură anizotropă face dificilă aliarea uraniului cu alte metale. Doar molibdenul și niobiul creează aliaje în fază solidă cu uraniu. Cu toate acestea, uraniul metal poate interacționa cu multe aliaje, formând compuși intermetalici.

În intervalul 668^775° există (3-uraniu. Rețeaua de tip tetragonal are o structură stratificată cu straturi paralele cu planul abîn pozițiile 1/4С, 1/2 Cuși 3/4C din celula unitară. La temperaturi peste 775°, se formează y-uraniu cu o rețea cubică centrată pe corp. Adăugarea de molibden permite ca faza y să fie prezentă la temperatura camerei. Molibdenul formează o gamă largă de soluții solide cu y-uraniul și stabilizează faza y la temperatura camerei. y-Uraniul este mult mai moale și mai maleabil decât fragilele a- și (3-faze.

Iradierea cu neutroni are un impact semnificativ asupra proprietăților fizice și mecanice ale uraniului, determinând o creștere a dimensiunii probei, o schimbare a formei, precum și o deteriorare bruscă a proprietăților mecanice (fluaj, fragilizare) ale blocurilor de uraniu în timpul funcţionarea unui reactor nuclear. Creșterea volumului se datorează acumulării în uraniu în timpul fisiunii impurităților elementelor cu o densitate mai mică (traducere 1% uraniul în elemente de fragmentare crește volumul cu 3,4%).

Orez. 4. Unele structuri cristaline ale uraniului: a - a-uraniu, b - p-uraniu.

Cele mai comune metode de obţinere a uraniului în stare metalică sunt reducerea fluorurilor acestora cu metale alcaline sau alcalino-pământoase sau electroliza sărurilor topite. Uraniul poate fi obținut și prin reducerea metalotermă din carburi cu wolfram sau tantal.

Capacitatea de a renunța cu ușurință la electroni determină proprietățile reducătoare ale uraniului și activitatea sa chimică mai mare. Uraniul poate interacționa cu aproape toate elementele, cu excepția gazelor nobile, dobândind stări de oxidare +2, +3, +4, +5, +6. În soluție valența principală este 6+.

Oxidându-se rapid în aer, uraniul metalic este acoperit cu o peliculă irizată de oxid. Pulberea fină de uraniu se aprinde spontan în aer (la temperaturi de 1504-175°), formând și;) Ov. La 1000°, uraniul se combină cu azotul, formând nitrură de uraniu galbenă. Apa poate reacționa cu metalul, încet la temperaturi scăzute și rapid la temperaturi ridicate. Uraniul reacționează violent cu apa clocotită și cu aburul pentru a elibera hidrogen, care formează o hidrură cu uraniul.

Această reacție este mai energică decât arderea uraniului în oxigen. Această activitate chimică a uraniului face necesară protejarea uraniului din reactoarele nucleare de contactul cu apa.

Uraniul se dizolvă în acizi clorhidric, azotic și alți acizi, formând săruri U(IV), dar nu interacționează cu alcalii. Uraniul înlocuiește hidrogenul din acizii anorganici și soluțiile sărate ale metalelor precum mercurul, argintul, cuprul, staniul, platina și aurul. Când sunt agitate puternic, particulele de metal de uraniu încep să strălucească.

Caracteristicile structurii învelișurilor de electroni ale atomului de uraniu (prezența electronilor ^/-) și unele dintre ele proprietăți fizice și chimice servesc drept bază pentru clasificarea uraniului ca actinidă. Cu toate acestea, există o analogie chimică între uraniu și Cr, Mo și W. Uraniul este foarte reactiv și reacționează cu toate elementele, cu excepția gazelor nobile. În faza solidă, exemple de U(VI) sunt trioxidul de uranil U03 și clorura de uranil U02C12. Tetraclorură de uraniu UC1 4 și dioxid de uraniu U0 2

Exemple de U(IV). Substanțele care conțin U(IV) sunt de obicei instabile și devin hexavalente atunci când sunt expuse la aer pentru o perioadă lungă de timp.

În sistemul uraniu-oxigen sunt instalați șase oxizi: UO, U0 2, U 4 0 9 și 3 Ov, U0 3. Ele se caracterizează printr-o gamă largă de omogenitate. U0 2 este un oxid bazic, în timp ce U0 3 este amfoter. U0 3 - interacționează cu apa pentru a forma un număr de hidrați, dintre care cei mai importanți sunt acidul diuranic H 2 U 2 0 7 și acidul uranic H 2 1U 4. Cu alcalii, U0 3 formează săruri ale acestor acizi - uranați. Când U03 este dizolvat în acizi, se formează săruri ale cationului uranil dublu încărcat U02a+.

Dioxidul de uraniu, U0 2, de compoziție stoechiometrică este maro. Pe măsură ce conținutul de oxigen din oxid crește, culoarea se schimbă de la maro închis la negru. Structura cristalină de tip CaF 2, O = 0,547 nm; densitate 10,96 g/cm"* (cea mai mare densitate dintre oxizii de uraniu). T , pl =2875 0 , Tk „ = 3450°, D#°298 = -1084,5 kJ/mol. Dioxidul de uraniu este un semiconductor cu conductivitate în găuri și un paramagnet puternic. MPC = o.015 mg/m3. Insolubil în apă. La temperatura de -200° adaugă oxigen, ajungând la compoziţia U0 2>25.

Oxidul de uraniu (IV) poate fi preparat prin următoarele reacții:

Dioxidul de uraniu prezintă numai proprietăți de bază, acesta corespunde hidroxidului bazic U(OH) 4, care este apoi transformat în hidroxid hidratat U0 2 H 2 0. Dioxidul de uraniu se dizolvă lent în acizi puternici neoxidanți în absența oxigenului atmosferic; formarea ionilor III +:

U0 2 + 2H 2 S0 4 ->U(S0 4) 2 + 2H 2 0. (38)

Este solubil în acizi concentrați, iar viteza de dizolvare poate fi crescută semnificativ prin adăugarea ionului de fluor.

Când este dizolvat în acid azotic, are loc formarea ionului de uranil 1O 2 2+:

Triuran octaoxide U 3 0s (oxid de uraniu) este o pulbere a cărei culoare variază de la negru la verde închis; când este zdrobită puternic, capătă o culoare verde-măslinie. Cristalele negre mari lasă dungi verzi pe porțelan. Sunt cunoscute trei modificări cristaline ale U30 h: a-U3C>8 - structură cristalină rombică (grup spațial C222; 0 = 0,671 nm; 6 = 1,197 nm; c = o,83 nm; d = 0,839 nm); p-U 3 0e - structură cristalină rombică (grup spațial Stst; 0=0,705 nm; 6=1,172 nm; 0=0,829 nm. Inceputul descompunerii este oooo° (tranzitii la 100 2), MPC = 0,075 mg/m3.

U 3 C>8 poate fi obținut prin reacția:

Prin calcinare U0 2, U0 2 (N0 3) 2, U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 sau (NH 4) 2 U 2 0 7 la 750 0 în aer sau în atmosferă de oxigen ( p = 150+750 mmHg) se obţine U 3 08 pur stoichiometric.

Când U 3 0s este calcinat la T>oooo°, se reduce la 10 2 , dar la răcirea în aer revine la U 3 0s. U 3 0e se dizolvă numai în acizi tari concentraţi. În acizii clorhidric și sulfuric se formează un amestec de U(IV) și U(VI), iar în acidul azotic - azotat de uranil. Se diluează sulfuric și acid clorhidric reacționează foarte slab cu U 3 Os chiar și atunci când este încălzit; H2SO4 concentrat dizolvă U3Os pentru a forma U(SO4)2 şi U02SO4. Acidul azotic dizolvă U 3 Oe pentru a forma nitrat de uranil.

Trioxid de uraniu, U0 3 - o substanță cristalină sau amorfă de culoare galben strălucitor. Reactioneaza cu apa. MAC = 0,075 mg/m3.

Se obține prin calcinarea poliuranaților de amoniu, peroxid de uraniu, oxalat de uranil la 300-500° și nitrat de uranil hexahidrat. Aceasta produce o pulbere portocalie cu o structură amorfă cu o densitate

6,8 g/cmz. Forma cristalină a IU 3 poate fi obţinută prin oxidarea U 3 0 8 la temperaturi de 450°h-750° într-un flux de oxigen. Există șase modificări cristaline ale U0 3 (a, (3, y> §> ?, n) - U0 3 este higroscopic și aer umed se transformă în hidroxid de uranil. Încălzirea lui la 520°-^6oo° dă un compus cu compoziția 1O 2>9, încălzirea ulterioară la 6oo° face posibilă obținerea U 3 Os.

Hidrogenul, amoniacul, carbonul, metalele alcaline și alcalino-pământoase reduc U0 3 la U0 2. La trecerea unui amestec de gaze HF și NH3, se formează UF4. La valență mai mare, uraniul prezintă proprietăți amfotere. Când acizii acționează asupra U0 3 sau asupra hidraților săi, se formează săruri de uranil (U0 2 2+), colorate în galben. verde:

Majoritatea sărurilor de uranil sunt foarte solubile în apă.

Când este fuzionat cu alcalii, U0 3 formează săruri de acid uranic - uranați MDKH:

Cu soluții alcaline, trioxidul de uraniu formează săruri ale acizilor poliuranici - poliuranați DHM 2 Oy1U 3 pH^O.

Sărurile acidului uranic sunt practic insolubile în apă.

Proprietățile acide ale U(VI) sunt mai puțin pronunțate decât cele de bază.

Uraniul reacţionează cu fluorul la temperatura camerei. Stabilitatea halogenurilor superioare scade de la fluoruri la ioduri. Fluorurile UF 3, U4F17, U2F9 și UF 4 sunt nevolatile, iar UFe este volatil. Cele mai importante fluoruri sunt UF 4 și UFe.

Ftppippiyanir okgilya t"yanya ppptrkart conform practicii:

Reacția într-un pat fluidizat se realizează conform ecuației:

Este posibil să se utilizeze agenți de fluorurare: BrF 3, CC1 3 F (Freon-11) sau CC1 2 F 2 (Freon-12):

Fluorura de uraniu (1U) UF 4 („sare verde”) este o pulbere de culoare albăstruie-verzuie până la smarald. G 11L = yuz6°; Гк,«,.=-1730°. DN° 29 8= 1856 kJ/mol. Structura cristalină este monoclinică (sp. gp. C2/s; 0=1,273 nm; 5=1,075 nm; 0=0,843 nm; d= 6,7 nm; p=12b°20"; densitate 6,72 g/cm3. UF 4 este un compus stabil, inactiv, nevolatil, slab solubil în apă. Cel mai bun solvent pentru UF 4 este acidul percloric fumos HC10 4. Se dizolvă în acizi oxidanți pentru a forma o sare de uranil se dizolvă rapid într-o soluție fierbinte de Al(N03)3 sau AlC13, precum și într-o soluție de acid boric acidificat cu H2SO4, HC104 sau HC1, care leagă ionii de fluor de exemplu, Fe3 +, Al3 + sau acidul boric, contribuie de asemenea la dizolvarea UF 4. Cu fluorurile altor metale formează un număr de săruri duble slab solubile (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7 etc. NH. 4 UF 5 este de importanţă industrială).

Fluorura U(IV) este un produs intermediar în preparat

atât UF6 cât și uraniu metal.

UF4 poate fi obţinut prin reacţii:

sau prin reducerea electrolitică a fluorurii de uranil.

Hexafluorură de uraniu UFe - la temperatura camerei, cristale de culoare fildeș cu un indice de refracție ridicat. Densitate

5,09 g/cmz, densitatea UFe lichid - 3,63 g/cmz. Compus volatil. Tvoag = 5^>5°> Gil=b4,5° (sub presiune). Presiunea vaporilor saturați ajunge în atmosferă la 560°. Entalpia de formare AH° 29 8 = -211b kJ/mol. Structura cristalină este ortorombică (grup spațial. Rpt; 0=0,999 nm; fe= 0,8962 nm; c=0,5207 nm; d 5,060 nm (250). MPC - 0,015 mg/m3. Din starea solidă, UF6 se poate sublima (sublima) într-un gaz, ocolind faza lichidă într-o gamă largă de presiuni. Căldura de sublimare la 50 0 50 kJ/mg. Molecula nu are moment dipol, deci UF6 nu se asociază. Vaporii de UFr sunt un gaz ideal.

Se obține prin acțiunea fluorului asupra compusului său U:

Pe lângă reacțiile în fază gazoasă, există și reacții în fază lichidă

producerea UF6 folosind halofluoruri, de exemplu

Există o modalitate de a obține UF6 fără utilizarea fluorului - prin oxidarea UF 4:

UFe nu reacționează cu aerul uscat, oxigenul, azotul și C0 2, dar la contactul cu apa, chiar și urme ale acesteia, suferă hidroliză:

Interacționează cu majoritatea metalelor, formând fluorurile acestora, ceea ce complică metodele de depozitare a acestuia. Materialele vaselor potrivite pentru lucrul cu UF6 sunt: ​​la încălzire, Ni, Monel și Pt, la rece - de asemenea Teflon, cuarț și sticlă absolut uscate, cupru și aluminiu. La temperaturi de 25-0°C formează compuși complecși cu fluoruri de metale alcaline și argint de tipul 3NaFUFr>, 3KF2UF6.

Se dizolvă bine în diverse lichide organice, acizi anorganici și toate halofluorurile. Inert la uscare 02, N2, CO2, C12, Br2. UFr se caracterizează prin reacții de reducere cu majoritatea metalelor pure. Cu hidrocarburi si altele substanțe organice UF6 reacționează energic, deci vase închise cu UFe poate exploda. UF6 în intervalul 25 -r100° formează săruri complexe cu fluorurile alcaline și ale altor metale. Această proprietate este utilizată în tehnologia de extracție selectivă a UF

Hidrururile de uraniu UH 2 și UH 3 ocupă o poziție intermediară între hidrurile asemănătoare sărurilor și hidrurile de tipul soluțiilor solide de hidrogen din metal.

Când uraniul reacţionează cu azotul, se formează nitruri. ÎN Sistemul U-N sunt cunoscute patru faze: UN (nitrură de uraniu), a-U 2 N 3 (sesquinitrură), p- U 2 N 3 și ONU If90. Nu se poate realiza compoziția UN 2 (dinitrură). Sintezele de mononitrură de uraniu UN sunt fiabile și bine controlate, care sunt cel mai bine efectuate direct din elemente. Nitrururile de uraniu sunt substanțe pulverulente, a căror culoare variază de la gri închis la gri; arata ca metal. UN are o structură cristalină cubică centrată pe față, ca NaCl (0 = 4,8892 A); (/=14,324, 7^=2855°, stabil în vid până la 1700 0. Se prepară prin reacția U sau U hidrură cu N2 sau NH 3 , descompunerea nitrurilor de U superioare la 1300° sau reducerea lor cu uraniu metalic. U 2 N 3 este cunoscut în două modificări polimorfe: a cubic și p hexagonal (0 = 0,3688 nm, 6 = 0,5839 nm), eliberează N 2 în vid peste 8oo°. Se obține prin reducerea UN 2 cu hidrogen. Dinitrura UN2 este sintetizată prin reacția U cu N2 at hipertensiune arterială N 2. Nitrururile de uraniu sunt ușor solubile în acizi și soluții alcaline, dar sunt descompuse de alcalii topiți.

Nitrura de uraniu se obține prin reducerea carbotermică în două etape a oxidului de uraniu:

Încălzire în argon la 7M450 0 timp de 10*20 ore

Nitrura de uraniu cu o compoziție apropiată de dinitrură, UN 2, poate fi obținută prin expunerea UF 4 la amoniac la temperatură și presiune ridicată.

Dinitrura de uraniu se descompune atunci când este încălzită:

Nitrura de uraniu, îmbogățită la 2 35 U, are o densitate de fisiune, conductivitate termică și punct de topire mai mare decât oxizii de uraniu - combustibilul tradițional al reactoarelor de putere moderne. De asemenea, are proprietăți mecanice bune și stabilitate superioară combustibililor tradiționali. Prin urmare, acest compus este considerat o bază promițătoare pentru combustibilul nuclear în reactoare cu neutroni rapizi (reactoare nucleare de generația IV).

Comentariu. Este foarte util să îmbogățiți ONU cu ‘5N, pentru că .4 N tinde să capteze neutroni, generând izotopul radioactiv 14 C prin reacția (n,p).

Carbura de uraniu UC 2 (faza a) este o substanță cristalină de culoare gri deschis cu un luciu metalic. ÎN Sistemul U-C(carburi de uraniu) există UC 2 (fază a), UC 2 (b 2-faza), U 2 C 3 (e-faza), UC (b 2-faza) - carburi de uraniu. Dicarbura de uraniu UC 2 poate fi obținută prin reacțiile:

U + 2C^UC 2 (54v)

Carburele de uraniu sunt folosite ca combustibil pentru reactoarele nucleare, sunt promițătoare ca combustibil pentru motoarele de rachete spațiale.

Azotat de uranil, azotat de uranil, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Rolul metalului în această sare îl joacă cationul uranil 2+. Cristale galbene cu o nuanță verzuie, ușor solubile în apă. O soluție apoasă este acidă. Solubil în etanol, acetonă și eter, insolubil în benzen, toluen și cloroform. Când sunt încălzite, cristalele se topesc și eliberează HN0 3 și H 2 0. Hidratul cristalin este ușor evaporat în aer. O reacție caracteristică este aceea că sub acțiunea NH 3 se formează un precipitat galben de amoniu uraniu.

Uraniul este capabil să formeze compuși metalo-organici. Exemple sunt derivații de ciclopentadienil ai compoziției U(C5H5)4 și u(C5H5)3G sau u(C5H5)2G2 ai acestora substituiți cu halogen.

În soluțiile apoase, uraniul este cel mai stabil în starea de oxidare a U(VI) sub forma ionului de uranil U0 2 2+. Într-o măsură mai mică, se caracterizează prin starea U(IV), dar poate apărea chiar și în forma U(III). Starea de oxidare a U(V) poate exista ca ion IO2+, dar această stare este rar observată datorită tendinței sale de disproporționare și hidroliză.

În soluții neutre și acide, U(VI) există sub formă de U0 2 2+ - un ion de uranil galben. Sărurile de uranil bine solubile includ azotat U0 2 (N0 3) 2, sulfatul U0 2 S0 4, clorura U0 2 C1 2, fluorura U0 2 F 2, acetat U0 2 (CH 3 C00) 2. Aceste săruri sunt eliberate din soluții sub formă de hidrați cristalini cu un număr diferit de molecule de apă. Sărurile de uranil ușor solubile sunt: ​​oxalat U0 2 C 2 0 4, fosfații U0 2 HP0. și UO2P2O4, uranil fosfat de amoniu UO2NH4PO4, uranil vanadatul de sodiu NaU0 2 V0 4, ferocianura (U0 2) 2. Ionul de uranil se caracterizează printr-o tendință de formare compuși complecși. Astfel, se cunosc complexe cu ioni de fluor de tip -, 4-; complexe de nitrați și 2*; complecși de acid sulfuric 2" și 4-; complecși de carbonat 4" și 2" etc. Când alcalii acționează asupra soluțiilor de săruri de uranil, se eliberează precipitate puțin solubile de diuranați de tip Me 2 U 2 0 7 (monouranați Me 2 U0 4 nu sunt izolate din soluţii, se obţin prin fuziunea oxizilor de uraniu cu alcalii sunt cunoscuţi poliuranaţii Me 2 U n 0 3 n+i (de exemplu, Na 2 U60i 9).

U(VI) este redus în soluții acide la U(IV) prin fier, zinc, aluminiu, hidrosulfit de sodiu și amalgam de sodiu. Soluțiile sunt colorate în verde. Alcalii precipită din ele hidroxid U0 2 (0H) 2, acid fluorhidric - fluor UF 4 -2,5H 2 0, acid oxalic - oxalat U(C 2 0 4) 2 -6H 2 0. Ionul U 4+ are tendința de a formează complecși mai puțin decât cel al ionilor de uranil.

Uraniul (IV) în soluție este sub formă de ioni U4+, care sunt puternic hidrolizați și hidratați:

În soluțiile acide, hidroliza este suprimată.

Uraniul (VI) în soluție formează oxocarea uranilului - U0 2 2+ Sunt cunoscuți numeroși compuși ai uranilului, dintre care exemple sunt: ​​U0 3, U0 2 (C 2 H 3 0 2) 2, U0 2 C0 3 -2(NH 4) ) 2 C0 3 U0 2 C0 3, U0 2 C1 2, U0 2 (0H) 2, U0 2 (N0 3) 2, UO0SO4, ZnU0 2 (CH 3 C00) 4 etc.

La hidroliza ionului de uranil, se formează o serie de complexe multinucleare:

Odată cu hidroliză suplimentară, apar U30s(0H)2 şi apoi U308 (0H)42.

Pentru detecția calitativă a uraniului se folosesc metode de analiză chimică, luminiscentă, radiometrică și spectrală. Metodele chimice se bazează în principal pe formarea de compuși colorați (de exemplu, culoarea roșu-maro a unui compus cu ferocianură, galben cu peroxid de hidrogen, albastru cu reactiv arsenazo). Metoda luminiscentă se bazează pe capacitatea multor compuși ai uraniului de a produce o strălucire gălbuie-verzuie atunci când sunt expuși la razele UV.

Determinarea cantitativă a uraniului se realizează prin diferite metode. Cele mai importante dintre ele sunt: ​​metodele volumetrice, constând în reducerea U(VI) la U(IV) urmată de titrare cu soluții de agenți oxidanți; metode gravimetrice - precipitarea uranaților, peroxidului, cufernaților U(IV), hidroxichinolat, oxalat etc. urmată de calcinare la 00° și cântărirea U 3 0s; metodele polarografice în soluție de nitrat fac posibilă determinarea a 10*7-g10-9 g de uraniu; numeroase metode colorimetrice (de exemplu, cu H 2 0 2 în mediu alcalin, cu reactivul arsenazo în prezenţa EDTA, cu dibenzoilmetan, sub formă de complex tiocianat etc.); metoda luminiscentă, care face posibilă determinarea când este fuzionată cu NaF la Iu 11 g uraniu.

235U aparține grupei de pericol de radiații A, activitatea minimă semnificativă este MZA = 3,7-10 4 Bq, 2 3 8 și - grupului D, MZA = 3,7-6 Bq (300 g).

În condiții normale, elementul radioactiv uraniul este un metal cu o masă atomică (moleculară) mare - 238,02891 g/mol. Conform acestui indicator, se află pe locul al doilea, deoarece Singurul lucru mai greu decât el este plutoniul. Producția de uraniu este asociată cu implementarea secvențială a unui număr de operațiuni tehnologice:

• concentrația rocii, zdrobirea acesteia și sedimentarea fracțiilor grele în apă
• leşierea concentrată sau purjarea cu oxigen
• conversia uraniului în stare solidă(oxid sau tetrafluorura UF 4)
• obţinerea azotatului de uranil UO 2 (NO 3) 2 prin dizolvarea materiei prime în acid azotic
• cristalizare şi calcinare pentru a obţine oxid de UO 3
• reducerea cu hidrogen pentru a obține UO2
• obţinerea tetrafluorurii de UF 4 prin adăugarea de acid fluorhidric gazos
• reducerea uraniului metalic folosind magneziu sau calciu

Minerale de uraniu

Cele mai comune minerale U sunt:

• pitchblenda (uraninit) este cel mai faimos oxid, care se numește „apă grea”
• Carnotite
• Tyuyamunit
• Torburnita
• Samarskit
• Brannerite
• Kasolit
• Calomnie

Producția de uraniu

Potrivit companiei ruse Rosatom, unul dintre liderii mondiali pe piața globală a uraniului, peste 3 mii de tone de uraniu au fost extrase pe planetă în 2014. În același timp, potrivit reprezentanților diviziei de minerit a acestei corporații de stat, volumul rezervelor rusești din acest metal este de 727,2 mii tone (locul 3 în lume), ceea ce garantează o aprovizionare neîntreruptă a materiilor prime necesare pentru multe decenii. .

Principalele proprietăți chimice ale uraniului sunt prezentate în tabel:

Elementul U, ca și curiu și plutoniu, este un element produs artificial din familia actinidelor. Proprietățile sale chimice sunt în multe privințe similare cu cele ale wolframului, molibdenului și cromului. Uraniul se caracterizează prin valență variabilă, precum și o tendință de a forma (UO 2) + 2 – uranil, care este un ion complex.

Metode de îmbogățire a uraniului

După cum se știe, U natural conține 3 izotopi:

• 238U (99,2745%)
• 235U (0,72%)
• 234U (0,0055%)

Îmbogățirea uraniului înseamnă o creștere a ponderii izotopului 235U din metal - singurul care este capabil de o reacție nucleară în lanț independentă.

Pentru a înțelege cum este îmbogățit uraniul, este necesar să se țină cont de gradul de îmbogățire a acestuia:

• continut 0,72% - poate fi folosit in unele reactoare de putere
• 2-5% – utilizat în majoritatea reactoarelor de putere
• până la 20% (scăzut îmbogățit) – pentru reactoare experimentale
• mai mult de 20% (foarte îmbogățit sau de calitate pentru arme) – reactoare nucleare, arme.

Cum este îmbogățit uraniul? Există multe metode de îmbogățire a uraniului, dar cele mai aplicabile sunt următoarele:

• electromagnetic – accelerarea particulelor elementare într-un accelerator special și răsucirea lor într-un câmp magnetic
• aerodinamic – suflarea gazului de uraniu prin duze speciale
• centrifugare cu gaz - gazul de uraniu din centrifugă se deplasează și, prin inerție, împinge molecule grele spre pereții centrifugei
• metoda de difuzie a gazului de îmbogățire a uraniului - „cernerea” izotopilor ușoare de uraniu prin porii mici ai membranelor speciale

Principala aplicație a uraniului este combustibilul pentru reactoare nucleare, reactoare de centrale nucleare, nucleare centrale electrice. În plus, izotopul 235U este folosit în armele nucleare, în timp ce metalul neîmbogățit cu o proporție mare de 238U face posibilă obținerea de combustibil nuclear secundar - plutoniu.