U članku se govori o tome kada je otkriven kemijski element uran iu kojim se industrijama ova tvar koristi u naše vrijeme.

Uran je kemijski element energetske i vojne industrije

U svim vremenima ljudi su pokušavali pronaći visoko učinkovite izvore energije, au idealnom slučaju i stvoriti tzv. Nažalost, nemogućnost njegovog postojanja teoretski je dokazana i opravdana još u 19. stoljeću, ali znanstvenici još uvijek nisu izgubili nadu da će to ostvariti. san o nekoj vrsti uređaja koji bi bio sposoban isporučivati ​​velike količine "čiste" energije jako dugo.

To je djelomično ostvareno otkrićem takve tvari kao što je uran. Kemijski element s ovim imenom bio je osnova za razvoj nuklearnih reaktora, koji u naše vrijeme opskrbljuju energijom čitave gradove, podmornice, polarne brodove itd. Istina, njihova se energija ne može nazvati "čistom", ali posljednjih godina mnoge tvrtke razvijaju kompaktne "atomske baterije" temeljene na triciju za široku prodaju - nemaju pokretnih dijelova i sigurne su za zdravlje.

Međutim, u ovom ćemo članku detaljno ispitati povijest otkrića kemijskog elementa koji se zove uran i reakciju fisije njegovih jezgri.

Definicija

Uran je kemijski element koji ima atomski broj 92 u periodnom sustavu. Njegova atomska masa je 238.029. Označava se simbolom U. U normalnim uvjetima, to je gust, teški metal srebrnaste boje. Ako govorimo o njegovoj radioaktivnosti, onda je sam uran element sa slabom radioaktivnošću. Također ne sadrži potpuno stabilne izotope. A najstabilniji od postojećih izotopa smatra se uran-338.

Shvatili smo što je to element, a sada ćemo pogledati povijest njegovog otkrića.

Priča

Supstanca kao što je prirodni uranov oksid poznata je ljudima od davnina, a drevni majstori su je koristili za izradu glazure kojom su pokrivali razne keramike do vodonepropusnih posuda i drugih proizvoda, kao i njihovo ukrašavanje.

Važan datum u povijesti otkrića ovog kemijskog elementa bila je 1789. godina. Tada je kemičar i rođeni Nijemac Martin Klaproth uspio dobiti prvi metalni uran. I novi je element dobio ime u čast planeta otkrivenog osam godina ranije.

Gotovo 50 godina uran dobiven u to vrijeme smatran je čistim metalom, međutim, 1840. godine francuski kemičar Eugene-Melchior Peligo uspio je dokazati da materijal koji je dobio Klaproth, unatoč odgovarajućim vanjskim znakovima, nije metal na sve osim uranovog oksida. Malo kasnije, isti Peligo dobio je pravi uran - vrlo teški sivi metal. Tada je prvi put određena atomska težina takve tvari kao što je uran. Kemijski element smjestio je 1874. Dmitrij Mendeljejev u svoj poznati periodni sustav elemenata, pri čemu je Mendeljejev udvostručio atomsku težinu tvari. A tek 12 godina kasnije eksperimentalno je dokazano da nije pogriješio u svojim izračunima.

Radioaktivnost

No istinski rašireno zanimanje za ovaj element u znanstvenim krugovima počelo je 1896. godine, kada je Becquerel otkrio činjenicu da uran emitira zrake, koje su po istraživaču dobile ime - Becquerelove zrake. Kasnije je jedna od najpoznatijih znanstvenica u ovom području, Marie Curie, ovu pojavu nazvala radioaktivnost.

Sljedećim važnim datumom u proučavanju urana smatra se 1899. godina: tada je Rutherford otkrio da je zračenje urana nehomogeno i da se dijeli na dvije vrste - alfa i beta zrake. Godinu dana kasnije, Paul Villar (Villard) otkrio je treću i posljednju vrstu radioaktivnog zračenja koja nam je danas poznata - takozvane gama zrake.

Sedam godina kasnije, 1906., Rutherford je na temelju svoje teorije radioaktivnosti izveo prve pokuse čija je svrha bila određivanje starosti raznih minerala. Ti su studiji postavili temelje, između ostalog, za formiranje teorije i prakse

Nuklearna fisija urana

No, vjerojatno najvažnije otkriće, zahvaljujući kojem je započelo rasprostranjeno rudarenje i obogaćivanje urana u miroljubive i vojne svrhe, jest proces fisije jezgri urana. To se dogodilo 1938. godine, a otkriće su izveli njemački fizičari Otto Hahn i Fritz Strassmann. Kasnije je ova teorija dobila znanstvenu potvrdu u radovima još nekoliko njemačkih fizičara.

Suština mehanizma koji su otkrili bila je sljedeća: ako jezgru izotopa urana-235 ozračite neutronom, tada, uhvativši slobodni neutron, on počinje fisirati. I, kao što svi sada znamo, ovaj proces prati oslobađanje ogromne količine energije. To se događa uglavnom zbog kinetičke energije samog zračenja i fragmenata jezgre. Dakle, sada znamo kako dolazi do fisije jezgri urana.

Otkriće ovog mehanizma i njegovih rezultata polazište je za korištenje urana kako u miroljubive tako iu vojne svrhe.

Ako govorimo o njegovoj uporabi u vojne svrhe, tada je po prvi put postavljena teorija da je moguće stvoriti uvjete za takav proces kao što je kontinuirana reakcija fisije jezgre urana (budući da je za detonaciju nuklearne bombe potrebna ogromna energija). dokazali sovjetski fizičari Zeldovich i Khariton. Ali da bi se stvorila takva reakcija, uran mora biti obogaćen, budući da u svom normalnom stanju ne posjeduje potrebna svojstva.

Upoznali smo se s poviješću ovog elementa, sada shvatimo gdje se koristi.

Primjena i vrste izotopa urana

Nakon otkrića procesa kao što je lančana fisijska reakcija urana, fizičari su se suočili s pitanjem gdje se on može koristiti?

Trenutno postoje dva glavna područja u kojima se koriste izotopi urana. To su miroljubiva (ili energetska) industrija i vojska. I prvi i drugi koriste reakciju izotopa urana-235, samo se izlazna snaga razlikuje. Jednostavno rečeno, u nuklearnom reaktoru nema potrebe za stvaranjem i održavanjem ovog procesa s istom snagom koja je potrebna za eksploziju nuklearne bombe.

Dakle, navedene su glavne industrije koje koriste reakciju fisije urana.

Ali dobivanje izotopa urana-235 neobično je složen i skup tehnološki zadatak i ne može si svaka država priuštiti izgradnju tvornica za obogaćivanje. Na primjer, za dobivanje dvadeset tona uranovog goriva, u kojem će sadržaj izotopa urana 235 biti od 3-5%, bit će potrebno obogatiti više od 153 tone prirodnog, "sirovog" urana.

Izotop urana-238 uglavnom se koristi u dizajnu nuklearnog oružja za povećanje njegove snage. Također, kada uhvati neutron s naknadnim procesom beta raspada, ovaj se izotop na kraju može pretvoriti u plutonij-239, uobičajeno gorivo za većinu modernih nuklearnih reaktora.

Unatoč svim nedostacima ovakvih reaktora (visoka cijena, poteškoća u održavanju, rizik od havarije), njihov se rad vrlo brzo isplati, a proizvode neusporedivo više energije od klasičnih termo ili hidroelektrana.

Reakcija je također omogućila stvaranje nuklearnog oružja za masovno uništenje. Odlikuje ga ogromna snaga, relativna kompaktnost i činjenica da je sposoban velike površine zemlje učiniti neprikladnim za ljudsko stanovanje. Istina, moderno atomsko oružje koristi plutonij, a ne uran.

Osiromašeni uran

Postoji i vrsta urana koja se naziva osiromašeni. Ima vrlo nisku razinu radioaktivnosti, što znači da nije opasno za ljude. Ponovno se koristi u vojnoj sferi, na primjer, dodaje se oklopu američkog tenka Abrams kako bi mu dao dodatnu snagu. Osim toga, u gotovo svim visokotehnološkim vojskama možete pronaći razne, osim velike mase, imaju još jedno vrlo zanimljivo svojstvo - nakon uništenja projektila, njegovi fragmenti i metalna prašina se spontano zapale. Usput, takav je projektil prvi put korišten tijekom Drugog svjetskog rata. Kao što vidimo, uran je element koji je pronašao primjenu u najrazličitijim područjima ljudske djelatnosti.

Zaključak

Prema prognozama znanstvenika, oko 2030. sva velika nalazišta urana bit će potpuno iscrpljena, nakon čega će započeti razvoj njegovih teško dostupnih slojeva i cijena će rasti. Usput, sama je apsolutno bezopasna za ljude - neki rudari rade na njezinoj ekstrakciji cijelim generacijama. Sada razumijemo povijest otkrića ovog kemijskog elementa i kako se koristi reakcija fisije njegovih jezgri.

Inače, poznata je zanimljiva činjenica - spojevi urana dugo su se koristili kao boje za porculan i staklo (tzv. do 1950-ih.

URAN (od imena planeta Uran), U - radioaktivna kemikalija. element III skupine periodnog sustava elemenata; na. n. 92, na. m. 238.029; pripada aktinoidima. Srebrnasto bijeli sjajni metal. U spojevima pokazuje oksidacijska stanja od +2 do +6, a najkarakterističnija su +4 i +6.

Prirodni uran sastoji se od izotopa 238U (99,282%), 235U (0,712%) i 234U (0,006%). Među umjetnim izotopima izotop 233U ima praktičnu važnost. U. u obliku oksida U02 otkrio je (1789) German. kemičar M.-G. Klaproth. Metalni uran primili su (1841.) Francuzi. kemičar E.-M. Peligo. Od 40-ih godina. 20. stoljeće U. je stekao važnost kao izvor nuklearne energije koja se oslobađa tijekom fisije njegovih atoma tijekom hvatanja neutrona; 235U i 233U imaju ovo svojstvo. Izotop 238U pri hvatanju neutrona prelazi u (239Pu), koji je također nuklearno gorivo. Sadržaj urana u zemljinoj kori je 0,3-0,0004%. Njegov glavni mineral je vrsta uranita - smola (uran smola) (40-76% U). Uran se nalazi u malim količinama u granitima (0,0004%), tlu (0,0001 -0,00004%) i vodama (~10 -8%).

Poznate su tri njegove alotropske modifikacije: alfa-uran s ortorombičnom kristalnom rešetkom i periodima a = 2,8541 A, b = 5,8692 A i c = 4,9563 A (temperatura 25 °C), koji se pretvara na t-re 667,7 °C u beta-uran s tetragonalnom kristalnom rešetkom i periodima a = 10,759 A i c = 5,656 A (t-ra 720 °C); iznad temperature od 774,8° C gama-uran je stabilan s tjelesno centriranom kubičnom rešetkom i s periodom a = 3,524 A (temperatura 805° C).

Gustoća alfa-uranija na sobnoj temperaturi je 19,05 g/cm3; talište 1132°C; vrelište 3820° C (tlak 1 at). Toplina transformacije alfa⇄ beta, beta ⇄ gama, taljenje i isparavanje urana, redom ~ 0,70; 1.15; 4,75 i 107-117 kcal/mol. Toplinski kapacitet c = 6,4 cal/mol (temperatura 25° C). Prosječni koeficijent toplinska ekspanzija alfa urana duž a, b i c osi u temperaturnom rasponu 20-500 ° C, odnosno 32,9; -6,3 i 27,6 10-6 stupnjeva-1. Koeficijent toplinske vodljivosti urana na sobnoj temperaturi je ~ 0,06 cal/cm sec deg i raste s porastom temperature. Električni otpor alfa urana ovisi o kristalografskom smjeru; njegova prosječna vrijednost za uran polikristalnog uzorka visoke čistoće je ~ 30 μΩ x cm na sobnoj temperaturi i povećava se na ~ 54 μΩ x cm na 600 °C. Anizotropija Youngovog modula također se opaža u alfa uranu. Polikristalni alfa uran ima Youngov modul od 2,09 x 10 4 kgf/mm2; modul smicanja 0,85 x 10 4 kgf/mm2; koeficijent Poisson 0,23. Tvrdoća alfa-urana na sobnoj temperaturi je HV = 200, ali se smanjuje na 12 na 600°C.

Tijekom prijelaza s alfa na beta uran, tvrdoća se povećava od ~ 10 do ~ 30. Vlačna čvrstoća žarenog alfa urana (0,02% C) na temperaturi od 20 ° C iznosi ~ 42 kgf/mm2, povećava se na 49 kgf/ mm2 na temperaturi od 100 9 C, a zatim se gotovo linearno smanjuje na ~ 11 kgf/mm2 s porastom temperature na 600 ° C. Na temperaturi od 20 ° C, granica tečenja, relativno istezanje i relativno skupljanje su 26 kgf/mm2, 8 i 11%, a na temperaturi od 600° C - 9 kgf/mm2, 26 i 65%. Povećanje udjela ugljika s 0,01 na 0,20% povećava čvrstoću i granice razvlačenjaσ 0,2, odnosno od 37 i 24 do 52 i 32 kgf/mm2. Sve mehaničke karakteristike urana značajno ovise o prisutnosti nečistoća i prethodnoj obradi.

Puzanje urana posebno ovisi o cikličkim promjenama temperature, što je povezano s dodatnim toplinskim naprezanjima koja nastaju zbog velike razlike u koeficijentu. toplinsko širenje duž različitih kristalografskih smjerova alfa-uranija. Udarna čvrstoća alfa urana (0,03% C), niska na temperaturama od 20 i 100 °C (1,4 odnosno 2,3 kgf-m/cm2), raste gotovo linearno na 11,7 kgf-m/cm2 na temperaturi od 500° C. Karakteristična značajka je izduživanje polikristalnih alfa-uranovih štapića s teksturom duž osi pod utjecajem opetovanog zagrijavanja i hlađenja.

Kada atomi urana fisiraju, nastaju netopivi u uranu, što dovodi do bubrenja metala (vrlo nepoželjno za nuklearno gorivo). Čak i na sobnoj temperaturi, uran oksidira na suhom zraku uz stvaranje tankog oksidnog filma, kada se zagrije na temperaturu od 200 ° C, nastaje kamenac dioksid U02, na temperaturi od 200-400 ° C - U308, na višoj; temperatura - U308.U03 (točnije čvrste otopine na bazi ovih oksida). Stopa oksidacije je niska na temperaturi od 300°C, a vrlo visoka na temperaturi od 300°C. Uran reagira sporo s dušikom na temperaturi od 400°C, ali prilično brzo na temperaturi od 750-800°C s vodikom nastaje već na sobnoj temperaturi uz nastajanje hidrida UH3.

U vodi pri temperaturama do 70° C stvara se film dioksida na uranu koji djeluje zaštitno; na temperaturi od 100° C interakcija se značajno ubrzava. Da bi se dobio U., njegove se rude obogaćuju mokrim kemikalijama. metoda, ispiranje sumpornom kiselinom u prisutnosti oksidirajućeg sredstva - mangan dioksida. Uran se ekstrahira iz otopine sulfata organskim otapalima ili izolira fenolnim smolama. Dobiveni koncentrat se otopi u otopini dušika. Rezultirajući uranil nitrat U02 (N03)2 ekstrahira se, na primjer, butil fosfatom i, nakon oslobađanja iz potonjeg, U spojevi se razgrađuju na temperaturi od 500-700 ° C. Rezultirajući U308 i U03 visoke čistoće su reducira se vodikom na temperaturi od 600-800 °C u dioksid U02.

Metalni uran dobiva se metalotermičkom redukcijom (s kalcijem ili magnezijem) uranijevog dioksida UO2 ili uranijevog tetrafluorida UF4, prethodno dobivenog iz dioksida djelovanjem bezvodnog fluorovodika na temperaturi od 500 °C. Potonja metoda je češća i omogućuje jedan za dobivanje ingota visoke čistoće (0,0045% Fe, 0,001% Si, 0,003% C) i težine veće od tone. Metalni uran također se dobiva elektrolizom u slanim kupkama koje sadrže UF4 na temperaturi od 800-1200° C. Sirovi uran obično se podvrgava rafinirajućem taljenju (temperatura 1450-1600° C) u grafitnim loncima, u visokofrekventnim vakuumskim pećima s lijevanjem u grafitne kalupe.

Mali prototipovi se deformiraju kovanjem u alfa stanju, koje se također koristi, uz prešanje u alfa ili gama stanju, za deformiranje velikih ingota. Hladno valjanje povećava karakteristike čvrstoće urana, tvrdoću tijekom kompresije za 40%, povećava HV od 235 do 325. Uklanjanje otvrdnjavanja događa se uglavnom pri temperaturi od 350-450 ° C u metalu tehničke čistoće i popraćeno je rekristalizacijom pod tim uvjetima ; sekundarna, kolektivna rekristalizacija se razvija na temperaturi od 600-650° C. Hlađenje urana u vodi ili ulju iz beta ili gama stanja ne potiskuje stvaranje alfa faze, već pročišćava zrno alfa urana, posebno u prisutnosti nečistoće. Metal U.,

Uran (U) je element s atomskim brojem 92 i atomskom težinom 238,029. To je radioaktivni kemijski element III grupe periodnog sustava Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva, pripada obitelji aktinoida. Uran je vrlo težak (2,5 puta teži od željeza, više od 1,5 puta teži od olova), srebrnobijeli, sjajni metal. U svom čistom obliku, nešto je mekši od čelika, savitljiv, savitljiv i ima mala paramagnetska svojstva.

Prirodni uran sastoji se od mješavine triju izotopa: 238U (99,274%) s vremenom poluraspada od 4,51∙109 godina; 235U (0,702%) s vremenom poluraspada od 7,13∙108 godina; 234U (0,006%) s vremenom poluraspada od 2,48∙105 godina. Potonji izotop nije primarni, već je radiogeni dio serije radioaktivnog 238U. Izotopi urana 238U i 235U su preci dviju radioaktivnih serija. Posljednji elementi ovih serija su izotopi olova 206Pb i 207Pb.

Trenutno su poznata 23 umjetna radioaktivna izotopa urana s masenim brojevima od 217 do 242. Među njima je “dugovječni” 233U s vremenom poluraspada od 1,62∙105 godina. Dobiva se kao rezultat neutronskog zračenja torija i sposoban je za fisiju pod utjecajem toplinskih neutrona.

Uran je 1789. godine otkrio njemački kemičar Martin Heinrich Klaproth kao rezultat svojih eksperimenata s mineralom smola - "uran smola". Novi element nazvan je u čast planeta Urana, koji je nedavno (1781.) otkrio William Herschel. Sljedećih pola stoljeća tvar koju je dobio Klaproth smatrala se metalom, ali 1841. godine to je opovrgao francuski kemičar Eugene Melchior Peligo, koji je dokazao oksidnu prirodu urana (UO2), kojeg je dobio njemački kemičar. Peligo je sam uspio dobiti metalni uran redukcijom UCl4 s metalnim kalijem, a također je odredio atomsku težinu novog elementa. Sljedeći u razvoju znanja o uranu i njegovim svojstvima bio je D. I. Mendeljejev - 1874. godine, na temelju teorije koju je razvio o periodizaciji kemijskih elemenata, smjestio je uran u najdalju ćeliju svoje tablice. Ruski kemičar udvostručio je atomsku težinu urana (120), koju je prethodno odredio Peligo, a ispravnost takvih pretpostavki potvrđena je dvanaest godina kasnije pokusima njemačkog kemičara Zimmermanna.

Dugi niz desetljeća uran je bio od interesa samo za uski krug kemičara i prirodnih znanstvenika; njegova upotreba je također bila ograničena - proizvodnja stakla i boja. Tek otkrićem radioaktivnosti ovog metala (1896. Henri Becquerel) započela je 1898. industrijska prerada uranovih ruda. Mnogo kasnije (1939.) otkriven je fenomen nuklearne fisije, a od 1942. uran postaje glavno nuklearno gorivo.

Najvažnije svojstvo urana je da su jezgre nekih njegovih izotopa sposobne fisije pri hvatanju neutrona; kao rezultat tog procesa oslobađa se ogromna količina energije. Ovo svojstvo elementa broj 92 koristi se u nuklearnim reaktorima, koji služe kao izvori energije, a također je u osnovi rada atomske bombe. Uran se u geologiji koristi za određivanje starosti minerala i stijena kako bi se odredio slijed geoloških procesa (geokronologija). Zbog činjenice da stijene sadrže različite koncentracije urana, imaju različitu radioaktivnost. Ovo se svojstvo koristi pri identificiranju stijena pomoću geofizičkih metoda. Ova metoda se najviše koristi u naftnoj geologiji pri geofizičkim istraživanjima bušotina. Spojevi urana korišteni su kao boje za slikanje na porculanu te za keramičke glazure i emajle (bojene u bojama: žuta, smeđa, zelena i crna, ovisno o stupnju oksidacije), npr. natrijev uranat Na2U2O7 korišten je kao žuti pigment u slika.

Biološka svojstva

Uran je prilično čest element u biološkom okolišu; koncentratorima ovog metala smatraju se neke vrste gljiva i algi, koje su uključene u lanac biološkog ciklusa urana u prirodi prema shemi: voda - vodene biljke - ribe. - ljudi. Tako s hranom i vodom uran ulazi u tijelo ljudi i životinja, odnosno u gastrointestinalni trakt, gdje se apsorbira oko postotak pristiglih lako topivih spojeva i ne više od 0,1% teško topivih. Ovaj element ulazi u dišne ​​putove i pluća, kao iu sluznice i kožu sa zrakom. U dišnim putovima, a posebno plućima, apsorpcija se odvija mnogo intenzivnije: lako topljivi spojevi apsorbiraju se 50%, a teško topljivi 20%. Tako se uran nalazi u malim količinama (10-5 - 10-8%) u životinjskim i ljudskim tkivima. U biljkama (u suhom ostatku) koncentracija urana ovisi o njegovom sadržaju u tlu, pa pri koncentraciji u tlu od 10-4% biljka sadrži 1,5∙10-5% ili manje. Raspodjela urana među tkivima i organima je neravnomjerna, glavna mjesta nakupljanja su koštano tkivo (kostur), jetra, slezena, bubrezi, kao i pluća i bronhopulmonalni limfni čvorovi (kada slabo topljivi spojevi dospijevaju u pluća). Uran (karbonati i kompleksi s proteinima) se vrlo brzo uklanja iz krvi. U prosjeku, sadržaj 92. elementa u organima i tkivima životinja i ljudi iznosi 10-7%. Na primjer, krv goveda sadrži 1∙10-8 g/ml urana, a ljudska krv sadrži 4∙10-10 g/g. Jetra goveda sadrži 8∙10-8 g/g, kod čovjeka u istom organu 6∙10-9 g/g; slezena goveda sadrži 9∙10-8 g/g, kod ljudi - 4,7∙10-7 g/g. U mišićnom tkivu goveda nakuplja se do 4∙10-11 g/g. Osim toga, u ljudskom tijelu uran je sadržan u plućima u rasponu od 6∙10-9 - 9∙10-9 g/g; u bubrezima 5,3∙10-9 g/g (kortikalni sloj) i 1,3∙10-8 g/g (medularni sloj); u koštanom tkivu 1∙10-9 g/g; u koštanoj srži 1∙10-8 g/g; u kosi 1,3∙10-7 g/g. Uran koji se nalazi u kostima uzrokuje stalno zračenje koštanog tkiva (razdoblje potpunog uklanjanja urana iz kostura je 600 dana). Najmanje ovog metala ima u mozgu i srcu (oko 10-10 g/g). Kao što je ranije spomenuto, glavni načini na koje uran ulazi u tijelo su voda, hrana i zrak. Dnevna doza metala koja ulazi u tijelo s hranom i tekućinom je 1,9∙10-6 g, sa zrakom - 7∙10-9 g. Međutim, svaki dan uran se izlučuje iz tijela: s urinom od 0,5∙10-7 g. do 5∙10-7 g; s izmetom od 1,4∙10-6 g do 1,8∙10-6 g. Gubici od kose, noktiju i mrtvih ljuskica kože - 2∙10-8 g.

Znanstvenici sugeriraju da je uran u malim količinama neophodan za normalno funkcioniranje ljudskog tijela, životinja i biljaka. Međutim, njegova uloga u fiziologiji još nije razjašnjena. Utvrđeno je da je prosječni sadržaj elementa 92 u ljudskom tijelu oko 9∙10-5 g (Međunarodna komisija za zaštitu od zračenja). Istina, ova brojka donekle varira za različite regije i teritorije.

Unatoč svojoj još uvijek nepoznatoj, ali definitivnoj biološkoj ulozi u živim organizmima, uran ostaje jedan od najopasnijih elemenata. Prije svega, to se očituje u toksičnom učinku ovog metala, što je posljedica njegovih kemijskih svojstava, posebno topljivosti spojeva. Na primjer, topljivi spojevi (uranil i drugi) su toksičniji. Najčešće se trovanje uranom i njegovim spojevima događa u tvornicama za obogaćivanje, poduzećima za vađenje i preradu uranovih sirovina i drugim proizvodnim pogonima u kojima je uran uključen u tehnološke procese.

Prodirući u tijelo, uran utječe na apsolutno sve organe i njihova tkiva, jer se djelovanje događa na staničnoj razini: potiskuje aktivnost enzima. Prvenstveno su pogođeni bubrezi, što se očituje naglim povećanjem šećera i bjelančevina u mokraći, nakon čega se razvija oligurija. Zahvaćeni su gastrointestinalni trakt i jetra. Otrovanje uranom dijelimo na akutno i kronično, a potonje se razvija postupno i može biti asimptomatsko ili s blagim simptomima. Međutim, naknadno kronično trovanje dovodi do poremećaja hematopoeze, živčanog sustava i drugih ozbiljnih zdravstvenih problema.

Tona granitne stijene sadrži otprilike 25 grama urana. Energija koja se može osloboditi izgaranjem tih 25 grama u reaktoru usporediva je s energijom koja se oslobađa izgaranjem 125 tona ugljena u ložištima moćnih termo kotlova! Na temelju ovih podataka može se pretpostaviti da će se granit u bliskoj budućnosti smatrati jednom od vrsta mineralnog goriva. Ukupno, relativno tanak dvadesetkilometarski površinski sloj zemljine kore sadrži otprilike 1014 tona urana; kada se pretvori u energetski ekvivalent, rezultat je jednostavno kolosalna brojka - 2,36,1024 kilovat-sata. Čak ni sva razvijena, istražena i predložena ležišta fosilnih goriva zajedno ne mogu osigurati ni milijunti dio te energije!

Poznato je da se legure urana podvrgnute toplinskoj obradi odlikuju većim granicama tečenja, puzanjem i povećanom otpornošću na koroziju, te manjom tendencijom promjene oblika proizvoda pod temperaturnim fluktuacijama i pod utjecajem zračenja. Na temelju tih načela početkom 20. stoljeća pa sve do tridesetih godina uran u obliku karbida koristio se u proizvodnji alatnih čelika. Osim toga, korišten je za zamjenu volframa u nekim legurama, što je bilo jeftinije i dostupnije. U proizvodnji ferouranija udio urana iznosio je do 30%. Istina, u drugoj trećini 20. stoljeća takva je uporaba urana prestala.

Kao što je poznato, u dubinama naše Zemlje postoji stalni proces raspadanja izotopa urne. Dakle, znanstvenici su izračunali da bi trenutno oslobađanje energije iz cijele mase ovog metala zatvorenog u zemljinoj ljusci zagrijalo naš planet na temperaturu od nekoliko tisuća stupnjeva! No, takav je fenomen, srećom, nemoguć - uostalom, oslobađanje topline događa se postupno kako jezgre urana i njegovih derivata prolaze kroz niz dugotrajnih radioaktivnih transformacija. O trajanju takvih transformacija može se procijeniti poluživotom prirodnih izotopa urana, na primjer, za 235U je 7108 godina, a za 238U - 4,51109 godina. Međutim, toplina urana značajno zagrijava Zemlju. Kad bi cijela masa Zemlje sadržavala istu količinu urana kao u gornjem sloju od dvadeset kilometara, tada bi temperatura na planetu bila mnogo viša nego što je sada. Međutim, kako se krećete prema središtu Zemlje, koncentracija urana se smanjuje.

U nuklearnim reaktorima obrađuje se samo mali dio napunjenog urana, to je zbog troske goriva fisijskim produktima: 235U izgara, lančana reakcija postupno odumire. Međutim, gorivne šipke još uvijek su napunjene nuklearnim gorivom koje se mora ponovno potrošiti. Da bi se to postiglo, stari gorivi elementi se rastavljaju i šalju na recikliranje - otapaju se u kiselinama, a uran se ekstrahira iz dobivene otopine; fisijski fragmenti koje je potrebno zbrinuti ostaju u otopini. Tako ispada da je industrija urana praktički kemijska proizvodnja bez otpada!

Postrojenja za odvajanje izotopa urana zauzimaju površinu od nekoliko desetaka hektara, a približno je tolika i površina poroznih pregrada u separacijskim kaskadama postrojenja. To je zbog složenosti difuzijske metode odvajanja izotopa urana – uostalom, da bi se povećala koncentracija 235U s 0,72 na 99%, potrebno je nekoliko tisuća difuzijskih koraka!

Koristeći uran-olovnu metodu, geolozi su uspjeli saznati starost najstarijih minerala; proučavajući meteoritsko kamenje, mogli su odrediti približan datum rođenja našeg planeta. Zahvaljujući "uranskom satu" određena je starost Mjesečevog tla. Zanimljivo, pokazalo se da 3 milijarde godina nije bilo vulkanske aktivnosti na Mjesecu, a Zemljin prirodni satelit ostaje pasivno tijelo. Uostalom, čak su i najmlađi komadići mjesečeve tvari živjeli dulje od starosti najstarijih zemaljskih minerala.

Priča

Upotreba urana seže jako dugo - još u 1. stoljeću prije Krista prirodni uranov oksid korišten je za izradu žute glazure koja se koristi za bojanje keramike.

U moderno doba proučavanje urana odvijalo se postupno – u nekoliko faza, uz kontinuirani rast. Početak je bilo otkriće ovog elementa 1789. godine od strane njemačkog prirodnog filozofa i kemičara Martina Heinricha Klaprotha, koji je reducirao zlatnožutu “zemlju” iskopanu iz rude saksonske smole (“uran pitch”) u tvar sličnu crnom metalu (uran oksid - UO2). Ime je dano u čast najudaljenijeg planeta poznatog u to vrijeme - Urana, kojeg je pak 1781. otkrio William Herschel. U ovom trenutku završava prva faza u proučavanju novog elementa (Klaproth je bio uvjeren da je otkrio novi metal) i dolazi do pauze od više od pedeset godina.

Godina 1840. može se smatrati početkom nove prekretnice u povijesti istraživanja urana. Od ove se godine mladi kemičar iz Francuske, Eugene Melchior Peligo (1811.-1890.), zauzeo problemom dobivanja metalnog urana; uskoro (1841.) uspio je - metalni uran dobiven je redukcijom UCl4 s metalnim kalijem. Osim toga, dokazao je da je uran koji je otkrio Klaproth zapravo samo njegov oksid. Francuz je odredio i procijenjenu atomsku težinu novog elementa - 120. Zatim je opet došlo do dugog prekida u proučavanju svojstava urana.

Tek 1874. pojavile su se nove pretpostavke o prirodi urana: Dmitrij Ivanovič Mendeljejev, slijedeći teoriju koju je razvio o periodizaciji kemijskih elemenata, pronalazi mjesto za novi metal u svojoj tablici, stavljajući uran u posljednju ćeliju. Osim toga, Mendeljejev je udvostručio prethodno pretpostavljenu atomsku težinu urana, a da ni u tome nije pogriješio, što su potvrdili i pokusi njemačkog kemičara Zimmermanna 12 godina kasnije.

Od 1896. otkrića na polju proučavanja svojstava urana “padala” su jedno za drugim: spomenute godine, sasvim slučajno (proučavajući fosforescenciju kristala kalijevog uranil sulfata), 43-godišnji fizičar profesor Antoine Henri Becquerel otkriva “Becquerelove zrake”, koje je Marie Curie kasnije preimenovala u radioaktivnost. Iste godine Henri Moissan (opet kemičar iz Francuske) razvija metodu za proizvodnju čistog metalnog urana.

Godine 1899. Ernest Rutherford otkrio je heterogenost zračenja iz pripravaka urana. Pokazalo se da postoje dvije vrste zračenja - alfa i beta zrake, različite po svojim svojstvima: nose različite električne naboje, imaju različitu duljinu puta u tvari, a različita im je i ionizirajuća sposobnost. Godinu dana kasnije, gama zrake je otkrio i Paul Villar.

Ernest Rutherford i Frederick Soddy zajednički su razvili teoriju o radioaktivnosti urana. Na temelju te teorije Rutherford je 1907. poduzeo prve pokuse za određivanje starosti minerala proučavajući radioaktivni uran i torij. Godine 1913. F. Soddy uveo je pojam izotopa (od starogrčkog iso - "jednak", "identičan" i topos - "mjesto"). Godine 1920. isti je znanstvenik predložio da se izotopi mogu koristiti za određivanje geološke starosti stijena. Njegove su se pretpostavke pokazale točnima: 1939. Alfred Otto Karl Nier napravio je prve jednadžbe za izračunavanje starosti i upotrijebio spektrometar mase za odvajanje izotopa.

Godine 1934. Enrico Fermi proveo je niz eksperimenata bombardiranja kemijskih elemenata neutronima – česticama koje je otkrio J. Chadwick 1932. godine. Kao rezultat ove operacije, u uranu su se pojavile dosad nepoznate radioaktivne tvari. Fermi i drugi znanstvenici koji su sudjelovali u njegovim eksperimentima sugerirali su da su otkrili transuranijeve elemente. Četiri godine su se pokušavali detektirati transuranijevi elementi među produktima neutronskog bombardiranja. Sve je završilo 1938. kada su njemački kemičari Otto Hahn i Fritz Strassmann ustanovili da se hvatanjem slobodnog neutrona jezgra uranovog izotopa 235U cijepa, oslobađajući (po jednoj uranovoj jezgri) prilično veliku količinu energije, uglavnom zbog kinetičke fragmenata energije i zračenja. Njemački kemičari nisu uspjeli dalje napredovati. Lise Meitner i Otto Frisch uspjeli su potkrijepiti svoju teoriju. Ovo je otkriće bilo početak korištenja unutaratomske energije u miroljubive i vojne svrhe.

Biti u prirodi

Prosječni sadržaj urana u zemljinoj kori (clarke) je 3∙10-4% mase, što znači da ga u utrobi zemlje ima više od srebra, žive i bizmuta. Uran je karakterističan element za granitni sloj i sedimentni omotač zemljine kore. Dakle, u toni granita nalazi se oko 25 grama elementa broj 92. Ukupno, više od 1000 tona urana sadržano je u relativno tankom, dvadesetak kilometara gornjem sloju Zemlje. U kiselim magmatskim stijenama 3,5∙10-4%, u glinama i škriljevcima 3,2∙10-4%, posebno obogaćenim organskom tvari, u bazičnim stijenama 5∙10-5%, u ultrabazičnim stijenama plašta 3∙10-7% .

Uran snažno migrira u hladnim i vrućim, neutralnim i alkalnim vodama u obliku jednostavnih i složenih iona, osobito u obliku karbonatnih kompleksa. Redoks reakcije igraju važnu ulogu u geokemiji urana, a sve zbog toga što su spojevi urana, u pravilu, visoko topljivi u vodama s oksidirajućim okolišem i slabo topljivi u vodama s redukcijskim okolišem (sumporovodik).

Poznato je više od stotinu ruda urana; razlikuju se po kemijskom sastavu, podrijetlu i koncentraciji urana; samo ih je desetak od praktičnog interesa. Glavnim predstavnicima urana, koji imaju najveću industrijsku važnost, u prirodi se mogu smatrati oksidi - uraninit i njegove vrste (smola i uranova crna), kao i silikati - kofinit, titanati - davidit i brannerit; hidrofosfati i uranil arsenati – uranov liskun.

Uraninit - UO2 prisutan je pretežno u drevnim - prekambrijskim stijenama u obliku čistih kristalnih oblika. Uraninit tvori izomorfne nizove s torijanitom ThO2 i itrocerijanitom (Y,Ce)O2. Osim toga, svi uraniniti sadrže produkte radiogenog raspada urana i torija: K, Po, He, Ac, Pb, kao i Ca i Zn. Sam uraninit je visokotemperaturni mineral, karakterističan za granitne i sijenitne pegmatite u asocijaciji s kompleksnim niobat-tantal-titanatima urana (kolumbit, piroklor, samarskit i drugi), cirkona, monacita. Osim toga, uraninit se pojavljuje u hidrotermalnim, skarnskim i sedimentnim stijenama. Poznata su velika nalazišta uraninita u Kanadi, Africi, Sjedinjenim Američkim Državama, Francuskoj i Australiji.

Smola (U3O8), poznata i kao uranov katran ili smolasta mješavina, koja tvori kriptokristalne kolomorfne agregate - vulkanski i hidrotermalni mineral, zastupljena je u paleozoiku i mlađim visoko- i srednjetemperaturnim formacijama. Stalni sateliti smoline su sulfidi, arsenidi, prirodni bizmut, arsen i srebro, karbonati i neki drugi elementi. Ove rude su vrlo bogate uranom, ali su izuzetno rijetke, često praćene radijem, to se lako objašnjava: radij je izravan proizvod izotopskog raspada urana.

Uranove crnile (rahli zemljani agregati) zastupljene su uglavnom u mladim - kenozoičkim i mlađim formacijama, karakterističnim za hidrotermalne sulfid-uranove i sedimentne naslage.

Uran se također ekstrahira kao nusproizvod iz ruda koje sadrže manje od 0,1%, na primjer, iz konglomerata koji sadrže zlato.

Glavna nalazišta uranovih ruda nalaze se u SAD-u (Colorado, Sjeverna i Južna Dakota), Kanadi (provincije Ontario i Saskatchewan), Južnoj Africi (Witwatersrand), Francuskoj (Središnji masiv), Australiji (Sjeverni teritorij) i mnogim drugim zemljama . U Rusiji je glavna regija rude urana Transbaikalija. Oko 93% ruskog urana iskopava se na nalazištu u regiji Chita (u blizini grada Krasnokamensk).

Primjena

Moderna nuklearna energija jednostavno je nezamisliva bez elementa br. 92 i njegovih svojstava. Iako ne tako davno - prije puštanja u rad prvog nuklearnog reaktora, rude urana iskopavale su se uglavnom kako bi se iz njih izvukao radij. Male količine spojeva urana korištene su u nekim bojama i katalizatorima. Naime, uran se smatrao elementom koji nema gotovo nikakav industrijski značaj, a koliko se radikalno situacija promijenila nakon otkrića sposobnosti izotopa urana na fisiju! Ovaj metal odmah je dobio status strateške sirovine broj 1.

Danas je glavno područje primjene metalnog urana, kao i njegovih spojeva, gorivo za nuklearne reaktore. Tako se u stacionarnim reaktorima nuklearnih elektrana koristi nisko obogaćena (prirodna) smjesa izotopa urana, a u nuklearnim elektranama i reaktorima na brze neutrone koristi se visoko obogaćeni uran.

Najviše se koristi izotop urana 235U, jer je u njemu moguća samoodrživa nuklearna lančana reakcija, što nije tipično za druge izotope urana. Zahvaljujući tom svojstvu, 235U se koristi kao gorivo u nuklearnim reaktorima, kao i u nuklearnom oružju. Međutim, izdvajanje izotopa 235U iz prirodnog urana složen je i skup tehnološki problem.

Najčešći izotop urana u prirodi, 238U, može fisirati kada je bombardiran neutronima visoke energije. Ovo svojstvo ovog izotopa koristi se za povećanje snage termonuklearnog oružja - koriste se neutroni nastali termonuklearnom reakcijom. Osim toga, plutonijev izotop 239Pu dobiva se iz izotopa 238U, koji se također može koristiti u nuklearnim reaktorima iu atomskoj bombi.

Nedavno je izotop urana 233U, umjetno proizveden u reaktorima iz torija, pronašao veliku primjenu, a dobiva se ozračivanjem torija u neutronskom toku nuklearnog reaktora;

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

233U fisijski toplinski neutroni; osim toga, u reaktorima s 233U može doći do proširene reprodukcije nuklearnog goriva. Dakle, kada kilogram 233U izgori u torijevom reaktoru, u njemu bi se trebalo nakupiti 1,1 kg novog 233U (kao rezultat hvatanja neutrona jezgrama torija). U bliskoj budućnosti, ciklus uran-torij u reaktorima s toplinskim neutronima bit će glavni konkurent ciklusu uran-plutonij za reprodukciju nuklearnog goriva u reaktorima s brzim neutronima. Reaktori koji koriste ovaj nuklid kao gorivo već postoje i rade (KAMINI u Indiji). 233U je također najperspektivnije gorivo za plinske nuklearne raketne motore.

Ostali umjetni izotopi urana ne igraju značajniju ulogu.

Nakon što se iz prirodnog urana ekstrahiraju “potrebni” izotopi 234U i 235U, preostala sirovina (238U) naziva se “osiromašeni uran”, upola je manje radioaktivan od prirodnog urana, uglavnom zbog uklanjanja 234U iz njega. Budući da je glavna upotreba urana proizvodnja energije, zbog toga je osiromašeni uran proizvod koji se malo koristi i ima malu ekonomsku vrijednost. Međutim, zbog svoje niske cijene, kao i visoke gustoće i izuzetno velikog poprečnog presjeka hvatanja, koristi se za zaštitu od zračenja i kao balast u zrakoplovnim aplikacijama kao što su kontrolne površine zrakoplova. Osim toga, osiromašeni uran se koristi kao balast u svemirskim lenderima i trkaćim jahtama; u rotorima žiroskopa velike brzine, velikim zamašnjacima i pri bušenju naftnih bušotina.

Međutim, najpoznatija upotreba osiromašenog urana je u vojnim primjenama - kao jezgre za oklopne granate i moderne tenkovske oklope, poput tenka M-1 Abrams.

Manje poznate upotrebe urana uglavnom uključuju njegove spojeve. Dakle, mali dodatak urana daje prekrasnu žuto-zelenu fluorescenciju staklu, neki spojevi urana su fotoosjetljivi, zbog toga se uranil nitrat naširoko koristio za poboljšanje negativa i boje (toniranje) pozitiva (fotografskih ispisa) u smeđu boju.

Karbid 235U legiran niobij karbidom i cirkonijevim karbidom koristi se kao gorivo za nuklearne mlazne motore. Legure željeza i osiromašenog urana (238U) koriste se kao snažni magnetostrikcijski materijali. Natrijev uranat Na2U2O7 korišten je kao žuti pigment u slikarstvu, a spojevi urana korišteni su kao boje za slikanje na porculanu i za keramičke glazure i emajle (bojene u bojama: žuta, smeđa, zelena i crna, ovisno o stupnju oksidacije) .

Proizvodnja

Uran se dobiva iz ruda urana, koje se značajno razlikuju u nizu karakteristika (uvjeti formiranja, "kontrast", sadržaj korisnih nečistoća itd.), Od kojih je glavni postotak urana. Prema ovom kriteriju razlikuje se pet vrsta ruda: vrlo bogate (sadrže preko 1% urana); bogat (1-0,5%); prosjek (0,5-0,25%); obični (0,25-0,1%) i siromašni (manje od 0,1%). Međutim, čak i iz ruda koje sadrže 0,01-0,015% urana, ovaj se metal ekstrahira kao nusprodukt.

Tijekom godina razvoja sirovina urana, razvijene su mnoge metode za izdvajanje urana iz ruda. To je zbog strateške važnosti urana u nekim područjima i raznolikosti njegovih prirodnih manifestacija. Međutim, unatoč svoj raznolikosti metoda i sirovina, svaka proizvodnja urana sastoji se od tri faze: preliminarna koncentracija uranove rude; ispiranje urana i dobivanje dovoljno čistih spojeva urana taloženjem, ekstrakcijom ili ionskom izmjenom. Zatim, ovisno o namjeni dobivenog urana, proizvod se obogaćuje izotopom 235U ili odmah reducira u elementarni uran.

Dakle, ruda se u početku koncentrira - stijena se drobi i puni vodom. U tom slučaju se teži elementi smjese brže talože. U stijenama koje sadrže primarne minerale urana dolazi do njihovog brzog taloženja jer su vrlo teške. Kada se rude koje sadrže sekundarne minerale urana koncentriraju, taloži se otpadna stijena koja je mnogo teža od sekundarnih minerala, ali može sadržavati vrlo korisne elemente.

Rude urana se gotovo nikada ne obogaćuju, s izuzetkom organske metode radiometrijskog razvrstavanja, koja se temelji na γ-zračenju radija, koje uvijek prati uran.

Sljedeća faza u proizvodnji urana je ispiranje, čime se uran pretvara u otopinu. Uglavnom se rude ispiraju otopinama sumporne, ponekad dušične kiseline ili otopinama sode uz prijelaz urana u kiselu otopinu u obliku UO2SO4 ili kompleksnih aniona, a u otopinu sode u obliku 4-kompleksnog aniona. Metoda koja koristi sumpornu kiselinu je jeftinija, ali nije uvijek primjenjiva ako sirovina sadrži četverovalentni uran (uranijeva smola), koji nije topiv u sumpornoj kiselini. U takvim slučajevima koristi se alkalno ispiranje ili se četverovalentni uran oksidira u šestovalentno stanje. Korištenje kaustične sode (kaustične sode) preporučljivo je kod ispiranja ruda koje sadrže magnezit ili dolomit, a za otapanje je potrebno previše kiseline.

Nakon faze ispiranja, otopina sadrži ne samo uran, već i druge elemente, koji se, kao i uran, ekstrahiraju istim organskim otapalima, talože na istim smolama ionske izmjene i talože pod istim uvjetima. U takvoj situaciji, da bi se selektivno izolirao uran, potrebno je koristiti mnoge redoks reakcije kako bi se neželjeni element eliminirao u različitim fazama. Jedna od prednosti ionske izmjene i metoda ekstrakcije je ta da se uran prilično potpuno ekstrahira iz loših otopina.

Nakon svih navedenih operacija uran se pretvara u čvrsto stanje - u jedan od oksida ili u UF4 tetrafluorid. Takav uran sadrži nečistoće s velikim presjekom hvatanja toplinskih neutrona - litij, bor, kadmij i metale rijetke zemlje. U konačnom proizvodu njihov sadržaj ne smije prelaziti stotisućinke i milijuntinke postotka! Da bi se to postiglo, uran se ponovno otapa, ovaj put u dušičnoj kiselini. Uranil nitrat UO2(NO3)2 tijekom ekstrakcije tributil fosfatom i nekim drugim tvarima dodatno se pročišćava do potrebnih standarda. Ta se tvar zatim kristalizira (ili istaloži) i pažljivo kalcinira. Kao rezultat ove operacije nastaje uranov trioksid UO3, koji se vodikom reducira u UO2. Na temperaturama od 430 do 600°C uranov oksid reagira sa suhim fluorovodikom i pretvara se u UF4 tetrafluorid. Već iz ovog spoja obično se dobiva metalni uran uz pomoć kalcija ili magnezija običnom redukcijom.

Fizička svojstva

Metal uran je vrlo težak, dva i pol puta je teži od željeza, a jedan i pol puta teži od olova! Ovo je jedan od najtežih elemenata koji su pohranjeni u utrobi Zemlje. Svojom srebrno-bijelom bojom i sjajem uran podsjeća na čelik. Čisti metal Plastičan je, mekan, ima visoku gustoću, ali se istovremeno lako obrađuje. Uran je elektropozitivan i ima manja paramagnetska svojstva - specifična magnetska osjetljivost na sobnoj temperaturi je 1,72·10 -6, ima nisku električnu vodljivost, ali visoku reaktivnost. Ovaj element ima tri alotropske modifikacije: α, β i γ. α-oblik ima ortorombsku kristalnu rešetku sa sljedećim parametrima: a = 2,8538 Å, b = 5,8662 Å, c = 469557 Å. Ovaj oblik je stabilan u temperaturnom području od sobne temperature do 667,7° C. Gustoća urana u α-formi na temperaturi od 25° C iznosi 19,05 ± 0,2 g/cm 3 . β-oblik ima tetragonalnu kristalnu rešetku, stabilnu u temperaturnom području od 667,7° C do 774,8° C. Parametri tetragonalne rešetke: a = 10,759 Å, b = 5,656 Å. γ-oblik s kubičnom strukturom u središtu tijela, stabilan od 774,8°C do tališta (1132°C).

Tijekom procesa oporabe urana mogu se vidjeti sve tri faze. Za to se koristi poseban uređaj, koji je bešavna čelična cijev, koja je obložena kalcijevim oksidom; to je neophodno kako čelik cijevi ne bi bio u interakciji s uranom. Mješavina uranovog tetrafluorida i magnezija (ili kalcija) se puni u aparat, nakon čega se zagrijava na 600 ° C. Kada se postigne ta temperatura, uključuje se električni upaljač, a egzotermna reakcija redukcije, u kojoj se napunjena smjesa potpuno rastali. Tekući uran (temperatura 1132 °C) zbog svoje težine potpuno tone na dno. Nakon potpunog taloženja urana na dno aparata, počinje hlađenje, uran kristalizira, njegovi atomi su raspoređeni u strogom redoslijedu, tvoreći kubičnu rešetku - to je γ-faza. Sljedeći prijelaz događa se na 774° C - kristalna rešetka metala koji se hladi postaje tetragonalna, što odgovara β-fazi. Kada temperatura ingota padne na 668° C, atomi ponovno preslažu svoje redove, raspoređeni u valovima u paralelnim slojevima - α faza. Dalje se ne događaju nikakve promjene.

Glavni parametri urana uvijek se odnose na α fazu. Talište (tmelting) 1132° C, vrelište urana (tboiling) 3818° C. Specifični toplinski kapacitet na sobnoj temperaturi 27,67 kJ/(kg·K) ili 6,612 cal/(g·°S). Električni otpor pri temperaturi od 25°C iznosi približno 3·10 -7 ohm·cm, a već pri 600°S iznosi 5,5·10 -7 ohm·cm. Toplinska vodljivost urana također se mijenja ovisno o temperaturi: u rasponu od 100-200 ° C jednaka je 28,05 W/(m K) ili 0,067 cal/(cm sec ° C), a kada se poveća na 400 ° C povećava se do 29,72 W/(m K) 0,071 cal/(cm sec ° C). Uran ima supravodljivost na 0,68 K. Prosječna tvrdoća po Brinellu je 19,6 - 21,6·10 2 Mn/m 2 ili 200-220 kgf/mm 2.

Mnoga mehanička svojstva 92. elementa ovise o njegovoj čistoći i načinu toplinske i mehaničke obrade. Dakle za lijevani uran vlačna čvrstoća na sobnoj temperaturi je 372-470 MN/m2 ili 38-48 kgf/mm2, prosječni modul elastičnosti je 20,5·10 -2 MN/m2 ili 20,9·10 -3 kgf/mm2. Čvrstoća urana se povećava nakon gašenja iz β- i γ-faze.

Ozračivanje urana strujom neutrona, interakcija s gorivim elementima za hlađenje vodom izrađenim od metalnog urana, drugi čimbenici rada u moćnim reaktorima koji koriste toplinske neutrone - sve to dovodi do promjena u fizičkim i mehaničkim svojstvima urana: metal postaje krt, puzi razvija, a proizvodi od metalnog urana se deformiraju. Zbog toga se legure urana, na primjer s molibdenom, koriste u nuklearnim reaktorima; takva je legura otporna na vodu, ojačava metal, održavajući visokotemperaturnu kubičnu rešetku.

Kemijska svojstva

Kemijski, uran je vrlo aktivan metal. Na zraku oksidira uz stvaranje iridescentnog filma UO2 dioksida na površini, koji ne štiti metal od daljnje oksidacije, kao što se događa s titanom, cirkonijem i nizom drugih metala. S kisikom uran tvori UO2 dioksid, UO3 trioksid i veliki broj intermedijarnih oksida, od kojih je najvažniji U3O8, a svojstva ovih oksida su slična UO2 i UO3. U praškastom stanju, uran je piroforan i može se zapaliti pri laganom zagrijavanju (150 °C i više), sagorijevanje je popraćeno svijetlim plamenom, na kraju stvarajući U3O8. Na temperaturi od 500-600 °C uran u interakciji s fluorom stvara zelene igličaste kristale, slabo topive u vodi i kiselinama - uran tetrafluorid UF4, kao i UF6 - heksafluorid (bijeli kristali koji sublimiraju bez taljenja na temperaturi od 56,4 °C). UF4, UF6 primjeri su međudjelovanja urana s halogenima u obliku uranovih halogenida. Uran se lako spaja sa sumporom, tvoreći niz spojeva, od kojih je najvažnije US - nuklearno gorivo. Uran reagira s vodikom na 220 °C i nastaje hidrid UH3, koji je kemijski vrlo aktivan. Daljnjim zagrijavanjem UH3 se raspada na vodik i uran u prahu. Međudjelovanje s dušikom događa se pri višim temperaturama - od 450 do 700 °C i atmosferskom tlaku - dobiva se nitrid U4N7, s povećanjem tlaka dušika pri istim temperaturama mogu se dobiti UN, U2N3 i UN2. Na višim temperaturama (750-800 °C), uran reagira s ugljikom i stvara UC monokarbid, UC2 dikarbid, a također i U2C3. Uran reagira s vodom stvarajući UO2 i H2, sporije s hladnom vodom, a aktivnije s vrućom vodom. Osim toga, reakcija se također odvija s vodenom parom na temperaturama od 150 do 250 °C. Ovaj se metal otapa u klorovodičnoj HCl i dušičnoj kiselini HNO3, manje aktivno u visoko koncentriranoj fluorovodičnoj kiselini, a sporo reagira sa sumpornom H2SO4 i ortofosfornom kiselinom H3PO4. Produkti reakcija s kiselinama su soli četverovalentnog urana. Od anorganskih kiselina i soli nekih metala (zlato, platina, bakar, srebro, kositar i živa), uran je sposoban istisnuti vodik. Uran ne stupa u interakciju s alkalijama.

U spojevima, uran može pokazivati ​​sljedeća oksidacijska stanja: +3, +4, +5, +6, ponekad +2. U3+ ne postoji u prirodi i može se dobiti samo u laboratoriju. Spojevi peterovalentnog urana većinom su nestabilni i dosta se lako raspadaju na spojeve četverovalentnog i šesterovalentnog urana koji su najstabilniji. Heksavalentni uran karakterizira stvaranje uranilnog iona UO22+, čije su soli žute boje i vrlo topive u vodi i mineralnim kiselinama. Primjer heksavalentnog uranovog spoja je uranov trioksid ili uranov anhidrid UO3 (narančasti prah), koji je amfoterni oksid. Kada se otopi u kiselinama, nastaju soli, na primjer, uran uran klorid UO2Cl2. Kada lužine djeluju na otopine uranilnih soli, dobivaju se soli uranske kiseline H2UO4 - uranati i diuranske kiseline H2U2O7 - diuranati, na primjer, natrijev uranat Na2UO4 i natrijev diuranat Na2U2O7. Soli četverovalentnog urana (uran tetraklorid UCl4) su zelene i slabije topive. Kada su duže vrijeme izloženi zraku, spojevi koji sadrže četverovalentni uran obično su nestabilni i prelaze u šestovalentne. Uranilne soli kao što je uranil klorid razgrađuju se u prisutnosti jakog svjetla ili organske tvari.

U normalnim uvjetima radioaktivni element uran je metal velike atomske (molekularne) mase - 238,02891 g/mol. Prema ovom pokazatelju, zauzima drugo mjesto, jer Jedina stvar koja je teža od njega je plutonij. Proizvodnja urana povezana je s uzastopnom provedbom niza tehnoloških operacija:

• koncentracija stijene, njeno drobljenje i taloženje teških frakcija u vodi
• ispiranje koncentrata ili pročišćavanje kisikom
• pretvaranje urana u čvrsto stanje (oksid ili tetrafluorid UF 4)
• dobivanje uranil nitrata UO 2 (NO 3) 2 otapanjem sirovine u dušičnoj kiselini
• kristalizacija i kalcinacija za dobivanje UO 3 oksida
• redukcija s vodikom da se dobije UO 2
• dobivanje UF 4 tetrafluorida dodavanjem plina fluorovodika
• redukcija metalnog urana pomoću magnezija ili kalcija

Minerali urana

Najčešći U minerali su:

• smola (uraninit) je najpoznatiji oksid, koji se naziva "teška voda"
• karnotit
• Tyuyamunit
• Torburnit
• Samarskit
• branerit
• kasolit
• Klevetanje

Proizvodnja urana

Prema ruskoj tvrtki Rosatom, jednom od svjetskih lidera na globalnom tržištu urana, u 2014. godini na planetu je iskopano više od 3 tisuće tona urana. Istodobno, prema predstavnicima rudarske divizije ove državne korporacije, obujam ruskih rezervi ovog metala iznosi 727,2 tisuće tona (3. mjesto u svijetu), što jamči nesmetanu opskrbu potrebnim sirovinama desetljećima. .

Glavna kemijska svojstva urana prikazana su u tablici:

Element U, poput kurija i plutonija, umjetno je proizveden element iz obitelji aktinida. Njegova kemijska svojstva umnogome su slična onima volframa, molibdena i kroma. Uran karakterizira promjenjiva valencija, kao i sklonost stvaranju (UO 2) + 2 – uranila, koji je složen ion.

Metode obogaćivanja urana

Kao što je poznato, prirodni U sadrži 3 izotopa:

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

Obogaćivanje urana znači povećanje udjela izotopa 235U u metalu – jedinom koji je sposoban za samostalnu nuklearnu lančanu reakciju.

Da bismo razumjeli kako se uran obogaćuje, potrebno je uzeti u obzir stupanj njegovog obogaćivanja:

• sadržaj 0,72% - može se koristiti u nekim energetskim reaktorima
• 2-5% – koristi se u većini energetskih reaktora
• do 20% (nisko obogaćeni) – za eksperimentalne reaktore
• više od 20% (visoko obogaćeni ili oružani) – nuklearni reaktori, oružje.

Kako se uran obogaćuje? Postoje mnoge metode za obogaćivanje urana, ali najprimjenjivije su sljedeće:

• elektromagnetski – ubrzavanje elementarnih čestica u posebnom akceleratoru i njihovo uvijanje u magnetskom polju
• aerodinamički – upuhivanje plina urana kroz posebne mlaznice
• plinsko centrifugiranje - plin uran u centrifugi se kreće i inercijom gura teške molekule prema stjenkama centrifuge
• plinska difuzijska metoda obogaćivanja urana - "prosijavanje" lakih izotopa urana kroz male pore posebnih membrana

Glavna primjena urana je gorivo za nuklearne reaktore, reaktore nuklearnih elektrana i nuklearne elektrane. Osim toga, izotop 235U koristi se u nuklearnom oružju, dok neobogaćeni metal s visokim udjelom 238U omogućuje dobivanje sekundarnog nuklearnog goriva - plutonija.

(prema Paulingu) 1.38 U ←U 4+ -1,38 V
U ←U 3+ -1,66 V
U ←U 2+ -0,1 V 6, 5, 4, 3 Termodinamička svojstva 19,05/³ 0,115 /( ·) 27,5 /( ·) 1405.5 12.6 / 4018 417 / 12,5 ³/ Kristalna ćelija ortorombski 2.850 omjer c/a n/a n/a

Priča

Još u antičko doba (1. stoljeće prije Krista), prirodni uran se koristio za izradu žute glazure za.

Uran je 1789. godine otkrio njemački kemičar Martin Heinrich Klaproth dok je proučavao mineral („uranova smola“). Ime je dobio u čast urana, otkrivenog 1781. U metalnom stanju, uran je dobio 1841. francuski kemičar Eugene Peligot tijekom redukcije UCl 4 metalnim kalijem. Uran je 1896. godine otkrio jedan Francuz. U početku je uranu dodijeljen 116, ali je 1871. došao do zaključka da ga treba udvostručiti. Nakon otkrića elemenata s atomskim brojevima od 90 do 103, američki kemičar G. Seaborg došao je do zaključka da su ti elementi () ispravnije smješteni u periodnom sustavu u istu ćeliju s elementom broj 89. Ovaj raspored je posljedica činjenice da je u aktinoidima 5f elektronska podrazina završena.

Biti u prirodi

Uran je karakterističan element za granitni sloj i sedimentni omotač zemljine kore. Sadržaj u zemljinoj kori je 2,5 10 -4% mase. U morskoj vodi koncentracija urana je manja od 10 -9 g/l ukupno, morska voda sadrži od 10 9 do 10 10 tona urana. Uran se ne nalazi u slobodnom obliku u zemljinoj kori. Poznato je oko 100 minerala urana, od kojih su najvažniji U 3 O 8, uraninit (U, Th) O 2, ruda uranove smole (sadrži uranove okside promjenjivog sastava) i tiujamunit Ca[(UO 2) 2 (VO 4 ) 2 ] 8H 2 O.

Izotopi

Prirodni uran sastoji se od mješavine triju izotopa: 238 U - 99,2739%, vrijeme poluraspada T 1 / 2 = 4,51 ½ 10 9 godina, 235 U - 0,7024% (T 1 / 2 = 7,13 ½ 10 8 godina) i 234 U - 0,0057% (T 1 / 2 = 2,48Í10 5 godina).

Poznato je 11 umjetnih radioaktivnih izotopa s masenim brojevima od 227 do 240.

Najdugovječniji - 233 U (T 1 / 2 = 1,62/10 5 godina) dobiva se ozračivanjem torija neutronima.

Izotopi urana 238 U i 235 U su preci dva radioaktivna niza.

Priznanica

Prva faza proizvodnje urana je koncentracija. Stijena se drobi i miješa s vodom. Teške komponente ovjesa brže se talože. Ako stijena sadrži primarne minerale urana, oni se brzo talože: to su teški minerali. Sekundarni minerali elementa br. 92 su lakši, u kojem slučaju se teška jalovina taloži ranije. (Međutim, nije uvijek doista prazan; može sadržavati mnoge korisne elemente, uključujući uran).

Sljedeća faza je ispiranje koncentrata, prevođenje elementa br. 92 u otopinu. Koriste se kiselo i alkalno ispiranje. Prvi je jeftiniji, jer ga koriste za vađenje urana. Ali ako u sirovini, kao što je uran katran, uran je u četverovalentnom stanju, onda ova metoda nije primjenjiva: četverovalentni uran je praktički netopljiv u sumpornoj kiselini. I ili morate pribjeći alkalnom ispiranju, ili prvo oksidirati uran do heksavalentnog stanja.

Kiselo ispiranje se ne koristi u slučajevima kada koncentrat urana sadrži ili. Za njihovo otapanje mora se potrošiti previše kiseline, au tim slučajevima bolje je koristiti ().

Problem ispiranja urana iz kisika rješava se pročišćavanjem kisikom. Mlaz se dovodi u mješavinu uranove rude i minerala zagrijanu na 150 °C. Pritom nastaju minerali sumpora koji ispire uran.

U sljedećoj fazi potrebno je selektivno izolirati uran iz nastale otopine. Suvremene metode - i - omogućuju nam da riješimo ovaj problem.

Otopina sadrži ne samo uran, već i druge. Neki od njih se pod određenim uvjetima ponašaju na isti način kao i uran: ekstrahiraju se istim otapalima, talože na istim smolama ionske izmjene i talože pod istim uvjetima. Stoga, za selektivnu izolaciju urana, potrebno je koristiti mnoge redoks reakcije kako bi se riješili jednog ili drugog neželjenog pratioca u svakoj fazi. Na modernim smolama za ionsku izmjenu uran se oslobađa vrlo selektivno.

Metode ionska izmjena i ekstrakcija Dobri su i zato što omogućuju sasvim potpuno izdvajanje urana iz loših otopina, u čijoj litri ima samo desetinki grama elementa br. 92.

Nakon ovih operacija uran se pretvara u čvrsto stanje - u jedan od oksida ili u UF 4 tetrafluorid. Ali ovaj uran još treba očistiti od nečistoća s velikim presjekom hvatanja toplinskih neutrona - , . Njihov sadržaj u konačnom proizvodu ne smije prelaziti stotisućinke i milijuntinke postotka. Dakle, već dobiveni tehnički čisti produkt moramo ponovno otopiti - ovaj put u . Uranil nitrat UO 2 (NO 3) 2 tijekom ekstrakcije tributil fosfatom i nekim drugim tvarima dodatno se pročišćava do potrebnih standarda. Zatim se ta tvar kristalizira (ili se istaloži peroksid UO 4 ·2H 2 O) i pažljivo kalcinira. Kao rezultat ove operacije nastaje uranov trioksid UO 3, koji se reducira u UO 2.

Ova tvar pretposljednja je na putu od rude do metala. Na temperaturama od 430 do 600 °C reagira sa suhim fluorovodikom i prelazi u UF 4 tetrafluorid. Iz ovog spoja obično se dobiva metalni uran. Dobiva se uz pomoć ili uobičajeno.

Fizička svojstva

Uran je vrlo težak, srebrnobijeli, sjajni metal. U svom čistom obliku, nešto je mekši od čelika, savitljiv, savitljiv i ima mala paramagnetska svojstva. Uran ima tri alotropska oblika: alfa (prizmatični, stabilan do 667,7 °C), beta (tetragonalni, stabilan od 667,7 do 774,8 °C), gama (s kubičnom strukturom u središtu tijela, postoji od 774,8 °C do tališta) ).

Kemijska svojstva

Kemijska aktivnost metalnog urana je visoka. U zraku se prekriva duginim filmom. Uran u prahu, spontano se zapali na temperaturi od 150-175 °C. Tijekom izgaranja urana i toplinske razgradnje mnogih njegovih spojeva u zraku nastaje uranov oksid U 3 O 8 . Ako se ovaj oksid zagrijava u atmosferi iznad 500 °C, nastaje UO 2 . Kada se uranovi oksidi spajaju s oksidima drugih metala, nastaju uranati: K 2 UO 4 (kalijev uranat), CaUO 4 (kalcijev uranat), Na 2 U 2 O 7 (natrijev diuranat).

Primjena

Nuklearno gorivo

Najveću primjenu ima uran 235 U, kod kojeg je moguća samoodrživost. Stoga se ovaj izotop koristi kao gorivo u, kao i u (kritične mase oko 48 kg). Izolacija izotopa U 235 iz prirodnog urana složen je tehnološki problem (vidi). Izotop U 238 je sposoban za fisiju pod utjecajem bombardiranja neutronima visoke energije; ovo se svojstvo koristi za povećanje snage (koriste se neutroni generirani termonuklearnom reakcijom). Kao rezultat hvatanja neutrona praćenog β-raspadom, 238 U se može pretvoriti u 239, koji se zatim koristi kao nuklearno gorivo.

Uran-233, proizveden umjetno u reaktorima (ozračivanjem neutronima i pretvaranjem u i zatim u uran-233) nuklearno je gorivo za nuklearne elektrane i proizvodnju atomskih bombi (kritične mase oko 16 kg). Uran-233 također je gorivo koje najviše obećava za plinske nuklearne raketne motore.

Ostale aplikacije

• Mali dodatak urana daje staklu lijepu zelenkasto-žutu nijansu.
• Karbid urana-235 legiran s niobij karbidom i cirkonijevim karbidom koristi se kao gorivo za nuklearne mlazne motore (radna tekućina - vodik + heksan).
• Legure željeza i osiromašenog urana (uran-238) koriste se kao snažni magnetostriktivni materijali.
• Početkom XX. stoljeća uranil nitrat naširoko se koristio kao sredstvo za virilaciju za proizvodnju obojenih fotografskih ispisa.

Osiromašeni uran

Nakon što se U-235 ekstrahira iz prirodnog urana, preostali materijal naziva se "osiromašeni uran" jer je osiromašen izotopom 235. Prema nekim procjenama, u SAD-u je uskladišteno oko 560.000 tona osiromašenog uranovog heksafluorida (UF 6). Osiromašeni uran je upola manje radioaktivan od prirodnog urana, uglavnom zbog uklanjanja U-234 iz njega. Budući da je primarna uporaba urana proizvodnja energije, osiromašeni uran je beskoristan proizvod s malom ekonomskom vrijednošću.

Njegova glavna upotreba je zbog visoke gustoće urana i njegove relativno niske cijene: njegova upotreba za zaštitu od zračenja (malo čudno) i kao balast u zrakoplovnim aplikacijama kao što su kontrolne površine zrakoplova. Svaki zrakoplov sadrži 1500 kg osiromašenog urana za te potrebe. Ovaj se materijal također koristi u rotorima žiroskopa velike brzine, velikim zamašnjacima, kao balast u svemirskim lenderima i trkaćim jahtama te pri bušenju naftnih bušotina.

Jezgre projektila za probijanje oklopa

Najpoznatija uporaba urana je kao jezgra za američki . Legiranjem s 2% ili 0,75% i toplinskom obradom (brzo kaljenje metala zagrijanog na 850 °C u vodi ili ulju, daljnje držanje na 450 °C 5 sati), metalni uran postaje tvrđi i čvršći (vlačna čvrstoća je veća od 1600 MPa, dok je za čisti uran jednak 450 MPa). U kombinaciji s njegovom visokom gustoćom, ovo čini stvrdnuti uranijski ingot izuzetno učinkovitim alatom za probijanje oklopa, sličnim po učinkovitosti skupljem . Proces razaranja oklopa prati mljevenje uranove svinje u prah i njegovo paljenje u zraku s druge strane oklopa. Tijekom operacije Pustinjska oluja na bojišnici je ostalo oko 300 tona osiromašenog urana (uglavnom ostaci granata iz topa 30 mm GAU-8 jurišnog zrakoplova A-10, svaka granata sadrži 272 g legure urana).

Takve su granate koristile NATO trupe u borbenim operacijama na području Jugoslavije. Nakon njihove primjene, raspravljalo se o ekološkom problemu radijacijske kontaminacije teritorija zemlje.

Osiromašeni uran se koristi u modernim tenkovskim oklopima, kao što je tenk.

Fiziološko djelovanje

Nalazi se u mikrokoličinama (10 -5 -10 -8%) u tkivima biljaka, životinja i ljudi. U najvećoj mjeri ga nakupljaju neke gljive i alge. Spojevi urana apsorbiraju se u gastrointestinalnom traktu (oko 1%), u plućima - 50%. Glavni depoi u tijelu: slezena i bronhopulmonalni. Sadržaj u organima i tkivima ljudi i životinja ne prelazi 10 -7 g.

Uran i njegovi spojevi otrovan. Posebno su opasni aerosoli urana i njegovih spojeva. Za aerosole spojeva urana topljivih u vodi, MDK u zraku je 0,015 mg/m 3 , za netopljive oblike urana 0,075 mg/m 3 . Kada uran uđe u tijelo, utječe na sve organe, kao opći stanični otrov. Molekularni mehanizam djelovanja urana povezan je s njegovom sposobnošću suzbijanja aktivnosti. Prije svega, oni su pogođeni (proteini i šećer se pojavljuju u urinu,). U kroničnim slučajevima mogući su poremećaji hematopoeze i živčanog sustava.

Rudarstvo urana u svijetu

Prema "Crvenoj knjizi o uranu", objavljenoj 2005. godine, iskopano je 41 250 tona urana (2003. - 35 492 tone). Prema podacima OECD-a, u svijetu djeluje 440 komercijalnih poduzeća koja godišnje troše 67 tisuća tona urana. To znači da njegova proizvodnja osigurava samo 60% potrošnje (ostatak se dobiva iz starih nuklearnih bojevih glava).

Proizvodnja po zemlji u tonama po sadržaju U za 2005.-2006.

Proizvodnja u Rusiji

Preostalih 7% dobiva se podzemnim ispiranjem od strane JSC Dalur () i JSC Khiagda ().

Dobivene rude i koncentrat urana prerađuju se u Chepetsk mehaničkom pogonu.

vidi također

Linkovi