Hemijski element uranijum: svojstva, karakteristike, formula. Vađenje i upotreba uranijuma

Odakle je došao uranijum? Najvjerovatnije se pojavljuje tokom eksplozija supernove. Činjenica je da za nukleosintezu elemenata težih od željeza mora postojati snažan tok neutrona, koji se javlja upravo za vrijeme eksplozije supernove. Činilo bi se da bi kasnije, kada se kondenzuje iz oblaka novih zvezdanih sistema formiranih njime, uranijum, koji se skupio u protoplanetarni oblak i veoma težak, trebalo da potone u dubine planeta. Ali nije. Uranijum je radioaktivni element i prilikom raspada oslobađa toplotu. Proračun pokazuje da kada bi uranijum bio ravnomjerno raspoređen po cijeloj debljini planete, barem u istoj koncentraciji kao na površini, tada bi oslobađao previše topline. Štaviše, njegov protok bi se trebao smanjiti kako se uranij troši. Pošto ništa slično nije uočeno, geolozi smatraju da je najmanje trećina uranijuma, a možda i sav, koncentrisana u zemljinoj kori, gdje je njegov sadržaj 2,5∙10 -4%. Zašto se to dogodilo nije diskutovano.

Gdje se kopa uranijum? Uranijum na Zemlji nije tako mali - po rasprostranjenosti je na 38. mestu. A najviše ovog elementa ima u sedimentnim stijenama - karbonskim škriljcima i fosforitima: do 8∙10 -3 i 2,5∙10 -2%, respektivno. Ukupno, zemljina kora sadrži 10 14 tona uranijuma, ali glavni problem po tome što je veoma raspršen i ne stvara moćne naslage. Oko 15 minerala uranijuma su od industrijskog značaja. Ovo je uranijumska smola - njegova baza je tetravalentni uranijum oksid, uranijum liskun - razni silikati, fosfati i složenija jedinjenja sa vanadijem ili titanijumom na bazi heksavalentnog uranijuma.

Šta su Becquerel zraci? Nakon otkrića rendgenskih zraka od strane Wolfganga Roentgena, francuski fizičar Antoine-Henri Becquerel zainteresirao se za sjaj soli uranijuma, koji nastaje pod djelovanjem sunčeve svjetlosti. Hteo je da shvati da li i ovde ima rendgenskih zraka. Zaista, bili su prisutni - sol je osvetljavala fotografsku ploču kroz crni papir. U jednom od eksperimenata, međutim, sol nije bila osvijetljena, a fotografska ploča je i dalje potamnila. Kada je metalni predmet postavljen između soli i fotografske ploče, tamnjenje ispod njega je bilo manje. Posljedično, novi zraci uopće nisu nastali zbog pobuđivanja uranijuma svjetlošću i nisu djelomično prošli kroz metal. U početku su se zvali "Bekerelovi zraci". Naknadno je utvrđeno da su to uglavnom alfa zraci sa malim dodatkom beta zraka: činjenica je da glavni izotopi uranijuma emituju alfa česticu tokom raspada, a kćerni proizvodi također doživljavaju beta raspad.

Kolika je radioaktivnost uranijuma? Uranijum nema stabilne izotope, svi su radioaktivni. Najdugovječniji je uranijum-238 s vremenom poluraspada od 4,4 milijarde godina. Sljedeći je uranijum-235 - 0,7 milijardi godina. Oba se podvrgavaju alfa raspadu i postaju odgovarajući izotopi torija. Uran-238 čini preko 99% ukupnog prirodnog uranijuma. Zbog dugog poluraspada, radioaktivnost ovog elementa je mala, a osim toga, alfa čestice nisu u stanju da savladaju stratum corneum na površini. ljudsko tijelo. Kažu da je IV Kurchatov, nakon rada s uranijumom, jednostavno obrisao ruke maramicom i nije patio od bolesti povezanih s radioaktivnošću.

Istraživači su se više puta obraćali statistici bolesti radnika u rudnicima i pogonima za preradu urana. Na primjer, evo nedavnog članka kanadskih i američkih stručnjaka koji su analizirali zdravstvene podatke više od 17.000 radnika u rudniku Eldorado u kanadskoj provinciji Saskatchewan za godine 1950-1999 ( istraživanje životne sredine, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Polazili su od činjenice da zračenje ima najjači učinak na krvna zrnca koja se brzo množe, što dovodi do odgovarajućih vrsta raka. Statistika je pokazala da su radnici rudnika bolesni razne vrste manje raka krvi od prosječnog Kanađanina. Istovremeno, glavnim izvorom zračenja ne smatra se sam uran, već plinoviti radon koji on stvara i proizvodi njegovog raspadanja, koji mogu ući u tijelo kroz pluća.

Zašto je uranijum štetan?? Kao i drugi teški metali, vrlo je toksičan i može uzrokovati zatajenje bubrega i jetre. S druge strane, uranijum, kao dispergovani element, neizbežno je prisutan u vodi, zemljištu i, koncentrišući se u lancu ishrane, ulazi u ljudsko telo. Razumno je pretpostaviti da su u procesu evolucije živa bića naučila neutralizirati uran u prirodnim koncentracijama. Najopasniji uranijum je u vodi, pa je SZO postavila granicu: u početku je iznosila 15 µg/l, ali je 2011. standard povećan na 30 µg/g. Po pravilu, u vodi ima mnogo manje uranijuma: u SAD-u u prosjeku 6,7 μg / l, u Kini i Francuskoj - 2,2 μg / l. Ali postoje i jaka odstupanja. Tako je u nekim područjima Kalifornije sto puta više od standarda - 2,5 mg / l, au južnoj Finskoj dostiže 7,8 mg / l. Istraživači pokušavaju da shvate da li je standard SZO prestrog proučavajući uticaj uranijuma na životinje. Evo tipičnog posla BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Francuski naučnici su pacove devet mjeseci hranili vodom dopunjenom osiromašenim uranijumom, i to u relativno visokoj koncentraciji - od 0,2 do 120 mg/l. Donja vrijednost je voda u blizini rudnika, dok se gornja nigdje ne nalazi - maksimalna koncentracija uranijuma, mjerena u istoj Finskoj, iznosi 20 mg/l. Na iznenađenje autora - članak je naslovljen: "Neočekivano odsustvo primjetnog efekta uranijuma na fiziološke sisteme..." - uran praktički nije imao utjecaja na zdravlje pacova. Životinje su jele dobro, ugojile su se kako treba, nisu se žalile na bolest i nisu umrle od raka. Uranijum se, kako i priliči, taložio prvenstveno u bubrezima i kostima, a u stostruko manjoj količini - u jetri, a njegovo nakupljanje je, očekivano, zavisilo od sadržaja u vodi. Međutim, to nije dovelo do zatajenja bubrega, pa čak ni do primjetne pojave bilo kakvih molekularnih markera upale. Autori su predložili početak revizije strogih smjernica SZO. Međutim, postoji jedno upozorenje: učinak na mozak. U mozgu pacova bilo je manje uranijuma nego u jetri, ali njegov sadržaj nije ovisio o količini u vodi. Ali uranijum je uticao na rad antioksidativnog sistema mozga: aktivnost katalaze se povećala za 20%, glutation peroksidaze za 68-90%, dok je aktivnost superoksid dismutaze pala za 50% bez obzira na dozu. To znači da je uranijum jasno izazvao oksidativni stres u mozgu i da je tijelo reagiralo na njega. Takav efekat - snažan učinak uranijuma na mozak u nedostatku njegovog nakupljanja u njemu, inače, kao i u genitalnim organima - primijećen je ranije. Štaviše, voda sa uranijumom u koncentraciji od 75-150 mg/l, kojom su istraživači sa Univerziteta Nebraska hranili pacove šest meseci ( Neurotoksikologija i teratologija, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001) uticalo je na ponašanje životinja, uglavnom mužjaka, puštenih u polje: prelazile su linije, ustajale na zadnje noge i češljale krzno, za razliku od kontrolnih. Postoje dokazi da uranijum takođe dovodi do oštećenja pamćenja kod životinja. Promjena ponašanja bila je u korelaciji s nivoom oksidacije lipida u mozgu. Ispostavilo se da su pacovi iz uranijumske vode postali zdravi, ali glupi. Ovi podaci će nam i dalje biti korisni u analizi takozvanog sindroma Perzijskog zaljeva (Gulf War Syndrome).

Da li uranijum zagađuje lokacije za eksploataciju gasa iz škriljaca? Zavisi od toga koliko je uranijuma u stijenama koje sadrže plin i kako je povezan s njima. Na primjer, vanredni profesor Tracy Bank sa Univerziteta u Buffalu istražio je Marcelus Shale, koji se proteže od zapadne države New York preko Pennsylvanije i Ohaja do Zapadne Virdžinije. Pokazalo se da je uranijum hemijski vezan upravo za izvor ugljikovodika (podsjetimo da srodni ugljični škriljci imaju najveći sadržaj uranijuma). Eksperimenti su pokazali da rastvor koji se koristi za lomljenje šava savršeno otapa uranijum. “Kada je uranijum u ovim vodama na površini, to može uzrokovati zagađenje okolnog područja. Ne nosi opasnost od radijacije, ali je uranijum otrovan element”, napominje Trejsi Bank u univerzitetskom saopštenju za štampu od 25. oktobra 2010. Detaljni članci o riziku od zagađenja životne sredine uranijumom ili torijumom prilikom vađenja gasa iz škriljaca još nisu pripremljeni.

Zašto je potreban uranijum? Ranije se koristio kao pigment za proizvodnju keramike i stakla u boji. Sada je uranijum osnova nuklearne energije i atomsko oružje. U ovom slučaju se koristi njegovo jedinstveno svojstvo - sposobnost jezgre da se dijeli.

Šta je nuklearna fisija? Raspad jezgra na dva nejednaka velika dijela. Upravo zbog ove osobine tokom nukleosinteze usled neutronskog zračenja, teško se formiraju jezgra teža od uranijuma. Suština fenomena je sledeća. Ako odnos broja neutrona i protona u jezgru nije optimalan, ono postaje nestabilno. Obično takvo jezgro izbacuje ili alfa česticu - dva protona i dva neutrona, ili beta česticu - pozitron, što je praćeno transformacijom jednog od neutrona u proton. U prvom slučaju dobija se element periodnog sistema, razmaknut dve ćelije unazad, u drugom - jedna ćelija unapred. Međutim, jezgro uranijuma, osim što emituje alfa i beta čestice, sposobno je i za fisiju – raspadanje na jezgra dva elementa u sredini periodnog sistema, kao što su barij i kripton, što i čini, pošto je primio novi neutron. . Ovaj fenomen je otkriven ubrzo nakon otkrića radioaktivnosti, kada su fizičari izložili sve što su imali novootkrivenom zračenju. Evo kako o tome piše Otto Frisch, učesnik događaja (Uspekhi fizicheskikh nauk, 1968, 96, 4). Nakon otkrića berilijumskih zraka - neutrona - Enrico Fermi ih je ozračio, posebno uranijumom da izazove beta raspad - nadao se da će o svom trošku dobiti sledeći, 93. element, koji se sada zove neptunijum. Upravo je on otkrio novu vrstu radioaktivnosti u ozračenom uranijumu, koju je povezao s pojavom transuranijskih elemenata. U ovom slučaju usporavanje neutrona, za koje je izvor berilijuma bio prekriven slojem parafina, povećalo je ovu indukovanu radioaktivnost. Američki radiohemičar Aristide von Grosse sugerirao je da je jedan od ovih elemenata protaktinijum, ali je pogriješio. Ali Otto Hahn, koji je tada radio na Univerzitetu u Beču i smatrao da je protaktinijum otkriven 1917. godine njegova ideja, odlučio je da je dužan otkriti koji su elementi dobiveni u ovom slučaju. Zajedno sa Lise Meitner, početkom 1938. godine, Hahn je sugerisao, na osnovu rezultata eksperimenata, da se formiraju čitavi lanci radioaktivnih elemenata koji nastaju višestrukim beta raspadom jezgara uranijuma-238 koje je apsorbovalo neutron i njegove ćerke elemente. Ubrzo je Lise Meitner bila prisiljena pobjeći u Švedsku, bojeći se moguće odmazde od nacista nakon anšlusa Austrije. Gan je, nastavljajući svoje eksperimente sa Fritzom Strassmannom, otkrio da se među proizvodima nalazi i barijum, element broj 56, koji se ni na koji način nije mogao dobiti iz uranijuma: svi lanci alfa raspada uranijuma završavaju mnogo težim olovom. Istraživači su bili toliko iznenađeni rezultatom da ga nisu objavili, već su samo pisali pisma prijateljima, posebno Lise Meitner u Geteborgu. Tamo ju je za Božić 1938. posjetio njen nećak, Otto Frisch, koji su, šetajući okolinom zimskog grada - on na skijama, njegova tetka pješke - razgovarali o mogućnosti pojave barijuma tokom ozračivanja uranijum zbog nuklearne fisije (za više o Lise Meitner, vidi "Chemistry and Life", 2013, br. 4). Vraćajući se u Kopenhagen, Frisch je, doslovno na prolazu parobroda koji je krenuo za SAD, uhvatio Nielsa Bohra i obavijestio ga o ideji podjele. Bor se lupi po čelu i reče: „Ma, kakve smo mi budale! Trebali smo to ranije primijetiti." U januaru 1939. Frisch i Meitner objavili su članak o fisiji jezgri uranijuma pod dejstvom neutrona. U to vrijeme, Otto Frisch je već postavio kontrolni eksperiment, kao i mnoge američke grupe koje su primile poruku od Bohra. Kažu da su fizičari počeli da se razilaze u svoje laboratorije upravo tokom njegovog izvještaja 26. januara 1939. u Washingtonu na godišnjoj konferenciji o teorijskoj fizici, kada su shvatili suštinu ideje. Nakon otkrića fisije, Hahn i Strassmann su revidirali svoje eksperimente i otkrili, baš kao i njihove kolege, da radioaktivnost ozračenog uranijuma nije povezana s transuranijumima, već s raspadom radioaktivnih elemenata koji nastaju prilikom fisije iz sredine periodnog sistema.

Kako funkcionira lančana reakcija u uranijumu? Ubrzo nakon što je eksperimentalno dokazana mogućnost fisije jezgara uranijuma i torija (a na Zemlji nema drugih fisionih elemenata u značajnijoj količini), Niels Bohr i John Wheeler, koji su radili na Princetonu, kao i nezavisno sovjetski teorijski fizičar Ya I. Frenkel i Nemci Siegfried Flügge i Gottfried von Droste stvorili su teoriju nuklearne fisije. Iz toga su slijedila dva mehanizma. Jedan se odnosi na prag apsorpcije brzih neutrona. Prema njegovim riječima, da bi pokrenuo fisiju, neutron mora imati prilično visoku energiju, veću od 1 MeV za jezgra glavnih izotopa - uranijuma-238 i torijuma-232. Pri nižim energijama, apsorpcija neutrona uranijumom-238 ima rezonantni karakter. Dakle, neutron sa energijom od 25 eV ima poprečni presek hvatanja koji je hiljadama puta veći nego kod drugih energija. U ovom slučaju neće doći do fisije: uranijum-238 će postati uranijum-239, koji će se sa vremenom poluraspada od 23,54 minuta pretvoriti u neptunijum-239, onaj sa poluživotom od 2,33 dana će se pretvoriti u dugo- živio plutonijum-239. Torijum-232 će postati uranijum-233.

Drugi mehanizam je apsorpcija neutrona bez praga, nakon čega slijedi treći manje-više uobičajen fisijski izotop - uran-235 (kao i plutonijum-239 i uran-233, kojih nema u prirodi): apsorpcijom bilo kojeg neutrona , čak i spora, takozvana toplotna, sa energijom za molekule koji učestvuju u toplotnom kretanju - 0,025 eV, takvo jezgro će se podeliti. I to je vrlo dobro: za termičke neutrone, površina poprečnog presjeka hvatanja je četiri puta veća nego za brze, megaelektronvoltne. Ovo je značaj uranijuma-235 za čitavu kasniju istoriju nuklearne energije: to je ono što osigurava umnožavanje neutrona u prirodnom uranijumu. Nakon udara u neutron, jezgro uranijuma-235 postaje nestabilno i brzo se dijeli na dva nejednaka dijela. Usput, nekoliko (u prosjeku 2,75) novih neutrona izleti. Ako udare u jezgre istog uranijuma, uzrokovat će eksponencijalno umnožavanje neutrona - pokrenut će se lančana reakcija koja će dovesti do eksplozije zbog brzog oslobađanja ogromne količine topline. Ni uranijum-238 ni torijum-232 ne mogu da rade ovako: na kraju krajeva, tokom fisije se emituju neutroni sa prosečnom energijom od 1-3 MeV, odnosno ako postoji energetski prag od 1 MeV, značajan deo neutroni sigurno neće moći izazvati reakciju i neće biti reprodukcije. To znači da ove izotope treba zaboraviti i neutrone će morati usporiti do toplotne energije kako bi što efikasnije stupili u interakciju sa jezgrima uranijuma-235. Istovremeno, njihova rezonantna apsorpcija uranijumom-238 ne može se dozvoliti: uostalom, u prirodnom uranijumu ovaj izotop je nešto manji od 99,3%, a neutroni se češće sudaraju s njim, a ne sa ciljnim uranijumom-235. I djelujući kao moderator, moguće je održavati umnožavanje neutrona na konstantnom nivou i spriječiti eksploziju - kontrolirati lančanu reakciju.

Proračun koji su izvršili Ya. B. Zeldovich i Yu. B. Khariton iste kobne 1939. godine pokazao je da je za to potrebno koristiti moderator neutrona u obliku teške vode ili grafita i obogatiti prirodni uran uranijumom-235 pomoću najmanje 1,83 puta. Tada im se ova ideja učinila čistom fantazijom: „Treba napomenuti da je otprilike udvostručeno obogaćivanje onih prilično značajnih količina uranijuma koje su neophodne za izvođenje lančane eksplozije,<...>je izuzetno težak zadatak, blizak praktičnoj nemogućnosti." Sada je ovaj problem riješen, a nuklearna industrija masovno proizvodi uranijum obogaćen uranijumom-235 do 3,5% za elektrane.

Šta je spontana nuklearna fisija? G. N. Flerov i K. A. Petrzhak su 1940. otkrili da se fisija uranijuma može dogoditi spontano, bez ikakvog vanjskog utjecaja, iako je vrijeme poluraspada mnogo duže nego kod običnog alfa raspada. Pošto takva fisija proizvodi i neutrone, ako im se ne dozvoli da odlete iz reakcione zone, oni će poslužiti kao inicijatori lančane reakcije. Upravo se ovaj fenomen koristi u stvaranju nuklearnih reaktora.

Zašto je potrebna nuklearna energija? Zeldovich i Khariton bili su među prvima koji su izračunali ekonomski efekat nuklearne energije (Uspekhi fizicheskikh nauk, 1940, 23, 4). “... Trenutno je još uvijek nemoguće donijeti konačne zaključke o mogućnosti ili nemogućnosti implementacije reakcije nuklearne fisije u uranijumu sa beskonačno razgranatim lancima. Ako je takva reakcija izvodljiva, tada se brzina reakcije automatski prilagođava kako bi se osiguralo da ona teče glatko, uprkos ogromnoj količini energije koja je na raspolaganju eksperimentatoru. Ova okolnost je izuzetno povoljna za iskorištenje energije reakcije. Stoga, iako se radi o podjeli kože neubijenog medvjeda, donosimo neke brojke koje karakteriziraju mogućnosti energetske upotrebe uranijuma. Ako se proces fisije odvija na brzim neutronima, dakle, reakcija zahvata glavni izotop uranijuma (U238), tada<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>cijena kalorije iz glavnog izotopa uranijuma ispada oko 4000 puta jeftinija nego iz uglja (osim, naravno, ako se procesi "sagorijevanja" i uklanjanja topline pokažu mnogo skuplji u slučaju uranijuma od u slučaju uglja). U slučaju sporih neutrona, trošak "uranske" kalorije (na osnovu gornjih brojki) će, uzimajući u obzir da je zastupljenost izotopa U235 0,007, već samo 30 puta jeftiniji od kalorije "uglja", sve ostale stvari jednake.

Prvu kontrolisanu lančanu reakciju izveo je 1942. Enriko Fermi na Univerzitetu u Čikagu, a reaktor je ručno kontrolisan guranjem i izvlačenjem grafitnih šipki kako se fluks neutrona menjao. Prva elektrana izgrađena je u Obninsku 1954. godine. Pored proizvodnje energije, prvi reaktori su radili i na proizvodnji plutonijuma za oružje.

Kako radi nuklearna elektrana? Većina reaktora sada radi na sporim neutronima. Obogaćeni uranijum u obliku metala, legure, na primer sa aluminijumom, ili u obliku oksida stavlja se u dugačke cilindre - gorive elemente. Ugrađuju se na određeni način u reaktor, a između njih se ubacuju šipke iz moderatora koje kontrolišu lančanu reakciju. Vremenom se reaktorski otrovi nakupljaju u gorivom elementu - produktima fisije uranijuma, koji su također sposobni apsorbirati neutrone. Kada koncentracija uranijuma-235 padne ispod kritičnog nivoa, element se stavlja iz upotrebe. Međutim, sadrži mnogo fisionih fragmenata sa jakom radioaktivnošću, koja se s godinama smanjuje, zbog čega elementi dugo emituju značajnu količinu topline. Čuvaju se u rashladnim bazenima, a onda se ili zakopavaju ili pokušavaju da ih prerade – da izvuku neizgoreli uranijum-235, nagomilani plutonijum (koristio se za izradu atomskih bombi) i druge izotope koji se mogu koristiti. Neiskorišteni dio šalje se na groblje.

U takozvanim reaktorima na brzim neutronima, ili reaktorima za razmnožavanje, oko elemenata su ugrađeni reflektori od uranijuma-238 ili torija-232. Oni usporavaju i šalju prebrze neutrone nazad u zonu reakcije. Usporeni do rezonantnih brzina, neutroni apsorbuju ove izotope, pretvarajući se u plutonijum-239 ili uranijum-233, koji mogu poslužiti kao gorivo za nuklearnu elektranu. Kako brzi neutroni ne reaguju dobro sa uranijumom-235, potrebno je značajno povećati njegovu koncentraciju, ali se to isplati jačim neutronskim tokom. Unatoč činjenici da se reaktori za razmnožavanje smatraju budućnošću nuklearne energije, budući da daju više nuklearnog goriva nego što ga troše, eksperimenti su pokazali da je njima teško upravljati. Sada je na svetu ostao samo jedan takav reaktor - na četvrtom bloku elektrane Belojarsk.

Kako se kritizira nuklearna energija? Ako ne govorimo o nesrećama, glavna tačka u argumentaciji protivnika nuklearne energije danas je bio prijedlog da se u proračun njene efikasnosti dodaju troškovi zaštite okoliša nakon stavljanja postrojenja iz pogona i pri radu s gorivom. U oba slučaja postavlja se zadatak pouzdanog odlaganja radioaktivnog otpada, a to su troškovi koje snosi država. Postoji mišljenje da ako se prebace na cijenu energije, onda će njegova ekonomska privlačnost nestati.

Postoji i opozicija među pristalicama nuklearne energije. Njegovi predstavnici ukazuju na jedinstvenost uranijuma-235, koji nema zamjenu, jer alternativni izotopi koji se fisiraju termalnim neutronima - plutonijum-239 i uranijum-233 - odsutni u prirodi zbog poluraspada od hiljadama godina. A oni se dobijaju upravo kao rezultat fisije uranijuma-235. Ako se završi, lepo će nestati prirodni izvor neutrone za nuklearnu lančanu reakciju. Kao rezultat takve ekstravagancije, čovječanstvo će u budućnosti izgubiti priliku da uključi torij-232 u energetski ciklus, čije su rezerve nekoliko puta veće od uranijuma.

Teoretski, akceleratori čestica se mogu koristiti za dobijanje fluksa brzih neutrona sa megaelektronvoltnim energijama. Međutim, ako mi pričamo, na primjer, o međuplanetarnim letovima na atomskom motoru, tada će biti vrlo teško implementirati shemu s glomaznim akceleratorom. Iscrpljivanje uranijuma-235 stavlja tačku na takve projekte.

Šta je uranijum za oružje? Ovo je visoko obogaćeni uranijum-235. Njegova kritična masa - odgovara veličini komada materije u kojem spontano dolazi do lančane reakcije - dovoljno je mala da napravi municiju. Takav uranijum se može koristiti za izradu atomske bombe, kao i kao fitilj za termonuklearnu bombu.

Koje su katastrofe povezane s upotrebom uranijuma? Energija pohranjena u jezgrima fisionih elemenata je ogromna. Nakon što je pobjegla kontroli zbog previda ili zbog namjere, ova energija može napraviti mnogo problema. Dve najveće nuklearne katastrofe dogodile su se 6. i 8. avgusta 1945. godine, kada je američko vazduhoplovstvo bacilo atomske bombe na Hirošimu i Nagasaki, ubivši i ranivši stotine hiljada civila. Katastrofe manjeg razmjera povezane su s nesrećama u nuklearnim elektranama i preduzećima nuklearnog ciklusa. Prva velika nesreća dogodila se 1949. u SSSR-u u fabrici Mayak u blizini Čeljabinska, gdje se proizvodio plutonijum; tečni radioaktivni otpad je dospio u rijeku Teča. U septembru 1957. na njemu je došlo do eksplozije sa ispuštanjem velike količine radioaktivnog materijala. Jedanaest dana kasnije, britanski plutonijumski reaktor u Windscaleu je izgorio, oblak produkata eksplozije se raspršio iznad zapadna evropa. Godine 1979. izgorio je reaktor nuklearne elektrane na ostrvu Trimail u Pensilvaniji. Nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil (1986.) i nuklearnoj elektrani u Fukušimi (2011.) dovele su do najrasprostranjenijih posljedica, kada su milioni ljudi bili izloženi zračenju. Prvi su zasuli ogromne zemlje, izbacivši 8 tona uranijumskog goriva sa produktima raspadanja kao rezultat eksplozije, koja se proširila širom Evrope. Drugi je zagađen i, tri godine nakon nesreće, nastavlja da zagađuje Tihi okean u oblastima ribarstva. Otklanjanje posljedica ovih nesreća bilo je veoma skupo, a ako bi se ti troškovi razložili na cijenu električne energije, značajno bi se povećali.

Posebno pitanje su posljedice po ljudsko zdravlje. Prema službenim statistikama, mnogi ljudi koji su preživjeli bombardovanje ili žive u kontaminiranim područjima imali su koristi od izloženosti - prvi imaju duži životni vijek, drugi imaju manje karcinoma, a stručnjaci izvjestan porast smrtnosti pripisuju socijalnom stresu. Broj ljudi koji su poginuli upravo od posljedica nesreća ili uslijed njihove likvidacije procjenjuje se na stotine ljudi. Protivnici nuklearnih elektrana ističu da su nesreće dovele do nekoliko miliona preranih smrti na evropskom kontinentu, one su jednostavno nevidljive na statističkoj pozadini.

Povlačenje zemljišta iz ljudske upotrebe u zonama akcidenta dovodi do zanimljivog rezultata: one postaju svojevrsni rezervati u kojima raste biodiverzitet. Istina, neke životinje pate od bolesti povezanih sa zračenjem. Pitanje koliko će se brzo prilagoditi povećanoj pozadini ostaje otvoreno. Postoji i mišljenje da je posljedica hroničnog zračenja „odabir za budalu“ (vidi Hemija i život, 2010, br. 5): primitivniji organizmi opstaju čak iu embrionalnoj fazi. Konkretno, u odnosu na ljude, to bi trebalo dovesti do smanjenja mentalnih sposobnosti generacije rođene na kontaminiranim teritorijama ubrzo nakon nesreće.

Šta je osiromašeni uranijum? Ovo je uranijum-238 zaostao od ekstrakcije uranijuma-235. Količina otpada od proizvodnje uranijuma za oružje i gorivnih elemenata je velika - samo u Sjedinjenim Državama nakupilo se 600 hiljada tona takvog uranijum heksafluorida (za probleme s njim, vidi "Hemija i život", 2008, br. 5). Sadržaj uranijuma-235 u njemu je 0,2%. Ovaj otpad se mora ili skladištiti do boljih vremena, kada će se stvoriti reaktori na brzim neutronima i kada će biti moguće preraditi uranijum-238 u plutonijum, ili na neki način iskoristiti.

Našli su upotrebu za to. Uran, kao i drugi prijelazni elementi, koristi se kao katalizator. Na primjer, autori članka u ACS Nano od 30. juna 2014. pišu da uranijumski ili torijumski katalizator sa grafenom za redukciju kiseonika i vodikovog peroksida "ima veliki potencijal za energetske primene". Zbog svoje velike gustine, uranijum služi kao balast za brodove i protivteg za avione. Ovaj metal je takođe pogodan za zaštitu od zračenja u medicinskim uređajima sa izvorima zračenja.

Koje se oružje može napraviti od osiromašenog uranijuma? Meci i jezgra za oklopne projektile. Evo kalkulacije. Što je projektil teži, to je veća njegova kinetička energija. Ali šta veća veličina projektila, to je manje koncentriran njegov udar. Tako da nam treba teški metali sa velikom gustinom. Meci su napravljeni od olova (Uralski lovci su svojevremeno koristili i matičnu platinu, dok nisu shvatili šta je to). plemeniti metal), jezgra školjki su izrađena od legure volframa. Zaštitnici prirode ističu da olovo zagađuje tlo na mjestima ratovanja ili lova i da bi ga bilo bolje zamijeniti nečim manje štetnim, na primjer, istim volframom. Ali volfram nije jeftin, a uranijum, sličan njemu po gustini, štetan je otpad. Istovremeno, dozvoljena kontaminacija tla i vode uranijumom je otprilike dvostruko veća nego za olovo. To se događa zato što se zanemaruje slaba radioaktivnost osiromašenog uranijuma (a ona je i 40% manja od prirodnog uranijuma) i uzima se u obzir zaista opasan hemijski faktor: uranijum je, kao što se sjećamo, otrovan. Istovremeno, njegova gustina je 1,7 puta veća od gustoće olova, što znači da se veličina uranijumskih metaka može prepoloviti; uran je mnogo vatrostalniji i tvrđi od olova – kada je ispaljen, manje isparava, a kada pogodi metu, proizvodi manje mikročestica. Generalno, uranijumski metak manje zagađuje okruženje nego olovo, međutim, nije pouzdano poznato o takvoj upotrebi uranijuma.

Ali poznato je da se ploče s osiromašenim uranijumom koriste za jačanje oklopa američkih tenkova (to je olakšano njegovom visokom gustoćom i talištem), a također i umjesto legure volframa u jezgrama za oklopne projektile. Uranijumsko jezgro je takođe dobro jer je uranijum piroforan: njegove vruće male čestice, nastale kada udare u oklop, pale i zapaljuju sve oko sebe. Obje aplikacije se smatraju bezbednim od zračenja. Dakle, računica je pokazala da bi posada, čak i nakon godinu dana bez izlaska u tenk sa uranijumskim oklopom napunjenim uranijumskom municijom, primila samo četvrtinu dozvoljene doze. A da bi se dobila godišnja dozvoljena doza, takva municija mora biti pričvršćena na površinu kože 250 sati.

Projektile sa uranijumskim jezgrom - za topove od 30 mm ili za artiljerijske potkalibre - koristili su Amerikanci u nedavnim ratovima, počevši od kampanje u Iraku 1991. godine. Te godine su izlili 300 tona osiromašenog uranijuma na iračke oklopne jedinice u Kuvajtu, a tokom njihovog povlačenja 250 tona, ili 780.000 metaka, palo je na avionske topove. U Bosni i Hercegovini je tokom bombardovanja vojske nepriznate Republike Srpske utrošeno 2,75 tona uranijuma, a prilikom granatiranja Vojske Jugoslavije na Kosovu i Metohiji - 8,5 tona, odnosno 31.000 metaka. S obzirom da se SZO do tada pobrinula za posljedice upotrebe uranijuma, vršen je monitoring. Pokazao je da se jedan rafal sastojao od otprilike 300 metaka, od kojih je 80% sadržavalo osiromašeni uranijum. 10% je pogodilo mete, a 82% je palo u krugu od 100 metara od njih. Ostali su se raspršili u krugu od 1,85 km. Granata koja je pogodila tenk je izgorjela i pretvorila se u aerosol, lake mete poput oklopnih transportera probijale su uranijumske granate. Tako bi se u Iraku u uranijumsku prašinu mogla pretvoriti najviše jedna i po tona granata. Prema stručnjacima američkog strateškog istraživačkog centra RAND Corporation, više od 10 do 35% iskorištenog uranijuma pretvorilo se u aerosol. Hrvatski borac za uranijumsku municiju Asaf Durakovich, koji je radio u raznim organizacijama od bolnice King Faisal u Rijadu do Washingtonskog centra za medicinska istraživanja urana, smatra da je samo u južnom Iraku 1991. godine formirano 3-6 tona submikronskih čestica uranijuma, koja se raspršila na širokom području, odnosno zagađenje uranijumom tamo je uporedivo sa Černobilom.

URAN (ime u čast planete Urana otkrivene neposredno prije njega; lat. uranium * a. uranium; n. Uran; f. uranium; i. uranio), U, je radioaktivni hemijski element grupe III periodnog sistema Mendeljejeva, atomski broj 92, atomska masa 238,0289, odnosi se na aktinide. Prirodni uranijum se sastoji od mešavine tri izotopa: 238 U (99.282%, T 1/2 4.468.10 9 godina), 235 U (0.712%, T 1/2 0.704.10 9 godina), 234 U (0.006%, T 1/2 0.244.10 6 godina). Poznato je i 11 umjetnih radioaktivnih izotopa uranijuma s masenim brojevima od 227 do 240.

Uranijum je 1789. godine u obliku UO 2 otkrio njemački hemičar M. G. Klaproth. Metalni uranijum je 1841. godine dobio francuski hemičar E. Peligot. Dugo vremena je uranijum imao vrlo ograničenu upotrebu, a tek s otkrićem radioaktivnosti 1896. godine počelo je njegovo proučavanje i upotreba.

Svojstva uranijuma

U slobodnom stanju, uranijum je metal. svijetlo siva; ispod 667,7°C, karakteriše ga rombična (a=0,28538 nm, b=0,58662 nm, c=0,49557 nm) kristalna rešetka (a-modifikacija), u temperaturnom opsegu 667,7-774°C - tetragonalna (a=0,59 = nm, c = 0,5656 nm; R-modifikacija), na višoj temperaturi - kubična rešetka u centru tijela (a = 0,3538 nm, g-modifikacija). Gustina 18700 kg / m 3, topljenje t 1135 ° C, ključanje t oko 3818 ° C, molarni toplotni kapacitet 27,66 J / (mol.K), električna otpornost 29.0.10 -4 (Ohm.m), toplotna provodljivost 22, 5 W/(m.K), temperaturni koeficijent linearne ekspanzije 10.7.10 -6 K -1 . Temperatura prijelaza uranijuma u supravodljivo stanje je 0,68 K; slab paramagnet, specifična magnetna osetljivost 1.72.10 -6 . Jezgra 235 U i 233 U se cijepaju spontano, kao i prilikom hvatanja sporih i brzih neutrona, 238 U se fisije samo pri hvatanju brzih (više od 1 MeV) neutrona. Kada se uhvate spori neutroni, 238 U se pretvara u 239 Pu. Kritična masa uranijuma (93,5% 235U) u vodenim rastvorima je manja od 1 kg, za otvorenu loptu oko 50 kg; za 233 U kritična masa je otprilike 1/3 kritične mase od 235 U.

Edukacija i sadržaji u prirodi

Glavni potrošač uranijuma je nuklearna energetika (nuklearni reaktori, nuklearne elektrane). Osim toga, uran se koristi za proizvodnju nuklearnog oružja. Sve ostale oblasti upotrebe uranijuma su od izrazito podređenog značaja.

Uran(lat. uranium), u, radioaktivni hemijski element grupe III periodnog sistema Mendeljejeva, pripada porodici aktinidi, atomski broj 92, atomska masa 238.029; metal. Prirodni U. sastoji se od mješavine tri izotopa: 238 u - 99,2739% sa poluživotom t 1 / 2 = 4,51 10 9 godina, 235 u - 0,7024% (t 1 / 2 = 7,13 10 8 godina) i 234 u - 0,0057% (t 1 / 2 = 2,48 10 5 godina). Od 11 umjetnih radioaktivnih izotopa s masenim brojevima od 227 do 240, dugovječni su 233 u (t 1 / 2 = 1,62 10 5 godina); dobija se neutronskim zračenjem torijuma. 238 u i 235 u su progenitori dvije radioaktivne serije.

Istorijska referenca. U. otvoren 1789. hemičar M. G. Klaproth i nazvan po njemu u čast planete Uran, koju je otkrio V. Herschel 1781. U metalnom stanju, U. su 1841. dobili Francuzi. hemičar E. Peligo tokom redukcije ucl 4 metalnim kalijumom. U početku je U. dodijeljena atomska masa od 120, a tek 1871. D.I. Mendeljejev došao do zaključka da ovu vrijednost treba udvostručiti.

Dugo vremena, uran je bio interesantan samo uskom krugu hemičara i našao je ograničenu upotrebu za proizvodnju boja i stakla. Sa otkrićem fenomena radioaktivnost W. 1896. godine i radijum 1898. započela je industrijska prerada ruda uranijuma s ciljem vađenja i korištenja radijuma u naučno istraživanje i medicina. Od 1942., nakon otkrića 1939. fenomena nuklearne fisije , U. je postao glavno nuklearno gorivo.

rasprostranjenost u prirodi. U. je karakterističan element za granitni sloj i sedimentni omotač zemljine kore. Prosečan sadržaj U. u zemljinoj kori (klarka) je 2,5 10 -4% po masi, u kiselim magmatskim stenama 3,5 10 -4%, u glinama i škriljcima 3,2 10 -4%, u bazičnim stenama 5 10 -5% , u ultramafičnim stijenama plašta 3 10 -7%. U. snažno migrira u hladnim i toplim, neutralnim i alkalnim vodama u obliku jednostavnih i složenih jona, posebno u obliku karbonatnih kompleksa. Redoks reakcije igraju važnu ulogu u geohemiji vode, budući da su spojevi vode u pravilu vrlo topljivi u vodama s oksidirajućim okruženjem i slabo topljivi u vodama sa redukcijskim okruženjem (na primjer, sumporovodik).

Poznato je oko 100 minerala U.; Njih 12 su od industrijskog značaja . Tokom geološke istorije, sadržaj U. u zemljinoj kori se smanjio zbog radioaktivnog raspada; ovaj proces je povezan sa akumulacijom atoma Pb i He u zemljinoj kori. Radioaktivni raspad U. igra važnu ulogu u energiji zemljine kore, budući da je značajan izvor duboke toplote.

fizička svojstva. U. je po boji slična čeliku i može se lako obraditi. Ima tri alotropske modifikacije - a, b i g sa temperaturama fazne transformacije: a ®b 668,8 ± 0,4 °C, b® g 772,2 ± 0,4 °C; a -oblik ima rombičnu rešetku a= 2.8538 å, b= 5.8662 å, With\u003d 4,9557 å), b-oblik - tetragonalna rešetka (na 720 ° S A = 10,759 , b= 5.656 å), g-forma - kubična rešetka centrirana na tijelo (na 850°c a = 3.538 godina). U. gustina u a-obliku (25°c) 19,05 ± 0,2 g/cm 3 , t pl 1132 ± 1°S; t kip 3818 °C; toplotna provodljivost (100–200°c), 28.05 uto/(m· TO) , (200–400 °c) 29,72 uto/(m· TO) ; specifična toplota (25°c) 27,67 kJ/(kg· TO) ; električna otpornost na sobnoj temperaturi približno 3 10 -7 ohm· cm, na 600°c 5,5 10 -7 ohm· cm; ima supravodljivost na 0,68 ± 0.02K; slab paramagnet, specifična magnetna osetljivost na sobnoj temperaturi 1,72 10 -6 .

Mehanička svojstva U. zavise od njegove čistoće, od načina mehaničke i termičke obrade. Prosječna vrijednost modula elastičnosti za livene U. 20,5 10 -2 Mn/m 2 granična vlačna čvrstoća na sobnoj temperaturi 372–470 Mn/m 2 , čvrstoća se povećava nakon stvrdnjavanja iz b - i g -faze; prosječna tvrdoća prema Brinellu 19,6–21,6 10 2 Mn/m 2 .

Zračenje neutronskim fluksom (koje se odvija u nuklearni reaktor) mijenja fizičko-mehanička svojstva uranijuma: razvija se puzanje i povećava se krhkost, uočava se deformacija proizvoda, što prisiljava upotrebu uranijuma u nuklearnim reaktorima u obliku raznih legura uranijuma.

U. - radioaktivni element. Jezgra 235 u i 233 u se spontano cijepe, kao i tokom hvatanja i sporih (termalnih) i brzih neutrona sa efektivnim poprečnim presjekom fisije od 508 10 -24 cm 2 (508 štala) i 533 10 -24 cm 2 (533 štala) respektivno. Jezgra 238 u se cijepaju hvatanjem samo brzih neutrona s energijom od najmanje 1 Mev; kada se uhvate spori neutroni, 238 u se pretvara u 239 pu , čija su nuklearna svojstva blizu 235 u. Kritično masa U. (93,5% 235 u) u vodenim rastvorima je manja od 1 kg, za otvorenu loptu - oko 50 kg, za loptu sa reflektorom - 15 - 23 kg; kritična masa od 233 u je približno 1/3 kritične mase od 235 u.

Hemijska svojstva. Konfiguracija vanjske elektronske ljuske atoma U. 7 s 2 6 d 1 5 f 3 . U. se odnosi na reaktivne metale, u jedinjenjima pokazuje oksidaciona stanja + 3, + 4, + 5, + 6, ponekad + 2; najstabilnija jedinjenja su u (iv) i u (vi). Na zraku polako oksidira sa stvaranjem filma dioksida na površini, koji ne štiti metal od daljnje oksidacije. U praškastom stanju, U. je piroforan i gori jakim plamenom. Sa kisikom stvara uo 2 dioksid, uo 3 trioksid i veliki broj međuoksida od kojih je najvažniji u 3 o 8 . Ovi međuoksidi su slični u svojstvima uo 2 i uo 3 . Na visokim temperaturama, uo 2 ima širok raspon homogenosti od uo 1,60 do uo 2,27. Sa fluorom na 500–600°c, formira tetrafluorid (zeleni igličasti kristali, slabo rastvorljivi u vodi i kiselinama) i uf 6 heksafluorid (bela kristalna supstanca sublimira se bez topljenja na 56,4°c); sa sumporom - brojna jedinjenja, od kojih najveća vrijednost ima nas (nuklearno gorivo). Kada U. reaguje sa vodonikom na 220°C, dobija se hidrid uh 3; sa azotom na temperaturi od 450 do 700°C i atmosferskom pritisku - u 4 n 7 nitrida, pri većem pritisku azota i istoj temperaturi mogu se dobiti un, u 2 n 3 i un 2; sa ugljenikom na 750–800°c, monokarbidom uc, dikarbidom uc 2, a takođe i u 2 c 3 ; formira legure raznih vrsta sa metalima . U. polako reaguje sa kipućom vodom i formira uo 2 i h 2 , sa vodenom parom u temperaturnom opsegu od 150–250 °C; rastvorljiv u klorovodičnoj i dušičnoj kiselini, malo - u koncentriranoj fluorovodoničnoj kiselini. Za u (vi) karakteristično je formiranje uranil jona uo 2 2 +; uranilne soli su žute i vrlo topljive u vodi i mineralnim kiselinama; soli u (iv) su zelene i manje rastvorljive; uranilni jon je izuzetno sposoban za formiranje kompleksa u vodenim rastvorima i sa neorganskim i organska materija; Najvažniji za tehnologiju su karbonatni, sulfatni, fluoridni, fosfatni i drugi kompleksi. Poznat je veliki broj uranata (soli koje nisu izolovane u čista forma uranijumsku kiselinu), čiji sastav varira u zavisnosti od uslova pripreme; svi uranati imaju nisku rastvorljivost u vodi.

U. i njegovi spojevi su radijacijski i hemijski toksični. Maksimalna dozvoljena doza (SDA) za profesionalnu izloženost 5 rem u godini.

Potvrda. U. se dobija iz ruda uranijuma koje sadrže 0,05–0,5% u. Rude se praktično ne obogaćuju, s izuzetkom ograničene metode radiometrijskog sortiranja, zasnovane na zračenju radijuma, koji je uvijek povezan s uranijumom. U osnovi, rude se izlužuju rastvorima sumporne, ponekad azotne kiseline ili rastvora sode, uz pretvaranje U. u kiseli rastvor u obliku uo 2 so 4 ili kompleksnih aniona 4-, i u rastvor sode u obliku od 4-. Sorpcija na jonoizmenjivačkim smolama i ekstrakcija organskim rastvaračima (tributil fosfat, alkil fosforne kiseline i amini) koriste se za ekstrakciju i koncentrisanje mokraćne kiseline iz rastvora i pulpe, kao i za uklanjanje nečistoća. Dalje, amonijum ili natrijum uranati ili hidroksid u (oh) 4 se precipitiraju iz rastvora dodavanjem alkalija. Da bi se dobila jedinjenja visoke čistoće, tehnički proizvodi se rastvore u azotnoj kiselini i podvrgnu operacijama prečišćavanja, čiji su krajnji proizvodi uo 3 ili u 3 o 8 ; ovi oksidi se redukuju na 650-800°c sa vodonikom ili disociranim amonijakom u uo 2 nakon čega slijedi njegova konverzija u uf 4 tretmanom s plinovitim fluorovodonikom na 500-600°c. uf 4 se takođe može dobiti precipitacijom uf 4 · nh 2 o kristalnog hidrata iz rastvora sa fluorovodoničnom kiselinom, nakon čega sledi dehidratacija proizvoda na 450°C u struji vodonika. U industriji, glavni način dobijanja U. iz uf 4 je njegova kalcijum-termalna ili magnezijum-termalna redukcija, sa izlazom U. u obliku ingota težine do 1,5 tona. Ingoti se rafiniraju u vakuumskim pećima.

Vrlo važan proces u U. tehnologiji je njeno obogaćivanje izotopom 235 u iznad prirodnog sadržaja u rudama ili izolacija ovog izotopa u čistom obliku. , budući da je 235 u glavno nuklearno gorivo; ovo se izvodi gasnom termičkom difuzijom, centrifugalnim i drugim metodama zasnovanim na razlici masa 235 u i 238 u; U. se koristi u procesima separacije u obliku isparljivog uf 6 heksafluorida. Prilikom prijema visoko obogaćenog U. ili izotopa, uzimaju se u obzir njihove kritične mase; najpogodnija metoda u ovom slučaju je redukcija U. oksida kalcijem; cao šljaka nastala u ovom procesu lako se odvaja od U. rastvaranjem u kiselinama.

Metalurgija praha se koristi za dobijanje ugljičnog dioksida u prahu, karbida, nitrida i drugih vatrostalnih spojeva.

Aplikacija. Metalni U. ili njegovi spojevi uglavnom se koriste kao nuklearno gorivo u nuklearnih reaktora. U stacionarnim reaktorima nuklearnih elektrana koristi se prirodna ili nisko obogaćena mješavina izotopa U, a proizvod visokog stupnja obogaćenja koristi se u nuklearne elektrane ili u reaktorima koji rade na brzim neutronima. 235 u je izvor Nuklearna energija V nuklearno oružje. 238 u služi kao izvor sekundarnog nuklearnog goriva - plutonijuma.

V. M. Kulifeev.

Uranijum u telu U mikrokoličinama (10 -5 -10 -5%) nalazi se u tkivima biljaka, životinja i ljudi. U pepelu biljaka (sa sadržajem U. u tlu od oko 10 -4) njegova koncentracija iznosi 1,5 10 -5%. U. u najvećoj mjeri akumuliraju neke gljive i alge (potonje su aktivno uključene u biogenu migraciju U. duž lanca voda - vodene biljke - riba - čovjek). U. ulazi u organizam životinja i ljudi sa hranom i vodom u gastrointestinalni trakt, sa vazduhom u respiratorni trakt, a takođe i preko kože i sluzokože. U. jedinjenja se apsorbuju u gastrointestinalnom traktu - oko 1% ulazne količine rastvorljivih jedinjenja i ne više od 0,1% teško rastvorljivih; u plućima, 50% i 20% se apsorbuje, respektivno. U. je neravnomjerno raspoređena u tijelu. Glavni depoi (mesta taloženja i akumulacije) su slezina, bubrezi, skelet, jetra i, kada se udiše slabo rastvorljiva jedinjenja, pluća i bronho-plućni limfni čvorovi. U.-ova krv (u obliku karbonata i kompleksa sa proteinima) ne cirkuliše dugo vremena. Sadržaj U. u organima i tkivima životinja i ljudi ne prelazi 10 -7 g/g. Dakle, krv goveda sadrži 1 10 -8 g/ml jetra 8 10 -8 g/g, mišići 4 10 -8 g/g, slezena 9 10 -8 g/g. Sadržaj U. u ljudskim organima je: u jetri 6 10 -9 g/g, u plućima 6 10 -9 -9 10 -9 g/g, u slezeni 4,7 10 -9 g/g, u krvi 4 10 -9 g/ml u bubrezima 5,3 10 -9 (kortikalni sloj) i 1,3 10 -9 g/g(medulla), u kostima 1 10 -9 g/g, u koštanoj srži 1 10 -9 g/g, u kosi 1,3 10 -7 g/g. U., sadržan u koštanom tkivu, uzrokuje njegovo stalno zračenje (poluživot U. iz skeleta je oko 300 dan) . Najniže koncentracije U. su u mozgu i srcu (10-10 g/g). Dnevni unos U. sa hranom i tečnostima - 1,9 10 -6 g, s vazduh - 7 10 -9 G. Dnevno izlučivanje U. iz ljudskog organizma je: urinom 0,5 10 -7 -5 10 -7, fecesom - 1,4 10 -6 -1,8 10 -6 g, s kosa - 2 10 -8 g.

Prema Međunarodnoj komisiji za zaštitu od zračenja, prosječan sadržaj U. u ljudskom tijelu je 9 10 -8 g. Ova vrijednost može varirati za različite regije. Smatra se da je U. neophodan za normalan život životinja i biljaka, ali njegove fiziološke funkcije nisu razjašnjene.

G. P. Galibin.

Toksično djelovanje W. zbog toga hemijska svojstva a zavisi od rastvorljivosti: uranil i druga rastvorljiva jedinjenja U su toksičniji.. Trovanje U i njegovim jedinjenjima je moguće u preduzećima za ekstrakciju i preradu uranijumskih sirovina i drugim industrijskim objektima gde se koristi u tehnološkom procesu. Kada se proguta, U. djeluje na sve organe i tkiva, kao opći ćelijski otrov. Znakovi trovanja zbog preim. oštećenje bubrega (pojava proteina i šećera u urinu, naknadno oligurija) , jetra i gastrointestinalni trakt su također zahvaćeni. Postoje akutna i hronična trovanja; ove druge karakterizira postepeni razvoj i manja težina simptoma. Kod kronične intoksikacije mogući su hematopoetski poremećaji, nervni sistem i dr.. Vjeruje se da je molekularni mehanizam djelovanja U. povezan s njegovom sposobnošću da inhibira aktivnost enzima.

Prevencija trovanja: kontinuitet tehnoloških procesa, korišćenje zatvorene opreme, sprečavanje zagađenja vazduha, prečišćavanje otpadnih voda pre ispuštanja u vode, med. kontrola zdravstvenog stanja radnika, poštovanje higijenskih normi za dozvoljeni sadržaj U. i njegovih spojeva u životnoj sredini.

V. F. Kirillov.

Lit.: Doktrina radioaktivnosti. Istorija i modernost, ur. B. M. Kedrova, Moskva, 1973. Petrosyants A. M., Od naučnog traganja do nuklearne industrije, M., 1970; Emelyanov V. S., Evstyukhin A. I., Metalurgija nuklearnog goriva, M., 1964; Sokursky Yu. N., Sterlin Ya. M., Fedorchenko V. A., Uran i njegove legure, M., 1971; Evseeva L. S., Perelman A. I., Ivanov K. E., Geohemija uranijuma u zoni hidrogenacije, 2. izd., M., 1974; Farmakologija i toksikologija spojeva uranijuma, [prev. s engleskog], tom 2, M., 1951; Guskova V. N., Uran. Radijacijsko-higijenska karakteristika, M., 1972; Andreeva O. S., Zdravlje na radu pri radu sa uranijumom i njegovim jedinjenjima, M., 1960; Novikov Yu.V., Higijenska pitanja proučavanja sadržaja uranijuma u životnoj sredini i njegovog uticaja na organizam, M., 1974.

Uranijum (U) je element sa atomskim brojem 92 i atomskom težinom 238,029. Radi se o radioaktivnom hemijskom elementu III grupe periodnog sistema Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva, pripada porodici aktinida. Uranijum je veoma težak (2,5 puta teži od gvožđa, više od 1,5 puta teži od olova), srebrno-beli sjajni metal. U svom čistom obliku, nešto je mekši od čelika, savitljiv, fleksibilan i ima neznatna paramagnetna svojstva.

Prirodni uranijum se sastoji od mešavine tri izotopa: 238U (99,274%) sa vremenom poluraspada od 4,51∙109 godina; 235U (0,702%) sa poluživotom od 7,13∙108 godina; 234U (0,006%) sa poluživotom od 2,48∙105 godina. Posljednji izotop nije primarni, već radiogeni, dio je radioaktivne serije 238U. Izotopi uranijuma 238U i 235U su progenitori dvije radioaktivne serije. Konačni elementi ove serije su izotopi olova 206Pb i 207Pb.

Trenutno su poznata 23 vještačka radioaktivna izotopa uranijuma s masenim brojevima od 217 do 242. Među njima je 233U s vremenom poluraspada od 1,62∙105 godina najdugovječniji. Dobija se kao rezultat neutronskog zračenja torija, sposobnog za fisiju pod utjecajem toplinskih neutrona.

Uran je 1789. godine otkrio njemački kemičar Martin Heinrich Klaproth kao rezultat njegovih eksperimenata s mineralnom smolom. Naziv novog elementa dobio je u čast nedavno otkrivene (1781.) planete Urana od strane Williama Herschela. Sljedećih pola stoljeća, supstanca koju je dobio Klaproth smatrana je metalom, ali je 1841. godine to opovrgao francuski hemičar Eugene Melchior Peligot, koji je dokazao oksidnu prirodu uranijuma (UO2) koji je dobio njemački hemičar. Sam Peligo je uspeo da dobije metalni uran redukcijom UCl4 metalnim kalijumom, kao i da odredi atomska težina novi element. Sljedeći u razvoju znanja o uranijumu i njegovim svojstvima bio je D. I. Mendeljejev - 1874. godine, na osnovu teorije koju je razvio o periodizaciji hemijskih elemenata, postavio je uranijum u najdalju ćeliju svoje tabele. Atomsku težinu uranijuma (120) koju je prethodno odredio Peligo udvostručio je ruski hemičar, a ispravnost takvih pretpostavki potvrdili su dvanaest godina kasnije eksperimenti njemačkog hemičara Zimmermanna.

Dugi niz decenija, uranijum je bio interesantan samo uskom krugu hemičara i prirodnih naučnika, njegova upotreba je takođe bila ograničena - proizvodnja stakla i boja. Tek otkrićem radioaktivnosti ovog metala (1896. Henri Becquerel) počela je industrijska prerada ruda uranijuma 1898. godine. Mnogo kasnije (1939.) otkriven je fenomen nuklearne fisije, a od 1942. uranijum je postao glavno nuklearno gorivo.

Najvažnije svojstvo uranijuma je da su jezgra nekih njegovih izotopa sposobna za fisiju kada zahvate neutrone, kao rezultat ovog procesa oslobađa se ogromna količina energije. Ovo svojstvo elementa br. 92 koristi se u nuklearnim reaktorima koji služe kao izvori energije, a također je u osnovi djelovanja atomske bombe. Uranijum se koristi u geologiji za određivanje starosti minerala i stijene kako bi se razjasnio slijed geoloških procesa (geohronologija). Zbog činjenice da stijene sadrže različite koncentracije uranijuma, one imaju različitu radioaktivnost. Ovo svojstvo se koristi u odabiru stijena geofizičkim metodama. Ova metoda se najčešće koristi u naftnoj geologiji za snimanje bušotina. Jedinjenja urana korišćena su kao boje za slikanje na porculanu i za keramičke glazure i emajle (obojene bojama: žuta, smeđa, zelena i crna, u zavisnosti od stepena oksidacije), na primer, natrijum uranat Na2U2O7 je korišćen kao žuti pigment u slikarstvo.

Biološka svojstva

Uranijum je prilično čest element u biološka sredina , koncentratorima ovog metala smatraju se određene vrste gljiva i algi, koje su uključene u lanac biološkog ciklusa uranijuma u prirodi po shemi: voda - vodene biljke - riba - čovjek. Dakle, sa hranom i vodom uranijum ulazi u organizam ljudi i životinja, tačnije, u gastrointestinalni trakt, gde se apsorbuje oko procenat ulaznih lako rastvorljivih jedinjenja i ne više od 0,1% teško rastvorljivih. U respiratorni trakt i pluća, kao iu sluzokožu i kožu, ovaj element ulazi sa vazduhom. U respiratornom traktu, a posebno u plućima, apsorpcija je mnogo intenzivnija: lako rastvorljiva jedinjenja apsorbuju se 50%, a teško rastvorljiva 20%. Dakle, uranijum se nalazi u malim količinama (10-5 - 10-8%) u tkivima životinja i ljudi. U biljkama (u suvom ostatku) koncentracija uranijuma zavisi od njegovog sadržaja u zemljištu, pa pri koncentraciji u tlu od 10-4%, biljka sadrži 1,5∙10-5% ili manje. Raspodjela uranijuma u tkivima i organima je neravnomjerna, glavna mjesta akumulacije su koštano tkivo (skelet), jetra, slezina, bubrezi, kao i pluća i bronho-plućni limfni čvorovi (kada teško rastvorljiva jedinjenja dospeju u pluća). Uran (karbonati i kompleksi sa proteinima) se brzo eliminiše iz krvi. U proseku, sadržaj 92. elementa u organima i tkivima životinja i ljudi je 10-7%. Na primjer, krv goveda sadrži 1∙10-8 g/ml uranijuma, dok ljudska krv sadrži 4∙10-10 g/g. Jetra goveda sadrži 8∙10-8 g/g, kod ljudi 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 akumulira se do 4∙10-11 g/g. Osim toga, u ljudskom tijelu, uranijum se nalazi 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 (medula); u koštanom tkivu 1∙10-9 g/g; u koštanoj srži 1∙10-8 g/g; u kosi 1,3∙10-7 g/g. Uranijum u kostima izaziva konstantno zračenje koštanog tkiva (period potpunog uklanjanja uranijuma iz skeleta je 600 dana). Najmanje ovog metala u mozgu i srcu (oko 10-10 g/g). Kao što je ranije spomenuto, glavni načini na koje uranijum ulazi u tijelo su voda, hrana i zrak. Dnevna doza metala koji ulazi u organizam hranom i tečnostima je 1,9∙10-6 g, sa vazduhom 7∙10-9 g. Međutim, svaki dan se uranijum izlučuje iz organizma: sa urinom od 0,5∙10-7 g. do 5∙10-7 g; sa izmetom od 1,4∙10-6 g do 1,8∙10-6 g Gubici sa kosom, noktima i mrtvim ljuspicama kože - 2∙10-8 g.

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

Uprkos svojoj još nepoznatoj, ali definitivnoj biološkoj ulozi u živim organizmima, uranijum ostaje jedan od najopasnijih elemenata. Prije svega, to se očituje u toksičnom djelovanju ovog metala, što je posljedica njegovih kemijskih svojstava, posebno topljivosti spojeva. Tako su, na primjer, topljivi spojevi (uranil i drugi) toksičniji. Trovanje uranijumom i njegovim jedinjenjima najčešće se dešava u postrojenjima za obogaćivanje, preduzećima za ekstrakciju i preradu uranijumskih sirovina i drugim proizvodnim objektima u kojima je uranijum uključen u tehnološke procese.

Prodirući u organizam, uranijum utiče na apsolutno sve organe i njihova tkiva, jer se delovanje dešava na nivou ćelije: inhibira aktivnost enzima. Prvenstveno su zahvaćeni bubrezi, što se manifestuje naglim povećanjem šećera i proteina u mokraći, nakon čega se razvija oligurija. Zahvaćeni su gastrointestinalni trakt i jetra. Trovanje uranom dijeli se na akutno i kronično, potonje se razvija postepeno i može biti asimptomatsko ili s blagim manifestacijama. Međutim, kasnije hronično trovanje dovodi do poremećaja hematopoeze, nervnog sistema i drugih ozbiljnih zdravstvenih problema.

Tona granitnog kamena sadrži otprilike 25 grama uranijuma. Energija koja se može osloboditi sagorevanjem ovih 25 grama u reaktoru je uporediva sa energijom koja se oslobađa pri sagorevanju 125 tona uglja u ložištima moćnih termo kotlova! Na osnovu ovih podataka može se pretpostaviti da će se u bliskoj budućnosti granit smatrati jednom od vrsta mineralnog goriva. Ukupno, relativno tanak dvadesetkilometarski površinski sloj zemljine kore sadrži približno 1014 tona uranijuma, kada se pretvori u energetski ekvivalent, dobija se jednostavno kolosalna brojka - 2,36,1024 kilovat-sati. Čak i sva razvijena, istražena i perspektivna nalazišta gorivih minerala zajedno nisu u stanju da obezbede ni milioniti deo ove energije!

Poznato je da se uranijumske legure podvrgnute termičkoj obradi odlikuju visokom građom tečenja, puzanjem i povećanom otpornošću na koroziju, manjom sklonošću promjeni proizvoda pod temperaturnim fluktuacijama i pod utjecajem zračenja. Na osnovu ovih principa, početkom 20. veka pa sve do tridesetih godina uranijum u obliku karbida koristio se u proizvodnji alatnih čelika. Osim toga, otišao je zamijeniti volfram u nekim legurama, koji je bio jeftiniji i pristupačniji. U proizvodnji feruranijuma učešće U je bilo i do 30%. Istina, u drugoj trećini 20. vijeka, takva upotreba uranijuma je nestala.

Kao što znate, u utrobi naše Zemlje postoji stalan proces raspadanja izotopa urni. Dakle, naučnici su izračunali da bi trenutno oslobađanje energije cjelokupne mase ovog metala, zatvorenog u zemljinoj ljusci, zagrijalo našu planetu do temperature od nekoliko hiljada stepeni! Međutim, takav fenomen je, srećom, nemoguć - uostalom, toplota se postepeno oslobađa - jer jezgra uranijuma i njegovih derivata prolaze kroz niz dugotrajnih radioaktivnih transformacija. Trajanje takvih transformacija može se suditi iz vremena poluraspada prirodnih izotopa uranijuma, na primjer, za 235U je 7108 godina, a za 238U - 4,51109 godina. Međutim, toplota uranijuma značajno zagrijava Zemlju. Kada bi u čitavoj Zemljinoj masi bilo toliko uranijuma koliko u gornjem dvadesetak kilometara sloju, tada bi temperatura na planeti bila mnogo viša nego sada. Međutim, kako se krećemo prema centru Zemlje, koncentracija uranijuma opada.

U nuklearnim reaktorima obrađuje se samo mali dio napunjenog uranijuma, to je zbog trošenja goriva s produktima fisije: 235U izgara, lančana reakcija postupno blijedi. Međutim, gorivne šipke su i dalje napunjene nuklearnim gorivom, koje se mora ponovo koristiti. Da bi se to postiglo, stari gorivni elementi se demontiraju i šalju na obradu - otapaju se u kiselinama, a uranijum se ekstrahira iz rezultirajuće otopine, a fragmenti fisije koje treba odložiti ostaju u otopini. Tako se ispostavlja da je industrija uranijuma praktički bez otpada hemijska proizvodnja!

Postrojenja za odvajanje izotopa uranijuma zauzimaju površinu od nekoliko desetina hektara, približno istog reda veličine i površine poroznih pregrada u separacijskim kaskadama postrojenja. To je zbog složenosti metode difuzije za odvajanje izotopa uranijuma - uostalom, da bi se koncentracija 235U povećala sa 0,72 na 99%, potrebno je nekoliko hiljada koraka difuzije!

Koristeći metodu uranijuma i olova, geolozi su uspjeli otkriti starost najstarijih minerala, dok su proučavajući meteoritske stijene uspjeli odrediti približan datum rođenja naše planete. Zahvaljujući "uranskom satu" utvrđena je starost mjesečevog tla. Zanimljivo, pokazalo se da već 3 milijarde godina nije bilo vulkanske aktivnosti na Mjesecu i da je Zemljin prirodni satelit i dalje pasivno tijelo. Uostalom, čak i najmlađi komadići lunarne materije žive duže od starosti najstarijih zemaljskih minerala.

Priča

Upotreba uranijuma počela je davno - još u 1. veku pre nove ere, prirodni uranijum oksid se koristio za pravljenje žute glazure koja se koristila za bojenje keramike.

U moderno doba, proučavanje uranijuma odvijalo se postepeno - u nekoliko faza, uz kontinuirano povećanje. Početak je otkriće ovog elementa 1789. godine od strane njemačkog prirodnog filozofa i hemičara Martina Heinricha Klaprotha, koji je obnovio zlatnožutu „zemlju“ iskopanu iz rude saksonske smole („uranijumska smola“) u supstancu nalik crnom metalu (uranijum). oksid - UO2). Ime je dato u čast najudaljenije planete poznate u to vrijeme - Urana, koju je 1781. godine otkrio William Herschel. Ovim se završava prva faza u proučavanju novog elementa (Klaproth je bio siguran da je otkrio novi metal), dolazi pauza od više od pedeset godina.

Godina 1840. može se smatrati početkom nove prekretnice u istoriji istraživanja uranijuma. Od ove godine mladi hemičar iz Francuske, Eugene Melchior Peligot (1811-1890), uzeo je problem dobijanja metalnog uranijuma, ubrzo (1841) mu je pošlo za rukom - metalni uranijum je dobijen redukcijom UCl4 metalnim kalijumom. 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 opet slijedi duga pauza u proučavanju svojstava uranijuma.

Tek 1874. pojavljuju se nove pretpostavke o prirodi uranijuma: Dmitrij Ivanovič Mendeljejev, slijedeći teoriju koju je razvio o periodizaciji hemijskih elemenata, pronalazi mjesto za novi metal u svojoj tablici, stavljajući uranijum u posljednju ćeliju. Osim toga, Mendeljejev povećava prethodno pretpostavljenu atomsku težinu uranijuma za dva, a da ni u tome nije pogriješio, što su potvrdili eksperimenti njemačkog hemičara Zimmermanna 12 godina kasnije.

Od 1896. godine, otkrića u oblasti proučavanja svojstava uranijuma "padala su" jedno za drugim: u gore spomenutoj godini, sasvim slučajno (prilikom proučavanja fosforescencije kristala kalijum-uranil sulfata), 43-godišnji profesor fizike Antoine Henri Becquerel otkriva Becquerelove zrake, koje je Marie Curie kasnije preimenovala u radioaktivnost. Iste godine Henri Moissan (opet hemičar iz Francuske) razvija metodu za dobijanje čistog metalnog uranijuma.

Ernest Rutherford je 1899. otkrio nehomogenost zračenja preparata uranijuma. Pokazalo se da postoje dvije vrste zračenja - alfa i beta zraci, različiti po svojim svojstvima: nose različit električni naboj, imaju različitu dužinu puta u tvari, a različita je i njihova jonizacijska sposobnost. Godinu dana kasnije, gama zrake je otkrio i Paul Villard.

Ernest Rutherford i Frederick Soddy su zajedno razvili teoriju radioaktivnosti uranijuma. Na osnovu ove teorije, 1907. Rutherford je preduzeo prve eksperimente za određivanje starosti minerala u studiji. radioaktivnog uranijuma i torijum. Godine 1913. F. Soddy je uveo koncept izotopa (od starogrčkog iso - "jednak", "isti" i topos - "mjesto"). Isti naučnik je 1920. godine predložio da se izotopi mogu koristiti za određivanje geološke starosti stijena. Njegove pretpostavke su se pokazale tačnima: 1939. godine Alfred Otto Karl Nier stvorio je prve jednadžbe za izračunavanje starosti i koristio maseni spektrometar za razdvajanje izotopa.

Enriko Fermi je 1934. godine izveo niz eksperimenata o bombardovanju hemijskih elemenata neutronima – česticama koje je otkrio J. Chadwick 1932. godine. Kao rezultat ove operacije, u uranijumu su se pojavile dosad nepoznate radioaktivne supstance. Fermi i drugi naučnici koji su učestvovali u njegovim eksperimentima sugerisali su da su otkrili transuranijumske elemente. Četiri godine se pokušavalo otkriti transuranijumske elemente među proizvodima neutronskog bombardiranja. Sve se završilo 1938. godine, kada su njemački hemičari Otto Hahn i Fritz Strassmann otkrili da se, hvatanjem slobodnog neutrona, jezgro izotopa uranijuma 235U dijeli, pri čemu se oslobađa dovoljno velika energija (po jednom jezgru uranijuma), uglavnom zbog fragmenti kinetičke energije i zračenje. Idite dalje Nemački hemičari nije uspjelo. Lisa Meitner i Otto Frisch uspjeli su potkrijepiti svoju teoriju. Ovo otkriće je izvor upotrebe unutaratomske energije, kako u miroljubive tako iu vojne svrhe.

Biti u prirodi

Prosječan sadržaj uranijuma u zemljinoj kori (klarka) je 3∙10-4% mase, što znači da ga ima više u utrobi zemlje nego srebra, žive, bizmuta. Uranijum je karakterističan element za granitni sloj i sedimentnu ljusku zemljine kore. Dakle, u toni granita ima oko 25 grama elementa br. 92. Ukupno, više od 1000 tona uranijuma se nalazi u relativno tankom, dvadesetak kilometara, gornjem sloju Zemlje. U kiselim magmatskim stenama 3,5∙10-4%, u glinama i škriljcima 3,2∙10-4%, posebno obogaćenim organskom materijom, u bazičnim stenama 5∙10-5%, u ultrabazičnim stenama plašta 3∙10-7% .

Uranijum snažno migrira u hladnim i toplim, neutralnim i alkalnim vodama u obliku jednostavnih i složenih jona, posebno u obliku karbonatnih kompleksa. Važnu ulogu u geohemiji uranijuma igraju redoks reakcije, a sve zato što su spojevi uranijuma, po pravilu, vrlo topljivi u vodama s oksidirajućim okruženjem, a slabo topljivi u vodama sa redukcijskim okruženjem (vodonik sulfid).

Poznato je više od stotinu mineralnih ruda uranijuma, različite su po hemijskom sastavu, porijeklu, koncentraciji uranijuma, od čitave raznolikosti samo desetak je od praktičnog interesa. Glavnim predstavnicima uranijuma, koji imaju najveći industrijski značaj, u prirodi se mogu smatrati oksidi - uraninit i njegove sorte (nasturan i uranijum crna), kao i silikati - kofinit, titanati - davidit i branerit; vodeni fosfati i uranil arsenati - uranijum liskun.

Uraninit - UO2 prisutan je uglavnom u drevnim - prekambrijskim stijenama u obliku jasnih kristalnih oblika. Uraninit formira izomorfne serije sa torijanitom ThO2 i itrocerijanitom (Y,Ce)O2. Osim toga, svi uraniniti sadrže radiogene produkte raspada uranijuma i torija: K, Po, He, Ac, Pb, kao i Ca i Zn. Sam uraninit je visokotemperaturni mineral, karakterističan za granitne i sijenitske pegmatite u kombinaciji sa kompleksnim uranijum niob-tantal-titanatima (kolumbit, piroklor, samarskit i drugi), cirkonom i monazitom. Osim toga, uraninit se javlja u hidrotermalnim, skarnskim i sedimentnim stijenama. Velika nalazišta uraninita poznata su u Kanadi, Africi, Sjedinjenim Američkim Državama, Francuskoj i Australiji.

Nasturan (U3O8), također poznat kao uranijumska smola ili smola, koji formira kriptokristalne kolomorfne agregate, je vulkanogeni i hidrotermalni mineral, prisutan u paleozoičkim i mlađim visoko- i srednjetemperaturnim formacijama. Stalni pratioci smeđe su sulfidi, arsenidi, samorodni bizmut, arsen i srebro, karbonati i neki drugi elementi. Ove rude su veoma bogate uranijumom, ali izuzetno retke, često praćene radijumom, to se lako objašnjava: radijum je direktan proizvod izotopskog raspada uranijuma.

Uranijumske crne (rastresiti zemljani agregati) su uglavnom zastupljene u mladim - kenozojskim i mlađim formacijama, karakterističnim za hidrotermalne uranijum-sulfide i sedimentne naslage.

Uranijum se takođe ekstrahuje kao nusproizvod iz ruda koje sadrže manje od 0,1%, na primer, iz konglomerata koji sadrže zlato.

Glavna nalazišta ruda uranijuma nalaze se u SAD (Kolorado, Sjeverna i Južna Dakota), Kanadi (provincije Ontario i Saskatchewan), Južnoj Africi (Witwatersrand), Francuskoj (Centralni masiv), Australiji (Sjeverna teritorija) i mnogim drugim zemljama . U Rusiji, glavni region rude uranijuma je Transbaikalija. Oko 93% ruskog uranijuma se kopa na nalazištu u regiji Čita (u blizini grada Krasnokamenska).

Aplikacija

Moderna nuklearna energija je jednostavno nezamisliva bez elementa br. 92 i njegovih svojstava. Iako ne tako davno - prije pokretanja prvog nuklearnog reaktora, rude urana su se kopale uglavnom da bi se iz njih izvlačio radij. Male količine jedinjenja uranijuma korištene su u nekim bojama i katalizatorima. Zapravo, uranijum se smatrao elementom gotovo nikakve industrijske vrijednosti, a kako se dramatično promijenila situacija nakon otkrića sposobnosti fisije uranijumskih izotopa! Ovaj metal je odmah dobio status strateške sirovine broj 1.

Danas je glavno polje primjene metalnog uranijuma, kao i njegovih spojeva, gorivo za nuklearne reaktore. Dakle, u stacionarnim reaktorima nuklearnih elektrana koristi se nisko obogaćena (prirodna) mješavina izotopa uranijuma, a uranijum visokog stupnja obogaćenja koristi se u nuklearnim elektranama i reaktorima na brzim neutronima.

Najveću primjenu ima izotop urana 235U, jer je moguća samoodrživa nuklearna lančana reakcija, što nije tipično za druge izotope urana. Zahvaljujući ovom svojstvu, 235U se koristi kao gorivo u nuklearnim reaktorima, kao i u nuklearnom oružju. Međutim, izolacija izotopa 235U iz prirodnog uranijuma je složen i skup tehnološki problem.

Najzastupljeniji izotop uranijuma u prirodi, 238U, može se 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, izotop plutonijuma 239Pu se dobija iz izotopa 238U, koji se takođe može koristiti u nuklearnim reaktorima i atomskoj bombi.

U posljednje vrijeme široko se koristi izotop urana 233U, umjetno dobiven u reaktorima iz torija, a dobiva se zračenjem torija u neutronskom fluksu nuklearnog reaktora:

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

233U se cijepa termalnim neutronima, osim toga, u reaktorima sa 233U može doći do proširene reprodukcije nuklearnog goriva. Dakle, kada kilogram 233U izgori u torijumskom reaktoru, u njemu bi se trebalo akumulirati 1,1 kg novog 233U (kao rezultat hvatanja neutrona jezgrama torija). U bliskoj budućnosti, ciklus uranijum-torijum u reaktorima na termalnim neutronima je glavni konkurent uranijum-plutonijumskom ciklusu za proizvodnju nuklearnog goriva u reaktorima na brzim neutronima. Reaktori koji koriste ovaj nuklid kao gorivo već postoje i rade (KAMINI u Indiji). 233U je takođe najperspektivnije gorivo za nuklearne raketne motore u gasnoj fazi.

Drugi umjetni izotopi uranijuma ne igraju značajnu ulogu.

Nakon što se iz prirodnog uranijuma ekstrahuju „potrebni“ izotopi 234U i 235U, preostala sirovina (238U) se naziva „osiromašeni uranijum“, upola je radioaktivniji od prirodnog uranijuma, uglavnom zbog uklanjanja 234U iz njega. Budući da je glavna upotreba uranijuma proizvodnja energije, iz tog razloga je osiromašeni uranijum proizvod niske potrošnje i niske ekonomske vrijednosti. Međutim, zbog svoje niske cijene, kao i velike gustine i izuzetno velikog poprečnog presjeka hvatanja, koristi se za zaštitu od zračenja i kao balast u zrakoplovnim aplikacijama kao što su kontrolne površine aviona. Osim toga, osiromašeni uranijum se koristi kao balast u vozilima za spuštanje u svemir i trkaćim jahtama; u rotorima žiroskopa velike brzine, velikim zamašnjacima, bušenju nafte.

Međutim, najpoznatija upotreba osiromašenog uranijuma je njegova upotreba u vojnim aplikacijama - kao jezgra za oklopne projektile i moderni tenkovski oklop, kao što je tenk M-1 Abrams.

Manje poznate primjene uranijuma uglavnom su povezane s njegovim spojevima. Dakle, mali dodatak uranijuma daje prekrasnu žuto-zelenu fluorescenciju staklu, neka jedinjenja uranijuma su fotoosjetljiva, iz tog razloga se uranil nitrat naširoko koristio za poboljšanje negativa i mrljanje (nijansiranje) pozitiva (fotografski otisci) u braon.

Karbid 235U legiran niobijum karbidom i cirkonijum karbidom koristi se kao gorivo za nuklearne mlazne motore. Legure željeza i osiromašenog uranijuma (238U) koriste se kao moćni magnetostriktivni materijali. Natrijum uranat Na2U2O7 je korišćen kao žuti pigment u slikarstvu, a ranije su se jedinjenja urana koristila kao boje za slikanje na porculanu i za keramičke glazure i emajle (obojene bojama: žuta, smeđa, zelena i crna, zavisno od stepena oksidacije) .

Proizvodnja

Uranijum se dobija iz ruda uranijuma, koje se značajno razlikuju po nizu karakteristika (prema uslovima nastanka, po "kontrastu", po sadržaju korisnih primesa itd.), od kojih je glavni procenat uranijuma. Prema ovoj osobini razlikuju se pet razreda ruda: veoma bogate (sadrže preko 1% uranijuma); bogat (1-0,5%); srednje (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% uranijuma, ovaj metal se ekstrahuje kao nusproizvod.

Tokom godina razvoja uranijumskih sirovina razvijene su mnoge metode za odvajanje uranijuma iz ruda. To je zbog strateškog značaja uranijuma u nekim područjima, kao i zbog raznolikosti njegovih prirodnih manifestacija. Međutim, uprkos raznovrsnosti metoda i sirovinske baze, svaka proizvodnja uranijuma sastoji se od tri faze: preliminarne koncentracije uranijumske rude; ispiranje uranijuma i dobijanje dovoljno čistih jedinjenja uranijuma taloženjem, ekstrakcijom ili jonskom izmjenom. Nadalje, ovisno o namjeni dobivenog uranijuma, slijedi obogaćivanje proizvoda izotopom 235U, ili odmah redukcija elementarnog uranijuma.

Dakle, u početku se ruda koncentriše - stijena se drobi i puni vodom. U ovom slučaju, teži elementi mješavine se brže talože. U stenama koje sadrže primarne minerale uranijuma dolazi do njihovog brzog taloženja, jer su veoma teške. Prilikom koncentriranja ruda koje sadrže sekundarne minerale uranijuma dolazi do taloženja otpadne stijene, koja je mnogo teža od sekundarnih minerala, ali može sadržavati vrlo korisne elemente.

Rude uranijuma gotovo da nisu obogaćene, osim organskom metodom radiometrijskog sortiranja, zasnovanom na γ-zračenju radijuma, koje uvijek prati uranijum.

Sljedeći korak u proizvodnji uranijuma je ispiranje, tako da uranijum prelazi u otopinu. U osnovi, rude se izlužuju otopinama sumporne, ponekad dušične kiseline ili otopinama sode uz prijenos uranijuma u kiseli rastvor u obliku UO2SO4 ili kompleksnih aniona, te u rastvor sode u obliku 4-kompleksnog anjona. Metoda u kojoj se koristi sumporna kiselina je jeftinija, međutim, nije uvijek primjenjiva - ako sirovina sadrži tetravalentni uran (uranijeva smola), koji se ne otapa u sumpornoj kiselini. U takvim slučajevima se koristi alkalno ispiranje ili se tetravalentni uran oksidira u heksavalentno stanje. Upotreba kaustične sode ( kausticna soda) je koristan kod ispiranja rude koja sadrži magnezit ili dolomit, koji zahtijevaju previše kiseline da bi se otopili.

Nakon faze luženja, rastvor ne sadrži samo uran, već i druge elemente, koji se, kao i uranijum, ekstrahuju istim organskim rastvaračima, talože na istim jonoizmenjivačkim smolama i talože pod istim uslovima. U takvoj situaciji, za selektivno odvajanje uranijuma potrebno je koristiti mnoge redoks reakcije kako bi se u različitim fazama isključio nepoželjni element. Jedna od prednosti jonske izmene i metoda ekstrakcije je ta što se uranijum prilično potpuno izdvaja iz loših rastvora.

Nakon svih ovih operacija, uranijum se prelazi u čvrsto stanje - u jedan od oksida ili u UF4 tetrafluorid. Takav uranijum sadrži nečistoće sa velikim poprečnim presekom hvatanja toplotnih neutrona - litijum, bor, kadmijum i retke zemne metale. U konačnom proizvodu njihov sadržaj ne bi trebao biti veći od stohiljaditih i milionitih dijelova procenta! Da bi se to postiglo, uranijum se ponovo rastvara, ovaj put u azotnoj kiselini. Uranil nitrat UO2(NO3)2 se prilikom ekstrakcije tributil fosfatom i nekim drugim supstancama dodatno prečišćava do potrebnih uslova. Ova tvar se zatim kristalizira (ili istaloži) i lagano zapali. Kao rezultat ove operacije nastaje uranijum trioksid UO3, koji se redukuje vodonikom u UO2. Na temperaturama od 430 do 600 °C, uran-oksid reagira sa suhim fluorovodikom i pretvara se u UF4 tetrafluorid. Već iz ovog jedinjenja se obično dobija metalni uranijum uz pomoć kalcijuma ili magnezijuma konvencionalnom redukcijom.

Physical Properties

Metalni uranijum je veoma težak, dva i po puta je teži od gvožđa, a jedan i po puta teži od olova! Ovo je jedan od najtežih elemenata koji se čuvaju u utrobi Zemlje. Uranijum svojom srebrno-bijelom bojom i sjajem podsjeća na čelik. čisti metal plastična, mekana, ima veliku gustoću, ali je istovremeno laka za obradu. Uranijum je elektropozitivan, ima beznačajna paramagnetna svojstva - specifična magnetna osetljivost na sobnoj temperaturi je 1,72 10 -6, Ima nisku električnu provodljivost, ali visoku reaktivnost. Ovaj element ima tri alotropske modifikacije: α, β i γ. α-forma ima rombičnu kristalnu rešetku sa sledeće parametre: a = 2,8538 Å, b = 5,8662 Å, c = 469557 Å. Ovaj oblik je stabilan u temperaturnom opsegu od sobne temperature do 667,7°C Gustina uranijuma u α-formi na 25°C je 19,05±0,2 g/cm 3 . β-oblik ima tetragonalnu kristalnu rešetku, stabilan je u temperaturnom rasponu od 667,7° C do 774,8° C. Parametri četvorougaone rešetke: a = 10,759 Å, b = 5,656 Å. γ-oblik sa kubičnom strukturom usredsređenom na tijelo, stabilan od 774,8°C do tačke topljenja (1132°C).

U procesu redukcije uranijuma možete vidjeti sve tri faze. Za to se koristi poseban aparat, a to je bešavna čelična cijev, koja je obložena kalcijevim oksidom, potrebno je da čelik cijevi ne stupa u interakciju s uranom. Mešavina uranijuma i magnezijum (ili kalcijum) tetrafluorida se ubacuje u aparat, nakon čega se zagreva na 600°C. Kada se ova temperatura dostigne, uključuje se električni osigurač, on trenutno teče egzotermna reakcija redukcije, dok se napunjena smjesa potpuno topi. Tečni uranijum (temperatura 1132°C) zbog svoje težine potpuno tone na dno. Nakon potpunog taloženja uranijuma na dno aparata, počinje hlađenje, uranijum kristalizira, njegovi atomi se redaju u strogom redu, formirajući kubičnu rešetku - to je γ-faza. Sledeći prelaz se dešava na 774°C - kristalna rešetka rashladnog metala postaje tetragonalna, što odgovara β-fazi. Kada temperatura ingota padne na 668°C, atomi ponovo preuređuju svoje redove, poređane u talasima u paralelnim slojevima - α-faza. Nema daljih promjena.

Glavni parametri uranijuma uvijek se odnose na α-fazu. Tačka topljenja (tmelt) 1132°C, tačka ključanja uranijuma (tboil) 3818°C Specifična toplota na sobnoj temperaturi 27,67 kJ/(kg K) ili 6,612 cal/(g°C). Specifični električni otpor na temperaturi od 25 °C iznosi približno 3 10 -7 ohm cm, a već na 600 °C 5,5 10 -7 ohm cm. Toplotna provodljivost uranijuma također varira u zavisnosti od temperature: na primjer, u rasponu od 100-200 ° C, iznosi 28,05 W / (m K) ili 0,067 cal / (cm sec ° C), a kada poraste na 400 ° C, povećava se do 29,72 W / (m K) 0,071 cal / (cm sec ° C). Uranijum ima supravodljivost na 0,68 K. Prosečna tvrdoća po Brinelu je 19,6 - 21,6·10 2 MN / m 2 ili 200-220 kgf / mm 2.

Mnoga mehanička svojstva 92. elementa zavise od njegove čistoće, od načina termičke i mehaničke obrade. Dakle, za liveni uranijum granična vlačna čvrstoća na sobnoj temperaturi 372-470 MN/m 2 ili 38-48 kgf/mm 2, prosječna vrijednost modula elastičnosti 20,5·10 -2 MN/m2 ili 20,9·10 -3 kgf/mm 2 . Čvrstoća uranijuma se povećava nakon gašenja iz β- i γ-faze.

Zračenje uranijuma neutronskim fluksom, interakcija s vodom koja hladi gorive elemente od metalnog uranijuma i drugi faktori rada u snažnim termalnim neutronskim reaktorima - sve to dovodi do promjena u fizičkim i mehaničkim svojstvima uranijuma: metal postaje krt, razvija se puzanje, dolazi do deformacije proizvoda od metalnog uranijuma. Iz tog razloga se legure urana koriste u nuklearnim reaktorima, na primjer, s molibdenom, takva legura je otporna na vodu, jača metal, zadržavajući visokotemperaturnu kubičnu rešetku.

Hemijska svojstva

Hemijski, uranijum je veoma aktivan metal. Na zraku oksidira stvaranjem iridescentnog filma UO2 dioksida na površini, koji ne štiti metal od daljnje oksidacije, kao što se događa s titanom, cirkonijumom i nizom drugih metala. Sa kiseonikom, uranijum stvara UO2 dioksid, UO3 trioksid i veliki broj međuoksidi, od kojih je najvažniji U3O8, ovi oksidi su po svojstvima slični UO2 i UO3. U praškastom stanju, uranijum je piroforan i može se zapaliti uz blago zagrijavanje (150°C i više), sagorijevanje je praćeno jakim plamenom, na kraju formirajući U3O8. Na temperaturi od 500-600 °C, uran u interakciji sa fluorom formira zelene igličaste kristale koji su slabo rastvorljivi u vodi i kiselinama - uranijum tetrafluorid UF4, kao i UF6 - heksafluorid (bijeli kristali koji se sublimiraju bez topljenja na temperaturi od 56,4 °C). UF4, UF6 su primjeri interakcije uranijuma sa halogenima za stvaranje uranijumovih halida. Uranijum se lako kombinuje sa sumporom, formirajući niz jedinjenja, od kojih je najvažnije američko - nuklearno gorivo. Uranijum reaguje sa vodonikom na 220°C i formira UH3 hidrid, koji je hemijski veoma aktivan. Daljnjim zagrevanjem, UH3 se razlaže na vodonik i uranijum u prahu. Do interakcije sa dušikom dolazi na višim temperaturama - od 450 do 700°C i atmosferskom pritisku, dobija se nitrid U4N7, uz povećanje pritiska dušika na istim temperaturama mogu se dobiti UN, U2N3 i UN2. Na višim temperaturama (750-800 °C), uranijum reaguje sa ugljenikom i formira monokarbid UC, dikarbid UC2 i U2C3. Uranijum stupa u interakciju sa vodom i formira UO2 i H2, i sa hladnom vodom sporije, ali aktivnije sa vrućim. Osim toga, reakcija se odvija s parom na temperaturama od 150 do 250 °C. Ovaj metal se otapa u hlorovodoničnom HCl i azotnoj HNO3 kiselinama, manje aktivno u visokokoncentrovanoj fluorovodoničnoj kiselini, sporo reaguje sa sumpornom H2SO4 i ortofosfornom H3PO4 kiselinama. Produkti reakcija s kiselinama su tetravalentne soli urana. Od neorganskih kiselina i soli nekih metala (zlato, platina, bakar, srebro, kalaj i živa), uranijum je u stanju da istisne vodonik. Uranijum ne reaguje sa alkalijama.

U jedinjenjima, uranijum može da ispoljava sledeća oksidaciona stanja: +3, +4, +5, +6, ponekad +2. U3+ ne postoji u prirodi i može se dobiti samo u laboratoriji. Jedinjenja petovalentnog uranijuma su većinom nestabilna i prilično lako se razlažu na kvartarna i heksavalentna jedinjenja uranijuma, koja su najstabilnija. Heksavalentni uran je karakteriziran stvaranjem uranil jona UO22+, čije su soli obojene u žuta i veoma su rastvorljivi u vodi i mineralnim kiselinama. Primjer spojeva heksavalentnog uranijuma je uranijum trioksid ili uranijum anhidrid UO3 (narandžasti prah), koji ima karakter amfoternog oksida. Pri otapanju u kiselinama nastaju soli, na primjer, uran hlorid UO2Cl2. Pod dejstvom lužina na rastvore soli uranila dobijaju se soli uranske kiseline H2UO4 - uranati i diuranska kiselina H2U2O7 - diuranati, na primer, natrijum uranat Na2UO4 i natrijum diuranat Na2U2O7. Kvadrivalentne soli uranijuma (uranijum tetrahlorid UCl4) su zelene i manje rastvorljive. Kada su dugo izloženi vazduhu, jedinjenja koja sadrže tetravalentni uranijum su obično nestabilna i pretvaraju se u heksavalentna. Uranilne soli kao što je uranil hlorid se razlažu u prisustvu jakog svjetla ili organskih tvari.

DEFINICIJA

Uran je devedeset drugi element periodnog sistema. Oznaka - U od latinskog "uranija". Nalazi se u sedmom periodu, IIIB grupa. Odnosi se na metale. Nuklearni naboj je 92.

Uranijum je srebrnast metal sa sjajnom površinom (slika 1). Teška. Savitljiv, fleksibilan i mekan. Svojstva paramagneta su inherentna. Uranijum karakteriše prisustvo tri modifikacije: α-uranijum (rombični sistem), β-uranijum (tetragonalni sistem) i γ-uranijum (kubni sistem), od kojih svaka postoji u određenom temperaturnom opsegu.

Rice. 1. Uran. Izgled.

Atomska i molekularna težina uranijuma

Relativna molekulska težina supstance(M r) je broj koji pokazuje koliko je puta masa date molekule veća od 1/12 mase atoma ugljika, i relativna atomska masa elementa(A r) - koliko je puta prosječna masa atoma nekog kemijskog elementa veća od 1/12 mase atoma ugljika.

Pošto uranijum postoji u slobodnom stanju u obliku jednoatomskih molekula U, vrednosti njegovog atomskog i molekularna težina podudaraju se. One su jednake 238,0289.

Izotopi uranijuma

Poznato je da uranijum nema stabilne izotope, ali prirodni uranijum se sastoji od mešavine onih izotopa 238 U (99,27%), 235 U i 234 U, koji su radioaktivni.

Postoje nestabilni izotopi uranijuma sa masenim brojevima od 217 do 242.

joni uranijuma

Na vanjskom energetskom nivou atoma uranijuma postoje tri valentna elektrona:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5p 6 5d 10 5f 3 6s 2 6p 6 6d 1 7s 2 .

Kao rezultat hemijske interakcije, uranijum odustaje od svojih valentnih elektrona, tj. je njihov donor, i pretvara se u pozitivno nabijeni ion:

U 0 -3e → U 3+.

Molekul i atom uranijuma

U slobodnom stanju, uranijum postoji u obliku jednoatomskih molekula U. Evo nekih svojstava koja karakterišu atom i molekul uranijuma:

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

PRIMJER 2