Kjemisk grunnstoff uran: egenskaper, egenskaper, formel. Gruvedrift og bruk av uran

Hvor kom uran fra? Mest sannsynlig dukker det opp under supernovaeksplosjoner. Faktum er at for nukleosyntesen av elementer som er tyngre enn jern, må det være en kraftig nøytronfluks, som oppstår bare under en supernovaeksplosjon. Det ser ut til at senere, når det kondenserer fra skyen av nye stjernesystemer dannet av den, skulle uran, etter å ha samlet seg i en protoplanetær sky og være veldig tung, synke ned i dypet av planetene. Men det er det ikke. Uran er et radioaktivt grunnstoff og avgir varme når det forfaller. Beregningen viser at dersom uran ble jevnt fordelt over hele planetens tykkelse, i det minste med samme konsentrasjon som på overflaten, så ville det avgi for mye varme. Dessuten bør strømmen avta etter hvert som uran forbrukes. Siden ingenting av denne typen er observert, mener geologer at minst en tredjedel av uran, og kanskje alt, er konsentrert i jordskorpen, hvor innholdet er 2,5∙10 -4%. Hvorfor dette skjedde diskuteres ikke.

Hvor utvinnes uran? Uran på jorden er ikke så lite - når det gjelder utbredelse, er det på 38. plass. Og mest av alt er dette elementet i sedimentære bergarter - karbonholdige skifer og fosforitter: opp til henholdsvis 8∙10 -3 og 2,5∙10 -2%. Totalt inneholder jordskorpen 10 14 tonn uran, men hovedproblemet ved at den er svært spredt og ikke danner kraftige avleiringer. Omtrent 15 uranmineraler er av industriell betydning. Dette er uranbek – basen er fireverdig uranoksid, uranglimmer – ulike silikater, fosfater og mer komplekse forbindelser med vanadium eller titan basert på seksverdig uran.

Hva er Becquerel-stråler? Etter oppdagelsen av røntgenstråler av Wolfgang Roentgen, ble den franske fysikeren Antoine-Henri Becquerel interessert i gløden av uransalter, som oppstår under påvirkning av sollys. Han ville forstå om det var røntgenbilder også her. De var faktisk til stede - saltet opplyste den fotografiske platen gjennom det svarte papiret. I et av forsøkene ble saltet imidlertid ikke opplyst, og den fotografiske platen ble fortsatt mørkere. Når en metallgjenstand ble plassert mellom saltet og den fotografiske platen, var mørkningen under den mindre. Følgelig oppsto ikke de nye strålene i det hele tatt på grunn av eksitasjonen av uran av lys og passerte ikke delvis gjennom metallet. De ble først kalt "Becquerel-stråler". Deretter ble det funnet at dette hovedsakelig er alfa-stråler med et lite tillegg av beta-stråler: faktum er at hovedisotopene av uran avgir en alfapartikkel under forfall, og datterproduktene opplever også beta-forfall.

Hvor høy er radioaktiviteten til uran? Uran har ingen stabile isotoper, de er alle radioaktive. Den lengstlevende er uran-238 med en halveringstid på 4,4 milliarder år. Den neste er uran-235 - 0,7 milliarder år. Begge gjennomgår alfa-forfall og blir de tilsvarende isotoper av thorium. Uran-238 utgjør over 99 % av alt naturlig uran. På grunn av sin lange halveringstid er radioaktiviteten til dette elementet liten, og i tillegg er alfapartikler ikke i stand til å overvinne stratum corneum på overflaten. Menneskekroppen. De sier at IV Kurchatov, etter å ha jobbet med uran, ganske enkelt tørket hendene med et lommetørkle og ikke led av noen sykdommer forbundet med radioaktivitet.

Forskere har gjentatte ganger vendt seg til statistikken over sykdommer hos arbeidere i urangruver og prosessanlegg. For eksempel, her er en fersk artikkel av kanadiske og amerikanske eksperter som analyserte helsedataene til mer enn 17 000 arbeidere ved Eldorado-gruven i den kanadiske provinsen Saskatchewan for årene 1950-1999 ( miljøforskning, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). De tok utgangspunkt i at stråling har den sterkeste effekten på raskt formerende blodceller, noe som fører til tilsvarende krefttyper. Statistikken viste at arbeiderne i gruven har en sykdom forskjellige typer mindre blodkreft enn gjennomsnittlig kanadier. Samtidig regnes hovedkilden til stråling som ikke uran i seg selv, men gassformig radon som genereres av det og dets forfallsprodukter, som kan komme inn i kroppen gjennom lungene.

Hvorfor er uran skadelig?? Det, som andre tungmetaller, er svært giftig og kan forårsake nyre- og leversvikt. På den annen side er uran, som er et spredt grunnstoff, uunngåelig tilstede i vann, jord og, konsentrert i næringskjeden, kommer det inn i menneskekroppen. Det er rimelig å anta at levende vesener i utviklingsprosessen har lært å nøytralisere uran i naturlige konsentrasjoner. Det farligste uranet er i vann, så WHO satte en grense: først var den 15 µg/l, men i 2011 ble standarden økt til 30 µg/g. Som regel er det mye mindre uran i vann: i USA i gjennomsnitt 6,7 μg / l, i Kina og Frankrike - 2,2 μg / l. Men det er også sterke avvik. Så i noen områder av California er det hundre ganger mer enn standarden - 2,5 mg / l, og i Sør-Finland når det 7,8 mg / l. Forskere prøver å forstå om WHO-standarden er for streng ved å studere effekten av uran på dyr. Her er en typisk jobb BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Franske forskere matet rotter i ni måneder med vann supplert med utarmet uran, og i en relativt høy konsentrasjon - fra 0,2 til 120 mg / l. Den nedre verdien er vann nær gruven, mens den øvre ikke finnes noe sted - den maksimale konsentrasjonen av uran, målt i samme Finland, er 20 mg / l. Til forfatternes overraskelse - artikkelen har tittelen: "Det uventede fraværet av en merkbar effekt av uran på fysiologiske systemer ..." - uran hadde praktisk talt ingen effekt på helsen til rotter. Dyrene spiste godt, la på seg skikkelig, klaget ikke over sykdom og døde ikke av kreft. Uran, som det burde være, ble først og fremst avsatt i nyrer og bein, og i hundre ganger mindre mengde - i leveren, og dets opphopning, som forventet, var avhengig av innholdet i vannet. Dette førte imidlertid ikke til nyresvikt, eller til og med merkbart utseende av noen molekylære markører for betennelse. Forfatterne foreslo å starte en gjennomgang av WHOs strenge retningslinjer. Det er imidlertid ett forbehold: effekten på hjernen. Det var mindre uran i hjernen til rotter enn i leveren, men innholdet var ikke avhengig av mengden i vann. Men uran påvirket arbeidet til antioksidantsystemet i hjernen: aktiviteten til katalase økte med 20 %, glutationperoksidase økte med 68–90 %, mens aktiviteten til superoksiddismutase falt med 50 % uavhengig av dose. Dette betyr at uran klart forårsaket oksidativt stress i hjernen og kroppen reagerte på det. En slik effekt - en sterk effekt av uran på hjernen i fravær av akkumulering i den, forresten, så vel som i kjønnsorganene - ble lagt merke til tidligere. Dessuten vann med uran i en konsentrasjon på 75–150 mg/l, som forskere fra University of Nebraska matet til rotter i seks måneder ( Nevrotoksikologi og teratologi, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001) påvirket oppførselen til dyr, hovedsakelig hanner, som ble sluppet ut i feltet: de krysset linjene, reiste seg på bakbena og børstet pelsen, i motsetning til kontrollene. Det er bevis på at uran også fører til hukommelsessvekkelse hos dyr. Endringen i atferd korrelerte med nivået av lipidoksidasjon i hjernen. Det viser seg at rotter fra uranvann ble friske, men dumme. Disse dataene vil fortsatt være nyttige for oss i analysen av det såkalte Persiske Gulf-syndromet (Gulf War Syndrome).

Forurenser uran skifergassgruveanlegg? Det avhenger av hvor mye uran som er i de gassholdige bergartene og hvordan det er knyttet til dem. For eksempel har førsteamanuensis Tracy Bank ved universitetet i Buffalo utforsket Marcelus Shale, som strekker seg fra vestlige New York State gjennom Pennsylvania og Ohio til West Virginia. Det viste seg at uran er kjemisk bundet nøyaktig med kilden til hydrokarboner (husk at relaterte karbonholdige skifer har det høyeste uraninnholdet). Eksperimenter har vist at løsningen som brukes til å frakturere sømmen, løser uran perfekt. «Når uranet i disse vannet er på overflaten, kan det forårsake forurensning av området rundt. Det medfører ingen strålingsrisiko, men uran er et giftig grunnstoff, sier Tracey Bank i en pressemelding fra universitetet datert 25. oktober 2010. Det er ennå ikke utarbeidet detaljerte artikler om risiko for miljøforurensning med uran eller thorium ved utvinning av skifergass.

Hvorfor trengs uran? Tidligere ble det brukt som pigment for fremstilling av keramikk og farget glass. Nå er uran grunnlaget for kjernekraft og atomvåpen. I dette tilfellet brukes dens unike egenskap - kjernens evne til å dele seg.

Hva er kjernefysisk fisjon? Oppløsningen av kjernen i to ulikt store stykker. Det er nettopp på grunn av denne egenskapen at under nukleosyntese på grunn av nøytronbestråling, dannes kjerner tyngre enn uran med store vanskeligheter. Essensen av fenomenet er som følger. Hvis forholdet mellom antall nøytroner og protoner i kjernen ikke er optimalt, blir det ustabilt. Vanligvis sender en slik kjerne ut enten en alfapartikkel - to protoner og to nøytroner, eller en beta-partikkel - et positron, som er ledsaget av transformasjonen av en av nøytronene til et proton. I det første tilfellet oppnås et element i det periodiske systemet, fordelt med to celler tilbake, i det andre - en celle fremover. Imidlertid er urankjernen, i tillegg til å sende ut alfa- og beta-partikler, i stand til å fisjon - råtne ned i kjernene til to grunnstoffer i midten av det periodiske systemet, for eksempel barium og krypton, noe den gjør, etter å ha mottatt en ny nøytron. Dette fenomenet ble oppdaget kort tid etter oppdagelsen av radioaktivitet, da fysikere utsatte alt de hadde for den nyoppdagede strålingen. Her er hvordan Otto Frisch, en deltaker i arrangementene, skriver om dette (Uspekhi fizicheskikh nauk, 1968, 96, 4). Etter oppdagelsen av berylliumstråler - nøytroner - bestrålte Enrico Fermi dem, spesielt uran for å forårsake beta-nedbrytning - han håpet å få det neste, 93. grunnstoffet, nå kalt neptunium, på hans bekostning. Det var han som oppdaget en ny type radioaktivitet i bestrålt uran, som han assosierte med utseendet til transuranelementer. I dette tilfellet økte denne induserte radioaktiviteten å bremse nøytroner, for hvilke berylliumkilden var dekket med et lag parafin. Den amerikanske radiokjemikeren Aristide von Grosse antydet at et av disse grunnstoffene var protactinium, men han tok feil. Men Otto Hahn, som da jobbet ved universitetet i Wien og anså protactinium oppdaget i 1917 for å være hans hjernebarn, bestemte at han var forpliktet til å finne ut hvilke elementer som ble oppnådd i dette tilfellet. Sammen med Lise Meitner, tidlig i 1938, foreslo Hahn, basert på resultatene av eksperimenter, at det dannes hele kjeder av radioaktive elementer, som oppstår fra flere beta-forfall av uran-238-kjerner som absorberte et nøytron og dets datterelementer. Snart ble Lise Meitner tvunget til å flykte til Sverige, i frykt for mulige represalier fra nazistene etter Anschluss i Østerrike. Hahn, som fortsatte sine eksperimenter med Fritz Strassmann, oppdaget at blant produktene var det også barium, grunnstoff nummer 56, som ikke kunne ha blitt oppnådd fra uran på noen måte: alle kjeder av uran-alfa-forfall ender i mye tyngre bly. Forskerne ble så overrasket over resultatet at de ikke publiserte det, de skrev kun brev til venner, spesielt Lise Meitner i Gøteborg. Der, julen 1938, besøkte nevøen hennes, Otto Frisch, henne, og mens de gikk i nærheten av vinterbyen - han går på ski, tanten hans er til fots - diskuterte de muligheten for utseendet av barium under bestråling av uran. på grunn av kjernefysisk fisjon (for mer om Lise Meitner, se "Kjemi og liv", 2013, nr. 4). Da han kom tilbake til København, fanget Frisch, bokstavelig talt på landgangen til en dampbåt som dro til USA, Niels Bohr og informerte ham om ideen om deling. Bor slo seg i pannen og sa: «Å, for så dumme vi var! Vi burde ha lagt merke til dette før." I januar 1939 publiserte Frisch og Meitner en artikkel om fisjon av urankjerner under påvirkning av nøytroner. På det tidspunktet hadde Otto Frisch allerede satt opp et kontrolleksperiment, i tillegg til mange amerikanske grupper som mottok en melding fra Bohr. De sier at fysikere begynte å spre seg til laboratoriene deres rett under rapporten hans 26. januar 1939 i Washington på den årlige konferansen om teoretisk fysikk, da de skjønte essensen av ideen. Etter oppdagelsen av fisjon reviderte Hahn og Strassman sine eksperimenter og fant, akkurat som sine kolleger, at radioaktiviteten til bestrålt uran ikke er assosiert med transuraner, men med nedbrytningen av radioaktive grunnstoffer dannet under fisjon fra midten av det periodiske systemet.

Hvordan fungerer en kjedereaksjon i uran? Kort tid etter at muligheten for fisjon av uran- og thoriumkjerner ble eksperimentelt bevist (og det er ingen andre spaltbare elementer på jorden i noen betydelig mengde), Niels Bohr og John Wheeler, som jobbet ved Princeton, og også uavhengig av den sovjetiske teoretiske fysikeren Ya. I. Frenkel og tyskerne Siegfried Flügge og Gottfried von Droste skapte teorien om kjernefysisk fisjon. To mekanismer fulgte av det. Den ene er relatert til terskelabsorpsjon av raske nøytroner. Ifølge ham, for å starte fisjon, må nøytronet ha en ganske høy energi, mer enn 1 MeV for kjernene til hovedisotopene - uran-238 og thorium-232. Ved lavere energier har absorpsjonen av et nøytron av uran-238 en resonant karakter. Dermed har et nøytron med en energi på 25 eV et fangstverrsnitt som er tusenvis av ganger større enn med andre energier. I dette tilfellet vil det ikke være noen fisjon: uran-238 vil bli uran-239, som med en halveringstid på 23,54 minutter vil bli til neptunium-239, den med en halveringstid på 2,33 dager vil bli til lang- levde plutonium-239. Thorium-232 vil bli uran-233.

Den andre mekanismen er ikke-terskelabsorpsjon av et nøytron, etterfulgt av den tredje mer eller mindre vanlige spaltbare isotopen - uran-235 (samt plutonium-239 og uran-233, som er fraværende i naturen): ved å absorbere et hvilket som helst nøytron , selv en langsom en, den såkalte termiske, med en energi på for molekyler som deltar i termisk bevegelse - 0,025 eV, vil en slik kjerne bli delt. Og dette er veldig bra: for termiske nøytroner er fangstverrsnittsarealet fire ganger høyere enn for raske, megaelektronvolt. Dette er betydningen av uran-235 for hele den påfølgende historien til atomenergi: det er det som sikrer multiplikasjon av nøytroner i naturlig uran. Etter å ha truffet et nøytron, blir uran-235-kjernen ustabil og splittes raskt i to ulikt deler. Underveis flyr flere (i snitt 2,75) nye nøytroner ut. Hvis de treffer kjernene til samme uran, vil de få nøytroner til å formere seg eksponentielt - en kjedereaksjon vil starte, som vil føre til en eksplosjon på grunn av den raske frigjøringen av en enorm mengde varme. Verken uran-238 eller thorium-232 kan fungere på denne måten: under fisjon blir det tross alt sendt ut nøytroner med en gjennomsnittlig energi på 1-3 MeV, det vil si at hvis det er en energiterskel på 1 MeV, vil en betydelig del av nøytronene vil absolutt ikke kunne forårsake en reaksjon, og det blir ingen reproduksjon. Dette betyr at disse isotopene bør glemmes og nøytroner må bremses ned til termisk energi slik at de samhandler med uran-235-kjerner så effektivt som mulig. Samtidig kan deres resonansabsorpsjon av uran-238 ikke tillates: tross alt, i naturlig uran er denne isotopen litt mindre enn 99,3%, og nøytroner kolliderer oftere med den, og ikke med målet uran-235. Og som moderator er det mulig å opprettholde nøytronmultiplikasjon på et konstant nivå og forhindre en eksplosjon - for å kontrollere en kjedereaksjon.

Beregningen utført av Ya. B. Zeldovich og Yu. B. Khariton i samme skjebnesvangre 1939 viste at for dette er det nødvendig å bruke en nøytronmoderator i form av tungtvann eller grafitt og berike naturlig uran med uran-235 ved hjelp av minst 1,83 ganger. Da virket denne ideen for dem ren fantasi: "Det bør bemerkes at omtrent dobbelt så mye anrikning av de ganske betydelige mengdene uran som er nødvendige for å utføre en kjedeeksplosjon,<...>er en ekstremt tung oppgave, nærmest praktisk umulig." Nå er dette problemet løst, og atomindustrien masseproduserer uran anriket med uran-235 opptil 3,5 % til kraftverk.

Hva er spontan kjernefysisk fisjon? I 1940 oppdaget G. N. Flerov og K. A. Petrzhak at uran fisjon kan skje spontant, uten noen ytre påvirkning, selv om halveringstiden er mye lengre enn ved vanlig alfa-forfall. Siden slik fisjon også produserer nøytroner, hvis de ikke får fly vekk fra reaksjonssonen, vil de tjene som initiatorer av kjedereaksjonen. Det er dette fenomenet som brukes til å lage atomreaktorer.

Hvorfor trengs atomkraft? Zel'dovich og Khariton var blant de første som beregnet den økonomiske effekten av kjernekraft (Uspekhi fizicheskikh nauk, 1940, 23, 4). «... For øyeblikket er det fortsatt umulig å trekke endelige konklusjoner om muligheten eller umuligheten av å implementere en kjernefysisk fisjonsreaksjon i uran med uendelig forgrenede kjeder. Hvis en slik reaksjon er gjennomførbar, justeres reaksjonshastigheten automatisk for å sikre at den fortsetter jevnt, til tross for den enorme mengden energi som eksperimentatoren har til rådighet. Denne omstendigheten er usedvanlig gunstig for energiutnyttelsen av reaksjonen. Derfor, selv om dette er en inndeling av huden til en udød bjørn, presenterer vi noen tall som karakteriserer mulighetene for energibruk av uran. Hvis fisjonsprosessen fortsetter på raske nøytroner, fanger reaksjonen derfor hovedisotopen av uran (U238), da<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>kostnaden for en kalori fra hovedisotopen av uran viser seg å være omtrent 4000 ganger billigere enn fra kull (med mindre selvfølgelig prosessene med "brenning" og varmefjerning viser seg å være mye dyrere når det gjelder uran enn når det gjelder kull). Når det gjelder langsomme nøytroner, vil kostnaden for en "uran"-kalori (basert på tallene ovenfor), tatt i betraktning at forekomsten av isotopen U235 er 0,007, allerede er bare 30 ganger billigere enn en "kull"-kalori, alt annet likt.

Den første kontrollerte kjedereaksjonen ble utført i 1942 av Enrico Fermi ved University of Chicago, og reaktoren ble manuelt kontrollert ved å skyve og trekke ut grafittstaver etter hvert som nøytronfluksen endret seg. Det første kraftverket ble bygget i Obninsk i 1954. I tillegg til å generere energi, arbeidet de første reaktorene også for å produsere plutonium av våpenkvalitet.

Hvordan fungerer et atomkraftverk? De fleste reaktorer opererer nå på langsomme nøytroner. Anriket uran i form av et metall, en legering, for eksempel med aluminium, eller i form av et oksid settes i lange sylindre - brenselelementer. De er installert på en bestemt måte i reaktoren, og det innføres stenger fra moderatoren mellom dem, som styrer kjedereaksjonen. Over tid akkumuleres reaktorgifter i brenselelementet - uran fisjonsprodukter, som også er i stand til å absorbere nøytroner. Når uran-235-konsentrasjonen faller under det kritiske nivået, tas elementet ut av drift. Den inneholder imidlertid mange fisjonsfragmenter med sterk radioaktivitet, som avtar med årene, og derfor avgir grunnstoffene en betydelig mengde varme over lang tid. De oppbevares i kjølebassenger, og så graves de enten ned eller så prøver de å behandle dem – for å utvinne uforbrent uran-235, akkumulert plutonium (det ble brukt til å lage atombomber) og andre isotoper som kan brukes. Den ubrukte delen sendes til gravplassen.

I såkalte hurtignøytronreaktorer, eller avlerreaktorer, er det installert reflektorer av uran-238 eller thorium-232 rundt elementene. De bremser ned og sender for raske nøytroner tilbake til reaksjonssonen. Bremset ned til resonanshastigheter absorberer nøytroner disse isotopene, og blir til henholdsvis plutonium-239 eller uran-233, som kan tjene som drivstoff for et kjernekraftverk. Siden raske nøytroner ikke reagerer godt med uran-235, er det nødvendig å øke konsentrasjonen betydelig, men dette lønner seg med en sterkere nøytronfluks. Til tross for at oppdrettsreaktorer regnes som fremtiden for kjernekraft, siden de gir mer kjernebrensel enn de forbruker, har eksperimenter vist at de er vanskelige å kontrollere. Nå er det bare en slik reaktor igjen i verden - ved den fjerde kraftenheten til Beloyarsk NPP.

Hvordan kritiseres kjernekraft? Hvis vi ikke snakker om ulykker, var hovedpoenget i argumentene til motstandere av atomenergi i dag forslaget om å legge til kostnadene ved å beskytte miljøet etter avvikling av anlegget og når du arbeider med drivstoff til beregningen av effektiviteten. I begge tilfeller oppstår oppgaven med sikker deponering av radioaktivt avfall, og det er kostnadene staten bærer. Det er en oppfatning at hvis de flyttes til kostnadene for energi, vil dens økonomiske attraktivitet forsvinne.

Det er også motstand blant tilhengere av kjernekraft. Dens representanter peker på det unike med uran-235, som ikke har noen erstatning, fordi alternative isotoper som er spaltbare av termiske nøytroner - plutonium-239 og uran-233 - er fraværende i naturen på grunn av en halveringstid på tusenvis av år. Og de oppnås bare som et resultat av fisjon av uran-235. Tar det slutt, forsvinner det vakre naturlig kilde nøytroner for en kjernefysisk kjedereaksjon. Som et resultat av en slik ekstravaganse vil menneskeheten i fremtiden miste muligheten til å involvere thorium-232 i energisyklusen, hvis reserver er flere ganger større enn reservene til uran.

Teoretisk kan partikkelakseleratorer brukes til å oppnå en fluks av raske nøytroner med megaelektronvolt-energier. Imidlertid, hvis vi snakker, for eksempel om interplanetære flyvninger på en atommotor, vil det være veldig vanskelig å implementere et opplegg med en klumpete akselerator. Utmattelsen av uran-235 setter en stopper for slike prosjekter.

Hva er uran av våpenkvalitet? Dette er høyanriket uran-235. Dens kritiske masse - den tilsvarer størrelsen på et stykke materie der det oppstår en kjedereaksjon spontant - er liten nok til å lage en ammunisjon. Slikt uran kan brukes til å lage en atombombe, samt en sikring for en termonukleær bombe.

Hvilke katastrofer er forbundet med bruk av uran? Energien som er lagret i kjernene til spaltbare elementer er enorm. Etter å ha rømt fra kontroll på grunn av en forglemmelse eller på grunn av intensjon, kan denne energien gjøre mye trøbbel. De to verste atomkatastrofene skjedde 6. og 8. august 1945, da det amerikanske luftforsvaret slapp atombomber over Hiroshima og Nagasaki, og drepte og skadet hundretusenvis av sivile. Katastrofer av mindre skala er forbundet med ulykker ved kjernekraftverk og kjernekraftverk. Den første store ulykken skjedde i 1949 i USSR ved Mayak-anlegget nær Chelyabinsk, hvor plutonium ble produsert; flytende radioaktivt avfall kom inn i elven Techa. I september 1957 skjedde en eksplosjon på den med utslipp av en stor mengde radioaktivt materiale. Elleve dager senere brant den britiske plutoniumreaktoren ved Windscale ned, en sky av eksplosjonsprodukter spredte seg over Vest-Europa. I 1979 brant reaktoren ved atomkraftverket Trimail Island i Pennsylvania ned. Ulykkene ved atomkraftverket i Tsjernobyl (1986) og atomkraftverket i Fukushima (2011) førte til de mest utbredte konsekvensene, da millioner av mennesker ble utsatt for stråling. De første forsøplet store landområder og kastet ut 8 tonn uranbrensel med råteprodukter som et resultat av eksplosjonen, som spredte seg over hele Europa. Den andre forurenset og, tre år etter ulykken, fortsetter å forurense Stillehavet i fiskeriområdene. Det var svært kostbart å eliminere konsekvensene av disse ulykkene, og hvis disse kostnadene ble dekomponert i strømkostnadene, ville de øke betydelig.

En egen sak er konsekvensene for menneskers helse. I følge offisiell statistikk hadde mange mennesker som overlevde bombingen eller bor i forurensede områder fordel av eksponering - førstnevnte har høyere forventet levealder, sistnevnte har færre kreftformer, og eksperter tilskriver en viss økning i dødelighet til sosialt stress. Antallet mennesker som døde nettopp av konsekvensene av ulykker eller som et resultat av deres likvidering er anslått til hundrevis av mennesker. Motstandere av atomkraftverk påpeker at ulykker har ført til flere millioner for tidlige dødsfall på det europeiske kontinentet, de er rett og slett usynlige mot den statistiske bakgrunnen.

Tilbaketrekking av landområder fra menneskelig bruk i ulykkessoner fører til et interessant resultat: de blir en slags reservater, hvor biologisk mangfold vokser. Riktignok lider noen dyr av sykdommer forbundet med stråling. Spørsmålet om hvor raskt de vil tilpasse seg den økte bakgrunnen er fortsatt åpent. Det er også en oppfatning om at konsekvensen av kronisk bestråling er "seleksjon for en idiot" (se Chemistry and Life, 2010, nr. 5): mer primitive organismer overlever selv på fosterstadiet. Spesielt i forhold til mennesker bør dette føre til en nedgang i de mentale evnene til generasjonen født i de forurensede områdene kort tid etter ulykken.

Hva er utarmet uran? Dette er uran-238 til overs fra utvinningen av uran-235. Avfallsvolumene fra produksjon av uran og brenselelementer av våpenkvalitet er store - i USA alene har det samlet seg 600 tusen tonn slikt uranheksafluorid (for problemer med det, se Chemistry and Life, 2008, nr. 5). . Innholdet av uran-235 i den er 0,2%. Dette avfallet må enten lagres til bedre tider, når raske nøytronreaktorer vil bli opprettet og det vil være mulig å behandle uran-238 til plutonium, eller på en eller annen måte brukes.

De fant bruk for det. Uran, som andre overgangselementer, brukes som katalysator. For eksempel forfatterne av en artikkel i ACS Nano datert 30. juni 2014 skriver de at en uran- eller thoriumkatalysator med grafen for reduksjon av oksygen og hydrogenperoksid «har stort potensial for energianvendelser». På grunn av sin høye tetthet fungerer uran som ballast for skip og motvekter for fly. Dette metallet er også egnet for strålebeskyttelse i medisinsk utstyr med strålekilder.

Hvilke våpen kan lages av utarmet uran? Kuler og kjerner for pansergjennomtrengende prosjektiler. Her er regnestykket. Jo tyngre prosjektilet er, desto høyere kinetisk energi. Men hva større størrelse prosjektil, jo mindre konsentrert dens innvirkning. Så vi trenger tungmetaller med høy tetthet. Kuler er laget av bly (Uraljegere brukte en gang også innfødt platina, helt til de skjønte hva det var). et edelt metall), kjernene til skjellene er laget av wolframlegering. Naturvernere påpeker at bly forurenser jorda på steder med krig eller jakt, og det ville være bedre å erstatte det med noe mindre skadelig, for eksempel med samme wolfram. Men wolfram er ikke billig, og uran, med samme tetthet som det, er et skadelig avfall. Samtidig er tillatt forurensning av jord og vann med uran omtrent dobbelt så høy som for bly. Dette skjer fordi den svake radioaktiviteten til utarmet uran (og den er også 40 % mindre enn naturlig uran) blir neglisjert og en virkelig farlig kjemisk faktor tas i betraktning: uran, som vi husker, er giftig. Samtidig er dens tetthet 1,7 ganger større enn bly, noe som betyr at størrelsen på urankuler kan halveres; uran er mye mer ildfast og hardere enn bly - når det avfyres, fordamper det mindre, og når det treffer et mål, produserer det færre mikropartikler. Generelt forurenser en urankule mindre miljø enn bly, er det imidlertid ikke kjent med sikkerhet om slik bruk av uran.

Men det er kjent at utarmet uranplater brukes til å styrke rustningen til amerikanske stridsvogner (dette er lettet av dens høye tetthet og smeltepunkt), og også i stedet for wolframlegering i kjerner for pansergjennomtrengende prosjektiler. Uran-kjernen er også bra fordi uran er pyrofor: dens varme små partikler, dannet når de treffer rustningen, blusser opp og setter fyr på alt rundt. Begge applikasjonene anses som strålingssikre. Så, beregningen viste at selv etter å ha brukt et år uten å komme seg ut i en tank med uranpanser lastet med uranammunisjon, ville mannskapet bare motta en fjerdedel av den tillatte dosen. Og for å oppnå en årlig tillatt dose, må slik ammunisjon skrus til overflaten av huden i 250 timer.

Prosjektiler med urankjerner - for 30 mm flykanoner eller for artilleri-subkalibre - ble brukt av amerikanerne i de siste krigene, og startet med årets Irak-kampanje i 1991. Det året helte de 300 tonn utarmet uran på irakiske panserenheter i Kuwait, og under deres retrett falt 250 tonn, eller 780 000 skudd på flyvåpen. I Bosnia-Hercegovina, under bombingen av hæren til den ukjente Republika Srpska, ble det brukt 2,75 tonn uran, og under beskytningen av den jugoslaviske hæren i provinsen Kosovo og Metohija - 8,5 tonn, eller 31 000 skudd. Siden WHO på det tidspunktet hadde tatt seg av konsekvensene av bruken av uran, ble det gjennomført overvåking. Han viste at en salve besto av omtrent 300 runder, hvorav 80 % inneholdt utarmet uran. 10 % traff målene, og 82 % falt innenfor 100 meter fra dem. Resten spredte seg innen 1,85 km. Skallet som traff tanken brant ned og ble til en aerosol, lette mål som pansrede personellvogner ble gjennomboret av et uranskall. Dermed kan halvannet tonn med skjell på det meste bli til uranstøv i Irak. Ifølge eksperter fra det amerikanske strategiske forskningssenteret RAND Corporation har mer enn 10 til 35 % av det brukte uranet blitt til en aerosol. Den kroatiske jagerflyen for uran ammunisjon Asaf Durakovich, som har jobbet i en rekke organisasjoner fra King Faisal Hospital i Riyadh til Washington Uranium Medical Research Center, mener at det i Sør-Irak alene i 1991 ble dannet 3-6 tonn submikron uranpartikler, som spredt over et stort område , det vil si uranforurensning der er sammenlignbar med Tsjernobyl.

URANUS (navnet til ære for planeten Uranus oppdaget kort tid før ham; lat. uranium * a. uranium; n. Uran; f. uranium; og. uranio), U, er et radioaktivt kjemisk grunnstoff i gruppe III i det periodiske systemet av Mendeleev, atomnummer 92, atommasse 238.0289, refererer til aktinider. Naturlig uran består av en blanding av tre isotoper: 238 U (99.282 %, T 1/2 4.468.10 9 år), 235 U (0.712 %, T 1/2 0.704.10 9 år), 234 U (0.006 %, T 1/2 0.244.10 6 år). 11 kunstige radioaktive isotoper av uran med massetall fra 227 til 240 er også kjent.

Uran ble oppdaget i 1789 i form av UO 2 av den tyske kjemikeren M. G. Klaproth. Metallisk uran ble oppnådd i 1841 av den franske kjemikeren E. Peligot. I lang tid hadde uran en svært begrenset bruk, og først med oppdagelsen av radioaktivitet i 1896 begynte studien og bruken av det.

Egenskaper til uran

I sin frie tilstand er uran et metall. lysegrå; under 667,7°C, karakteriseres det av et rombisk (a=0,28538 nm, b=0,58662 nm, c=0,49557 nm) krystallgitter (a-modifikasjon), i temperaturområdet 667,7-774°C - tetragonal (a = 1,079) nm, c = 0,5656 nm; R-modifikasjon), ved høyere temperatur - kroppssentrert kubisk gitter (a = 0,3538 nm, g-modifikasjon). Tetthet 18700 kg / m 3, smelte t 1135 ° C, kokende t ca 3818 ° C, molar varmekapasitet 27,66 J / (mol.K), elektrisk resistivitet 29.0.10 -4 (Ohm.m), termisk ledningsevne 22, 5 W/(m.K), temperaturkoeffisient for lineær ekspansjon 10.7.10 -6 K -1 . Overgangstemperaturen for uran til superledende tilstand er 0,68 K; svak paramagnet, spesifikk magnetisk følsomhet 1.72.10 -6 . Kjernene 235 U og 233 U fisjons spontant, så vel som under fangst av langsomme og raske nøytroner, 238 U fisjoner kun under fangst av raske (mer enn 1 MeV) nøytroner. Når langsomme nøytroner fanges, blir 238 U til 239 Pu. Den kritiske massen av uran (93,5% 235U) i vandige løsninger er mindre enn 1 kg, for en åpen ball ca. 50 kg; for 233 U er den kritiske massen omtrent 1/3 av den kritiske massen på 235 U.

Utdanning og innhold i naturen

Hovedforbrukeren av uran er kjernekraftteknikk (atomreaktorer, kjernekraftverk). I tillegg brukes uran til å produsere atomvåpen. Alle andre områder for uranbruk er av sterkt underordnet betydning.

Uranus(lat. uran), u, et radioaktivt kjemisk grunnstoff av gruppe III i det periodiske systemet til Mendeleev, tilhører familien aktinider, atomnummer 92, atommasse 238.029; metall. Naturlig U. består av en blanding av tre isotoper: 238 u - 99,2739% med en halveringstid t 1 / 2 = 4,51 10 9 år, 235 u - 0,7024% (t 1 / 2 = 7,13 10 8 år) og 234 u - 0,0057% (t 1 / 2 \u003d 2,48 10 5 år). Av de 11 kunstige radioaktive isotopene med massetall fra 227 til 240, er langlivet 233 u (t 1 / 2 \u003d 1,62 10 5 år); det oppnås ved nøytronbestråling av thorium. 238 u og 235 u er forfedre til to radioaktive serier.

Historiereferanse. U. åpnet i 1789. kjemiker M. G. Klaproth og navngitt av ham til ære for planeten Uranus, oppdaget av V. Herschel i 1781. I metallisk tilstand ble U. erholdt i 1841 av franskmennene. kjemiker E. Peligo under reduksjonen av ucl 4 med metallisk kalium. Opprinnelig ble U. tildelt en atommasse på 120, og først i 1871 ble D.I. Mendeleev kom til at denne verdien burde dobles.

I lang tid var uran kun av interesse for en smal krets av kjemikere og fant begrenset bruk for produksjon av maling og glass. Med oppdagelsen av fenomenet radioaktivitet W. i 1896 og radium i 1898 startet industriell prosessering av uranmalm med mål om å utvinne og bruke radium i Vitenskapelig forskning og medisin. Siden 1942, etter oppdagelsen i 1939 av fenomenet kjernefysisk fisjon , U. ble det viktigste atombrenselet.

distribusjon i naturen. U. er et karakteristisk grunnstoff for jordskorpens granittlag og sedimentære skall. Gjennomsnittlig innhold av U. i jordskorpen (clarke) er 2,5 10 -4 vekt%, i sure magmatiske bergarter 3,5 10 -4%, i leire og skifer 3,2 10 -4%, i basiske bergarter 5 10 -5%. , i ultramafiske bergarter av mantelen 3 10 -7%. U. vandrer kraftig i kaldt og varmt, nøytralt og alkalisk vann i form av enkle og komplekse ioner, spesielt i form av karbonatkomplekser. Redoksreaksjoner spiller en viktig rolle i geokjemien til vann, siden forbindelser av vann som regel er svært løselige i vann med et oksiderende miljø og lite løselige i vann med et reduserende miljø (for eksempel hydrogensulfid).

Omtrent 100 U. mineraler er kjent; 12 av dem er av industriell betydning . I løpet av geologisk historie har innholdet av U. i jordskorpen gått ned på grunn av radioaktivt forfall; denne prosessen er assosiert med akkumulering av Pb- og He-atomer i jordskorpen. Det radioaktive forfallet til U. spiller en viktig rolle i energien til jordskorpen, og er en betydelig kilde til dyp varme.

fysiske egenskaper. U. ligner i fargen på stål og kan enkelt bearbeides. Den har tre allotropiske modifikasjoner - a, b og g med fasetransformasjonstemperaturer: a ®b 668,8 ± 0,4 ° C, b® g 772,2 ± 0,4 ° С; a -form har et rombisk gitter en= 2,8538 å, b= 5,8662 å, med\u003d 4,9557 å), b-form - tetragonalt gitter (ved 720 ° С en = 10,759 , b= 5.656 å), g-form - kroppssentrert kubisk gitter (ved 850°c a = 3.538 å). U. tetthet i a-form (25°c) 19,05 ± 0,2 g/cm 3 , t pl 1132 ± 1°C; t topp 3818 °C; varmeledningsevne (100–200°c), 28.05 tirs/(m· Til) , (200–400 °c) 29,72 tirs/(m· Til) ; spesifikk varme (25°c) 27,67 kJ/(kg· Til) ; elektrisk resistivitet ved romtemperatur ca 3 10 -7 ohm· cm, ved 600°c 5,5 10-7 ohm· cm; har superledning på 0,68 ± 0,02K; svak paramagnet, spesifikk magnetisk følsomhet ved romtemperatur 1,72 10 -6 .

De mekaniske egenskapene til U. avhenger av dens renhet, av modusene for mekanisk og varmebehandling. Gjennomsnittsverdien av elastisitetsmodulen for støpt U. 20,5 10 -2 Mn/m 2 maksimal strekkfasthet ved romtemperatur 372–470 Mn/m 2 , styrken øker etter herding fra b - og g -faser; gjennomsnittlig hardhet i henhold til Brinell 19,6–21,6 10 2 Mn/m 2 .

Bestråling med en nøytronfluks (som finner sted i kjernereaktor) endrer de fysisk-mekaniske egenskapene til uran: kryp utvikler seg og sprøhet øker, deformasjon av produkter observeres, noe som tvinger bruk av uran i atomreaktorer i form av ulike uranlegeringer.

U. - radioaktivt element. 235 u- og 233 u-kjernene fisjons spontant, så vel som under fangst av både langsomme (termiske) og raske nøytroner med et effektivt fisjonstverrsnitt på 508 10 -24 cm 2 (508 låve) og 533 10 -24 cm 2 (533 låve) henholdsvis. Kjerner 238 u spaltes ved kun å fange opp raske nøytroner med en energi på minst 1 Mev; når langsomme nøytroner fanges, blir 238 u til 239 pu , hvis kjernefysiske egenskaper er nær 235 u. Kritisk masse U. (93,5 % 235 u) i vandige løsninger er mindre enn 1 kg, for en åpen ball - ca 50 kg, for en ball med reflektor - 15 - 23 kg; den kritiske massen på 233 u er omtrent 1/3 av den kritiske massen på 235 u.

Kjemiske egenskaper. Konfigurasjonen av det ytre elektronskallet til atomet U. 7 s 2 6 d 1 5 f 3 . U. refererer til reaktive metaller, i forbindelser viser det oksidasjonstilstander + 3, + 4, + 5, + 6, noen ganger + 2; de mest stabile forbindelsene er u (iv) og u (vi). I luft oksiderer det sakte med dannelse av en film av dioksid på overflaten, som ikke beskytter metallet mot ytterligere oksidasjon. I pulverisert tilstand er U. pyrofor og brenner med en lys flamme. Med oksygen danner det uo 2-dioksid, uo 3-trioksid, og et stort antall mellomliggende oksider, hvorav den viktigste er u 3 o 8. Disse intermediære oksidene har samme egenskaper som uo 2 og uo 3 . Ved høye temperaturer har uo 2 et bredt homogenitetsområde fra uo 1,60 til uo 2,27. Med fluor ved 500–600°c danner det tetrafluorid (grønne nållignende krystaller, lite løselig i vann og syrer) og uf 6 heksafluorid (en hvit krystallinsk substans sublimerer uten å smelte ved 56,4°c); med svovel - en rekke forbindelser, hvorav høyeste verdi har oss (atombrensel). Når U. interagerer med hydrogen ved 220 °C, oppnås et hydrid uh 3; med nitrogen ved en temperatur fra 450 til 700 ° C og atmosfærisk trykk - u 4 n 7 nitrid, ved et høyere nitrogentrykk og samme temperatur, kan un, u 2 n 3 og un 2 oppnås; med karbon ved 750–800°c, monokarbid uc, dikarbid uc 2 og også u 2 c 3 ; danner legeringer av ulike typer med metaller . U. reagerer sakte med kokende vann og danner uo 2 og h 2, med vanndamp i temperaturområdet 150–250 °C; løselig i saltsyre og salpetersyre, lett - i konsentrert flussyre. For u (vi) er dannelsen av uranylionet uo 2 2 + karakteristisk; uranylsalter er gule og svært løselige i vann og mineralsyrer; salter u (iv) er grønne og mindre løselige; uranylionet er ekstremt i stand til kompleksdannelse i vandige løsninger med både uorganiske og organisk materiale; de viktigste for teknologien er karbonat, sulfat, fluorid, fosfat og andre komplekser. Et stort antall uranater er kjent (salter som ikke er isolert i ren form uransyre), hvis sammensetning varierer avhengig av forberedelsesbetingelsene; alle uranater har lav løselighet i vann.

U. og dets forbindelser er stråling og kjemisk giftige. Maksimal tillatt dose (SDA) for yrkesmessig eksponering 5 rem i år.

Kvittering. U. er hentet fra uranmalm som inneholder 0,05–0,5 % u. Malmer er praktisk talt ikke anriket, med unntak av en begrenset metode for radiometrisk sortering, basert på stråling av radium, som alltid er assosiert med uran. I utgangspunktet utlutes malmer med løsninger av svovelsyre, noen ganger salpetersyre, eller sodaløsninger, med omdannelse av U. til en sur løsning i form av uo 2 so 4 eller komplekse anioner 4-, og til en sodaløsning i form av 4-. Sorpsjon på ionebytterharpikser og ekstraksjon med organiske løsningsmidler (tributylfosfat, alkylfosforsyrer og aminer) brukes til å ekstrahere og konsentrere U. fra løsninger og masser, samt for å fjerne urenheter. Videre utfelles ammonium- eller natriumuranater eller hydroksyd u (oh) 4 fra løsningene ved å tilsette alkali. For å oppnå forbindelser med høy renhet, løses tekniske produkter i salpetersyre og utsettes for raffineringsrenseoperasjoner, hvis sluttprodukter er uo 3 eller u 3 o 8 ; disse oksidene reduseres ved 650–800°c med hydrogen eller dissosiert ammoniakk til uo 2 etterfulgt av omdannelsen til uf4 ved behandling med gassformig hydrogenfluorid ved 500–600°c. uf 4 kan også oppnås ved utfelling av det uf 4 · nh 2 o krystallinske hydratet fra løsninger med flussyre, etterfulgt av dehydrering av produktet ved 450°C i en strøm av hydrogen. I industrien er hovedmetoden for å oppnå uran fra uf 4 dens kalsium-termiske eller magnesium-termiske reduksjon, hvor uranet produseres i form av barrer som veier opptil 1,5 tonn.. Barren raffineres i vakuumovner.

En svært viktig prosess i U. teknologi er dens berikelse med 235 u isotopen over det naturlige innholdet i malm eller isolering av denne isotopen i sin rene form. , siden det er 235 u som er det viktigste atombrenselet; dette utføres ved gass termisk diffusjon, sentrifugale og andre metoder basert på forskjellen i massene 235 u og 238 u; U. brukes i separasjonsprosesser i form av flyktig uf 6 heksafluorid. Ved mottak av høyt anriket U. eller isotoper, blir deres kritiske masser tatt i betraktning; den mest praktiske metoden i dette tilfellet er reduksjon av U. oksider med kalsium; cao-slagget som dannes i denne prosessen skilles lett fra U. ved oppløsning i syrer.

Pulvermetallurgi brukes til å oppnå pulverisert karbondioksid, karbider, nitrider og andre ildfaste forbindelser.

Applikasjon. Metallisk U. eller dets forbindelser brukes hovedsakelig som kjernebrensel i atomreaktorer. En naturlig eller lavanriket blanding av U-isotoper brukes i stasjonære reaktorer i kjernekraftverk; produktet av høy grad av anrikning brukes i atomkraftverk eller i reaktorer som opererer på raske nøytroner. 235 u er kilden kjernekraft i atomvåpen. 238 u tjener som en kilde til sekundært kjernebrensel - plutonium.

V. M. Kulifeev.

Uran i kroppen I mikromengder (10 -5 -10 -5%) finnes det i vev til planter, dyr og mennesker. I asken til planter (med et innhold av U. i jorden på ca. 10 -4) er konsentrasjonen 1,5 10 -5%. U. akkumuleres i størst grad av noen sopp og alger (sistnevnte er aktivt involvert i den biogene migrasjonen av U. langs kjeden vann - vannplanter - fisk - menneske). U. kommer inn i kroppen til dyr og mennesker med mat og vann inn i mage-tarmkanalen, med luft inn i luftveiene, og også gjennom hud og slimhinner. U. forbindelser absorberes i mage-tarmkanalen - omtrent 1% av den innkommende mengden løselige forbindelser og ikke mer enn 0,1% av tungtløselige; i lungene absorberes henholdsvis 50 % og 20 %. U. er ujevnt fordelt i kroppen. Hoveddepotene (deponerings- og akkumuleringssteder) er milten, nyrene, skjelettet, leveren og, når tungtløselige forbindelser inhaleres, lungene og bronko-pulmonale lymfeknuter. U.s blod (i form av karbonater og komplekser med proteiner) sirkulerer ikke på lenge. Innholdet av U. i organer og vev til dyr og mennesker overstiger ikke 10 -7 y/y. Så blodet til storfe inneholder 1 10 -8 g/ml lever 8 10 -8 å/å, muskler 4 10 -8 å/å, milt 9 10 -8 y/y. U.s innhold i menneskelige organer er: i leveren 6 10 -9 y/y, i lungene 6 10 -9 -9 10 -9 g/g, i milten 4,7 10 -9 y/y, i blod 4 10 -9 g/ml i nyrene 5,3 10 -9 (kortikalt lag) og 1,3 10 -9 y/y(medulla), i bein 1 10 -9 y/y, i benmargen 1 10 -9 y/y, i hår 1,3 10 -7 y/y. U., inneholdt i beinvevet, forårsaker dens konstante bestråling (halveringstiden til U. fra skjelettet er ca. 300 dag) . De laveste konsentrasjonene av U. er i hjernen og hjertet (10 -10 y/y). Daglig inntak av U. med mat og væske - 1,9 10 -6 g, s luft - 7 10 -9 G. Den daglige utskillelsen av U. fra menneskekroppen er: med urin 0,5 10 -7 -5 10 -7, med avføring - 1,4 10 -6 -1,8 10 -6 g, s hår - 2 10 -8 g.

I følge Den internasjonale strålebeskyttelseskommisjonen er gjennomsnittlig innhold av U. i menneskekroppen 9 10 -8 g. Denne verdien kan variere for ulike regioner. Det antas at U. er nødvendig for det normale livet til dyr og planter, men dets fysiologiske funksjoner har ikke blitt belyst.

G.P. Galibin.

Giftig virkning W. på grunn av det kjemiske egenskaper og avhenger av løselighet: uranyl og andre løselige forbindelser av U er mer giftige.Forgiftning med U og dets forbindelser er mulig ved bedrifter for utvinning og prosessering av uranråmaterialer og andre industrielle anlegg der det brukes i den teknologiske prosessen. Ved inntak virker U. på alle organer og vev, og er en generell cellulær gift. Tegn på forgiftning på grunn av preim. nyreskade (utseendet til protein og sukker i urinen, etterfølgende oliguri) , leveren og mage-tarmkanalen påvirkes også. Det er akutte og kroniske forgiftninger; sistnevnte er preget av gradvis utvikling og mindre alvorlighetsgrad av symptomer. Ved kronisk forgiftning er hematopoietiske lidelser mulig, nervesystemet og andre Det antas at den molekylære virkningsmekanismen til U. er assosiert med dens evne til å hemme aktiviteten til enzymer.

Forebygging av forgiftning: kontinuitet i teknologiske prosesser, bruk av forseglet utstyr, forebygging av luftforurensning, avløpsvannbehandling før de slippes ut i vannforekomster, honning. kontroll over helsetilstanden til arbeidere, over samsvar med hygieniske standarder for det tillatte innholdet av U. og dets forbindelser i miljøet.

V. F. Kirillov.

Litt.: Læren om radioaktivitet. Historie og modernitet, red. B. M. Kedrova. Moskva, 1973. Petrosyants A. M., From scientific search to the nuclear industry, M., 1970; Emelyanov V. S., Evstyukhin A. I., Metallurgy of nuclear fuel, M., 1964; Sokursky Yu. N., Sterlin Ya. M., Fedorchenko V. A., Uranus og dets legeringer, M., 1971; Evseeva L. S., Perelman A. I., Ivanov K. E., Geochemistry of uranium in the zone of hydrogenation, 2. utgave, M., 1974; Farmakologi og toksikologi av uranforbindelser, [overs. fra engelsk], vol. 2, M., 1951; Guskova V. N., Uranus. Strålingshygienisk karakteristikk, M., 1972; Andreeva O. S., Arbeidshelse ved arbeid med uran og dets forbindelser, M., 1960; Novikov Yu.V., Hygieniske spørsmål ved å studere innholdet av uran i miljøet og dets effekt på kroppen, M., 1974.

Uran (U) er et grunnstoff med atomnummer 92 og atomvekt 238,029. Det er et radioaktivt kjemisk element av III-gruppen i det periodiske systemet til Dmitry Ivanovich Mendeleev, tilhører familien av aktinider. Uran er et veldig tungt (2,5 ganger tyngre enn jern, mer enn 1,5 ganger tyngre enn bly), sølvhvitt blankt metall. I sin rene form er den litt mykere enn stål, formbar, fleksibel og har små paramagnetiske egenskaper.

Naturlig uran består av en blanding av tre isotoper: 238U (99,274%) med en halveringstid på 4,51∙109 år; 235U (0,702%) med en halveringstid på 7,13∙108 år; 234U (0,006%) med en halveringstid på 2,48∙105 år. Den siste isotopen er ikke primær, men radiogen; den er en del av den radioaktive serien 238U. Uranisotopene 238U og 235U er forfedre til to radioaktive serier. De siste elementene i disse seriene er blyisotopene 206Pb og 207Pb.

For tiden er det kjent 23 kunstige radioaktive isotoper av uran med massetall fra 217 til 242. Blant dem er 233U med en halveringstid på 1,62∙105 år den lengstlevende. Det oppnås som et resultat av nøytronbestråling av thorium, i stand til fisjon under påvirkning av termiske nøytroner.

Uran ble oppdaget i 1789 av den tyske kjemikeren Martin Heinrich Klaproth som et resultat av hans eksperimenter med mineralet bekblende. Navnet på det nye elementet var til ære for den nylig oppdagede (1781) planeten Uranus av William Herschel. I det neste halve århundret ble stoffet oppnådd av Klaproth ansett som et metall, men i 1841 ble dette tilbakevist av den franske kjemikeren Eugene Melchior Peligot, som beviste oksidnaturen til uran (UO2) oppnådd av den tyske kjemikeren. Peligo klarte selv å skaffe metallisk uran ved å redusere UCl4 med metallisk kalium, samt å bestemme atomvekt nytt element. Den neste i utviklingen av kunnskap om uran og dets egenskaper var D. I. Mendeleev - i 1874, basert på teorien han utviklet om periodisering av kjemiske elementer, plasserte han uran i den fjerneste cellen i bordet sitt. Atomvekten til uran (120) tidligere bestemt av Peligo ble doblet av den russiske kjemikeren, riktigheten av slike antakelser ble bekreftet tolv år senere av eksperimentene til den tyske kjemikeren Zimmermann.

I mange tiår var uran bare av interesse for en smal krets av kjemikere og naturvitere, bruken var også begrenset - produksjon av glass og maling. Først med oppdagelsen av radioaktiviteten til dette metallet (i 1896 av Henri Becquerel) begynte den industrielle behandlingen av uranmalm i 1898. Mye senere (1939) ble fenomenet kjernefysisk fisjon oppdaget, og siden 1942 har uran blitt det viktigste atombrenselet.

Den viktigste egenskapen til uran er at kjernene til noen av dets isotoper er i stand til fisjon når de fanger nøytroner, som et resultat av denne prosessen frigjøres en enorm mengde energi. Denne egenskapen til grunnstoff nr. 92 brukes i atomreaktorer som tjener som energikilder, og ligger også til grunn for atombombens virkning. Uran brukes i geologi for å bestemme alderen på mineraler og steiner for å klargjøre rekkefølgen av geologiske prosesser (geokronologi). På grunn av det faktum at bergarter inneholder forskjellige konsentrasjoner av uran, har de ulik radioaktivitet. Denne egenskapen brukes i valg av bergarter ved geofysiske metoder. Denne metoden er mest brukt i petroleumsgeologi for brønnlogging. Uranforbindelser ble brukt som maling for maling på porselen og til keramiske glasurer og emaljer (farget i farger: gul, brun, grønn og svart, avhengig av oksidasjonsgrad), for eksempel ble natriumuranat Na2U2O7 brukt som gult pigment i maleri.

Biologiske egenskaper

Uran er et ganske vanlig grunnstoff i biologisk miljø , noen typer sopp og alger anses å være konsentratorer av dette metallet, som er inkludert i kjeden av den biologiske syklusen av uran i naturen i henhold til ordningen: vann - vannplanter - fisk - menneske. Med mat og vann kommer uran således inn i kroppen til mennesker og dyr, og mer presist, inn i mage-tarmkanalen, hvor omtrent en prosent av de innkommende lettløselige forbindelsene og ikke mer enn 0,1 % av tungtløselige forbindelser absorberes. I luftveiene og lungene, så vel som i slimhinnene og huden, kommer dette elementet inn med luft. I luftveiene, og spesielt lungene, er absorpsjonen mye mer intens: lettløselige forbindelser absorberes med 50 %, og tungt løselige med 20 %. Dermed finnes uran i små mengder (10-5 - 10-8%) i vevet til dyr og mennesker. I planter (i den tørre resten) avhenger konsentrasjonen av uran av innholdet i jorden, så ved en jordkonsentrasjon på 10-4% inneholder planten 1,5∙10-5% eller mindre. Fordelingen av uran i vev og organer er ujevn, de viktigste akkumuleringsstedene er beinvev (skjelett), lever, milt, nyrer, samt lunger og bronko-lunge lymfeknuter (når tungtløselige forbindelser kommer inn i lungene). Uran (karbonater og komplekser med proteiner) blir raskt eliminert fra blodet. I gjennomsnitt er innholdet av det 92. elementet i organer og vev til dyr og mennesker 10-7%. For eksempel inneholder blodet til storfe 1∙10-8 g/ml uran, mens menneskeblod inneholder 4∙10-10 g/g. Storfelever inneholder 8∙10-8 g/g, hos mennesker i samme organ 6∙10-9 g/g; milten til storfe inneholder 9∙10-8 g/g, hos mennesker - 4,7∙10-7 g/g. I muskelvevet til storfe akkumuleres det opptil 4∙10-11 g/g. I tillegg, i menneskekroppen, er uran inneholdt i lungene i området 6∙10-9 - 9∙10-9 g/g; i nyrene 5,3∙10-9 g/g (kortikalt lag) og 1,3∙10-8 g/g (medulla); i benvev 1∙10-9 g/g; i benmargen 1∙10-8 g/g; i hår 1,3∙10-7 g/g. Uranet i beinene forårsaker konstant bestråling av beinvev (perioden for fullstendig fjerning av uran fra skjelettet er 600 dager). Minst av alt dette metallet i hjernen og hjertet (ca. 10-10 g/g). Som nevnt tidligere er de viktigste måtene uran kommer inn i kroppen på vann, mat og luft. Den daglige dosen av metall som kommer inn i kroppen med mat og væske er 1,9∙10-6 g, med luft - 7∙10-9 g. Hver dag skilles imidlertid uran ut fra kroppen: med urin fra 0,5∙10-7 g opptil 5∙10-7 g; med avføring fra 1,4∙10-6 g til 1,8∙10-6 g. Tap med hår, negler og døde hudflak - 2∙10-8 g.

Forskere antyder at uran i små mengder er nødvendig for normal funksjon av menneskekroppen, dyr og planter. Imidlertid har dens rolle i fysiologi ennå ikke blitt belyst. Det er fastslått at gjennomsnittlig innhold av det 92. elementet i menneskekroppen er ca. 9∙10-5 g (International Commission on Radiation Protection). Riktignok varierer dette tallet noe for forskjellige regioner og territorier.

Til tross for sin ennå ukjente, men bestemte biologiske rolle i levende organismer, er uran fortsatt et av de farligste grunnstoffene. Først av alt manifesteres dette i den giftige effekten av dette metallet, som skyldes dets kjemiske egenskaper, spesielt løseligheten til forbindelser. Så for eksempel er løselige forbindelser (uranyl og andre) mer giftige. Oftest forekommer forgiftning med uran og dets forbindelser ved anrikningsanlegg, bedrifter for utvinning og prosessering av uranråvarer og andre produksjonsanlegg der uran er involvert i teknologiske prosesser.

Trenger inn i kroppen, uran påvirker absolutt alle organer og deres vev, fordi handlingen skjer på cellenivå: det hemmer aktiviteten til enzymer. Nyrene påvirkes først og fremst, noe som viser seg i en kraftig økning i sukker og protein i urinen, og utvikler deretter oliguri. Mage-tarmkanalen og leveren er påvirket. Uranforgiftning er delt inn i akutt og kronisk, sistnevnte utvikler seg gradvis og kan være asymptomatisk eller med milde manifestasjoner. Imidlertid fører senere kronisk forgiftning til forstyrrelser i hematopoiesis, nervesystemet og andre alvorlige helseproblemer.

Et tonn granittstein inneholder omtrent 25 gram uran. Energien som kan frigjøres ved forbrenning av disse 25 gram i en reaktor er sammenlignbar med energien som frigjøres ved forbrenning av 125 tonn kull i ovnene til kraftige termiske kjeler! Basert på disse dataene kan det antas at granitt i nær fremtid vil bli betraktet som en av typene mineralbrensel. Totalt inneholder det relativt tynne, tjue kilometer lange overflatelaget av jordskorpen omtrent 1014 tonn uran, når det omdannes til en energiekvivalent, oppnås et ganske enkelt kolossalt tall - 2.36.1024 kilowattimer. Selv alle de utviklede, utforskede og potensielle forekomstene av brennbare mineraler samlet er ikke i stand til å gi enda en milliondel av denne energien!

Det er kjent at uranlegeringer som utsettes for varmebehandling er preget av høy flytegrense, kryp og økt korrosjonsmotstand, mindre tilbøyelighet til å endre produkter under temperatursvingninger og under påvirkning av bestråling. Ut fra disse prinsippene ble uran i form av karbid på begynnelsen av 1900-tallet og frem til trettiårene brukt i produksjonen av verktøystål. I tillegg gikk han for å erstatte wolfram i noen legeringer, noe som var billigere og rimeligere. Ved produksjon av ferrouran var andelen U opptil 30 %. Riktignok ble slik bruk av uran til intet i den andre tredjedelen av det 20. århundre.

Som du vet, er det i innvollene på jorden vår en konstant prosess med forfall av urne-isotoper. Så, forskere har beregnet at den øyeblikkelige frigjøringen av energien til hele massen av dette metallet, innelukket i jordskallet, ville varme opp planeten vår til en temperatur på flere tusen grader! Imidlertid er et slikt fenomen heldigvis umulig - tross alt frigjøres varme gradvis - ettersom kjernene til uran og dets derivater gjennomgår en rekke langsiktige radioaktive transformasjoner. Varigheten av slike transformasjoner kan bedømmes ut fra halveringstidene til naturlige uranisotoper, for eksempel for 235U er det 7108 år, og for 238U - 4,51109 år. Imidlertid varmer uranvarme jorden betydelig opp. Hvis det var like mye uran i hele jordens masse som i det øvre tjue kilometer laget, ville temperaturen på planeten vært mye høyere enn nå. Men når man beveger seg mot jordens sentrum, synker konsentrasjonen av uran.

I atomreaktorer behandles bare en liten del av det ladede uranet, dette skyldes slagging av brenselet med fisjonsprodukter: 235U brenner ut, kjedereaksjonen avtar gradvis. Imidlertid er drivstoffstaver fortsatt fylt med kjernebrensel, som må gjenbrukes. For å gjøre dette demonteres de gamle brenselelementene og sendes til prosessering - de løses opp i syrer, og uranet ekstraheres fra den resulterende løsningen ved ekstraksjon, fisjonsfragmentene som må destrueres forblir i løsningen. Dermed viser det seg at uranindustrien er praktisk talt avfallsfri kjemisk produksjon!

Planter for separasjon av uranisotoper okkuperer et område på flere titalls hektar, omtrent samme størrelsesorden og arealet av porøse partisjoner i separasjonskaskadene til planten. Dette skyldes kompleksiteten til diffusjonsmetoden for å separere uranisotoper - for å øke konsentrasjonen av 235U fra 0,72 til 99%, trengs det tross alt flere tusen diffusjonstrinn!

Ved å bruke uran-bly-metoden klarte geologer å finne ut alderen til de eldste mineralene, mens de studerte meteorittbergarter, klarte de å bestemme den omtrentlige datoen for fødselen til planeten vår. Takket være "uran klokken" bestemte alderen på månejorden. Interessant nok viste det seg at det i 3 milliarder år ikke har vært vulkansk aktivitet på Månen, og jordens naturlige satellitt forblir en passiv kropp. Tross alt har selv de yngste delene av månestoffet levd lenger enn alderen til de eldste terrestriske mineralene.

Historie

Bruken av uran begynte for veldig lenge siden – allerede på 100-tallet f.Kr. ble naturlig uranoksid brukt til å lage en gul glasur som ble brukt i farging av keramikk.

I moderne tid foregikk studiet av uran gradvis - i flere stadier, med en kontinuerlig økning. Begynnelsen var oppdagelsen av dette grunnstoffet i 1789 av den tyske naturfilosofen og kjemikeren Martin Heinrich Klaproth, som restaurerte den gyllen-gule "jorden" utvunnet fra saksisk harpiksmalm ("uranbek") til et svart metalllignende stoff (uran). oksid - UO2). Navnet ble gitt til ære for den fjerneste planeten kjent på den tiden - Uranus, som igjen ble oppdaget i 1781 av William Herschel. Ved dette slutter det første stadiet i studiet av et nytt element (Klaproth var sikker på at han hadde oppdaget et nytt metall), det kommer en pause på mer enn femti år.

Året 1840 kan betraktes som begynnelsen på en ny milepæl i uranforskningens historie. Det var fra dette året at en ung kjemiker fra Frankrike, Eugene Melchior Peligot (1811-1890), tok opp problemet med å skaffe metallisk uran, snart (1841) lyktes han - metallisk uran ble oppnådd ved å redusere UCl4 med metallisk kalium. I tillegg beviste han at uranet som ble oppdaget av Klaproth, faktisk bare var dets oksid. Franskmannen bestemte også den estimerte atomvekten til det nye elementet - 120. Så igjen er det en lang pause i studiet av egenskapene til uran.

Først i 1874 dukker det opp nye antakelser om urans natur: Dmitry Ivanovich Mendeleev, etter teorien han utviklet om periodisering av kjemiske elementer, finner et sted for et nytt metall i tabellen hans, og plasserer uran i den siste cellen. I tillegg øker Mendeleev den tidligere antatte atomvekten til uran med to, uten å ta feil i dette heller, noe som ble bekreftet av eksperimentene til den tyske kjemikeren Zimmermann 12 år senere.

Siden 1896 har funn innen feltet for å studere egenskapene til uran "falt ned" den ene etter den andre: i året nevnt ovenfor, ganske ved et uhell (når han studerte fosforescensen til kaliumuranylsulfatkrystaller), 43 år gammel fysikkprofessor Antoine Henri Becquerel oppdager Becquerel Rays, senere omdøpt til radioaktivitet av Marie Curie. Samme år utvikler Henri Moissan (igjen kjemiker fra Frankrike) en metode for å skaffe rent metallisk uran.

I 1899 oppdaget Ernest Rutherford inhomogeniteten til strålingen fra uranpreparater. Det viste seg at det er to typer stråling - alfa- og beta-stråler, forskjellige i egenskapene deres: de bærer en annen elektrisk ladning, har en annen veilengde i et stoff, og deres ioniserende evne er også forskjellig. Et år senere ble gammastråler også oppdaget av Paul Villard.

Ernest Rutherford og Frederick Soddy utviklet i fellesskap teorien om uranradioaktivitet. Basert på denne teorien foretok Rutherford i 1907 de første eksperimentene for å bestemme alderen på mineraler i studien radioaktivt uran og thorium. I 1913 introduserte F. Soddy konseptet med isotoper (fra det gamle greske iso - "lik", "samme", og topos - "sted"). I 1920 foreslo den samme vitenskapsmannen at isotoper kunne brukes til å bestemme den geologiske alderen til bergarter. Hans antakelser viste seg å være riktige: i 1939 laget Alfred Otto Karl Nier de første ligningene for å beregne alder og brukte et massespektrometer for å skille isotoper.

I 1934 gjennomførte Enrico Fermi en serie eksperimenter på bombardement av kjemiske elementer med nøytroner – partikler oppdaget av J. Chadwick i 1932. Som et resultat av denne operasjonen dukket det opp tidligere ukjente radioaktive stoffer i uran. Fermi og andre forskere som deltok i eksperimentene hans antydet at de hadde oppdaget transuranelementer. I fire år ble det gjort forsøk på å oppdage transuranelementer blant produktene fra nøytronbombardement. Det hele tok slutt i 1938, da de tyske kjemikerne Otto Hahn og Fritz Strassmann fant ut at ved å fange et fritt nøytron deles kjernen til 235U uranisotopen, og det frigjøres en tilstrekkelig stor energi (per en urankjerne), hovedsakelig pga. kinetiske energifragmenter og stråling. Gå videre tyske kjemikere mislyktes. Lisa Meitner og Otto Frisch var i stand til å underbygge sin teori. Denne oppdagelsen var opphavet til bruken av intraatomær energi, både til fredelige og militære formål.

Å være i naturen

Gjennomsnittlig innhold av uran i jordskorpen (clarke) er 3∙10-4 masseprosent, noe som betyr at det er mer i jordens tarm enn sølv, kvikksølv, vismut. Uran er et karakteristisk grunnstoff for granittlaget og sedimentære skallet på jordskorpen. Så, i et tonn granitt er det omtrent 25 gram av grunnstoff nr. 92. Totalt er det mer enn 1000 tonn uran i det relativt tynne, tjue kilometer, øvre laget av jorden. I sure magmatiske bergarter 3,5∙10-4%, i leire og skifer 3,2∙10-4%, spesielt anriket på organisk materiale, i basiske bergarter 5∙10-5%, i ultrabasiske bergarter av mantelen 3∙10-7% .

Uran migrerer kraftig i kaldt og varmt, nøytralt og alkalisk vann i form av enkle og komplekse ioner, spesielt i form av karbonatkomplekser. En viktig rolle i geokjemien til uran spilles av redoksreaksjoner, alt fordi uranforbindelser som regel er svært løselige i vann med et oksiderende miljø og lite løselige i vann med et reduserende miljø (hydrogensulfid).

Mer enn hundre mineralmalmer av uran er kjent, de er forskjellige i kjemisk sammensetning, opprinnelse, konsentrasjon av uran, av hele variasjonen er bare et dusin av praktisk interesse. De viktigste representantene for uran, som har størst industriell betydning, i naturen kan betraktes som oksider - uraninitt og dens varianter (nasturan og uran svart), samt silikater - kiste, titanater - daviditt og branneritt; vandige fosfater og uranylarsenater - uranglimmer.

Uraninitt - UO2 er hovedsakelig tilstede i de gamle - prekambriske bergarter i form av klare krystallinske former. Uraninitt danner isomorfe serier med thorianitt ThO2 og yttrocerianitt (Y,Ce)O2. I tillegg inneholder alle uraninitter radiogene nedbrytningsprodukter av uran og thorium: K, Po, He, Ac, Pb, samt Ca og Zn. Uraninitt i seg selv er et høytemperaturmineral, karakteristisk for granitt- og syenittpegmatitter i forbindelse med komplekse uran-niob-tantal-titanater (columbitte, pyroklor, samarskitt og andre), zirkon og monazitt. I tillegg forekommer uraninitt i hydrotermiske bergarter, skarn og sedimentære bergarter. Store forekomster av uraninitt er kjent i Canada, Afrika, USA, Frankrike og Australia.

Nasturan (U3O8), også kjent som uranbek eller bekblende, som danner kryptokrystallinske kollomorfe aggregater, er et vulkanogent og hydrotermisk mineral, tilstede i paleozoiske og yngre høy- og middeltemperaturformasjoner. De konstante følgesvennene til bekblende er sulfider, arsenider, naturlig vismut, arsen og sølv, karbonater og noen andre grunnstoffer. Disse malmene er svært rike på uran, men ekstremt sjeldne, ofte ledsaget av radium, er dette lett å forklare: radium er et direkte produkt av isotopisk nedbrytning av uran.

Uransorte (løse jordiske tilslag) er hovedsakelig representert i unge - kenozoiske og yngre formasjoner, karakteristiske for hydrotermisk uransulfid og sedimentære avsetninger.

Uran utvinnes også som et biprodukt fra malmer som inneholder mindre enn 0,1 %, for eksempel fra gullholdige konglomerater.

De viktigste forekomstene av uranmalm er lokalisert i USA (Colorado, Nord- og Sør-Dakota), Canada (provinsene Ontario og Saskatchewan), Sør-Afrika (Witwatersrand), Frankrike (Central Massif), Australia (Northern Territory) og mange andre land . I Russland er den viktigste uranmalm-regionen Transbaikalia. Omtrent 93 % av russisk uran utvinnes ved forekomsten i Chita-regionen (nær byen Krasnokamensk).

applikasjon

Moderne kjernekraft er rett og slett utenkelig uten grunnstoff nr. 92 og dets egenskaper. Selv om det ikke er så lenge siden - før lanseringen av den første atomreaktoren, ble uranmalm utvunnet hovedsakelig for å trekke ut radium fra dem. Små mengder uranforbindelser har blitt brukt i noen fargestoffer og katalysatorer. Faktisk ble uran betraktet som et element av nesten ingen industriell verdi, og hvor dramatisk endret situasjonen seg etter oppdagelsen av urangisotopenes evne til å spalte seg! Dette metallet fikk øyeblikkelig status som strategisk råmateriale nr. 1.

I dag er hovedbruksområdet for metallisk uran, så vel som dets forbindelser, drivstoff for atomreaktorer. Således brukes en lavanriket (naturlig) blanding av uranisotoper i stasjonære kjernekraftverksreaktorer, mens høyanriket uran brukes i kjernekraftverk og raske nøytronreaktorer.

Uranisotopen 235U har størst anvendelse, fordi det er mulig for en selvopprettholdende kjernefysisk kjedereaksjon, som ikke er typisk for andre uranisotoper. Takket være denne egenskapen brukes 235U som drivstoff i atomreaktorer, så vel som i atomvåpen. Imidlertid er isoleringen av 235U-isotopen fra naturlig uran et komplekst og kostbart teknologisk problem.

Den mest tallrike uranisotopen i naturen, 238U, kan spaltes når den bombarderes med høyenerginøytroner. Denne egenskapen til denne isotopen brukes til å øke kraften til termonukleære våpen - nøytroner generert av en termonukleær reaksjon brukes. I tillegg hentes plutoniumisotopen 239Pu fra 238U isotopen, som igjen også kan brukes i atomreaktorer og i atombomben.

Nylig har uranisotopen 233U, kunstig oppnådd i reaktorer fra thorium, blitt mye brukt; den er oppnådd ved å bestråle thorium i nøytronfluksen til en atomreaktor:

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

233U spaltes av termiske nøytroner, i tillegg kan utvidet reproduksjon av kjernebrensel forekomme i reaktorer med 233U. Så når et kilogram 233U brenner ut i en thoriumreaktor, bør 1,1 kg ny 233U samle seg i den (som et resultat av thoriumkjerners fangst av nøytroner). I nær fremtid er uran-thorium-syklusen i termiske nøytronreaktorer hovedkonkurrenten til uran-plutonium-syklusen for avl av kjernebrensel i raske nøytronreaktorer. Reaktorer som bruker denne nukliden som drivstoff eksisterer allerede og er i drift (KAMINI i India). 233U er også det mest lovende drivstoffet for gassfase kjernefysiske rakettmotorer.

Andre kunstige uranisotoper spiller ingen nevneverdig rolle.

Etter at de "nødvendige" isotopene 234U og 235U er utvunnet fra naturlig uran, kalles det gjenværende råmaterialet (238U) "utarmet uran", det er halvparten så radioaktivt som naturlig uran, hovedsakelig på grunn av fjerning av 234U fra det. Siden hovedbruken av uran er energiproduksjon, er utarmet uran av denne grunn et lavbruksprodukt med lav økonomisk verdi. Men på grunn av den lave prisen, samt dens høye tetthet og ekstremt høye fangstverrsnitt, brukes den til strålingsskjerming og som ballast i romfartsapplikasjoner som flykontrolloverflater. I tillegg brukes utarmet uran som ballast i romfartsfartøyer og racingyachter; i høyhastighets gyroskoprotorer, store svinghjul, oljeboring.

Den mest kjente bruken av utarmet uran er imidlertid bruken av det i militære applikasjoner - som kjerner for pansergjennomtrengende prosjektiler og moderne tankpanser, som for eksempel M-1 Abrams-tanken.

Mindre kjente anvendelser av uran er hovedsakelig assosiert med dets forbindelser. Så en liten tilsetning av uran gir en vakker gul-grønn fluorescens til glass, noen uranforbindelser er lysfølsomme, av denne grunn ble uranylnitrat mye brukt for å forbedre negativer og farge (nyanse) positiver (fotografiske utskrifter) brune.

Karbid 235U legert med niobkarbid og zirkoniumkarbid brukes som drivstoff for kjernefysiske jetmotorer. Legeringer av jern og utarmet uran (238U) brukes som kraftige magnetostriktive materialer. Natriumuranat Na2U2O7 ble brukt som gult pigment i maling, tidligere uranforbindelser ble brukt som maling for maling på porselen og til keramiske glasurer og emaljer (farget i farger: gul, brun, grønn og svart, avhengig av graden av oksidasjon).

Produksjon

Uran er hentet fra uranmalm, som avviker betydelig i en rekke egenskaper (i henhold til dannelsesforholdene, ved "kontrast", av innholdet av nyttige urenheter, etc.), hvorav den viktigste er prosentandelen av uran. I henhold til denne funksjonen skilles fem kvaliteter av malm: veldig rik (inneholder over 1% uran); rik (1-0,5%); medium (0,5-0,25%); vanlig (0,25-0,1%) og dårlig (mindre enn 0,1%). Men selv fra malmer som inneholder 0,01-0,015 % uran, utvinnes dette metallet som et biprodukt.

I løpet av årene med utvikling av uranråvarer er det utviklet mange metoder for å skille uran fra malm. Dette skyldes både den strategiske betydningen av uran i enkelte områder, og mangfoldet av dets naturlige manifestasjoner. Til tross for all mangfoldet av metoder og råmateriale, består enhver uranproduksjon av tre stadier: foreløpig konsentrasjon av uranmalm; utlekking av uran og oppnå tilstrekkelig rene uranforbindelser ved utfelling, ekstraksjon eller ionebytting. Videre, avhengig av formålet med det resulterende uranet, følger anrikningen av produktet med 235U isotopen, eller umiddelbart reduksjonen av elementært uran.

Så til å begynne med konsentreres malmen - steinen knuses og fylles med vann. I dette tilfellet utfelles de tyngre elementene i blandingen raskere. I bergarter som inneholder primære uranmineraler, skjer deres raske nedbør, siden de er veldig tunge. Ved konsentrering av malmer som inneholder sekundære mineraler av uran, skjer det sedimentering av gråberg, som er mye tyngre enn sekundære mineraler, men kan inneholde svært nyttige grunnstoffer.

Uranmalm er nesten ikke anriket, bortsett fra den organiske metoden for radiometrisk sortering, basert på γ-stråling av radium, som alltid følger med uran.

Neste trinn i uranproduksjonen er utlekking, så uranet går i løsning. I utgangspunktet utlutes malmer med løsninger av svovelsyre, noen ganger salpetersyre eller sodaløsninger med overføring av uran til en sur løsning i form av UO2SO4 eller komplekse anioner, og til en sodaløsning i form av et 4-kompleks anion. Metoden der svovelsyre brukes er billigere, men den er ikke alltid anvendelig - hvis råvaren inneholder firverdig uran (uranharpiks), som ikke løses opp i svovelsyre. I slike tilfeller brukes alkalisk utluting eller det fireverdige uranet oksideres til seksverdig tilstand. Bruk av kaustisk soda ( kaustisk soda) er nyttig ved utvasking av malm som inneholder magnesit eller dolomitt, som krever for mye syre for å løses opp.

Etter utlutingstrinnet inneholder løsningen ikke bare uran, men også andre grunnstoffer, som i likhet med uran ekstraheres med de samme organiske løsningsmidlene, utfelles på de samme ionebytterharpiksene og utfelles under de samme forholdene. I en slik situasjon, for selektiv isolering av uran, må man bruke mange redoksreaksjoner for å utelukke et uønsket grunnstoff på forskjellige stadier. En av fordelene med ionebytte- og ekstraksjonsmetoder er at uran ekstraheres ganske fullstendig fra dårlige løsninger.

Etter alle disse operasjonene overføres uran til en fast tilstand - til et av oksidene eller til UF4-tetrafluorid. Slikt uran inneholder urenheter med et stort termisk nøytronfangstverrsnitt - litium, bor, kadmium og sjeldne jordmetaller. I sluttproduktet bør innholdet ikke overstige hundretusendeler og milliondeler av en prosent! For å gjøre dette løses uranet igjen, denne gangen i salpetersyre. Uranylnitrat UO2(NO3)2 under ekstraksjon med tributylfosfat og noen andre stoffer renses i tillegg til de nødvendige forholdene. Dette stoffet blir deretter krystallisert (eller utfelt) og forsiktig antent. Som et resultat av denne operasjonen dannes urantrioksid UO3, som reduseres med hydrogen til UO2. Ved temperaturer fra 430 til 600 ° C reagerer uranoksid med tørt hydrogenfluorid og blir til UF4-tetrafluorid. Allerede fra denne forbindelsen oppnås vanligvis metallisk uran ved hjelp av kalsium eller magnesium ved konvensjonell reduksjon.

Fysiske egenskaper

Metallisk uran er veldig tungt, det er to og en halv ganger tyngre enn jern, og halvannen ganger tyngre enn bly! Dette er et av de tyngste elementene som er lagret i jordens tarmer. Med sin sølvhvite farge og glans, ligner uran stål. rent metall plast, myk, har høy tetthet, men samtidig er den enkel å behandle. Uran er elektropositivt, har ubetydelige paramagnetiske egenskaper - den spesifikke magnetiske følsomheten ved romtemperatur er 1,72 10 -6, Den har lav elektrisk ledningsevne, men høy reaktivitet. Dette elementet har tre allotropiske modifikasjoner: α, β og γ. α-form har et rombisk krystallgitter med følgende parametere: a = 2,8538 Å, b = 5,8662 Å, c = 469557 Å. Denne formen er stabil i temperaturområdet fra romtemperatur til 667,7° C. Tettheten av uran i α-formen ved 25°C er 19,05±0,2 g/cm 3 . β-formen har et tetragonalt krystallgitter, er stabil i temperaturområdet fra 667,7°C til 774,8°C. Parametrene til det firkantede gitteret: a = 10,759 Å, b = 5,656 Å. γ-form med kroppssentrert kubisk struktur, stabil fra 774,8°C til smeltepunkt (1132°C).

Du kan se alle tre fasene i prosessen med uranreduksjon. For dette brukes et spesielt apparat, som er et sømløst stålrør, som er foret med kalsiumoksid, det er nødvendig at stålet i røret ikke samhandler med uran. En blanding av uran og magnesium (eller kalsium) tetrafluorid lastes inn i apparatet, hvoretter det varmes opp til 600 ° C. Når denne temperaturen er nådd, slås en elektrisk sikring på, den strømmer øyeblikkelig. eksoterm reduksjonsreaksjon, mens den ladede blandingen smelter fullstendig. Flytende uran (temperatur 1132 ° C) synker på grunn av sin vekt fullstendig til bunnen. Etter fullstendig avsetning av uran på bunnen av apparatet begynner avkjølingen, uran krystalliserer, atomene stiller seg opp i en streng rekkefølge og danner et kubisk gitter - dette er γ-fasen. Den neste overgangen skjer ved 774°C - krystallgitteret til kjølemetallet blir tetragonalt, som tilsvarer β-fasen. Når temperaturen på barren synker til 668°C, omorganiserer atomene sine rader igjen, arrangert i bølger i parallelle lag - α-fasen. Det er ingen ytterligere endringer.

Hovedparametrene til uran refererer alltid til α-fasen. Smeltepunkt (tsmelt) 1132°C, kokepunkt for uran (tkoke) 3818°C Spesifikk varme ved romtemperatur 27,67 kJ/(kg K) eller 6,612 cal/(g°C). Den spesifikke elektriske motstanden ved en temperatur på 25 ° C er omtrent 3 10 -7 ohm cm, og allerede ved 600 ° C 5,5 10 -7 ohm cm. Den termiske ledningsevnen til uran varierer også avhengig av temperatur: for eksempel, i området 100-200 ° C, er den 28,05 W / (m K) eller 0,067 cal / (cm sek ° C), og når den stiger til 400 ° C, den øker opp til 29,72 W / (m K) 0,071 cal / (cm sek ° C). Uran har superledning ved 0,68 K. Gjennomsnittlig Brinell-hardhet er 19,6 - 21,6·10 2 MN / m 2 eller 200-220 kgf / mm 2.

Mange mekaniske egenskaper til det 92. elementet avhenger av dets renhet, på modusene for termisk og mekanisk prosessering. Så for støpt uran bruddstyrke ved romtemperatur 372-470 MN/m 2 eller 38-48 kgf/mm 2, gjennomsnittsverdien av elastisitetsmodulen 20,5·10 -2 MN/m2 eller 20,9·10 -3 kgf/mm 2 . Styrken til uran øker etter bråkjøling fra β- og γ-faser.

Bestråling av uran med en nøytronfluks, interaksjon med vann som avkjøler drivstoffelementer laget av metallisk uran, og andre driftsfaktorer i kraftige termiske nøytronreaktorer - alt dette fører til endringer i de fysiske og mekaniske egenskapene til uran: metallet blir sprøtt, kryp utvikler seg, deformasjon av produkter fra metallisk uran oppstår . Av denne grunn brukes uranlegeringer i atomreaktorer, for eksempel med molybden, en slik legering er motstandsdyktig mot vann, styrker metallet, samtidig som det opprettholder et kubisk gitter med høy temperatur.

Kjemiske egenskaper

Kjemisk er uran et veldig aktivt metall. I luft oksiderer det med dannelse av en iriserende film av UO2-dioksid på overflaten, som ikke beskytter metallet mot ytterligere oksidasjon, slik det skjer med titan, zirkonium og en rekke andre metaller. Med oksygen danner uran UO2-dioksid, UO3-trioksid og et stort nummer av mellomliggende oksider, hvorav den viktigste er U3O8, disse oksidene ligner i egenskaper på UO2 og UO3. I pulverisert tilstand er uran pyrofor og kan antennes med lett oppvarming (150 ° C og over), forbrenning er ledsaget av en lys flamme, som til slutt danner U3O8. Ved en temperatur på 500-600 ° C interagerer uran med fluor for å danne grønne nåleformede krystaller som er lett løselige i vann og syrer - urantetrafluorid UF4, samt UF6 - heksafluorid (hvite krystaller som sublimerer uten å smelte ved en temperatur på 56,4 °C). UF4, UF6 er eksempler på samspillet mellom uran og halogener for å danne uranhalogenider. Uran kombineres lett med svovel, og danner en rekke forbindelser, hvorav den viktigste er amerikansk - kjernebrensel. Uran reagerer med hydrogen ved 220°C og danner UH3-hydrid, som er kjemisk svært aktivt. Ved ytterligere oppvarming spaltes UH3 til hydrogen og pulverisert uran. Interaksjon med nitrogen skjer ved høyere temperaturer - fra 450 til 700 ° C og atmosfærisk trykk oppnås U4N7 nitrid, med en økning i nitrogentrykk ved samme temperaturer kan UN, U2N3 og UN2 oppnås. Ved høyere temperaturer (750-800 °C) reagerer uran med karbon og danner monokarbid UC, dikarbid UC2 og U2C3. Uran interagerer med vann for å danne UO2 og H2, og med kaldt vann tregere, men mer aktiv med varmt. I tillegg fortsetter reaksjonen med damp ved temperaturer fra 150 til 250 °C. Dette metallet oppløses i saltsyre HCl og salpetersyre HNO3, mindre aktivt i høykonsentrert flussyre, reagerer sakte med svovelsyre H2SO4 og ortofosforsyre H3PO4. Produktene av reaksjoner med syrer er tetravalente salter av uran. Fra uorganiske syrer og salter av noen metaller (gull, platina, kobber, sølv, tinn og kvikksølv) er uran i stand til å fortrenge hydrogen. Uran interagerer ikke med alkalier.

I forbindelser er uran i stand til å vise følgende oksidasjonstilstander: +3, +4, +5, +6, noen ganger +2. U3+ finnes ikke naturlig og kan kun fås i laboratoriet. Femverdige uranforbindelser er for det meste ustabile og dekomponerer ganske lett til kvaternære og seksverdige uranforbindelser, som er de mest stabile. Seksverdig uran kjennetegnes ved dannelsen av uranylionet UO22+, hvis salter er farget i gul og er svært løselig i vann og mineralsyrer. Et eksempel på forbindelser av seksverdig uran er urantrioksid eller uranhydrid UO3 (oransje pulver), som har karakter av et amfotert oksid. Ved oppløsning i syrer dannes det salter, for eksempel uranklorid UO2Cl2. Under påvirkning av alkalier på løsninger av uranylsalter oppnås salter av uransyre H2UO4 - uranater og diuransyre H2U2O7 - diuranater, for eksempel natriumuranat Na2UO4 og natriumdiuranat Na2U2O7. Fireverdige uransalter (urantetraklorid UCl4) er grønne og mindre løselige. Når de utsettes for luft i lang tid, er forbindelser som inneholder firverdig uran vanligvis ustabile og blir til seksverdige. Uranylsalter som uranylklorid brytes ned i nærvær av sterkt lys eller organiske stoffer.

DEFINISJON

Uranus er det nittiandre grunnstoffet i det periodiske system. Betegnelse - U fra det latinske "uran". Ligger i den syvende perioden, IIIB gruppe. Refererer til metaller. Atomladningen er 92.

Uran er et sølvfarget metall med en blank overflate (fig. 1). Tung. Formbar, fleksibel og myk. Egenskapene til paramagneter er iboende. Uran er preget av tilstedeværelsen av tre modifikasjoner: α-uran (rombisk system), β-uran (tetragonalt system) og γ-uran (kubisk system), som hver eksisterer i et visst temperaturområde.

Ris. 1. Uranus. Utseende.

Atom- og molekylvekt av uran

Relativ molekylvekt til et stoff(M r) er et tall som viser hvor mange ganger massen til et gitt molekyl er større enn 1/12 av massen til et karbonatom, og relativ atommasse til et grunnstoff(A r) - hvor mange ganger den gjennomsnittlige massen av atomer til et kjemisk grunnstoff er større enn 1/12 av massen til et karbonatom.

Siden uran eksisterer i fri tilstand i form av monoatomiske molekyler U, verdiene av dets atom- og molekylær vekt kamp. De er lik 238,0289.

Isotoper av uran

Det er kjent at uran ikke har stabile isotoper, men naturlig uran består av en blanding av de isotopene 238 U (99,27%), 235 U og 234 U, som er radioaktive.

Det er ustabile isotoper av uran med massetall fra 217 til 242.

uranioner

På det ytre energinivået til uranatomet er det tre elektroner som er valens:

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.

Som et resultat av kjemisk interaksjon gir uran fra seg sine valenselektroner, dvs. er deres giver, og blir til et positivt ladet ion:

U 0 -3e → U 3+.

Molekyl og atom av uran

I fri tilstand eksisterer uran i form av monoatomiske molekyler U. Her er noen egenskaper som karakteriserer atomet og molekylet av uran:

Eksempler på problemløsning

EKSEMPEL 1

EKSEMPEL 2