Element chimic uraniu: proprietăți, caracteristici, formulă. Exploatarea și utilizarea uraniului

De unde a venit uraniul? Cel mai probabil, apare în timpul exploziilor supernovei. Cert este că, pentru nucleosinteza elementelor mai grele decât fierul, trebuie să existe un flux puternic de neutroni, care are loc chiar în timpul exploziei unei supernove. S-ar părea că mai târziu, atunci când se condensează din norul noilor sisteme stelare formate de acesta, uraniul, strâns într-un nor protoplanetar și fiind foarte greu, ar trebui să se cufunde în adâncurile planetelor. Dar nu este. Uraniul este un element radioactiv și eliberează căldură atunci când se descompune. Calculul arată că dacă uraniul ar fi distribuit uniform pe toată grosimea planetei, cel puțin cu aceeași concentrație ca la suprafață, atunci ar elibera prea multă căldură. Mai mult, debitul său ar trebui să scadă pe măsură ce uraniul este consumat. Deoarece nu se observă nimic de acest fel, geologii cred că cel puțin o treime din uraniu, și poate tot din el, este concentrat în scoarța terestră, unde conținutul său este de 2,5∙10 -4%. De ce s-a întâmplat acest lucru nu este discutat.

Unde se extrage uraniul? Uraniul de pe Pământ nu este atât de mic - în ceea ce privește prevalența, se află pe locul 38. Și mai ales acest element se află în rocile sedimentare - șisturi carbonice și fosforite: până la 8∙10 -3 și, respectiv, 2,5∙10 -2%. În total, scoarța terestră conține 10 14 tone de uraniu, dar problema principala prin faptul că este foarte dispersat și nu formează depozite puternice. Aproximativ 15 minerale de uraniu sunt de importanță industrială. Aceasta este smoala de uraniu - baza sa este oxid de uraniu tetravalent, mica de uraniu - diverși silicați, fosfați și compuși mai complecși cu vanadiu sau titan pe bază de uraniu hexavalent.

Ce sunt razele Becquerel? După descoperirea razelor X de către Wolfgang Roentgen, fizicianul francez Antoine-Henri Becquerel a devenit interesat de strălucirea sărurilor de uraniu, care apare sub acțiunea luminii solare. Voia să înțeleagă dacă există și aici raze X. Într-adevăr, au fost prezenți – sarea a luminat placa fotografică prin hârtia neagră. Într-unul dintre experimente, însă, sarea nu a fost iluminată, iar placa fotografică încă s-a întunecat. Când un obiect metalic a fost plasat între sare și placa fotografică, întunecarea sub acesta era mai mică. În consecință, noile raze nu au apărut deloc din cauza excitației uraniului de către lumină și nu au trecut parțial prin metal. Au fost numite la început „razele Becquerel”. Ulterior, s-a constatat că acestea sunt în principal raze alfa cu un mic adaos de raze beta: adevărul este că izotopii principali ai uraniului emit o particulă alfa în timpul dezintegrarii, iar produsele fiice experimentează, de asemenea, degradarea beta.

Cât de mare este radioactivitatea uraniului? Uraniul nu are izotopi stabili, toți sunt radioactivi. Cel mai longeviv este uraniul-238, cu un timp de înjumătățire de 4,4 miliarde de ani. Următorul este uraniu-235 - 0,7 miliarde de ani. Ambele suferă dezintegrare alfa și devin izotopii corespunzători ai toriului. Uraniul-238 reprezintă peste 99% din tot uraniul natural. Datorită timpului său lung de înjumătățire, radioactivitatea acestui element este mică și, în plus, particulele alfa nu sunt capabile să depășească stratul cornos de la suprafață. corpul uman. Ei spun că IV Kurchatov, după ce a lucrat cu uraniu, pur și simplu și-a șters mâinile cu o batistă și nu a suferit de nicio boală asociată cu radioactivitatea.

Cercetătorii au apelat în mod repetat la statisticile bolilor lucrătorilor din minele și fabricile de prelucrare a uraniului. De exemplu, iată un articol recent al experților canadieni și americani care au analizat datele privind sănătatea a peste 17.000 de muncitori la mina Eldorado din provincia canadiană Saskatchewan pentru anii 1950-1999 ( cercetarea mediului, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Ei au pornit de la faptul că radiațiile au cel mai puternic efect asupra înmulțirii rapide a celulelor sanguine, ducând la tipurile corespunzătoare de cancer. Statisticile au arătat că muncitorii minei au o boală tipuri variate mai puțin cancer de sânge decât canadianul mediu. În același timp, principala sursă de radiații este considerată nu uraniul în sine, ci radonul gazos generat de acesta și produsele sale de descompunere, care pot pătrunde în organism prin plămâni.

De ce este uraniul dăunător?? Acesta, ca și alte metale grele, este foarte toxic și poate provoca insuficiență renală și hepatică. Pe de altă parte, uraniul, fiind un element dispersat, este prezent inevitabil în apă, sol și, concentrându-se în lanțul trofic, intră în corpul uman. Este rezonabil să presupunem că, în procesul de evoluție, ființele vii au învățat să neutralizeze uraniul în concentrații naturale. Cel mai periculos uraniu este în apă, așa că OMS a stabilit o limită: la început a fost de 15 µg/l, dar în 2011 standardul a fost crescut la 30 µg/g. De regulă, există mult mai puțin uraniu în apă: în SUA, în medie, 6,7 μg / l, în China și Franța - 2,2 μg / l. Dar există și abateri puternice. Deci, în unele zone din California, este de o sută de ori mai mare decât standardul - 2,5 mg / l, iar în sudul Finlandei ajunge la 7,8 mg / l. Cercetătorii încearcă să înțeleagă dacă standardul OMS este prea strict, studiind efectul uraniului asupra animalelor. Iată o slujbă tipică BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Oamenii de știință francezi au hrănit șobolanii timp de nouă luni cu apă suplimentată cu uraniu sărăcit și într-o concentrație relativ mare - de la 0,2 la 120 mg / l. Valoarea inferioară este apa din apropierea minei, în timp ce cea superioară nu se găsește nicăieri - concentrația maximă de uraniu, măsurată în aceeași Finlanda, este de 20 mg/l. Spre surprinderea autorilor - articolul se intitulează: „Absența neașteptată a unui efect vizibil al uraniului asupra sistemelor fiziologice...” - uraniul nu a avut practic niciun efect asupra sănătății șobolanilor. Animalele au mâncat bine, au luat în greutate corespunzător, nu s-au plâns de boală și nu au murit de cancer. Uraniul, așa cum ar trebui să fie, a fost depus în primul rând în rinichi și oase și într-o cantitate de o sută de ori mai mică - în ficat, iar acumularea sa, așa cum era de așteptat, depindea de conținutul în apă. Cu toate acestea, acest lucru nu a dus la insuficiență renală sau chiar la apariția notabilă a oricăror markeri moleculari ai inflamației. Autorii au sugerat începerea unei revizuiri a ghidurilor stricte ale OMS. Cu toate acestea, există o avertizare: efectul asupra creierului. Era mai puțin uraniu în creierul șobolanilor decât în ​​ficat, dar conținutul său nu depindea de cantitatea din apă. Dar uraniul a afectat activitatea sistemului antioxidant al creierului: activitatea catalazei a crescut cu 20%, glutation peroxidaza a crescut cu 68-90%, în timp ce activitatea superoxid dismutazei a scăzut cu 50% indiferent de doză. Aceasta înseamnă că uraniul a cauzat în mod clar stres oxidativ în creier și organismul a reacţionat la acesta. Un astfel de efect - un efect puternic al uraniului asupra creierului în absența acumulării sale în el, de altfel, precum și în organele genitale - a fost observat mai devreme. În plus, apă cu uraniu la o concentrație de 75-150 mg/l, pe care cercetătorii de la Universitatea din Nebraska au hrănit șobolanii timp de șase luni ( Neurotoxicologie și Teratologie, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001) au afectat comportamentul animalelor, în principal masculi, eliberate în câmp: acestea au depășit liniile, s-au ridicat pe picioarele din spate și și-au periat blana, spre deosebire de cele de control. Există dovezi că uraniul duce, de asemenea, la tulburări de memorie la animale. Schimbarea comportamentului s-a corelat cu nivelul de oxidare a lipidelor din creier. Se pare că șobolanii din apa cu uraniu au devenit sănătoși, dar proști. Aceste date ne vor fi în continuare utile în analiza așa-numitului sindrom al Golfului Persic (Sindromul Războiului Golfului).

Uraniul poluează siturile de exploatare a gazelor de șist? Depinde de cât de mult uraniu este în rocile care conțin gaz și de cum este asociat cu acestea. De exemplu, profesorul asociat Tracy Bank de la Universitatea din Buffalo a explorat Marcelus Shale, care se întinde din vestul statului New York prin Pennsylvania și Ohio până în Virginia de Vest. S-a dovedit că uraniul este legat chimic tocmai cu sursa de hidrocarburi (reamintim că șisturile carbonice înrudite au cel mai mare conținut de uraniu). Experimentele au arătat că soluția folosită pentru fracturarea cusăturii dizolvă perfect uraniul. „Când uraniul din aceste ape se află la suprafață, poate provoca poluarea zonei înconjurătoare. Nu prezintă un risc de radiații, dar uraniul este un element otrăvitor”, notează Tracey Bank într-un comunicat de presă al universității din 25 octombrie 2010. Articole detaliate despre riscul poluării mediului cu uraniu sau toriu în timpul extracției gazelor de șist nu au fost încă pregătite.

De ce este nevoie de uraniu? Anterior, a fost folosit ca pigment pentru fabricarea ceramicii și a sticlei colorate. Acum uraniul este baza energiei nucleare și arme atomice. În acest caz, se folosește proprietatea sa unică - capacitatea nucleului de a se diviza.

Ce este fisiunea nucleară? Dezintegrarea nucleului în două bucăți mari inegale. Tocmai datorită acestei proprietăți, în timpul nucleosintezei datorită iradierii cu neutroni, se formează cu mare dificultate nuclee mai grele decât uraniul. Esența fenomenului este următoarea. Dacă raportul dintre numărul de neutroni și protoni din nucleu nu este optim, acesta devine instabil. De obicei, un astfel de nucleu ejectează fie o particulă alfa - doi protoni și doi neutroni, fie o particulă beta - un pozitron, care este însoțită de transformarea unuia dintre neutroni într-un proton. În primul caz, se obține un element al tabelului periodic, distanțat cu două celule înapoi, în al doilea - o celulă înainte. Cu toate acestea, nucleul de uraniu, pe lângă faptul că emite particule alfa și beta, este capabil de fisiune - se descompune în nucleele a două elemente din mijlocul tabelului periodic, cum ar fi bariu și cripton, ceea ce face, după ce a primit un nou neutron. . Acest fenomen a fost descoperit la scurt timp după descoperirea radioactivității, când fizicienii au expus tot ce aveau la radiația nou descoperită. Iată cum scrie despre aceasta Otto Frisch, un participant la evenimente (Uspekhi fizicheskikh nauk, 1968, 96, 4). După descoperirea razelor de beriliu - neutroni - Enrico Fermi le-a iradiat, în special, uraniul pentru a provoca degradarea beta - el spera să obțină următorul, al 93-lea element, numit acum neptuniu, pe cheltuiala lui. El a descoperit un nou tip de radioactivitate în uraniul iradiat, pe care l-a asociat cu apariția elementelor transuraniului. În acest caz, încetinirea neutronilor, pentru care sursa de beriliu a fost acoperită cu un strat de parafină, a crescut această radioactivitate indusă. Radiochimistul american Aristide von Grosse a sugerat că unul dintre aceste elemente era protactiniul, dar s-a înșelat. Dar Otto Hahn, care lucra atunci la Universitatea din Viena și considera că protactiniul descoperit în 1917 este o creație a lui, a decis că este obligat să afle ce elemente au fost obținute în acest caz. Împreună cu Lise Meitner, la începutul anului 1938, Hahn a sugerat, pe baza rezultatelor experimentelor, că se formează lanțuri întregi de elemente radioactive, care decurg din dezintegrari multiple beta ale nucleelor ​​de uraniu-238 care au absorbit neutronul și elementele fiice ale acestuia. Curând, Lise Meitner a fost forțată să fugă în Suedia, temându-se de posibile represalii din partea naziștilor după Anschluss-ul Austriei. Gan, continuându-și experimentele cu Fritz Strassmann, a descoperit că printre produse se afla și bariul, elementul numărul 56, care nu ar fi putut fi obținut în niciun fel din uraniu: toate lanțurile de descompunere al uraniului alfa se termină în plumb mult mai greu. Cercetătorii au fost atât de surprinși de rezultat, încât nu l-au publicat, au scris doar scrisori prietenilor, în special Lisei Meitner din Göteborg. Acolo, de Crăciunul anului 1938, nepotul ei, Otto Frisch, a vizitat-o ​​și, plimbându-se în vecinătatea orașului de iarnă - el este pe schiuri, mătușa este pe jos - au discutat despre posibilitatea apariției bariului în timpul iradierii uraniu din cauza fisiunii nucleare (pentru mai multe despre Lise Meitner, vezi „Chimie și viață”, 2013, nr. 4). Întors la Copenhaga, Frisch, literalmente pe pasarela unui vas cu aburi care pleacă în SUA, l-a prins pe Niels Bohr și l-a informat despre ideea divizării. Bor, plesnindu-și pe frunte, a spus: „O, ce proști am fost! Ar fi trebuit să observăm asta mai devreme.” În ianuarie 1939, Frisch și Meitner au publicat un articol despre fisiunea nucleelor ​​de uraniu sub acțiunea neutronilor. Până atunci, Otto Frisch pusese deja la punct un experiment de control, precum și multe grupuri americane care au primit un mesaj de la Bohr. Ei spun că fizicienii au început să se împrăștie în laboratoarele lor chiar în timpul raportului său din 26 ianuarie 1939, la Washington, la conferința anuală de fizică teoretică, când au înțeles esența ideii. După descoperirea fisiunii, Hahn și Strassmann și-au revizuit experimentele și au descoperit, la fel ca și colegii lor, că radioactivitatea uraniului iradiat nu este asociată cu transuraniul, ci cu dezintegrarea elementelor radioactive formate în timpul fisiunii de la mijlocul tabelului periodic.

Cum funcționează o reacție în lanț în uraniu? La scurt timp după ce a fost demonstrată experimental posibilitatea fisiunii nucleelor ​​de uraniu și toriu (și nu există alte elemente fisile pe Pământ în cantitate semnificativă), Niels Bohr și John Wheeler, care au lucrat la Princeton, precum și în mod independent fizicianul teoretician sovietic Ya I. Frenkel și germanii Siegfried Flügge și Gottfried von Droste au creat teoria fisiunii nucleare. Din el au urmat două mecanisme. Unul este legat de pragul de absorbție a neutronilor rapizi. Potrivit acestuia, pentru a iniția fisiunea, neutronul trebuie să aibă o energie destul de mare, mai mare de 1 MeV pentru nucleele izotopilor principali - uraniu-238 și toriu-232. La energii mai mici, absorbția unui neutron de către uraniul-238 are un caracter rezonant. Astfel, un neutron cu o energie de 25 eV are o secțiune transversală de captare care este de mii de ori mai mare decât în ​​cazul altor energii. În acest caz, nu va exista fisiune: uraniul-238 va deveni uraniu-239, care cu un timp de înjumătățire de 23,54 minute se va transforma în neptuniu-239, cel cu un timp de înjumătățire de 2,33 zile se va transforma în lung- a trăit plutoniu-239. Toriul-232 va deveni uraniu-233.

Al doilea mecanism este absorbția fără prag a unui neutron, urmată de al treilea izotop mai mult sau mai puțin comun fisionabil - uraniu-235 (precum și plutoniu-239 și uraniu-233, care sunt absente în natură): prin absorbția oricărui neutron. , chiar și unul lent, așa-numitul termic, cu o energie de pentru moleculele care participă la mișcarea termică - 0,025 eV, un astfel de nucleu va fi divizat. Și asta este foarte bine: pentru neutronii termici, aria secțiunii transversale de captare este de patru ori mai mare decât pentru cei rapidi, megaelectronvolti. Aceasta este semnificația uraniului-235 pentru întreaga istorie ulterioară a energiei nucleare: acesta este cel care asigură multiplicarea neutronilor în uraniul natural. După lovirea unui neutron, nucleul de uraniu-235 devine instabil și se împarte rapid în două părți inegale. Pe parcurs, mai mulți neutroni noi (în medie 2,75) zboară. Dacă lovesc nucleele aceluiași uraniu, vor determina neutronii să se înmulțească exponențial - va începe o reacție în lanț, care va duce la o explozie datorită eliberării rapide a unei cantități uriașe de căldură. Nici uraniul-238, nici toriu-232 nu pot funcționa așa: la urma urmei, în timpul fisiunii, sunt emiși neutroni cu o energie medie de 1-3 MeV, adică dacă există un prag de energie de 1 MeV, o parte semnificativă a cu siguranță neutronii nu vor putea provoca o reacție și nu va exista reproducere. Aceasta înseamnă că acești izotopi ar trebui să fie uitați și neutronii vor trebui să fie încetiniți la energie termică, astfel încât să interacționeze cu nucleele de uraniu-235 cât mai eficient posibil. În același timp, absorbția lor rezonantă de către uraniul-238 nu poate fi permisă: la urma urmei, în uraniul natural acest izotop este puțin mai mic de 99,3%, iar neutronii se ciocnesc mai des cu acesta și nu cu uraniul-235 țintă. Și acționând ca moderator, este posibil să se mențină multiplicarea neutronilor la un nivel constant și să prevină o explozie - pentru a controla o reacție în lanț.

Calculul efectuat de Ya. B. Zeldovich și Yu. B. Khariton în același fatidic 1939 a arătat că pentru aceasta este necesar să se folosească un moderator de neutroni sub formă de apă grea sau grafit și să se îmbogățească uraniul natural cu uraniu-235 prin de cel puțin 1,83 ori. Atunci această idee li s-a părut pură fantezie: „Trebuie remarcat că aproximativ dublarea îmbogățirii acelor cantități destul de semnificative de uraniu care sunt necesare pentru a efectua o explozie în lanț,<...>este o sarcină extrem de greoaie, aproape de imposibilitatea practică”. Acum această problemă a fost rezolvată, iar industria nucleară produce în masă uraniu îmbogățit cu uraniu-235 până la 3,5% pentru centralele electrice.

Ce este fisiunea nucleară spontană?În 1940, G. N. Flerov și K. A. Petrzhak au descoperit că fisiunea uraniului poate avea loc spontan, fără nicio influență externă, deși timpul de înjumătățire este mult mai lung decât în ​​cazul dezintegrarii alfa obișnuite. Deoarece o astfel de fisiune produce și neutroni, dacă nu li se permite să zboare departe de zona de reacție, ei vor servi ca inițiatori ai reacției în lanț. Acest fenomen este folosit în crearea reactoarelor nucleare.

De ce este nevoie de energie nucleară? Zel'dovich și Khariton au fost printre primii care au calculat efectul economic al energiei nucleare (Uspekhi fizicheskikh nauk, 1940, 23, 4). „... În acest moment, este încă imposibil să tragem concluzii finale cu privire la posibilitatea sau imposibilitatea implementării unei reacții de fisiune nucleară în uraniu cu lanțuri ramificate la infinit. Dacă o astfel de reacție este fezabilă, atunci viteza de reacție este ajustată automat pentru a se asigura că se desfășoară fără probleme, în ciuda cantității uriașe de energie de care dispune experimentatorul. Această împrejurare este excepțional de favorabilă pentru utilizarea energetică a reacției. Prin urmare, deși aceasta este o împărțire a pielii unui urs neomocit, prezentăm câteva numere care caracterizează posibilitățile de utilizare a energiei a uraniului. Dacă procesul de fisiune are loc pe neutroni rapizi, prin urmare, reacția captează principalul izotop al uraniului (U238), atunci<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>costul unei calorii din izotopul principal al uraniului se dovedește a fi de aproximativ 4000 de ori mai ieftin decât al cărbunelui (cu excepția cazului în care, desigur, procesele de „ardere” și de îndepărtare a căldurii se dovedesc a fi mult mai costisitoare în cazul uraniului decât în cazul cărbunelui). În cazul neutronilor lenți, costul unei calorii „uraniu” (pe baza cifrelor de mai sus) va fi, ținând cont de faptul că abundența izotopului U235 este de 0,007, este deja de doar 30 de ori mai ieftin decât o calorie „cărbune”, toate celelalte lucruri fiind egale.

Prima reacție în lanț controlată a fost efectuată în 1942 de Enrico Fermi la Universitatea din Chicago, iar reactorul a fost controlat manual prin împingerea și tragerea tijelor de grafit pe măsură ce fluxul de neutroni se schimba. Prima centrală electrică a fost construită la Obninsk în 1954. Pe lângă generarea de energie, primele reactoare au lucrat și pentru a produce plutoniu de calitate pentru arme.

Cum funcționează o centrală nucleară? Majoritatea reactoarelor funcționează acum pe neutroni lenți. Uraniul îmbogățit sub formă de metal, aliaj, de exemplu cu aluminiu, sau sub formă de oxid, este pus în cilindri lungi - elemente de combustibil. Sunt instalate într-un anumit fel în reactor, iar între ele se introduc tije de la moderator, care controlează reacția în lanț. De-a lungul timpului, otrăvurile reactoarelor se acumulează în elementul combustibil - produse de fisiune a uraniului, capabile de asemenea să absoarbă neutroni. Când concentrația de uraniu-235 scade sub nivelul critic, elementul este scos din funcțiune. Cu toate acestea, conține multe fragmente de fisiune cu radioactivitate puternică, care scade pe parcursul anilor, motiv pentru care elementele emit o cantitate semnificativă de căldură pentru o perioadă lungă de timp. Sunt ținute în bazine de răcire, iar apoi fie sunt îngropate, fie încearcă să le prelucreze - pentru a extrage uraniu-235 nearse, plutoniu acumulat (a fost folosit pentru fabricarea bombelor atomice) și alți izotopi care pot fi folosiți. Partea nefolosită este trimisă la cimitir.

În așa-numitele reactoare cu neutroni rapidi sau reactoare de reproducere, reflectoare de uraniu-238 sau toriu-232 sunt instalate în jurul elementelor. Ei încetinesc și trimit neutroni prea rapidi înapoi în zona de reacție. Încetiniți la viteze de rezonanță, neutronii absorb acești izotopi, transformându-se în plutoniu-239 sau, respectiv, uraniu-233, care pot servi drept combustibil pentru o centrală nucleară. Deoarece neutronii rapizi nu reacționează bine cu uraniul-235, este necesar să se mărească semnificativ concentrația acestuia, dar acest lucru se plătește cu un flux de neutroni mai puternic. În ciuda faptului că reactoarele de reproducere sunt considerate viitorul energiei nucleare, deoarece furnizează mai mult combustibil nuclear decât consumă, experimentele au arătat că sunt greu de gestionat. Acum a mai rămas un singur astfel de reactor în lume - la a patra unitate de putere a CNE Beloyarsk.

Cum este criticată energia nucleară? Dacă nu vorbim de accidente, punctul principal în argumentele oponenților energiei nucleare de astăzi a fost propunerea de a adăuga la calculul eficienței acesteia costurile protejării mediului după dezafectarea centralei și la lucrul cu combustibil. În ambele cazuri, apare sarcina eliminării fiabile a deșeurilor radioactive, iar acestea sunt costurile pe care statul le suportă. Există o opinie că, dacă sunt transferate la costul energiei, atunci atractivitatea sa economică va dispărea.

Există, de asemenea, opoziție între susținătorii energiei nucleare. Reprezentanții săi atrag atenția asupra unicității uraniului-235, care nu are înlocuire, deoarece izotopii alternativi fisionați de neutroni termici - plutoniu-239 și uraniu-233 - sunt absenți în natură din cauza timpului de înjumătățire de mii de ani. Și sunt obținute doar ca urmare a fisiunii uraniului-235. Dacă se termină, frumosul va dispărea sursă naturală neutroni pentru o reacție nucleară în lanț. Ca urmare a unei asemenea extravaganțe, omenirea va pierde oportunitatea în viitor de a implica toriu-232 în ciclul energetic, ale cărui rezerve sunt de câteva ori mai mari decât cele ale uraniului.

Teoretic, acceleratorii de particule pot fi utilizați pentru a obține un flux de neutroni rapizi cu energii de megaelectronvolt. Cu toate acestea, dacă vorbim, de exemplu, despre zborurile interplanetare pe un motor atomic, atunci va fi foarte dificil să implementați o schemă cu un accelerator voluminos. Epuizarea uraniului-235 pune capăt unor astfel de proiecte.

Ce este uraniul pentru arme? Acesta este uraniu-235 foarte îmbogățit. Masa sa critică - corespunde mărimii unei bucăți de materie în care apare spontan o reacție în lanț - este suficient de mică pentru a face o muniție. Un astfel de uraniu poate fi folosit pentru a face o bombă atomică, precum și o fitibilă pentru o bombă termonucleară.

Ce dezastre sunt asociate cu utilizarea uraniului? Energia stocată în nucleele elementelor fisionabile este enormă. După ce a scăpat de sub control din cauza unei neglijeri sau a unei intenții, această energie poate face o mulțime de probleme. Cele mai grave două dezastre nucleare au avut loc pe 6 și 8 august 1945, când forțele aeriene americane au aruncat bombe atomice asupra Hiroshima și Nagasaki, ucigând și rănind sute de mii de civili. Catastrofele de o scară mai mică sunt asociate cu accidente la centralele nucleare și la întreprinderile de ciclu nuclear. Primul accident major a avut loc în 1949 în URSS la uzina Mayak de lângă Celiabinsk, unde se producea plutoniu; deșeurile radioactive lichide au ajuns în râul Techa. În septembrie 1957, a avut loc o explozie cu eliberarea unei cantități mari de material radioactiv. Unsprezece zile mai târziu, reactorul britanic cu plutoniu de la Windscale a ars, un nor de produse de explozie s-a disipat peste Europa de Vest. În 1979, reactorul de la centrala nucleară de pe insula Trimail din Pennsylvania a ars. Accidentele de la centrala nucleară de la Cernobîl (1986) și la centrala nucleară de la Fukushima (2011) au dus la cele mai răspândite consecințe, când milioane de oameni au fost expuși la radiații. Primele au împânzit terenuri vaste, aruncând 8 tone de combustibil de uraniu cu produse de degradare ca urmare a exploziei, care s-a răspândit în toată Europa. Al doilea a poluat și, la trei ani de la accident, continuă să polueze Oceanul Pacific în zonele de pescuit. Eliminarea consecințelor acestor accidente a fost foarte costisitoare, iar dacă aceste costuri ar fi descompuse în costul energiei electrice, acesta ar crește semnificativ.

O problemă separată este consecințele asupra sănătății umane. Potrivit statisticilor oficiale, multe persoane care au supraviețuit bombardamentelor sau locuiesc în zone contaminate au beneficiat de expunere - primii au o speranță de viață mai mare, cei din urmă au mai puține cancere, iar experții atribuie o anumită creștere a mortalității stresului social. Numărul persoanelor care au murit tocmai în urma unor accidente sau ca urmare a lichidării acestora este estimat la sute de persoane. Oponenții centralelor nucleare subliniază că accidentele au dus la câteva milioane de decese premature pe continentul european, pur și simplu invizibile pe fondul statistic.

Retragerea terenurilor din folosința umană în zonele accidentate duce la un rezultat interesant: ele devin un fel de rezervații, în care crește biodiversitatea. Adevărat, unele animale suferă de boli asociate cu radiațiile. Întrebarea cât de repede se vor adapta la fundalul crescut rămâne deschisă. Există, de asemenea, o opinie că consecința iradierii cronice este „selecția pentru un prost” (vezi Chemistry and Life, 2010, nr. 5): organisme mai primitive supraviețuiesc chiar și în stadiul embrionar. În special, în ceea ce privește oamenii, acest lucru ar trebui să ducă la o scădere a abilităților mentale ale generației născute în teritoriile contaminate la scurt timp după accident.

Ce este uraniul sărăcit? Acesta este uraniu-238 rămas din extracția uraniului-235. Volumele de deșeuri din producția de uraniu și elemente de combustibil de calitate pentru arme sunt mari - numai în Statele Unite s-au acumulat 600 de mii de tone de astfel de hexafluorură de uraniu (pentru probleme cu aceasta, a se vedea „Chimie și viață”, 2008, nr. 5). Conținutul de uraniu-235 în el este de 0,2%. Aceste deșeuri trebuie fie să fie depozitate până la vremuri mai bune, când vor fi create reactoare cu neutroni rapidi și va fi posibilă procesarea uraniului-238 în plutoniu, fie folosite cumva.

I-au găsit o folosire. Uraniul, ca și alte elemente de tranziție, este folosit ca catalizator. De exemplu, autorii unui articol în ACS Nano din 30 iunie 2014, ei scriu că un catalizator de uraniu sau toriu cu grafen pentru reducerea oxigenului și a peroxidului de hidrogen „are un mare potențial pentru aplicații energetice”. Datorită densității sale mari, uraniul servește drept balast pentru nave și contragreutăți pentru aeronave. Acest metal este potrivit și pentru protecția împotriva radiațiilor în dispozitivele medicale cu surse de radiații.

Ce arme pot fi fabricate din uraniu sărăcit? Gloanțe și miezuri pentru proiectile perforatoare. Iată calculul. Cu cât proiectilul este mai greu, cu atât energia cinetică este mai mare. Dar ce marime mai mare proiectil, cu atât impactul său este mai puțin concentrat. Deci avem nevoie metale grele cu densitate mare. Gloanțele sunt făcute din plumb (vânătorii din Urali foloseau la un moment dat și platină nativă, până și-au dat seama ce este). un metal prețios), miezurile carcaselor sunt realizate din aliaj de wolfram. Ecologiștii atrag atenția că plumbul poluează solul în locurile de război sau de vânătoare și ar fi bine să-l înlocuiești cu ceva mai puțin nociv, de exemplu, cu același wolfram. Dar wolfram nu este ieftin, iar uraniul, cu o densitate similară cu acesta, este un deșeu dăunător. În același timp, contaminarea permisă a solului și a apei cu uraniu este de aproximativ de două ori mai mare decât pentru plumb. Acest lucru se întâmplă deoarece radioactivitatea slabă a uraniului sărăcit (și este, de asemenea, cu 40% mai mică decât cea a uraniului natural) este neglijată și se ia în considerare un factor chimic cu adevărat periculos: uraniul, după cum ne amintim, este otrăvitor. În același timp, densitatea sa este de 1,7 ori mai mare decât cea a plumbului, ceea ce înseamnă că dimensiunea gloanțelor de uraniu poate fi redusă la jumătate; uraniul este mult mai refractar și mai dur decât plumbul - atunci când este tras, se evaporă mai puțin, iar când lovește o țintă, produce mai puține microparticule. În general, un glonț de uraniu poluează mai puțin mediu inconjurator decât plumbul, cu toate acestea, nu se știe cu siguranță despre o astfel de utilizare a uraniului.

Dar se știe că plăcile de uraniu sărăcit sunt folosite pentru întărirea blindajului tancurilor americane (acest lucru este facilitat de densitatea mare și punctul de topire), precum și în locul aliajului de tungsten în miezuri pentru proiectilele perforatoare. Miezul de uraniu este, de asemenea, bun pentru că uraniul este piroforic: particulele sale mici, fierbinți, formate atunci când lovesc armura, se ard și dau foc la tot ce este în jur. Ambele aplicații sunt considerate sigure pentru radiații. Deci, calculul a arătat că, chiar și după ce a petrecut un an fără a ieși într-un tanc cu blindaj de uraniu încărcat cu muniție de uraniu, echipajul ar primi doar un sfert din doza admisă. Și pentru a obține o doză anuală admisă, astfel de muniții trebuie înșurubate la suprafața pielii timp de 250 de ore.

Proiectile cu miez de uraniu - pentru tunurile de avioane de 30 mm sau pentru subcalibrul de artilerie - au fost folosite de americani în războaiele recente, începând cu campania anului din 1991 din Irak. În acel an, au turnat 300 de tone de uraniu sărăcit asupra unităților blindate irakiene din Kuweit, iar în timpul retragerii lor, 250 de tone sau 780.000 de cartușe au căzut pe tunurile aeronavei. În Bosnia și Herțegovina, în timpul bombardării armatei nerecunoscutei Republici Srpska, au fost folosite 2,75 tone de uraniu, iar în timpul bombardării armatei iugoslave în provincia Kosovo și Metohija - 8,5 tone, sau 31.000 de cartușe. Întrucât OMS s-a ocupat până la acel moment de consecințele utilizării uraniului, a fost efectuată monitorizarea. El a arătat că o salvă a constat din aproximativ 300 de cartușe, dintre care 80% conțineau uraniu sărăcit. 10% au atins țintele, iar 82% au căzut la 100 de metri de ele. Restul s-au dispersat pe o rază de 1,85 km. Obuzul care a lovit tancul a ars și s-a transformat într-un aerosol, ținte ușoare precum vehiculele blindate de transport de trupe au fost străpunse de o carcasă de uraniu. Astfel, o tonă și jumătate de obuze s-ar putea transforma cel mult în praf de uraniu în Irak. Potrivit experților de la centrul american de cercetare strategică RAND Corporation, peste 10 până la 35% din uraniul folosit s-a transformat într-un aerosol. Luptătorul croat cu muniții cu uraniu Asaf Durakovich, care a lucrat într-o varietate de organizații, de la Spitalul King Faisal din Riad la Centrul de Cercetare Medicală a Uraniumului de la Washington, consideră că numai în sudul Irakului, în 1991, s-au format 3-6 tone de particule de uraniu submicronice, care împrăștiat pe o suprafață largă, adică poluarea cu uraniu acolo este comparabilă cu Cernobîl.

URANUS (denumirea în cinstea planetei Uranus descoperită cu puțin timp înaintea sa; lat. uraniu * a. uraniu; n. Uran; f. uraniu; și. uranio), U, este un element chimic radioactiv din grupa III a sistemului periodic lui Mendeleev, numărul atomic 92, masa atomică 238,0289, se referă la actinide. Uraniul natural este format dintr-un amestec de trei izotopi: 238 U (99,282%, T 1/2 4,468,10 9 ani), 235 U (0,712%, T 1/2 0,704,10 9 ani), 234 U (0,006%, T 1/2 0.244.10 6 ani). Sunt cunoscuți și 11 izotopi radioactivi artificiali ai uraniului cu numere de masă de la 227 la 240.

Uraniul a fost descoperit în 1789 sub formă de UO 2 de către chimistul german M. G. Klaproth. Uraniul metalic a fost obţinut în 1841 de chimistul francez E. Peligot. Multă vreme, uraniul a avut o utilizare foarte limitată și abia odată cu descoperirea radioactivității în 1896 a început studiul și utilizarea sa.

Proprietățile uraniului

În stare liberă, uraniul este un metal. gri deschis; sub 667,7°C, se caracterizează printr-o rețea cristalină rombic (a=0,28538 nm, b=0,58662 nm, c=0,49557 nm) (a-modificare), în intervalul de temperatură 667,7-774°C - tetragonal (a = 1,0759). nm, c = 0,5656 nm; R-modificare), la o temperatură mai mare - rețea cubică centrată pe corp (a = 0,3538 nm, g-modificare). Densitate 18700 kg / m 3, topire t 1135 ° C, fierbere t aproximativ 3818 ° C, capacitate de căldură molară 27,66 J / (mol.K), rezistivitate electrică 29,0,10 -4 (Ohm.m), conductivitate termică 22, 5 W/(m.K), coeficient de temperatură de dilatare liniară 10.7.10 -6 K -1 . Temperatura de tranziție a uraniului la starea supraconductoare este de 0,68 K; paramagnet slab, susceptibilitate magnetică specifică 1.72.10 -6 . Nucleele 235 U și 233 U se fisionează spontan, precum și în timpul captării neutronilor lenți și rapidi, 238 U se fisionează numai în timpul captării neutronilor rapizi (mai mult de 1 MeV). Când neutronii lenți sunt capturați, 238 U se transformă în 239 Pu. Masa critică a uraniului (93,5% 235U) în soluții apoase este mai mică de 1 kg, pentru o minge deschisă aproximativ 50 kg; pentru 233 U masa critică este de aproximativ 1/3 din masa critică de 235 U.

Educație și conținut în natură

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

Uranus(lat. uraniu), u, un element chimic radioactiv din grupa III a sistemului periodic al lui Mendeleev, aparține familiei actinide, numărul atomic 92, masa atomică 238,029; metal. U. natural este format dintr-un amestec de trei izotopi: 238 u - 99,2739% cu un timp de înjumătățire t 1 / 2 = 4,51 10 9 ani, 235 u - 0,7024% (t 1 / 2 = 7,13 10 8 ani) și 234 u - 0,0057% (t 1 / 2 \u003d 2,48 10 5 ani). Dintre cei 11 izotopi radioactivi artificiali cu numere de masă de la 227 la 240, durata lungă este de 233 u (t 1 / 2 \u003d 1,62 10 5 ani); se obtine prin iradierea cu neutroni a toriului. 238 u și 235 u sunt progenitorii a două serii radioactive.

Referință istorică. U. deschis în 1789. chimistul M. G. Klaproth și numit de el în onoarea planetei Uranus, descoperită de V. Herschel in 1781. In stare metalica, U. a fost obtinut in 1841 de catre francezi. chimist E. Peligo în timpul reducerii ucl 4 cu potasiu metalic. Inițial, lui U. i s-a atribuit o masă atomică de 120, iar abia în 1871 D.I. Mendeleev a ajuns la concluzia că această valoare ar trebui dublată.

Multă vreme, uraniul a fost de interes doar pentru un cerc restrâns de chimiști și a găsit o utilizare limitată pentru producția de vopsele și sticlă. Odată cu descoperirea fenomenului radioactivitate W. în 1896 şi radiuîn 1898, a început prelucrarea industrială a minereurilor de uraniu cu scopul de a extrage și utiliza radiu în cercetare științifică si medicina. Din 1942, după descoperirea în 1939 a fenomenului de fisiune nucleară , U. a devenit principalul combustibil nuclear.

distribuție în natură. U. este un element caracteristic pentru stratul de granit și învelișul sedimentar al scoarței terestre. Conținutul mediu de U. în scoarța terestră (clarke) este de 2,5 10 -4% în greutate, în rocile magmatice acide 3,5 10 -4%, în argile și șisturi 3,2 10 -4%, în rocile bazice 5 10 -5% , în rocile ultramafice ale mantalei 3 10 -7%. U. migrează viguros în apele reci și calde, neutre și alcaline sub formă de ioni simpli și complecși, în special sub formă de complexe carbonatice. Reacțiile redox joacă un rol important în geochimia apei, deoarece compușii apei, de regulă, sunt foarte solubili în ape cu mediu oxidant și slab solubili în ape cu mediu reducător (de exemplu, hidrogen sulfurat).

Se cunosc aproximativ 100 de U. minerale; 12 dintre ele sunt de importanță industrială . În cursul istoriei geologice, conținutul de U. în scoarța terestră a scăzut din cauza dezintegrarii radioactive; acest proces este asociat cu acumularea atomilor de Pb și He în scoarța terestră. Dezintegrarea radioactivă a U. joacă un rol important în energia scoarței terestre, fiind o sursă semnificativă de căldură de adâncime.

proprietăți fizice. U. este asemănător ca culoare cu oțelul și poate fi prelucrat cu ușurință. Are trei modificări alotropice - a, b și g cu temperaturi de transformare de fază: a ®b 668,8 ± 0,4 ° C, b® g 772,2 ± 0,4 ° С; o formă are o rețea rombică A= 2,8538 å, b= 5,8662 å, Cu\u003d 4,9557 å), forma b - rețea tetragonală (la 720 ° С A = 10,759 , b= 5,656 å), forma g - rețea cubică centrată pe corp (la 850°c a = 3,538 å). densitate U. în formă a (25°c) 19,05 ± 0,2 g/cm 3 , t pl 1132 ± 1°С; t kip 3818 °C; conductivitate termică (100–200°c), 28,05 mar/(m· LA) , (200–400 °c) 29,72 mar/(m· LA); căldură specifică (25°c) 27,67 kJ/(kg· LA); rezistivitate electrica la temperatura camerei cca 3 10 -7 ohm· cm, la 600°c 5,5 10 -7 ohm· cm; are supraconductivitate la 0,68 ± 0,02K; paramagnet slab, susceptibilitate magnetică specifică la temperatura camerei 1,72 10 -6 .

Proprietățile mecanice ale U. depind de puritatea sa, de modurile de tratament mecanic și termic. Valoarea medie a modulului de elasticitate pentru turnat U. 20,5 10 -2 Mn/m 2 rezistența maximă la tracțiune la temperatura camerei 372–470 Mn/m 2 , rezistența crește după întărire din fazele b și g; duritate medie conform Brinell 19,6–21,6 10 2 Mn/m 2 .

Iradierea cu un flux de neutroni (care are loc în reactor nuclear) modifică proprietățile fizico-mecanice ale uraniului: se dezvoltă fluaj și crește fragilitatea, se observă deformarea produselor, ceea ce obligă utilizarea uraniului în reactoarele nucleare sub formă de diferite aliaje de uraniu.

U. - element radioactiv. Nucleele de 235 u și 233 u se fisionează spontan, precum și în timpul captării atât a neutronilor lenți (termici) cât și a celor rapizi, cu o secțiune transversală de fisiune efectivă de 508 10 -24 cm 2 (508 hambar) și 533 10 -24 cm 2 (533 hambar) respectiv. Nucleele 238 u sunt fisionate prin captarea numai a neutronilor rapizi cu o energie de cel puțin 1 Mev; când neutronii lenți sunt capturați, 238 u se transformă în 239 pu , ale căror proprietăți nucleare sunt apropiate de 235 u. Critic masa U. (93,5% 235 u) în soluții apoase este mai mică de 1 kg, pentru o minge deschisă - aproximativ 50 kg, pentru o minge cu reflector - 15 - 23 kg; masa critică de 233 u este aproximativ 1/3 din masa critică de 235 u.

Proprietăți chimice. Configurația învelișului electronic exterior al atomului U. 7 s 2 6 d 1 5 f 3 . U. se referă la metale reactive, în compuși prezintă stări de oxidare + 3, + 4, + 5, + 6, uneori + 2; cei mai stabili compuși sunt u (iv) și u (vi). În aer, se oxidează încet cu formarea unei pelicule de dioxid la suprafață, care nu protejează metalul de oxidarea ulterioară. În stare de pulbere, U. este piroforic și arde cu o flacără strălucitoare. Cu oxigenul formează uo 2 dioxid, uo 3 trioxid și un număr mare de oxizi intermediari, dintre care cel mai important este u 3 o 8 . Acești oxizi intermediari au proprietăți similare cu uo 2 și uo 3 . La temperaturi ridicate, uo 2 are o gamă largă de omogenitate de la uo 1,60 la uo 2,27. Cu fluor la 500–600°c, formează tetrafluorura (cristale verzi asemănătoare acului, puțin solubile în apă și acizi) și uf 6 hexafluorură (o substanță cristalină albă se sublimează fără a se topi la 56,4°c); cu sulf - o serie de compuși, dintre care cea mai mare valoare ne are (combustibil nuclear). Când U. interacționează cu hidrogenul la 220°C, se obține o hidrură uh 3; cu azot la o temperatură de la 450 la 700 ° C și la presiunea atmosferică - nitrură de u 4 n 7, la o presiune de azot mai mare și la aceeași temperatură, se pot obține un, u 2 n 3 și un 2; cu carbon la 750–800°c, monocarbură uc, dicarbură uc 2 și, de asemenea, u 2 c 3 ; formează cu metale aliaje de diferite tipuri . U. reacţionează lent cu apa clocotită pentru a forma uo 2 şi h 2 , cu vapori de apă în intervalul de temperatură 150–250 °C; solubil în acizi clorhidric și azotic, ușor - în acid fluorhidric concentrat. Pentru u (vi) este caracteristică formarea ionului de uranil uo 2 2 +; sărurile de uranil sunt galbene și foarte solubile în apă și acizi minerali; sărurile u (iv) sunt verzi și mai puțin solubile; ionul de uranil este extrem de capabil de a forma complexe în soluții apoase atât cu anorganice cât și materie organică; cele mai importante pentru tehnologie sunt carbonatul, sulfatul, fluorura, fosfatul și alte complexe. Se cunosc un număr mare de uranați (săruri neizolate în formă pură acid uraniu), a cărui compoziție variază în funcție de condițiile de preparare; toți uranații au solubilitate scăzută în apă.

U. și compușii săi sunt radiații și chimic toxici. Doza maximă admisă (SDA) pentru expunerea profesională 5 remîn an.

Chitanță. U. se obţine din minereuri de uraniu care conţin 0,05–0,5% u. Minereurile practic nu sunt îmbogățite, cu excepția unei metode limitate de sortare radiometrică, bazată pe radiația de radiu, care este întotdeauna asociată cu uraniul. Practic, minereurile sunt levigate cu soluții de acizi sulfuric, uneori azotic, sau soluții de sodă, cu conversia U. într-o soluție acidă sub formă de uo 2 so 4 sau anioni complecși 4-, și într-o soluție de sodă sub formă din 4-. Sorpția pe rășini schimbătoare de ioni și extracția cu solvenți organici (tributil fosfat, acizi alchil fosforici și amine) sunt utilizate pentru extragerea și concentrarea acidului uric din soluții și paste, precum și pentru îndepărtarea impurităților. În plus, uranați de amoniu sau de sodiu sau hidroxidul u(oh)4 sunt precipitați din soluții prin adăugare de alcali. Pentru a obţine compuşi de înaltă puritate, produsele tehnice sunt dizolvate în acid azotic şi supuse operaţiilor de purificare de rafinare, ai căror produse finite sunt uo 3 sau u 3 o 8 ; acești oxizi se reduc la 650–800°c cu hidrogen sau amoniac disociat la uo 2 urmat de conversia acestuia în uf 4 prin tratare cu acid fluorhidric gazos la 500–600°c. uf 4 poate fi obţinut şi prin precipitarea uf 4 · nh 2 o hidratului cristalin din soluţii cu acid fluorhidric, urmată de deshidratarea produsului la 450°C într-un curent de hidrogen. În industrie, principala metodă de obținere a U. din uf 4 este reducerea sa calcico-termică sau magnezio-termică, cu producția de U. sub formă de lingouri cu o greutate de până la 1,5 tone. Lingourile sunt rafinate în cuptoare cu vid.

Un proces foarte important în tehnologia U. este îmbogățirea acestuia cu izotopul 235 u peste conținutul natural din minereuri sau izolarea acestui izotop în forma sa pură. , deoarece este 235 u care este principalul combustibil nuclear; aceasta se realizează prin difuzie termică a gazului, centrifugă și alte metode bazate pe diferența de mase 235 u și 238 u; U. se foloseşte în procesele de separare sub formă de hexafluorură volatilă de uf 6. La primirea de U. sau izotopi foarte îmbogățiți, se iau în considerare masele lor critice; metoda cea mai convenabilă în acest caz este reducerea U. oxizilor cu calciu; zgura de cao formată în acest proces se separă uşor de U. prin dizolvare în acizi.

Metodele de metalurgie a pulberilor sunt utilizate pentru a produce dioxid de carbon pulbere, carburi, nitruri și alți compuși refractari.

Aplicație. U. metalic sau compușii săi sunt utilizați în principal ca combustibil nuclear în reactoare nucleare. Un amestec natural sau slab îmbogățit de izotopi U este utilizat în reactoarele staționare ale centralelor nucleare; produsul unui grad ridicat de îmbogățire este utilizat în centrale nucleare sau în reactoare care funcționează pe neutroni rapizi. 235 u este sursa energie nucleară V arme nucleare. 238 u servește ca sursă de combustibil nuclear secundar - plutoniu.

V. M. Kulifeev.

Uraniu în organism În microcantități (10 -5 -10 -5%) se găsește în țesuturile plantelor, animalelor și oamenilor. În cenușa plantelor (cu un conținut de U. în sol de aproximativ 10 -4), concentrația acesteia este de 1,5 10 -5%. U. este acumulat în cea mai mare măsură de unele ciuperci și alge (acestea din urmă sunt implicate activ în migrarea biogenă a U. de-a lungul lanțului apă - plante acvatice - pești - om). U. pătrunde în corpul animalelor și al oamenilor cu alimente și apă în tractul gastrointestinal, cu aer în tractul respirator și, de asemenea, prin piele și mucoase. U. compușii sunt absorbiți în tractul gastrointestinal - aproximativ 1% din cantitatea de compuși solubili primită și nu mai mult de 0,1% din cei puțin solubili; în plămâni sunt absorbite 50%, respectiv 20%. U. este distribuită neuniform în organism. Principalele depozite (locuri de depunere și acumulare) sunt splina, rinichii, scheletul, ficatul și, atunci când sunt inhalați compuși puțin solubili, plămânii și ganglionii limfatici bronho-pulmonari. Sângele U. (sub formă de carbonați și complexe cu proteine) nu circulă mult timp. Conținutul de U. în organele și țesuturile animalelor și oamenilor nu depășește 10 -7 a/a. Deci, sângele vitelor conține 1 10 -8 g/ml ficat 8 10 -8 a/a, muschii 4 10 -8 a/a, splină 9 10 -8 a/a. Conţinutul de U. în organele umane este: în ficat 6 10 -9 a/a, în plămâni 6 10 -9 -9 10 -9 g/g, în splină 4,7 10 -9 a/a, în sânge 4 10 -9 g/mlîn rinichi 5,3 10 -9 (stratul cortical) și 1,3 10 -9 a/a(medular), în oase 1 10 -9 a/a, în măduva osoasă 1 10 -9 a/a, în păr 1,3 10 -7 a/a. U., conținut în țesutul osos, provoacă iradierea sa constantă (timp de înjumătățire al U. din schelet este de aproximativ 300 zi) . Cele mai scăzute concentrații de U. sunt în creier și inimă (10 -10 a/a). Aportul zilnic de U. cu alimente și lichide - 1,9 10 -6 g, s aer - 7 10 -9 G. Excreția zilnică de U. din organismul uman este: cu urină 0,5 10 -7 -5 10 -7, cu fecale - 1,4 10 -6 -1,8 10 -6 g, s păr - 2 10 -8 g.

Conform Comisiei Internaționale pentru Protecția împotriva Radiațiilor, conținutul mediu de U. în corpul uman este de 9 10 -8 g. Această valoare poate varia pentru diferite regiuni. Se crede că U. este necesar pentru viața normală a animalelor și plantelor, dar funcțiile sale fiziologice nu au fost elucidate.

G. P. Galibin.

Acțiune toxică W. datorită acesteia proprietăți chimiceși depinde de solubilitate: uranilul și alți compuși solubili ai U sunt mai toxici.Intoxicarea cu U și compușii săi este posibilă la întreprinderile de extracție și prelucrare a materiilor prime de uraniu și alte unități industriale unde este utilizat în procesul tehnologic. La ingerare, U. actioneaza asupra tuturor organelor si tesuturilor, fiind o otrava celulara generala. Semne de otrăvire datorată preim. afectarea rinichilor (apariția proteinelor și a zahărului în urină, ulterioară oligurie) , sunt afectate si ficatul si tractul gastrointestinal. Există intoxicații acute și cronice; acestea din urmă se caracterizează prin dezvoltarea treptată și severitatea mai mică a simptomelor. În cazul intoxicației cronice, sunt posibile tulburări hematopoietice, sistem nervosşi altele.Se crede că mecanismul molecular de acţiune al U. este asociat cu capacitatea sa de a inhiba activitatea enzimelor.

Prevenirea otrăvirii: continuitatea proceselor tehnologice, utilizarea echipamentelor sigilate, prevenirea poluarii aerului, tratarea apelor uzate inainte ca acestea sa fie deversate in corpurile de apa, miere. controlul asupra stării de sănătate a lucrătorilor, asupra respectării standardelor de igienă pentru conținutul admis de U. și compușii acestuia în mediu.

V. F. Kirillov.

Lit.: Doctrina radioactivității. Istorie și modernitate, ed. B. M. Kedrova, Moscova, 1973. Petrosyants A. M., De la căutarea științifică la industria nucleară, M., 1970; Emelyanov V. S., Evstyukhin A. I., Metalurgia combustibilului nuclear, M., 1964; Sokursky Yu. N., Sterlin Ya. M., Fedorchenko V. A., Uranus și aliajele sale, M., 1971; Evseeva L. S., Perelman A. I., Ivanov K. E., Geochimia uraniului în zona de hidrogenare, ed. a 2-a, M., 1974; Farmacologia și toxicologia compușilor uraniului, [trad. din engleză], vol. 2, M., 1951; Guskova V. N., Uranus. Caracteristica igieno-radio, M., 1972; Andreeva O. S., Sănătatea ocupațională atunci când se lucrează cu uraniu și compușii săi, M., 1960; Novikov Yu.V., Probleme igienice ale studierii conținutului de uraniu în mediu și efectul acestuia asupra organismului, M., 1974.

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

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

În prezent, sunt cunoscuți 23 de izotopi radioactivi artificiali ai uraniului cu numere de masă de la 217 la 242. Dintre aceștia, 233U cu un timp de înjumătățire de 1,62∙105 ani este cel mai longeviv. Se obține ca urmare a iradierii cu neutroni a toriului, capabil de fisiune sub influența neutronilor termici.

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

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

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

Proprietăți biologice

Uraniul este un element destul de comun în mediu biologic , anumite tipuri de ciuperci și alge sunt considerate concentratoare ale acestui metal, care sunt incluse în lanțul ciclului biologic al uraniului în natură conform schemei: apă - plante acvatice - pește - om. Astfel, cu alimente și apă, uraniul intră în corpul oamenilor și al animalelor și, mai precis, în tractul gastrointestinal, unde sunt absorbiți aproximativ un procent din compușii ușor solubili și nu mai mult de 0,1% din cei puțin solubili. În căile respiratorii și plămâni, precum și în membranele mucoase și piele, acest element intră cu aer. În tractul respirator, și în special în plămâni, absorbția este mult mai intensă: compușii ușor solubili sunt absorbiți cu 50%, iar puțin solubili cu 20%. Astfel, uraniul se găsește în cantități mici (10-5 - 10-8%) în țesuturile animalelor și ale oamenilor. La plante (în reziduul uscat), concentrația de uraniu depinde de conținutul său în sol, astfel încât la o concentrație în sol de 10-4%, planta conține 1,5∙10-5% sau mai puțin. Distribuția uraniului în țesuturi și organe este neuniformă, principalele locuri de acumulare sunt țesuturile osoase (scheletul), ficatul, splina, rinichii, precum și plămânii și ganglionii limfatici bronho-pulmonari (atunci când compușii puțin solubili intră în plămâni). Uraniul (carbonați și complexe cu proteine) este eliminat rapid din sânge. În medie, conținutul celui de-al 92-lea element în organele și țesuturile animalelor și oamenilor este de 10-7%. De exemplu, sângele bovinelor conține 1∙10-8 g/ml de uraniu, în timp ce sângele uman conține 4∙10-10 g/g. Ficatul de bovine conține 8∙10-8 g/g, la om în același organ 6∙10-9 g/g; splina bovinelor conține 9∙10-8 g/g, la om - 4,7∙10-7 g/g. În țesuturile musculare ale bovinelor se acumulează până la 4∙10-11 g/g. În plus, în corpul uman, uraniul este conținut în plămâni în intervalul 6∙10-9 - 9∙10-9 g/g; în rinichi 5,3∙10-9 g/g (stratul cortical) și 1,3∙10-8 g/g (medular); în țesutul osos 1∙10-9 g/g; în măduva osoasă 1∙10-8 g/g; în păr 1,3∙10-7 g/g. Uraniul din oase determină iradierea constantă a țesutului osos (perioada de îndepărtare completă a uraniului din schelet este de 600 de zile). Cel mai puțin acest metal în creier și inimă (aproximativ 10-10 g / g). După cum am menționat mai devreme, principalele căi prin care uraniul intră în organism sunt apa, alimentele și aerul. Doza zilnică de metal care intră în organism cu alimente și lichide este de 1,9∙10-6 g, cu aer - 7∙10-9 g. Cu toate acestea, în fiecare zi uraniul este excretat din organism: cu urină de la 0,5∙10-7 g. până la 5∙10-7 g; cu fecale de la 1,4∙10-6 g la 1,8∙10-6 g. Pierderi cu păr, unghii și fulgi de piele moartă - 2∙10-8 g.

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

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

Pătrunzând în organism, uraniul afectează absolut toate organele și țesuturile acestora, deoarece acțiunea are loc la nivel celular: inhibă activitatea enzimelor. Rinichii sunt afectați în primul rând, ceea ce se manifestă printr-o creștere bruscă a zahărului și a proteinelor în urină, dezvoltând ulterior oligurie. Sunt afectate tractul gastrointestinal și ficatul. Intoxicatia cu uraniu se imparte in acuta si cronica, aceasta din urma dezvoltandu-se treptat si poate fi asimptomatica sau cu manifestari usoare. Cu toate acestea, otrăvirea cronică ulterioară duce la tulburări ale hematopoiezei, ale sistemului nervos și alte probleme grave de sănătate.

O tonă de rocă de granit conține aproximativ 25 de grame de uraniu. Energia care poate fi eliberată în timpul arderii acestor 25 de grame într-un reactor este comparabilă cu energia care este eliberată în timpul arderii a 125 de tone de cărbune în cuptoarele centralelor termice puternice! Pe baza acestor date, se poate presupune că, în viitorul apropiat, granitul va fi considerat unul dintre tipurile de combustibil mineral. În total, stratul de suprafață relativ subțire de douăzeci de kilometri al scoarței terestre conține aproximativ 1014 tone de uraniu, când este transformat într-un echivalent energetic, se obține o cifră pur și simplu colosală - 2.36.1024 kilowați-oră. Nici măcar toate zăcămintele dezvoltate, explorate și viitoare de minerale combustibile luate împreună nu sunt capabile să furnizeze nici măcar o milioneme din această energie!

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

După cum știți, în intestinele Pământului nostru există un proces constant de descompunere a izotopilor de urnă. Deci, oamenii de știință au calculat că eliberarea instantanee a energiei întregii mase a acestui metal, închisă în învelișul pământului, ar încălzi planeta noastră la o temperatură de câteva mii de grade! Cu toate acestea, un astfel de fenomen, din fericire, este imposibil - la urma urmei, căldura este eliberată treptat - deoarece nucleele de uraniu și derivații săi suferă o serie de transformări radioactive pe termen lung. Durata unor astfel de transformări poate fi judecată din timpul de înjumătățire al izotopilor naturali de uraniu, de exemplu, pentru 235U este de 7108 ani, iar pentru 238U - 4,51109 ani. Cu toate acestea, căldura uraniului încălzește semnificativ Pământul. Dacă ar fi la fel de mult uraniu în întreaga masă a Pământului ca în stratul superior de douăzeci de kilometri, atunci temperatura planetei ar fi mult mai mare decât acum. Cu toate acestea, pe măsură ce cineva se deplasează spre centrul Pământului, concentrația de uraniu scade.

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

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

Folosind metoda uraniu-plumb, geologii au reușit să afle vârsta celor mai vechi minerale, în timp ce studiau rocile meteoritice, au reușit să determine data aproximativă a nașterii planetei noastre. Datorită „ceasului cu uraniu” a determinat vârsta solului lunar. Interesant, s-a dovedit că timp de 3 miliarde de ani nu a existat nicio activitate vulcanică pe Lună și satelitul natural al Pământului rămâne un corp pasiv. La urma urmei, chiar și cele mai tinere bucăți de materie lunară au trăit mai mult decât vârsta celor mai vechi minerale terestre.

Poveste

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

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

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

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

Din 1896, descoperirile în domeniul studierii proprietăților uraniului au „căzut” una după alta: în anul menționat mai sus, destul de întâmplător (când studia fosforescența cristalelor de sulfat de uranil de potasiu), profesorul de fizică Antoine, în vârstă de 43 de ani Henri Becquerel descoperă Razele Becquerel, redenumite mai târziu radioactivitatea de Marie Curie. În același an, Henri Moissan (din nou chimist din Franța) dezvoltă o metodă de obținere a uraniului metalic pur.

În 1899, Ernest Rutherford a descoperit neomogenitatea radiației preparatelor de uraniu. S-a dovedit că există două tipuri de radiații - razele alfa și beta, diferite în proprietăți: poartă o sarcină electrică diferită, au o lungime de cale diferită într-o substanță și capacitatea lor de ionizare este, de asemenea, diferită. Un an mai târziu, razele gamma au fost descoperite și de Paul Villard.

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

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

Fiind în natură

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

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

Sunt cunoscute peste o sută de minereuri minerale de uraniu, ele diferă ca compoziție chimică, origine, concentrație de uraniu, din întreaga varietate doar o duzină prezintă interes practic. Principalii reprezentanți ai uraniului, care au cea mai mare importanță industrială, în natură pot fi considerați oxizi - uranitul și varietățile sale (nasturan și negru de uraniu), precum și silicații - coffinit, titanați - davidit și brannerit; fosfați apos și arseniați de uranil - mica de uraniu.

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

Nasturanul (U3O8), cunoscut și sub denumirea de smoală de uraniu sau pitchblendă, care formează agregate colomorfe criptocristaline, este un mineral vulcanogen și hidrotermal, prezent în formațiunile paleozoice și mai tinere de temperatură înaltă și medie. Companionii constanti ai pechblendei sunt sulfurile, arsenidele, bismutul nativ, arsenul și argintul, carbonații și alte elemente. Aceste minereuri sunt foarte bogate în uraniu, dar extrem de rare, adesea însoțite de radiu, acest lucru se explică ușor: radiul este un produs direct al dezintegrarii izotopice a uraniului.

Negrule de uraniu (agregate pământoase libere) sunt reprezentate în principal în formațiuni tinere - cenozoice și mai tinere, caracteristice hidrotermale de sulfură de uraniu și depozitelor sedimentare.

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

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

Aplicație

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

În zilele noastre, principalul domeniu de aplicare al uraniului metalic, precum și al compușilor acestuia, este combustibilul pentru reactoare nucleare. Deci, în reactoarele staționare ale centralelor nucleare, se folosește un amestec (natural) de izotopi de uraniu slab îmbogățit, iar uraniul cu un grad ridicat de îmbogățire este utilizat în centralele nucleare și reactoarele cu neutroni rapidi.

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

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

Recent, izotopul de uraniu 233U, obținut artificial în reactoare din toriu, a fost utilizat pe scară largă; acesta este obținut prin iradierea toriului în fluxul de neutroni al unui reactor nuclear:

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

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

Alți izotopi artificiali de uraniu nu joacă un rol semnificativ.

După ce izotopii „necesari” 234U și 235U sunt extrași din uraniul natural, materia primă rămasă (238U) se numește „uraniu sărăcit”, este la jumătate la fel de radioactiv decât uraniul natural, în principal datorită eliminării 234U din acesta. Deoarece principala utilizare a uraniului este producerea de energie, din acest motiv, uraniul sărăcit este un produs cu utilizare redusă, cu valoare economică scăzută. Cu toate acestea, datorită prețului său scăzut, precum și a densității sale mari și a secțiunii transversale de captare extrem de mare, este utilizat pentru ecranarea radiațiilor și ca balast în aplicații aerospațiale, cum ar fi suprafețele de control a aeronavelor. În plus, uraniul sărăcit este folosit ca balast în vehiculele de coborâre în spațiu și iahturile de curse; în rotoare de giroscop de mare viteză, volante mari, foraj petrolier.

Cu toate acestea, cea mai cunoscută utilizare a uraniului sărăcit este utilizarea sa în aplicații militare - ca miezuri pentru proiectile perforatoare și armuri moderne ale tancului, cum ar fi tancul M-1 Abrams.

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

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

Productie

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

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

Deci, inițial minereul este concentrat - roca este zdrobită și umplută cu apă. În acest caz, elementele mai grele ale amestecului precipită mai repede. În rocile care conțin minerale primare de uraniu au loc precipitații rapide, deoarece sunt foarte grele. La concentrarea minereurilor care conțin minerale secundare de uraniu are loc sedimentarea rocii sterile, care este mult mai grea decât mineralele secundare, dar poate conține elemente foarte utile.

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

Următorul pas în producția de uraniu este leșierea, așa că uraniul intră în soluție. Practic, minereurile sunt levigate cu soluții de acizi sulfuric, uneori azotic sau soluții de sodă cu transfer de uraniu într-o soluție acidă sub formă de UO2SO4 sau anioni complecși și într-o soluție de sodă sub formă de anion cu 4 complexe. Metoda în care se utilizează acidul sulfuric este mai ieftină, însă nu este întotdeauna aplicabilă - dacă materia primă conține uraniu tetravalent (rășină de uraniu), care nu se dizolvă în acid sulfuric. În astfel de cazuri, se folosește leșierea alcalină sau uraniul tetravalent este oxidat la starea hexavalentă. Utilizarea sodei caustice ( sodă caustică) este utilă la levigarea minereului care conține magneză sau dolomit, care necesită prea mult acid pentru a se dizolva.

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

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

Proprietăți fizice

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

Puteți vedea toate cele trei faze ale procesului de reducere a uraniului. Pentru aceasta, se folosește un aparat special, care este o țeavă de oțel fără sudură, care este căptușită cu oxid de calciu, este necesar ca oțelul țevii să nu interacționeze cu uraniul. Un amestec de tetrafluorură de uraniu și magneziu (sau calciu) este încărcat în aparat, după care este încălzit la 600 ° C. Când se atinge această temperatură, se pornește o siguranță electrică, curge instantaneu. reacție de reducere exotermă, în timp ce amestecul încărcat se topește complet. Uraniul lichid (temperatura 1132 ° C) datorită greutății sale se scufundă complet în fund. După depunerea completă a uraniului pe partea inferioară a aparatului, începe răcirea, uraniul se cristalizează, atomii săi se aliniază într-o ordine strictă, formând o rețea cubică - aceasta este faza γ. Următoarea tranziție are loc la 774°C - rețeaua cristalină a metalului de răcire devine tetragonală, ceea ce corespunde fazei β. Când temperatura lingoului scade la 668° C, atomii își rearanjează din nou rândurile, aranjate în valuri în straturi paralele - faza α. Nu există alte modificări.

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

Multe proprietăți mecanice ale celui de-al 92-lea element depind de puritatea acestuia, de modurile de prelucrare termică și mecanică. Deci pentru uraniu turnat rezistența la întindere finală la temperatura camerei 372-470 MN/m2 sau 38-48 kgf/mm2, valoarea medie a modulului de elasticitate 20,5·10 -2 MN/m2 sau 20,9·10 -3 kgf/mm2. Rezistența uraniului crește după stingerea din fazele β și γ.

Iradierea uraniului cu un flux de neutroni, interacțiunea cu apa care răcește elementele combustibile din uraniu metalic și alți factori de funcționare în reactoare puternice cu neutroni termici - toate acestea duc la modificări ale proprietăților fizice și mecanice ale uraniului: metalul devine fragil, se dezvoltă fluaj, are loc deformarea produselor din uraniu metalic. Din acest motiv, aliajele de uraniu sunt utilizate în reactoarele nucleare, de exemplu, cu molibden, un astfel de aliaj este rezistent la apă, întărește metalul, menținând în același timp o rețea cubică la temperatură ridicată.

Proprietăți chimice

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

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

DEFINIȚIE

Uranus este al nouăzeci și doi de element al tabelului periodic. Denumirea - U din latinescul „uranium”. Situată în perioada a șaptea, grupa IIIB. Se referă la metale. Sarcina nucleară este 92.

Uraniul este un metal argintiu cu o suprafață lucioasă (Fig. 1). Greu. Maleabil, flexibil și moale. Proprietățile paramagneților sunt inerente. Uraniul se caracterizează prin prezența a trei modificări: α-uraniu (sistem rombic), β-uraniu (sistem tetragonal) și γ-uraniu (sistem cubic), fiecare dintre ele există într-un anumit interval de temperatură.

Orez. 1. Uranus. Aspect.

Greutatea atomică și moleculară a uraniului

Greutatea moleculară relativă a unei substanțe(M r) este un număr care arată de câte ori masa unei molecule date este mai mare decât 1/12 din masa unui atom de carbon și masa atomică relativă a unui element(A r) - de câte ori masa medie a atomilor unui element chimic este mai mare decât 1/12 din masa unui atom de carbon.

Deoarece uraniul există în stare liberă sub formă de molecule monoatomice U, valorile sale atomice și greutate moleculară se potrivesc. Ele sunt egale cu 238,0289.

Izotopi ai uraniului

Se știe că uraniul nu are izotopi stabili, dar uraniul natural constă dintr-un amestec al acelor izotopi 238 U (99,27%), 235 U și 234 U, care sunt radioactivi.

Există izotopi instabili ai uraniului cu numere de masă de la 217 la 242.

ioni de uraniu

La nivelul de energie exterior al atomului de uraniu, există trei electroni care sunt de valență:

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 .

Ca urmare a interacțiunii chimice, uraniul renunță la electronii de valență, adică. este donatorul lor și se transformă într-un ion încărcat pozitiv:

U 0 -3e → U 3+.

Moleculă și atom de uraniu

În stare liberă, uraniul există sub formă de molecule monoatomice U. Iată câteva proprietăți care caracterizează atomul și molecula de uraniu:

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

EXEMPLUL 2