Grynas uranas. Radioaktyvusis uranas

Irako ambasadoriaus JT žinutėje Mohammedas Ali al Hakimas liepos 9 d., teigiama, kad ISIS ekstremistai turi savo žinią ( Islamo Valstybė Irakas ir Levantas). TATENA ( Tarptautinė agentūra apie atominę energiją) suskubo pareikšti, kad anksčiau Irake naudotos branduolinės medžiagos turi mažai toksiškų savybių, taigi ir islamistų užgrobtos medžiagos.

JAV vyriausybės šaltinis, susipažinęs su situacija, naujienų agentūrai „Reuters“ sakė, kad kovotojų pavogtas uranas greičiausiai nebuvo sodrintas, todėl mažai tikėtina, kad jis bus panaudotas branduoliniams ginklams gaminti. Irako valdžia oficialiai pranešė apie šį incidentą Jungtinėms Tautoms ir paragino „užkirsti kelią jo panaudojimo grėsmei“, praneša RIA Novosti.

Urano junginiai yra labai pavojingi. AiF.ru kalbama apie tai, kas tiksliai, taip pat kas ir kaip gali gaminti branduolinį kurą.

Kas yra uranas?

Uranas yra cheminis elementas, kurio atominis skaičius 92, sidabriškai baltas blizgus metalas, periodinėje lentelėje žymimas simboliu U. Gryna forma jis yra šiek tiek minkštesnis už plieną, kalus, lankstus, randamas žemės plutoje (litosferoje). ) ir jūros vandenyje, o gryno pavidalo praktiškai nebūna. Branduolinis kuras gaminamas iš urano izotopų.

Uranas yra sunkus, sidabriškai baltas, blizgus metalas. Nuotrauka: Commons.wikimedia.org / Pradinis įkėlėjas buvo Zxctypo iš en.wikipedia.

Urano radioaktyvumas

1938 metais vokietis fizikai Otto Hahn ir Fritz Strassmann apšvitino urano branduolį neutronais ir padarė atradimą: gaudydamas laisvą neutroną, urano izotopo branduolys dalijasi ir išskiria milžinišką energiją dėl kinetinė energija fragmentai ir spinduliuotė. 1939-1940 metais Julijus Kharitonas Ir Jakovas Zeldovičius pirmą kartą teoriškai paaiškino, kad šiek tiek sodrinant natūralų uraną uranu-235, galima sudaryti sąlygas nuolatiniam atomo branduolių dalijimuisi, tai yra suteikti procesui grandininį pobūdį.

Kas yra prisodrintas uranas?

Prisodrintas uranas yra uranas, kuris gaminamas naudojant technologinis procesas, skirtas padidinti 235U izotopo dalį urane. Dėl to natūralus uranas skirstomas į prisodrintą ir nusodrintą uraną. Iš natūralaus urano išgavus 235U ir 234U, likusi medžiaga (uranas-238) vadinama „nusodrintu uranu“, nes jos išeikvotas 235 izotopu. Kai kuriais skaičiavimais, JAV saugoma apie 560 000 tonų nusodrintojo urano heksafluorido (UF6). Nusodrintasis uranas yra perpus radioaktyvesnis nei natūralus uranas, daugiausia dėl to, kad iš jo pašalinama 234 U. Kadangi pagrindinis urano panaudojimas yra energijos gamyba, nusodrintas uranas yra mažai naudojamas produktas, kurio ekonominė vertė maža.

Branduolinėje energetikoje naudojamas tik prisodrintas uranas. Plačiausiai naudojamas urano izotopas yra 235U, kuriame galima savaime išsilaikanti grandininė branduolinė reakcija. Todėl šis izotopas naudojamas kaip kuras branduoliniai reaktoriai ir branduoliniuose ginkluose. U235 izotopo išskyrimas iš natūralaus urano yra sudėtinga technologija, kurią gali įgyvendinti nedaug šalių. Urano sodrinimas leidžia gaminti atominius branduolinius ginklus – vienfazius arba vienpakopius sprogstamuosius įtaisus, kurių pagrindinė energija gaunama iš branduolinė reakcija sunkiųjų branduolių dalijimasis, kad susidarytų lengvesni elementai.

Uranas-233, dirbtinai gaminamas reaktoriuose iš torio (toris-232 pagauna neutroną ir virsta toriu-233, kuris skyla į protaktinumą-233, o vėliau į uraną-233), ateityje gali tapti įprastu branduoliniu kuru branduolinėje energetikoje. gamyklų (jau dabar yra reaktorių, kurie naudoja šį nuklidą kaip kurą, pvz., KAMINI Indijoje) ir atominių bombų gamyba (kritinė masė apie 16 kg).

30 mm kalibro sviedinio (A-10 lėktuvo GAU-8 pistoleto), kurio skersmuo apie 20 mm, šerdis pagaminta iš nusodrintojo urano. Nuotrauka: Commons.wikimedia.org / Pradinis įkėlėjas buvo Nrcprm2026 iš en.wikipedia

Kurios šalys gamina prisodrintą uraną?

• Prancūzija
• Vokietija
• Olandija
• Anglija
• Japonija
• Rusija
• Kinija
• Pakistanas
• Brazilija

10 šalių, gaminančių 94% pasaulio urano produkcijos. Nuotrauka: Commons.wikimedia.org / KarteUrangewinnung

Kodėl urano junginiai pavojingi?

Uranas ir jo junginiai yra toksiški. Ypač pavojingi yra urano ir jo junginių aerozoliai. Vandenyje tirpių urano junginių aerozoliams didžiausia leistina koncentracija (MPC) ore yra 0,015 mg/m³, netirpių urano formų MAC yra 0,075 mg/m³. Kai uranas patenka į organizmą, jis veikia visus organus, nes yra bendras ląstelių nuodas. Uranas, kaip ir daugelis kitų sunkiųjų metalų, beveik negrįžtamai jungiasi su baltymais, pirmiausia su aminorūgščių sulfidinėmis grupėmis, sutrikdydamas jų funkciją. Molekulinis urano veikimo mechanizmas yra susijęs su jo gebėjimu slopinti fermentų aktyvumą. Visų pirma pažeidžiami inkstai (baltymai ir cukrus atsiranda šlapime, oligurija). Su lėtiniu apsinuodijimu, kraujodaros ir nervų sistema.

Urano naudojimas taikiems tikslams

• Nedidelis urano priedas suteikia stiklui gražią geltonai žalią spalvą.
• Natrio uranas dažymui naudojamas kaip geltonas pigmentas.
• Urano junginiai buvo naudojami kaip dažai dažant ant porceliano ir keraminėms glazūroms bei emaliams (dažyti spalvomis: geltona, ruda, žalia ir juoda, priklausomai nuo oksidacijos laipsnio).
• XX amžiaus pradžioje uranilo nitratas buvo plačiai naudojamas negatyvams sustiprinti ir pozityvams (fotografiniams atspaudams) nuspalvinti (atspalvinti).
• Geležies ir nusodrintojo urano lydiniai (uranas-238) naudojami kaip galingos magnetostrikcinės medžiagos.

Izotopas – tai įvairūs cheminio elemento atomai, turintys tą patį atominį (eilinį) skaičių, bet skirtingus masės skaičius.

Periodinės lentelės III grupės elementas, priklausantis aktinidams; sunkus silpnas radijas aktyvus metalas. Toris turi daugybę pritaikymų, kuriuose jis kartais atlieka nepakeičiamą vaidmenį. Šio metalo padėtis periodinėje elementų lentelėje ir branduolio struktūra nulėmė jo naudojimą taikaus atominės energijos naudojimo srityje.

*** Oligurija (iš graikų oligos – mažas ir ouron – šlapimas) – sumažėjęs per inkstus išskiriamo šlapimo kiekis.

Nusodrintasis uranas yra urano izotopų mišinys ir daugiausia susideda iš urano-238. Visuotinai pripažįstama, kad uranas yra išeikvotas, kai urano-235 dalis yra mažesnė nei 0,711% masės, o tai sukuria spinduliuotę. Tuo pačiu metu kariniams tikslams paprastai naudojamas nusodrintas uranas, kurio frakcija yra mažesnė nei 0,3%.

Ar nusodrintas uranas yra radioaktyvus?

Norėdami tai suprasti, pakanka ištirti jo atsiradimo procesą. Nusodrintasis uranas gaunamas sodrinant uraną atominėms elektrinėms arba kariniams tikslams. Tam natūralus uranas prisodrintas urano izotopu-235. Dėl to didžioji dalis radioaktyviųjų izotopų (234 ir 235) yra pašalinami sodrinimo proceso metu ir lieka prisodrinto urano, o nusodrintasis uranas lieka kaip šalutinis produktas. Dėl to nusodrintojo urano radioaktyvumas yra maždaug 1,7 karto mažesnis nei pačios urano rūdos.

Kada buvo pagamintas pirmasis nusodrintasis uranas?

1940 m. JAV ir SSRS mokslininkai, pradėdami branduolinio ginklo programą, sodrinant uraną, gavo šalutinį produktą, vėliau pavadintą pagal analogiją - nusodrintą uraną. Tais metais tai buvo laikoma visiškai nenaudingomis atliekomis ir, kaip taisyklė, buvo palaidota.

Kaip saugomas nusodrintas uranas?

95% nusodrintojo urano yra laikomi kieto urano fluorido monolito pavidalu atvirame ore specialiuose uždaruose metaliniuose konteineriuose, neprieinant prie deguonies. Jungtinėse Valstijose 2005 metais jau buvo sukaupti 57 122 tankai, o tai sudaro beveik 700 tūkst. tonų nusodrintojo urano.

Kur naudojamas nusodrintas uranas?

Nusodrintojo urano naudojimas išpopuliarėjo dėl labai didelio tankio (19,1 g/cm³) ir didelio neutronų gaudymo skerspjūvio. Todėl uranas buvo pritaikytas šiose srityse:

• Aviacijoje ir laivų statyboje - kaip atsvaras lėktuvuose, raketų pakopose ir burlaivių kiliuose;
• Medicinoje – apsauga spindulinės terapijos metu (), komponentas dantų porcelianas – blizgesiui;
• Branduolinėje energetikoje – neatskiriama dalis MOX kuras, apsauga nuo radioaktyviųjų medžiagų;
• Pramonėje ir radiografijoje – apsauga nuo radioaktyviųjų medžiagų. Iki XX amžiaus pabaigos nusodrintasis uranas buvo dedamas į stiklo ir porceliano dažus. Tačiau daugelis klaidingai mano, kad urano buvo pačiame porceliane. Tačiau tada jis nebūtų taip plačiai paplitęs, ypač laboratorijose – iš paprasto porceliano be dažiklių gaminamos cheminės mentelės, porcelianiniai puodeliai ir stiklinės, grūstuvės ir grūstuvės;
• Karinėje sferoje – sviedinių ir šarvų gamybai.

Nusodrintasis uranas korpusuose

Kariuomenė buvo viena iš pirmųjų, suradusių prisodrinto urano atliekų panaudojimą. 1970 metais Pentagonas išsiaiškino, kad jų amunicija negalės prasiskverbti pro naujų sovietų tankų šarvus. Dėl to nusodrintas uranas buvo pasirinktas kaip nauja medžiaga šarvus pradurti sviediniams – kaip pigi ir prieinama medžiaga, didelio tankio – urano tankis artimas auksui ir volframui. Tai leidžia mažesnių sviedinių masei prilygti sviediniams, pagamintiems iš daugelio kitų metalų, tuo pačiu sumažinant aerodinaminį pasipriešinimą. Nusodrintasis uranas dėl mažo toksiškumo ir radioaktyvumo vėliau pradėtas naudoti JAV, SSRS, Didžiojoje Britanijoje ir Prancūzijoje tiek šarvuose, tiek šarvą perveriamuose didelės kinetinės energijos sviediniuose. Panašūs nusodrintojo urano ginklai buvo naudojami bombarduojant Jugoslaviją XX amžiaus pabaigoje ir abiejose JAV operacijose Irake.

Nusodrintas uranas tankų šarvuose

Nusodrintasis uranas naudojamas ne tik šarvus pramušančiuose sviediniuose, bet ir pačiuose tankų šarvuose kaip sluoksnis tarp plieno lakštai. Taigi Abrams tankai po 1998 metų priekinėse bokšto dalyse gabena nusodrintą uraną – vadinamąją urano keramiką.

Ar nusodrintas uranas naudojamas branduoliniuose ginkluose?

Kaip bebūtų keista, branduoliniuose ginkluose jie naudoja ne tik, bet ir išeikvotus. Tačiau jis naudojamas tik kaip branduolinio užtaiso apvalkalas ir kaip vienas iš branduolinio kuro komponentų, o tai padidina sprogimo galią.

Ar nusodrintas uranas yra kenksmingas?

Nėra tikslios informacijos apie ilgalaikį nusodrintojo urano šaudmenų naudojimo poveikį žmonių sveikatai. Tačiau nemažai aplinkosaugininkų išreiškė susirūpinimą dėl galimų vėžio protrūkių vietovėse, kuriose naudojami tokie sviediniai. Pavyzdžiui, per operaciją Irake 1991 metais JAV panaudojo apie 14 tūkstančių tankų sviedinių su nusodrintu uranu ir beveik milijoną 30 mm sviedinių. Iš viso buvo panaudota beveik 300 tonų gryno nusodrintojo urano. Daugeliui karių po šios operacijos buvo diagnozuotas vėžys.

Po Jugoslavijos bombardavimo jos teritorijoje buvo aptiktos 8 rimtai užterštos vietos, kurios anksčiau buvo bombarduotos nusodrintojo urano sviediniais. Taigi JT darbuotojams buvo uždrausta naudoti vandenį iš vietinių šaltinių. Tačiau ryšys tarp priežasčių ir pasekmių niekada nebuvo oficialiai įrodytas.

Cheminis nusodrintojo urano toksiškumas

Nusodrintas uranas daro didžiausią žalą ne dėl savo radioaktyvumo, o dėl cheminio toksiškumo. Prarijus, ypač druskų pavidalu, uranas kaupiasi kepenyse, blužnyje ir inkstuose.

Nusodrintojo urano radiacijos pavojus

Jei nusodrintojo urano toksiškumas yra didžiausias, kai jis patenka į organizmą skysčio pavidalu, tai didžiausią radiacinę žalą jis sukelia dulkių pavidalu. Alfa spinduliuotė iš mažų nusodrintojo urano dalelių stemplėje ir plaučiuose sukelia piktybinių vėžio auglių vystymąsi. Jei kalbėtume apie išorinę nusodrintojo urano spinduliuotę, ji tokia nereikšminga, kad ją gali sustabdyti net paprastas popieriaus lapas. Iš esmės uranas organizme yra koncentruotas kauluose.

Nusodrintojo urano naudojimo draudimas

Daugiau nei 90 nevyriausybinių organizacijų paragino uždrausti nusodrintojo urano naudojimą ginklų gamyboje. Panaši problema keletą kartų buvo iškelta JT ir Europos Parlamente. Bet, pavyzdžiui, Prancūzija ir Didžioji Britanija Europos Sąjungoje visada vetavo šį klausimą. Iki 2008 m. gruodžio mėn. JT Generalinės Asamblėjos rezoliuciją dėl papildomo ginklų naudojimo su nusodrintu uranu pasekmių tyrimo atlikimo palaikė 141 valstybė, keturios buvo prieš – Prancūzija, Didžioji Britanija, JAV ir Izraelis, dar 34 susilaikė, įskaitant Rusiją.

Kur Rusijoje laikomas nusodrintas uranas?

Rusijos nusodrintojo urano atsargos sudaro apie 700 mln. tonų jos pačios produkcijos, o dar 100 mln. tonų už simbolinę kainą įsigyta iš Europos įmonių. Rusijoje nusodrintas uranas naudojamas ne tik saugojimui, bet ir kaip kuras greitųjų neutronų reaktoriams (). Taip pat nusodrintam uranui atliekama pakartotinio sodrinimo procedūra – apie 15% virsta prisodrintu uranu.

Keturių perdirbimo įmonių teritorijos naudojamos kaip pradinės nusodrintojo urano saugojimo vietos:

• Novouralskas, Sverdlovsko sritis – Uralo elektrochemijos gamykla
• Angarskas, Irkutsko sritis – Angarsko elektrolizės chemijos gamykla
• Severskas, Tomsko sritis – Sibiro chemijos gamykla
• Zelenogorskas, Krasnojarsko sritis – Elektrochemijos gamykla

Uranas (U) yra elementas, kurio atominis skaičius 92 ir atominis svoris 238,029. Tai Dmitrijaus Ivanovičiaus Mendelejevo periodinės lentelės III grupės radioaktyvus cheminis elementas, priklausantis aktinidų šeimai. Uranas yra labai sunkus (2,5 karto sunkesnis už geležį, daugiau nei 1,5 karto sunkesnis už šviną), sidabriškai baltas, blizgus metalas. Gryna forma jis yra šiek tiek minkštesnis už plieną, kalus, lankstus ir turi nedideles paramagnetines savybes.

Gamtinį uraną sudaro trijų izotopų mišinys: 238U (99,274%), kurio pusinės eliminacijos laikas yra 4,51∙109 metai; 235U (0,702%), kurio pusinės eliminacijos laikas yra 7,13∙108 metai; 234U (0,006%), kurio pusinės eliminacijos laikas yra 2,48∙105 metai. Pastarasis izotopas yra ne pirminis, bet radiogeninis, jis yra radioaktyviosios 238U serijos dalis. Urano izotopai 238U ir 235U yra dviejų radioaktyvių serijų protėviai. Galutiniai šių serijų elementai yra švino izotopai 206Pb ir 207Pb.

Šiuo metu yra žinomi 23 dirbtiniai radioaktyvieji urano izotopai, kurių masės skaičius yra nuo 217 iki 242. Tarp jų „ilgaamžis“ yra 233 U, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 1,62∙105 metai. Jis gaunamas apšvitinant toriu neutronais ir gali dalytis veikiant šiluminiams neutronams.

Uraną 1789 m. atrado vokiečių chemikas Martinas Heinrichas Klaprothas, atlikęs eksperimentus su mineraliniu pikio mišiniu – „urano pikiu“. Naujasis elementas buvo pavadintas Urano planetos garbei, kurią neseniai (1781 m.) atrado Williamas Herschelis. Kitą pusę amžiaus Klaproto gauta medžiaga buvo laikoma metalu, tačiau 1841 m. tai paneigė prancūzų chemikas Eugene'as Melchioras Peligo, įrodęs vokiečių chemiko gauto urano (UO2) oksidinę prigimtį. Pats Peligo sugebėjo gauti urano metalą redukuodamas UCl4 kalio metalu, taip pat nustatė naujojo elemento atominę masę. Kitas, plėtojant žinias apie uraną ir jo savybes, buvo D. I. Mendelejevas - 1874 m., Remdamasis periodizacijos teorija, kurią jis sukūrė cheminiai elementai, jis padėjo uraną į tolimiausią savo stalo langelį. Rusų chemikas padvigubino urano atominę masę (120), anksčiau nustatytą Peligo. Tokių prielaidų teisingumą patvirtino po dvylikos metų vokiečių chemiko Zimmermanno eksperimentai.

Daugelį dešimtmečių uranas domėjosi tik siauram chemikų ir gamtos mokslininkų ratui, jo naudojimas taip pat buvo ribotas – stiklo ir dažų gamybai. Tik atradus šio metalo radioaktyvumą (1896 m. Henri Becquerel), 1898 metais buvo pradėtas pramoninis urano rūdos perdirbimas. Daug vėliau (1939 m.) buvo atrastas branduolio dalijimosi fenomenas, o nuo 1942 m. uranas tapo pagrindiniu branduoliniu kuru.

Svarbiausia urano savybė yra ta, kad kai kurių jo izotopų branduoliai gali dalytis, kai dėl šio proceso fiksuojami neutronai, išsiskiria didžiulis energijos kiekis. Ši elemento Nr. 92 savybė naudojama branduoliniuose reaktoriuose, kurie tarnauja kaip energijos šaltiniai, taip pat yra atominės bombos veikimo pagrindas. Uranas geologijoje naudojamas mineralų ir uolienų amžiui nustatyti, siekiant nustatyti geologinių procesų seką (geochronologiją). Dėl to, kad uolienose yra skirtingos urano koncentracijos, jos turi skirtingą radioaktyvumą. Ši savybė naudojama identifikuojant uolienas naudojant geofizinius metodus. Šis metodas plačiausiai naudojamas naftos geologijoje atliekant geofizinius gręžinių tyrimus. Urano junginiai buvo naudojami kaip dažai dažant ant porceliano ir keraminėms glazūroms bei emaliams (dažyti spalvomis: geltona, ruda, žalia ir juoda, priklausomai nuo oksidacijos laipsnio), pavyzdžiui, natrio uranatas Na2U2O7 buvo naudojamas kaip geltonas pigmentas m. tapyba.

Biologinės savybės

Uranas yra gana dažnas elementas biologinėje aplinkoje, šio metalo koncentratoriai yra laikomi kai kurių rūšių grybais ir dumbliais, kurie yra įtraukti į biologinio urano ciklo grandinę gamtoje pagal šią schemą: vanduo - vandens augalai- žuvis - žmogus. Taigi su maistu ir vandeniu uranas patenka į žmonių ir gyvūnų organizmą, tiksliau į virškinamąjį traktą, kur pasisavinama apie procentas patenkančių lengvai tirpių junginių ir ne daugiau kaip 0,1 % sunkiai tirpių junginių. Šis elementas su oru patenka į kvėpavimo takus ir plaučius, taip pat į gleivines ir odą. IN kvėpavimo takai, o ypač plaučiuose, absorbcija vyksta daug intensyviau: lengvai tirpūs junginiai pasisavinami 50 proc., o mažai tirpūs – 20 proc. Taigi urano nedideliais kiekiais (10-5-10-8%) randama gyvūnų ir žmonių audiniuose. Augaluose (sausose liekanose) urano koncentracija priklauso nuo jo kiekio dirvožemyje, todėl esant 10-4% dirvožemio koncentracijai, augale yra 1,5∙10-5% ar mažiau. Urano pasiskirstymas tarp audinių ir organų yra netolygus, pagrindinės kaupimosi vietos yra kaulinis audinys (skeletas), kepenys, blužnis, inkstai, taip pat plaučiai ir bronchopulmoniniai limfmazgiai (kai prastai tirpūs junginiai patenka į plaučius). Uranas (karbonatai ir kompleksai su baltymais) iš kraujo pasišalina gana greitai. Vidutiniškai 92-ojo elemento kiekis gyvūnų ir žmonių organuose ir audiniuose yra 10–7%. Pavyzdžiui, galvijų kraujyje yra 1∙10-8 g/ml urano, o žmogaus kraujyje – 4∙10-10 g/g. Galvijų kepenyse yra 8∙10-8 g/g, žmogaus tame pačiame organe 6∙10-9 g/g; galvijų blužnyje yra 9∙10-8 g/g, žmogaus - 4,7∙10-7 g/g. Galvijų raumenų audiniuose jo susikaupia iki 4∙10-11 g/g. Be to, į Žmogaus kūnas urano plaučiuose yra 6∙10–9 – 9∙10–9 g/g; inkstuose 5,3∙10-9 g/g (žievės sluoksnis) ir 1,3∙10-8 g/g (meduliarinis sluoksnis); kauliniame audinyje 1∙10-9 g/g; kaulų čiulpuose 1∙10-8 g/g; plaukuose 1,3∙10-7 g/g. Kauluose randamas uranas sukelia nuolatinį kaulinio audinio švitinimą (visiško urano pašalinimo iš skeleto laikotarpis yra 600 dienų). Mažiausiai šio metalo yra smegenyse ir širdyje (apie 10-10 g/g). Kaip minėta anksčiau, pagrindiniai urano patekimo į organizmą būdai yra vanduo, maistas ir oras. Su maistu ir skysčiais į organizmą patenkančio metalo paros dozė yra 1,9∙10-6 g, su oru – 7∙10-9 g. Tačiau kasdien urano iš organizmo pasišalina: su šlapimu nuo 0,5∙10-7 g. iki 5∙10-7 g; su išmatomis nuo 1,4∙10-6 g iki 1,8∙10-6 g Netekimai su plaukais, nagais ir negyvos odos žvyneliais - 2∙10-8 g.

Mokslininkai teigia, kad urano reikia nedideliais kiekiais normalus funkcionavimasžmogaus kūnas, gyvūnai ir augalai. Tačiau jo vaidmuo fiziologijoje dar nėra išaiškintas. Nustatyta, kad 92 elemento vidutinis kiekis žmogaus organizme yra apie 9∙10-5 g (Tarptautinė radiacinės saugos komisija). Tiesa, šis skaičius skirtinguose regionuose ir teritorijose šiek tiek svyruoja.

Nepaisant to, kad tai dar nežinoma, bet neabejotina biologinis vaidmuo gyvuose organizmuose uranas išlieka vienu iš pavojingiausi elementai. Visų pirma, tai pasireiškia toksišku šio metalo poveikiu, kurį lemia jo cheminės savybės, ypač junginių tirpumas. Pavyzdžiui, tirpūs junginiai (uranilas ir kiti) yra toksiškesni. Dažniausiai apsinuodijama uranu ir jo junginiais sodrinimo gamyklose, urano žaliavų gavybos ir perdirbimo įmonėse ir kituose gamybos įrenginiuose, kuriuose uranas dalyvauja technologiniuose procesuose.

Į organizmą prasiskverbęs uranas veikia absoliučiai visus organus ir jų audinius, nes veikimas vyksta ląstelių lygmeniu: slopina fermentų veiklą. Visų pirma pažeidžiami inkstai, o tai pasireiškia staigiu cukraus ir baltymų padidėjimu šlapime, vėliau išsivysto oligurija. Pažeidžiamas virškinimo traktas ir kepenys. Apsinuodijimas uranu skirstomas į ūminį ir lėtinį, pastarasis vystosi palaipsniui ir gali būti besimptomis arba su lengvais simptomais. Tačiau vėliau lėtinis apsinuodijimas sukelia kraujodaros, nervų sistemos ir kitų rimtų sveikatos problemų.

Tonoje granito uolienų yra maždaug 25 gramai urano. Energija, kuri gali išsiskirti deginant šiuos 25 gramus reaktoriuje, yra palyginama su energija, kuri išsiskiria deginant 125 tonas anglies galingų šiluminių katilų krosnyse! Remiantis šiais duomenimis, galima daryti prielaidą, kad artimiausiu metu granitas bus laikomas viena iš mineralinio kuro rūšių. Iš viso palyginti ploname dvidešimties kilometrų paviršinis sluoksnis Žemės pluta yra maždaug 1014 tonų urano, pavertus energijos ekvivalentu, rezultatas yra tiesiog kolosalus – 2,36,1024 kilovatvalandės. Net visos sukurtos, ištirtos ir siūlomos iškastinio kuro telkiniai kartu paėmus nepajėgūs suteikti nė milijonosios šios energijos!

Yra žinoma, kad urano lydiniai veikiami karščio gydymas, išsiskiria aukštesnėmis išeigos ribomis, valkšnumu ir padidintu atsparumu korozijai, mažesniu polinkiu keisti gaminių formą esant temperatūros svyravimams ir veikiant radiacijai. Remiantis šiais principais, XX amžiaus pradžioje ir iki trečiojo dešimtmečio uranas karbido pavidalu buvo naudojamas įrankių plieno gamyboje. Be to, jis buvo naudojamas kai kuriuose lydiniuose pakeisti volframą, kuris buvo pigesnis ir prieinamesnis. Gaminant ferouraną U dalis siekė iki 30 proc. Tiesa, antrajame XX amžiaus trečdalyje toks urano naudojimas tapo niekais.

Kaip žinoma, mūsų Žemės gelmėse vyksta nuolatinis urnų izotopų irimo procesas. Taigi, mokslininkai apskaičiavo, kad momentinis energijos išsiskyrimas iš visos šio metalo masės, uždarytos žemės apvalkale, įkaitintų mūsų planetą iki kelių tūkstančių laipsnių temperatūros! Tačiau toks reiškinys, laimei, neįmanomas – juk šilumos išsiskyrimas vyksta palaipsniui, kai urano ir jo darinių branduoliuose vyksta eilė ilgalaikių radioaktyvių virsmų. Apie tokių virsmų trukmę galima spręsti pagal natūralių urano izotopų pusėjimo trukmę, pavyzdžiui, 235U tai yra 7108 metai, o 238U – 4,51109 metai. Tačiau urano šiluma žymiai sušildo Žemę. Jei visoje Žemės masėje būtų toks pat urano kiekis, kaip ir viršutiniame dvidešimties kilometrų sluoksnyje, tai temperatūra planetoje būtų daug aukštesnė nei dabar. Tačiau judant link Žemės centro, urano koncentracija mažėja.

Branduoliniuose reaktoriuose apdorojama tik maža dalis pakrauto urano, taip yra dėl kuro šlakavimo skilimo produktais: 235U perdega, grandininė reakcija palaipsniui užgęsta. Tačiau kuro strypai vis tiek pripildyti branduolinio kuro, kurį vėl reikia sunaudoti. Norėdami tai padaryti, seni kuro elementai išmontuojami ir siunčiami perdirbti – jie ištirpinami rūgštyse, o iš gauto tirpalo ekstrahuojant išgaunamas skilimo fragmentai, kuriuos reikia pašalinti, lieka tirpale. Taigi paaiškėja, kad urano pramonė praktiškai yra chemijos gamyba be atliekų!

Urano izotopų atskyrimo įrenginiai užima kelių dešimčių hektarų plotą, o akytųjų pertvarų plotas gamyklos atskyrimo kaskadose yra maždaug toks pat. Taip yra dėl urano izotopų atskyrimo difuzijos metodo sudėtingumo – juk norint padidinti 235U koncentraciją nuo 0,72 iki 99%, reikia kelių tūkstančių difuzijos žingsnių!

Naudodami urano-švino metodą, geologai, tirdami meteoritų uolienas, sugebėjo išsiaiškinti seniausių mineralų amžių, apytikslę mūsų planetos gimimo datą. „Urano laikrodžio“ dėka buvo nustatytas mėnulio dirvožemio amžius. Įdomu tai, kad 3 milijardus metų Mėnulyje nebuvo vulkaninės veiklos, o natūralus Žemės palydovas tebėra pasyvus kūnas. Juk net patys jauniausi Mėnulio materijos gabalėliai gyveno ilgiau nei seniausių sausumos mineralų amžius.

Istorija

Uranas buvo naudojamas labai seniai – dar I amžiuje prieš Kristų iš natūralaus urano oksido buvo gaminama geltona glazūra, naudojama keramikai dažyti.

Šiais laikais urano tyrimas vyko palaipsniui – keliais etapais, nuolat augant. Pradžia buvo tai, kad 1789 m. šį elementą atrado vokiečių gamtos filosofas ir chemikas Martinas Heinrichas Klaprothas, kuris aukso geltonumo „žemę“, išgautą iš Saksonijos pikio rūdos („urano pikio“), pavertė į juodąjį metalą panašią medžiagą (uraną). oksidas – UO2). Pavadinimas buvo suteiktas tolimiausios tuo metu žinomos planetos – Urano, kurį savo ruožtu 1781 metais atrado Williamas Herschelis, garbei. Šiuo metu baigiasi pirmasis naujojo elemento tyrimo etapas (Klaprothas buvo įsitikinęs, kad atrado naują metalą) ir ateina daugiau nei penkiasdešimties metų pertrauka.

1840-ieji gali būti laikomi naujo etapo urano tyrimų istorijoje pradžia. Būtent nuo šių metų jaunas chemikas iš Prancūzijos Eugene'as Melchioras Peligo (1811-1890) ėmėsi metalinio urano gavimo problemos netrukus (1841) – metalinis uranas buvo gautas redukuojant UCl4 metaliniu kaliu. Be to, jis įrodė, kad Klaprotho atrastas uranas iš tikrųjų yra tik jo oksidas. Prancūzas nustatė ir numatomą naujojo elemento atominę masę – 120. Tada vėl buvo ilga pertrauka tiriant urano savybes.

Tik 1874 metais atsirado naujų prielaidų apie urano prigimtį: Dmitrijus Ivanovičius Mendelejevas, vadovaudamasis savo sukurta teorija apie cheminių elementų periodizaciją, savo lentelėje suranda vietą naujam metalui, įdėdamas uraną paskutinėje ląstelėje. Be to, Mendelejevas padvigubino anksčiau numatytą urano atominę masę, nepadarydamas klaidos ir tai patvirtino vokiečių chemiko Zimmermanno eksperimentai po 12 metų.

Nuo 1896 metų atradimai urano savybių tyrimo srityje „byrėjo“ vienas po kito: minėtais metais visai atsitiktinai (tyrinėjant kalio uranilsulfato kristalų fosforescenciją) 43 m. profesorius Antoine'as Henri Becquerel atranda „Bekerelio spindulius“, vėliau Marie Curie pervadintus radioaktyvumu. Tais pačiais metais Henri Moissan (vėlgi chemikas iš Prancūzijos) sukūrė gryno urano metalo gamybos metodą.

1899 m. Ernestas Rutherfordas atrado urano preparatų spinduliuotės nevienalytiškumą. Paaiškėjo, kad yra dviejų tipų spinduliuotė – alfa ir beta spinduliai, skiriasi savo savybėmis: neša skirtingus elektros krūvius, turi skirtingi ilgiai skiriasi ir jų medžiagų diapazonas bei jonizuojantis gebėjimas. Po metų gama spindulius taip pat atrado Paulas Villaras.

Ernestas Rutherfordas ir Frederickas Soddy kartu sukūrė urano radioaktyvumo teoriją. Remdamasis šia teorija, 1907 m. Rutherfordas ėmėsi pirmųjų eksperimentų, siekdamas nustatyti mineralų amžių, tirdamas radioaktyvųjį uraną ir torį. 1913 m. F. Soddy įvedė izotopų sąvoką (iš senovės graikų kalbos iso – „lygus“, „identiškas“, o topos – „vieta“). 1920 metais tas pats mokslininkas pasiūlė, kad izotopai galėtų būti naudojami uolienų geologiniam amžiui nustatyti. Jo prielaidos pasirodė teisingos: 1939 metais Alfredas Otto Karlas Nieras sukūrė pirmąsias lygtis amžių skaičiavimui ir naudojo masės spektrometrą izotopams atskirti.

1934 metais Enrico Fermi atliko seriją eksperimentų bombarduodamas cheminius elementus neutronais – dalelėmis, kurias 1932 metais atrado J. Chadwickas. Dėl šios operacijos urane atsirado anksčiau nežinomų radioaktyviųjų medžiagų. Fermi ir kiti jo eksperimentuose dalyvavę mokslininkai teigė atradę transurano elementus. Ketverius metus tarp neutronų bombardavimo produktų buvo bandoma aptikti transurano elementus. Viskas baigėsi 1938 m., kai vokiečių chemikai Otto Hahn ir Fritz Strassmann nustatė, kad užfiksavus laisvąjį neutroną, urano izotopo 235U branduolys skyla, išskirdamas (vienam urano branduoliui) gana daug energijos, daugiausia dėl kinetikos. energijos fragmentai ir spinduliuotė. Vokiečių chemikams nepavyko pasistūmėti toliau. Lise Meitner ir Otto Frisch sugebėjo pagrįsti savo teoriją. Šis atradimas lėmė atominės energijos panaudojimą tiek taikiems, tiek kariniams tikslams.

Buvimas gamtoje

Vidutinis urano kiekis žemės plutoje (clarke) yra 3∙10-4% masės, o tai reiškia, kad žemės žarnyne jo yra daugiau nei sidabro, gyvsidabrio ir bismuto. Uranas yra būdingas žemės plutos granito sluoksnio ir nuosėdinio apvalkalo elementas. Taigi tonoje granito yra apie 25 gramus elemento Nr. 92. Iš viso palyginti ploname, dvidešimties kilometrų, viršutinis sluoksnisŽemėje yra daugiau nei 1000 tonų urano. Rūgščiose magminėse uolienose 3,5∙10-4%, moliuose ir skalūnuose 3,2∙10-4%, ypač praturtintose organinėmis medžiagomis, bazinėse uolienose 5∙10-5%, ultrabazinėse mantijos uolienose 3∙10-7% .

Uranas energingai migruoja šaltuose ir karštuose, neutraliuose ir šarminiuose vandenyse paprastų ir sudėtingų jonų pavidalu, ypač karbonatų kompleksų pavidalu. Redokso reakcijos vaidina svarbų vaidmenį urano geochemijoje, nes urano junginiai, kaip taisyklė, gerai tirpsta vandenyje, kuriame yra oksidacinė aplinka, ir blogai tirpsta vandenyje, kuriame yra redukuojančios aplinkos (vandenilio sulfidas).

Yra žinoma daugiau nei šimtas mineralinių urano rūdų, kurios skiriasi chemine sudėtimi, kilme ir visos rūšies urano koncentracija, tik keliolika yra įdomios. Pagrindiniais urano atstovais, kurie turi didžiausią pramoninę reikšmę, gamtoje gali būti laikomi oksidai – uraninitas ir jo atmainos (pikis ir urano juodasis), taip pat silikatai – karstas, titanatai – daviditas ir braneritas; vandeniniai fosfatai ir uranilo arsenatai – urano žėručiai.

Uraninitas – UO2 vyrauja senovės – Prekambro uolienose skaidrių kristalinių formų pavidalu. Uraninitas sudaro izomorfines eilutes su torianitu ThO2 ir ittrocerianitu (Y,Ce)O2. Be to, visuose uraninituose yra radiogeninių urano ir torio skilimo produktų: K, Po, He, Ac, Pb, taip pat Ca ir Zn. Pats uraninitas yra aukštos temperatūros mineralas, būdingas granitui ir sienito pegmatitams kartu su sudėtingais urano niobato-tantalo titanatais (kolumbitu, pirochloru, samarsitu ir kt.), cirkoniu, monazitu. Be to, uranito pasitaiko hidroterminėse, skarninėse ir nuosėdinėse uolienose. Dideli uranito telkiniai žinomi Kanadoje, Afrikoje, Jungtinėse Amerikos Valstijose, Prancūzijoje ir Australijoje.

Pikio mišinys (U3O8), dar žinomas kaip urano dervos arba dervos mišinys, sudarantis kriptokristalinius kolomorfinius agregatus – vulkaninį ir hidroterminį mineralą, yra atstovaujamas paleozojaus ir jaunesnėse aukštos ir vidutinės temperatūros dariniuose. Nuolatiniai pikio mišinio palydovai yra sulfidai, arsenidai, vietinis bismutas, arsenas ir sidabras, karbonatai ir kai kurie kiti elementai. Šiose rūdose yra labai daug urano, tačiau jos yra itin retos, dažnai kartu su radžiu, tai nesunkiai paaiškinama: radis yra tiesioginis urano izotopinio skilimo produktas.

Urano juodumai (birūs žemiški agregatai) yra daugiausia jaunų - kainozojaus ir jaunesnių formacijų, būdingų hidroterminiams sulfido-urano ir nuosėdų telkiniams.

Uranas taip pat išgaunamas kaip šalutinis produktas iš rūdų, kuriose yra mažiau nei 0,1 %, pavyzdžiui, iš aukso turinčių konglomeratų.

Pagrindiniai urano rūdos telkiniai yra JAV (Kolorado, Šiaurės ir Pietų Dakota), Kanadoje (Ontarijo ir Saskačevano provincijose), Pietų Afrikoje (Vitwatersrand), Prancūzijoje (Centriniame masyve), Australijoje (Šiaurinėje Teritorijoje) ir daugelyje kitų šalių. . Rusijoje pagrindinis urano rūdos regionas yra Užbaikalija. Apie 93% rusiško urano išgaunama Čitos srities telkinyje (netoli Krasnokamensko miesto).

Taikymas

Šiuolaikinė branduolinė energija tiesiog neįsivaizduojama be elemento Nr.92 ir jo savybių. Nors ne taip seniai – iki pirmojo branduolinio reaktoriaus paleidimo urano rūdos buvo kasamos daugiausia siekiant iš jų išgauti radį. Kai kuriuose dažuose ir katalizatoriuose buvo panaudoti nedideli urano junginių kiekiai. Tiesą sakant, uranas buvo laikomas elementu, kuris beveik neturėjo pramoninės reikšmės, ir kaip radikaliai situacija pasikeitė atradus urano izotopų gebėjimą dalytis! Šis metalas akimirksniu gavo strateginės žaliavos Nr.1 ​​statusą.

Šiais laikais pagrindinė urano metalo, kaip ir jo junginių, taikymo sritis yra branduolinių reaktorių kuras. Taigi stacionariuose atominių elektrinių reaktoriuose naudojamas mažai prisodrintas (natūralus) urano izotopų mišinys, o energetiniuose branduoliniuose įrenginiuose ir greitųjų neutronų reaktoriuose – uranas. aukštas laipsnis praturtinimas.

Plačiausiai naudojamas urano izotopas 235U, nes jame galima savaime išsilaikanti branduolinė grandininė reakcija, kuri nėra būdinga kitiems urano izotopams. Dėl šios savybės 235U naudojamas kaip kuras branduoliniuose reaktoriuose, taip pat branduoliniuose ginkluose. Tačiau 235U izotopo atskyrimas nuo natūralaus urano yra sudėtinga ir brangi technologinė problema.

Labiausiai paplitęs gamtoje urano izotopas, 238U, gali skilti, kai yra bombarduojamas didelės energijos neutronais. Ši šio izotopo savybė naudojama galiai padidinti termobranduoliniai ginklai- naudojami termobranduolinės reakcijos susidarę neutronai. Be to, plutonio izotopas 239Pu gaunamas iš 238U izotopo, kuris savo ruožtu taip pat gali būti naudojamas branduoliniuose reaktoriuose ir atominėje bomboje.

Pastaruoju metu urano izotopas 233U, dirbtinai pagamintas reaktoriuose iš torio, buvo plačiai naudojamas, jis gaunamas apšvitinant torą branduolinio reaktoriaus neutronų sraute:

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

Be to, reaktoriuose su 233U gali atsirasti išplėstas branduolinio kuro dauginimasis. Taigi, kai torio reaktoriuje sudega kilogramas 233U, jame turėtų susikaupti 1,1 kg naujo 233U (dėl torio branduolių gaudymo neutronų). Artimiausiu metu urano-torio ciklas terminiuose neutroniniuose reaktoriuose bus pagrindinis urano-plutonio ciklo konkurentas branduoliniam kurui atgaminti greitųjų neutronų reaktoriuose. Reaktoriai, naudojantys šį nuklidą kaip kurą, jau egzistuoja ir veikia (KAMINI Indijoje). 233U taip pat yra perspektyviausias kuras dujų fazės branduoliniams raketų varikliams.

Kiti dirbtiniai urano izotopai nevaidina reikšmingo vaidmens.

Iš natūralaus urano išgavus „būtinus“ izotopus 234U ir 235U, likusi žaliava (238U) vadinama „nusodrintu uranu“, ji yra perpus radioaktyvesnė už gamtinį uraną, daugiausia dėl to, kad iš jo pašalinama 234U. Kadangi pagrindinis urano panaudojimas yra energijos gamyba, dėl šios priežasties nusodrintasis uranas yra mažai naudojamas produktas, kurio ekonominė vertė maža. Tačiau dėl mažos kainos, didelio tankio ir itin didelio fiksavimo skerspjūvio jis naudojamas radiacinei apsaugai ir kaip balastas aviacijos ir kosmoso srityse, pavyzdžiui, valdymo paviršiuose. lėktuvas. Be to, nusodrintas uranas naudojamas kaip balastas kosminiuose nusileidimuose ir lenktyninėse jachtose; greitaeigiuose giroskopo rotoriuose, dideliuose smagračiuose ir gręžiant naftos gręžinius.

Tačiau labiausiai žinomas nusodrintasis uranas naudojamas kariniams tikslams – kaip šarvus pradurtų sviedinių ir modernių tankų šarvų, tokių kaip tankas M-1 Abrams, branduoliai.

Mažiau žinomi urano panaudojimo būdai daugiausia susiję su jo junginiais. Taigi nedidelis urano priedas suteikia stiklui gražią geltonai žalią fluorescenciją, kai kurie urano junginiai yra jautrūs šviesai, dėl šios priežasties uranilo nitratas buvo plačiai naudojamas negatyvams sustiprinti ir pozityvams (fotografiniams atspaudams) nuspalvinti (atspalvinti).

235U karbidas, legiruotas su niobio karbidu ir cirkonio karbidu, naudojamas kaip branduolinių reaktyvinių variklių kuras. Geležies ir nusodrintojo urano lydiniai (238U) naudojami kaip galingos magnetostrikcinės medžiagos. Natrio uranatas Na2U2O7 buvo naudojamas kaip geltonas pigmentas tapyboje, urano junginiai buvo naudojami kaip dažai dažant ant porceliano ir keraminėms glazūroms bei emaliams (dažyti spalvomis: geltona, ruda, žalia ir juoda, priklausomai nuo oksidacijos laipsnio); .

Gamyba

Uranas gaunamas iš urano rūdų, kurios labai skiriasi daugeliu charakteristikų (susidarymo sąlygos, „kontrastas“, naudingų priemaišų kiekis ir kt.), kurių pagrindinis yra urano procentas. Pagal šį kriterijų išskiriamos penkios rūdos rūšys: labai turtingos (turi virš 1 % urano); turtingas (1-0,5%); vidutinis (0,5-0,25%); paprastų (0,25-0,1 proc.) ir skurdžių (mažiau nei 0,1 proc.). Tačiau net iš rūdų, kuriose yra 0,01–0,015 % urano, šis metalas išgaunamas kaip šalutinis produktas.

Per daugelį urano žaliavų kūrimo metų buvo sukurta daug metodų uranui atskirti nuo rūdų. Taip yra dėl strateginės urano svarbos kai kuriose srityse ir dėl jo natūralių apraiškų įvairovės. Tačiau, nepaisant visų metodų ir žaliavų įvairovės, bet kokia urano gamyba susideda iš trijų etapų: preliminari urano rūdos koncentracija; urano išplovimas ir pakankamas kiekis gryni junginiai uranas nusodinant, ekstrahuojant arba keičiant jonus. Toliau, priklausomai nuo gauto urano paskirties, produktas prisodrintas 235U izotopu arba iš karto redukuojamas iki elementinio urano.

Taigi, rūda iš pradžių yra sukoncentruota – uoliena susmulkinama ir pripildoma vandens. Tokiu atveju sunkesni mišinio elementai nusėda greičiau. Uolienose, kuriose yra pirminių urano mineralų, jie greitai nusodinami, nes jie yra labai sunkūs. Koncentruojant rūdas, kuriose yra antrinių urano mineralų, nusėda atliekos, kurios yra daug sunkesnės už antrinius mineralus, tačiau gali turėti labai naudingų elementų.

Urano rūdos beveik niekada nėra sodrinami, išskyrus organinį radiometrinio rūšiavimo metodą, pagrįstą radžio γ spinduliuote, kuri visada lydi uraną.

Kitas urano gamybos etapas yra išplovimas, todėl uranas ištirpsta. Iš esmės rūdos išplaunamos sieros, kartais azoto rūgščių ar sodos tirpalais, perkeliant uraną į rūgštinį tirpalą UO2SO4 arba kompleksinių anijonų pavidalu, o į sodos tirpalą 4 kompleksinio anijono pavidalu. Metodas, kuriame naudojama sieros rūgštis, yra pigesnis, tačiau ne visada tinkamas, jei žaliavoje yra keturiavalenčio urano (urano dervos), kuris netirpsta sieros rūgštyje. Tokiais atvejais naudojamas šarminis išplovimas arba keturiavalentis uranas oksiduojamas iki šešiavalenčio būsenos. Išplaunant rūdas, kuriose yra magnezito ar dolomito, kurioms ištirpinti reikia per daug rūgšties, patartina naudoti kaustinę sodą.

Po išplovimo etapo tirpale yra ne tik urano, bet ir kitų elementų, kurie, kaip ir uranas, išgaunami tuo pačiu būdu. organiniai tirpikliai, nusėda ant tų pačių jonų mainų dervų ir tomis pačiomis sąlygomis nusodina. Esant tokiai situacijai, norint selektyviai izoliuoti uraną, būtina naudoti daugybę redokso reakcijų, kad būtų pašalintas nepageidaujamas elementas įvairiuose etapuose. Vienas iš jonų mainų ir ekstrahavimo metodų privalumų yra tai, kad uranas gana visiškai išgaunamas iš prastų tirpalų.

Po visų minėtų operacijų uranas paverčiamas kietu – į vieną iš oksidų arba į UF4 tetrafluoridą. Tokiame urane yra priemaišų su didelis skerspjūvisšiluminių neutronų gaudymas – ličio, boro, kadmio, retųjų žemių metalų. Galutiniame produkte jų kiekis neturėtų viršyti šimto tūkstantųjų ir milijonų procentų! Norėdami tai padaryti, uranas vėl ištirpinamas, šį kartą azoto rūgštyje. Uranilo nitratas UO2(NO3)2 ekstrahuojant tributilo fosfatu ir kai kuriomis kitomis medžiagomis papildomai išvalomas iki reikiamų standartų. Tada ši medžiaga kristalizuojama (arba nusodinama) ir kruopščiai kalcinuojama. Šios operacijos metu susidaro urano trioksidas UO3, kuris vandeniliu redukuojamas iki UO2. Esant 430–600°C temperatūrai, urano oksidas reaguoja su sausu vandenilio fluoridu ir virsta UF4 tetrafluoridu. Jau iš šio junginio urano metalas paprastai gaunamas naudojant kalcio arba magnio įprastą redukciją.

Fizinės savybės

Urano metalas yra labai sunkus, jis yra du su puse karto sunkesnis už geležį ir pusantro karto už šviną! Tai vienas iš sunkiausių elementų, saugomų Žemės žarnyne. Sidabriškai balta spalva ir blizgesiu uranas primena plieną. Grynas metalas Jis yra plastikinis, minkštas, didelio tankio, bet tuo pat metu lengvai apdorojamas. Uranas yra elektropozityvus ir turi nedideles paramagnetines savybes – specifinis magnetinis jautrumas kambario temperatūroje yra 1,72·10 -6, turi mažą elektros laidumą, bet didelį reaktyvumą. Šis elementas turi tris alotropines modifikacijas: α, β ir γ. α forma turi ortorombinę kristalinę gardelę su šiais parametrais: a = 2,8538 Å, b = 5,8662 Å, c = 469557 Å. Ši forma yra stabili temperatūros diapazone nuo kambario temperatūros iki 667,7 ° C. Urano tankis α formos 25 ° C temperatūroje yra 19,05 ± 0,2 g/cm 3 . β forma turi tetragonalinę kristalinę gardelę, stabilią temperatūrų diapazone nuo 667,7° C iki 774,8° C. Ketrakampės gardelės parametrai: a = 10,759 Å, b = 5,656 Å. γ-forma su į kūną orientuota kubine struktūra, stabili nuo 774,8°C iki lydymosi temperatūros (1132°C).

Visas tris fazes galima pamatyti urano atgavimo proceso metu. Tam naudojamas specialus aparatas, kuris yra besiūlis plieninis vamzdis, išklotas kalcio oksidu, tai būtina, kad vamzdžio plienas nesąveikuotų su uranu. Į aparatą įpilamas urano tetrafluorido ir magnio (arba kalcio) mišinys, po to kaitinamas iki 600 °C. Pasiekus šią temperatūrą įjungiamas elektrinis uždegiklis ir egzoterminė redukcijos reakcija, kurios metu pakrautas mišinys visiškai išsilydo. Skystas uranas (temperatūra 1132 ° C) dėl savo svorio visiškai nugrimzta į dugną. Visiškai nusodinus uraną į aparato dugną, prasideda aušinimas, uranas kristalizuojasi, jo atomai išsidėsto griežta tvarka, sudarydami kubinę gardelę – tai γ fazė. Kitas perėjimas įvyksta 774 ° C temperatūroje - kristalinė ląstelė aušinamas metalas tampa tetragoninis, o tai atitinka β fazę. Kai luito temperatūra nukrenta iki 668° C, atomai vėl pertvarko savo eiles, išsidėsčiusias bangomis lygiagrečiais sluoksniais – α fazė. Be to, pokyčių neįvyksta.

Pagrindiniai urano parametrai visada susiję su α faze. Lydymosi temperatūra (lydymosi) 1132°C, urano virimo temperatūra (tbp) 3818°C. Specifinė šiluma kambario temperatūroje 27,67 kJ/(kg K) arba 6,612 cal/(g °C). Specifinis elektrinė varža 25°C temperatūroje apytiksliai 3·10 -7 om·cm, o jau 600°С 5,5·10 -7 om·cm. Urano šilumos laidumas taip pat kinta priklausomai nuo temperatūros: 100–200 °C diapazone lygus 28,05 W/(m K) arba 0,067 cal/(cm sek °C), o padidinus iki 400 °C – padidėja iki 29,72 W/(m K) 0,071 cal/(cm sek ° C). Uranas turi superlaidumą esant 0,68 K. Vidutinis Brinelio kietumas yra 19,6 - 21,6·10 2 Mn/m 2 arba 200-220 kgf/mm 2.

Daug mechaninės savybės 92-asis elementas priklauso nuo jo grynumo, nuo terminio ir mechaninio apdorojimo režimų. Taigi dėl lietojo urano tempiamasis stipris kambario temperatūroje yra 372-470 MN/m2 arba 38-48 kgf/mm2, vidutinis tamprumo modulis 20,5·10 -2 MN/m2 arba 20,9·10 -3 kgf/mm2. Urano stiprumas padidėja po gesinimo iš β ir γ fazių.

Urano švitinimas neutronų srautu, sąveika su vandeniu aušinančiais kuro elementais iš metalinio urano, kiti veikimo galinguose reaktoriuose, kuriuose naudojami šiluminiai neutronai, veiksniai – visa tai lemia urano fizikinių ir mechaninių savybių pokyčius: metalas tampa trapus, šliaužia. vystosi, o gaminiai iš metalinio urano deformuojasi. Dėl šios priežasties branduoliniuose reaktoriuose naudojami urano lydiniai, pavyzdžiui, su molibdenu, toks lydinys yra atsparus vandeniui, stiprina metalą, išlaiko aukštos temperatūros kubinę gardelę.

Cheminės savybės

Chemiškai uranas yra labai aktyvus metalas. Ore jis oksiduojasi, kai ant paviršiaus susidaro vaivorykštė UO2 dioksido plėvelė, kuri neapsaugo metalo nuo tolesnės oksidacijos, kaip atsitinka titanui, cirkoniui ir daugeliui kitų metalų. Su deguonimi uranas sudaro UO2 dioksidą, UO3 trioksidą ir didelis skaičius tarpiniai oksidai, iš kurių svarbiausias yra U3O8, šių oksidų savybės panašios į UO2 ir UO3. Miltelių pavidalo uranas yra piroforinis ir gali užsidegti šiek tiek kaitinant (150 °C ir daugiau), degimą lydi ryški liepsna, galiausiai susidaro U3O8. Esant 500-600 °C temperatūrai, uranas sąveikauja su fluoru, sudarydamas žalius adatos formos kristalus, šiek tiek tirpius vandenyje ir rūgštyse - urano tetrafluoridą UF4, taip pat UF6 - heksafluoridą (baltus kristalus, kurie sublimuojasi nelydant esant 56,4 °C). UF4, UF6 yra urano sąveikos su halogenais pavyzdžiai, kad susidarytų urano halogenidai. Uranas lengvai jungiasi su siera, sudarydamas daugybę junginių, iš kurių svarbiausias yra JAV – branduolinis kuras. Uranas reaguoja su vandeniliu 220 °C temperatūroje ir susidaro hidridas UH3, kuris yra chemiškai labai aktyvus. Toliau kaitinant, UH3 skyla į vandenilį ir urano miltelius. Sąveika su azotu vyksta aukštesnėje temperatūroje – nuo ​​450 iki 700 °C ir Atmosferos slėgis nitridas U4N7 gaunamas didėjant azoto slėgiui esant toms pačioms temperatūroms, galima gauti UN, U2N3 ir UN2. Aukštesnėje temperatūroje (750–800 °C) uranas reaguoja su anglimi ir susidaro UC monokarbidas, UC2 dikarbidas, taip pat U2C3. Uranas reaguoja su vandeniu, sudarydamas UO2 ir H2, lėčiau su šaltu ir aktyviau su karštu vandeniu. Be to, reakcija taip pat vyksta su vandens garais, kurių temperatūra yra nuo 150 iki 250 °C. Šis metalas tirpsta druskos HCl ir azoto rūgštyse HNO3, ne taip aktyviai – labai koncentruotoje vandenilio fluorido rūgštyje ir lėtai reaguoja su sieros H2SO4 ir ortofosforo rūgštimis H3PO4. Reakcijų su rūgštimis produktai yra keturvalentės urano druskos. Iš neorganinių rūgščių ir kai kurių metalų druskų (aukso, platinos, vario, sidabro, alavo ir gyvsidabrio) uranas gali išstumti vandenilį. Uranas nesąveikauja su šarmais.

Junginiuose uranas gali turėti šias oksidacijos būsenas: +3, +4, +5, +6, kartais +2. U3+ in gamtinės sąlygos neegzistuoja ir galima gauti tik laboratorijoje. Penkiavalenčio urano junginiai dažniausiai yra nestabilūs ir gana lengvai skyla į keturiavalenčio ir šešiavalenčio urano junginius, kurie yra stabiliausi. Šešiavalentis uranas pasižymi uranilo jono UO22+ susidarymu, kurio druskos yra geltonos spalvos ir gerai tirpsta vandenyje bei mineralinėse rūgštyse. Šešiavalenčių urano junginių pavyzdys yra urano trioksidas arba urano anhidridas UO3 (oranžiniai milteliai), kurie yra amfoterinis oksidas. Tirpinant rūgštyse susidaro druskos, pavyzdžiui, urano urano chloridas UO2Cl2. Kai šarmai veikia uranilo druskų tirpalus, gaunamos urano rūgšties H2UO4 druskos - uranatai ir diurano rūgšties H2U2O7 - diuranatai, pavyzdžiui, natrio uranatas Na2UO4 ir natrio diuranatas Na2U2O7. Keturiavalenčio urano druskos (urano tetrachloridas UCl4) yra žalios ir mažiau tirpios. Ilgą laiką veikiant orui, junginiai, kuriuose yra keturiavalenčio urano, dažniausiai būna nestabilūs ir virsta šešiavalenčiais. Uranilo druskos, tokios kaip uranilo chloridas, suyra esant ryškiai šviesai arba organinėms medžiagoms.

Urano panaudojimas technologijoje

Santrauka skyrius

Pagrindinės urano panaudojimo sritys.

Branduolinės energetikos plėtra. Pasiektas lygis ir perspektyvos. Šiems tikslams reikalingo urano kiekio įvertinimas.

Urano atsargos ir urano kasybos pramonė. Urano koncentratų gamybos lygis. Urano gamybos ir vartojimo plėtros tendencijos ir sąlygos.

Pagrindiniai junginių, metalo, urano lydinių, kuro elementų (FEL) ir kuro rinklių (FA) gamybos technologijos etapai (proceso etapai).

Uranas yra radioaktyvus elementas ir jo taikymo sritis daugiausia priklauso nuo jo izotopinės sudėties. Gamtinį uraną sudaro trys izotopai:

Gamtinio urano savitasis radioaktyvumas yra 0,67 mikrokiurie/g (padalijus beveik per pusę tarp U-234 ir U-238, U-235 įneša nedidelį indėlį). Natūralus uranas yra pakankamai radioaktyvus, kad fotografinė plokštelė būtų eksponuojama maždaug per valandą.

Taip pat į senovės laikai(I a. pr. Kr.) natūralus urano oksidas buvo naudojamas geltonai keramikos glazūrai gaminti. Tarp Pompėjos ir Herkulano griuvėsių rasta keramikos šukių su geltona glazūra (kuriame yra daugiau nei 1 % urano oksido). Urano stiklo išvaizda vertinama pagal bent jau, 79 m. po Kr., kuriame datuojama mozaika, rasta romėnų viloje Posillipo kyšulyje Neapolio įlankoje (Italija) 1912 m., kurioje yra geltono stiklo, kuriame yra apie 1 % urano oksido (žr. Papildomos medžiagosį 3 skyrių). Pradedant vėlyvaisiais viduramžiais pikio mišinys (uranitas) buvo pradėtas kasti Habsburgų sidabro kasyklose netoli Jachymovo miesto Bohemijoje (dabar Jachymov, Čekija) ir buvo naudojamas kaip dažiklis vietinėje stiklo gamyboje.

Šiuolaikinėje istorijoje pirmieji technologiškai pagamintų urano junginių panaudojimo būdai taip pat buvo ruošiant spalvotas (daugiausia raudonos, oranžinės ir rudos) glazūras keramikai, taip pat gaminant urano stiklą, kuris yra geltonai žalios spalvos ir gali fluorescuoti. kai yra veikiamas saulės ar ultravioletinių spindulių.

Plačiai paplitęs urano stiklo gaminių gamyba Europoje prasidėjo XIX amžiaus 20–30-aisiais ir tęsėsi iki XX amžiaus 50-ųjų. Bohemijos meistras Josephas Riedlis sukūrė naujų atspalvių – geltonos ir žalios – stiklo lydymo metodą, o urano dažai suteikė jiems tokį paslaptingą švytėjimą. Riedlis užsiėmė urano stiklo gaminių gamyba 1830–1848 metais. 1830-aisiais Rusijoje Gusevskio gamykloje pradėtas gaminti naujas urano stiklas. Urano stiklams rekomenduojamos kalcio, cinko, bario kompozicijos, geriausia su didelis kiekis kalio ir boro, tai suteikia intensyvesnę stiklo fluorescenciją. Švino stiklas nefluorescuoja, nes sugeria ultravioletinius spindulius. Urano stiklams be fluorescencijos švino stiklo kompozicijos taip pat gali būti naudojamos, pavyzdžiui, papuošaluose topazui imituoti – tokių stiklų geltona spalva prilygsta topazui. Urano kiekis turėtų būti santykinai didelis, nes urano spalvinimo galia stiklo kompozicijose yra maža. Urano kiekis svyruoja nuo 0,3...1,5 % UO 3 iki 4...6 % UO 3. Tačiau įvedant didesnį urano oksidą, stiklo fluorescencija palaipsniui silpnėja. Uranas įvedamas į krūvį oksidų (UO 2, U 3 O 8 arba UO 3), natrio uranato (Na 2 UO 4 arba Na 2 U 2 O 7) arba uranilo nitrato pavidalu.

Šiuo metu Čekijoje gaminamas nedidelis urano stiklo ir iš jo pagamintų gaminių kiekis. Uranas taip pat įterpiamas į kai kurių tipų optinius stiklus, pavyzdžiui, geltonąjį borosilikatinį optinį stiklą ZhS19, kuriame yra 1,37% UO 3, arba žalią cinko fosfato optinį stiklą ZS7, kuriame yra 2,8% UO 3.

Dažniausiai naudojamas moderni technologija turi urano izotopą 235 U, kuriame galima savaime išsilaikanti grandininė branduolinė reakcija. Todėl šis izotopas naudojamas kaip kuras branduoliniuose reaktoriuose, taip pat branduoliniuose ginkluose. U 235 izotopo išskyrimas iš natūralaus urano yra sudėtinga technologinė problema. U-235 sodrinimo laipsnis branduoliniame kure atominėms elektrinėms svyruoja nuo 2-4,5%, ginklams - ne mažiau kaip 80%, o geriau - 90%. JAV ginklams tinkamas uranas-235 prisodrintas iki 93,5 %; pramonė pajėgi pagaminti 97,65% – tokios kokybės uranas naudojamas kariniam jūrų laivynui skirtuose reaktoriuose. 1998 m. Oak Ridge nacionalinės laboratorijos (ORNL) izotopų skyrius tiekė 93% U-235 po 53 USD/g.

Izotopas U 238 gali dalytis veikiamas bombardavimo su didelės energijos neutronais, ši savybė naudojama termobranduolinių ginklų galiai padidinti (naudojami termobranduolinės reakcijos generuojami neutronai). Termobranduolinėse galvutėse dažnai yra nusodinto urano sluoksnis, supantis pagrindinį termobranduolinį krūvį. Šis sluoksnis iš pradžių tarnauja kaip reakcijos masė, leidžianti stipriau suspausti detonacijos metu ir užbaigti termobranduolinę reakciją. Didelis didelės energijos neutronų srautas, atsirandantis dėl termobranduolinės reakcijos, sukelia U-238 skilimą, o tai padidina kovinės galvutės galią. Tokie ginklai klasifikuojami kaip ginklai, veikiantys pagal „skilimo-sintezės-skilimo“ schemą, atspindinčią tris iš eilės vykstančius sprogimo etapus. Energija, išsiskirianti galutinio nusodrintojo urano dalijimosi metu, sudaro didelę visos termobranduolinio įrenginio galios dalį. Pavyzdžiui, 77% iš 10,4 megatonų Ivy Mike'o termobranduolinio sprogimo 1952 m. atsirado dėl nusodinto urano dalijimosi. Kadangi nusodrintas uranas neturi kritinės masės, jo į termobranduolinį krūvį galima pridėti beveik neribotais kiekiais. 1961 m. SSRS caro bombos bandymo metu išlaisvinta galia buvo „tik“ 50 megatonų (90 % jos atsirado dėl pačios termobranduolinės reakcijos), nes nusodrintasis uranas paskutiniame surinkimo etape buvo pakeistas švinu. Jei būtų naudojamas nusodrintas uranas, sprogimo išeiga būtų 100 megatonų.

Svarbus šio urano izotopo panaudojimas yra plutonio-239 gamyba. Dėl neutronų gaudymo ir β skilimo 238 U gali būti paverčiami 239 Pu, kuris vėliau naudojamas kaip branduolinis kuras. Bet kuriame reaktoriaus kure, kurio 235-ajame izotope yra natūralaus arba iš dalies prisodrinto urano, pasibaigus kuro ciklui yra tam tikra plutonio dalis.

Išgavus U-235 iš natūralaus urano, likusi medžiaga vadinama „nusodrintu uranu“, nes jis išeikvotas 235-ajame izotope. JAV saugoma apie 560 tūkst. tonų nusodrintojo urano heksafluorido (UF 6), Rusijoje – apie 700 tūkst.

Nusodrintasis uranas yra perpus radioaktyvesnis už gamtinį uraną, daugiausia dėl to, kad iš jo pašalinamas U-234. Kadangi pagrindinis urano panaudojimas yra energijos gamyba, nusodrintas uranas yra nenaudingas produktas, turintis mažą ekonominę vertę. Nusodrintojo urano panaudojimo būdų paieška reiškia didelė problema perdirbimo įmonėms.

Jo pagrindinis naudojimas yra susijęs su didelio tankio uranas ir jo santykinai maža kaina. Du svarbiausi nusodrintojo urano naudojimo būdai yra apsauga nuo radiacijos (kaip keista) ir kaip balastas aviacijos ir kosmoso srityse, pavyzdžiui, orlaivių valdymo paviršiuose. Kiekviename iki devintojo dešimtmečio vidurio pagamintame Boeing 747 lėktuve yra 400–1500 kg nusodrintojo urano, skirto šiam tikslui. Urano naudojimo civiliniuose orlaiviuose problema yra ta, kad avarijos atveju uranas sudega gaisro metu ir patenka į aplinką kaip oksidas. Kai 1977 metais Tenerifės oro uoste susidūrė du Boeing 747, per gaisrą sudegė 3000 kg urano. Kitas gerai žinomas tokio tipo avarijos atvejis, kai į aplinką pateko kranas, yra 1992 m. Amsterdamo nelaimė. Šiuo metu „Boeing“ ir „McDonnell-Douglas“ civiliniuose orlaiviuose nenaudoja urano atsvarų.

Nusodrintasis uranas daugiausia naudojamas naftos gręžiniuose smūgio strypų pavidalu (su laidinis gręžimas), jo svoris panardina įrankį į šulinius, užpildytus gręžimo skysčiu. Ši medžiaga taip pat naudojama greitaeigiuose giroskopų rotoriuose, dideliuose smagračiuose, kaip balastas kosminiuose nusileidimo įrenginiuose ir lenktyninėse jachtose. Kiek netikėtas pritaikymas – urano panaudojimas „Formulės 1“ lenktyniniuose automobiliuose Pagal taisykles minimalus automobilio svoris turėtų būti 600 kg, tačiau dizaineriai iš pradžių stengiasi kuo labiau sumažinti svorį, o vėliau jį padidinti. 600 kg, įdėjus nusodrintojo urano balastus ir pasiekiant geriausią balansą.

Tačiau labiausiai žinomas nusodrintojo urano panaudojimas yra šarvus pradurtų sviedinių šerdis (subkalibriniai sviediniai su itin sunkia šerdimi). Su tam tikru lydiniu su kitais metalais ir terminiu apdorojimu (lydymas 2% Mo arba 0,75-3,5% Ti, greitas metalo gesinimas, įkaitintas iki 850 °C vandenyje arba aliejuje, toliau 5 valandas išlaikant 450 °C temperatūroje) metalo urano. tampa kietesni ir stipresni už plieną (tempiamasis stipris > 1600 MPa). Kartu su dideliu tankiu sukietintas uranas itin efektyviai prasiskverbia į šarvus, savo efektyvumu panašų į daug brangesnį monokristalinį volframą. Šarvų naikinimo procesą lydi didžiosios urano dalies susmulkinimas į dulkes, dulkių prasiskverbimas į saugomą objektą ir užsidegimas ore iš kitos pusės. Per Dykumos audrą mūšio lauke liko apie 300 tonų nusodrintojo urano (daugiausia sviedinių liekanos iš A-10 atakos lėktuvo 30 mm GAU-8 pabūklo, kiekviename korpuse yra 272 g urano lydinio). JAV armija naudoja uraną sviediniuose 120 arba 105 mm tankų pabūkluose (M1 Abrams ir M60A3) ir 25 mm M242 pabūkluose, sumontuotuose M2 Bradley ir LAV-AT. Naudojamos urano šerdies kulkos (20, 25 ir 30 mm kalibro). Jūrų pėstininkų korpusas, JAV oro pajėgos ir karinis jūrų laivynas. Rusijos (sovietų) armija nusodrintą uraną tankų sviediniuose naudojo nuo aštuntojo dešimtmečio pabaigos, daugiausia 115 mm tanko T-62 pabūklui ir 125 mm pabūklui T-64, T-72, T-80. ir T-cisternos 90. Tankų pabūklų ir karinio jūrų laivyno pabūklų sviedinius, kuriuose yra nusodrintojo urano, taip pat naudoja Didžiosios Britanijos, Izraelio, Prancūzijos, Kinijos, Pakistano ir kt. Iš viso tokie ginklai gaminami 18 šalių.

Dėl didelio tankio nusodrintas uranas taip pat naudojamas šiuolaikiniuose tankų šarvuose („sumuštinio“ tarp dviejų šarvuočio plieno lakštų pavidalu), pavyzdžiui, M-1 Abrams tankuose (modifikacijos M1A1HA ir M1A2), pastatytuose po 1998 m.

Šiuo metu vyksta švino pakeitimas nusodrintu uranu gaminant liftų ir kranų atsvarus.

Urano rūda yra natūralus mineralinis darinys, kuriame yra tokio kiekio, koncentracijos ir sudėties urano, kad jo gavyba tampa ekonomiškai pelninga ir pagrįsta. Žemės žarnose yra gana daug urano. Pavyzdžiui, gamtoje:

• urano yra 1000 kartų daugiau nei aukso;
• 50 kartų daugiau nei sidabras;
• Urano atsargos beveik prilygsta cinko ir švino atsargoms.

Urano dalelės randamos dirvožemyje, uolienose ir jūros vandenyje. Labai maža jo dalis susitelkusi telkiniuose. Apskaičiuota, kad žinomų, ištirtų urano telkinių yra 5,4 mln. tonų.

Charakteristikos ir tipai

Pagrindinės urano turinčių rūdų rūšys: oksidai (uranitai, urano dervos, urano juodieji), silikatai (koffinitai), titanatai (branneritai), uranilo silikatai (uranofanai, betauranotilai), uranil-vanadatai (karnotitai), tiuyamunitai, uranilfanatai. otenitai, torbenitai) dažnai apima ir uraną. Sorbuoto urano taip pat yra anglies uolienose.

Laukas ir gamyba

Trys didžiausios šalys pagal urano rūdos atsargas yra Australija, Kazachstanas ir Rusija. Beveik 10% pasaulio urano atsargų yra sutelkta Rusijoje, o mūsų šalyje du trečdaliai atsargų yra Jakutijoje (Sachos Respublika). Didžiausi Rusijos urano telkiniai yra šiuose telkiniuose: Strelcovsky, Oktyabrsky, Anteysky, Malo-Tulukuevsky, Argunsky, Dalmatovskij, Khiagdinsky... Taip pat yra daug mažesnių telkinių ir telkinių.

Urano rūdos panaudojimas

• Svarbiausias pritaikymas yra branduolinis kuras. Dažniausiai naudojamas izotopas yra U235, kuris gali būti savarankiškos branduolinės grandininės reakcijos pagrindas. Jis naudojamas branduoliniuose reaktoriuose ir ginkluose. Izotopas U238 padidina termobranduolinių ginklų galią dalijimosi būdu. U233 yra perspektyviausias kuras dujų fazės branduolinių raketų varikliams.

• Uranas gali aktyviai generuoti šilumą. Jo šilumą generuojanti galia yra tūkstantį kartų galingesnė nei naftos ar gamtinių dujų.
• Uraną geologai naudoja uolienų ir mineralų amžiui nustatyti. Yra net toks mokslas – geochronologija.
• Jis kartais naudojamas orlaivių statyboje, fotografijoje ir tapyboje (turi gražų geltonai žalią atspalvį).
• Geležis + U238 = magnetostrikcinė medžiaga.
• Nusodrintasis uranas naudojamas radiacinės saugos įrangai gaminti.
• Uranas atlieka daug daugiau funkcijų.