Уранови метали. Защо уранът и неговите съединения са опасни? Приложения и видове уранови изотопи

Откъде идва уранът?Най-вероятно се появява по време на експлозии на свръхнова. Факт е, че за нуклеосинтезата на елементи, по-тежки от желязото, трябва да има мощен поток от неутрони, който възниква точно по време на експлозия на свръхнова. Изглежда, че тогава, по време на кондензация от облака на нови звездни системи, образувани от него, уранът, събран в протопланетен облак и като много тежък, трябва да потъне в дълбините на планетите. Но това не е вярно. Уранът е радиоактивен елемент и при разпадането си отделя топлина. Изчисленията показват, че ако уранът беше равномерно разпределен по цялата дебелина на планетата, поне със същата концентрация като на повърхността, той би отделял твърде много топлина. Освен това неговият поток трябва да отслабва с изразходването на уран. Тъй като нищо подобно не е наблюдавано, геолозите смятат, че най-малко една трета от урана, а може би и целият, е концентриран в земната кора, където съдържанието му е 2,5∙10 –4%. Защо това се случи не се обсъжда.

Къде се добива уран?На Земята няма толкова малко уран - той е на 38-мо място по изобилие. И по-голямата част от този елемент се намира в седиментни скали - въглеродни шисти и фосфорити: съответно до 8∙10 –3 и 2,5∙10 –2%. Общо земната кора съдържа 10 14 тона уран, но основният проблем е, че той е много разпръснат и не образува мощни находища. Приблизително 15 уранови минерала са от промишлено значение. Това е уранов катран - основата му е четиривалентен уранов оксид, уранова слюда - различни силикати, фосфати и по-сложни съединения с ванадий или титан на базата на шествалентен уран.

Какво представляват лъчите на Бекерел?След откриването на рентгеновите лъчи от Волфганг Рьонтген, френският физик Антоан-Анри Бекерел се интересува от светенето на уранови соли, което се получава под въздействието на слънчевата светлина. Искаше да разбере дали и тук има рентгенови лъчи. Наистина ги имаше – солта осветяваше фотографската плака през черната хартия. При един от експериментите обаче солта не е осветена, но фотографската плака все пак е потъмняла. Когато метален предмет беше поставен между солта и фотографската плака, потъмняването отдолу беше по-малко. Следователно нови лъчи не са възникнали поради възбуждането на уран от светлина и не са преминали частично през метала. Първоначално са били наричани „лъчи на Бекерел“. Впоследствие беше открито, че това са предимно алфа лъчи с малко добавяне на бета лъчи: факт е, че основните изотопи на урана излъчват алфа частица по време на разпадане, а дъщерните продукти също изпитват бета разпад.

Колко радиоактивен е уранът?Уранът няма стабилни изотопи; всички те са радиоактивни. Най-дълголетният е уран-238 с период на полуразпад 4,4 милиарда години. Следва уран-235 - 0,7 милиарда години. И двамата претърпяват алфа разпад и се превръщат в съответните изотопи на тория. Уран-238 представлява повече от 99% от целия естествен уран. Поради огромния си полуживот, радиоактивността на този елемент е ниска и освен това алфа частиците не могат да проникнат през роговия слой на повърхността на човешкото тяло. Казват, че след работа с уран И. В. Курчатов просто избърсва ръцете си с носна кърпа и не страда от никакви заболявания, свързани с радиоактивността.

Изследователите многократно са се обръщали към статистиката на заболяванията на работниците в уранови мини и преработвателни предприятия. Ето например неотдавнашна статия на канадски и американски специалисти, които анализираха здравните данни на повече от 17 хиляди работници в мината Eldorado в канадската провинция Саскачеван за годините 1950–1999 ( Проучване на околната среда, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Те изхождат от факта, че радиацията има най-силен ефект върху бързо размножаващите се кръвни клетки, водещи до съответните видове рак. Статистиката показва, че работниците в мините имат по-ниска честота на различни видове рак на кръвта в сравнение със средното население на Канада. В този случай основният източник на радиация не се счита за самия уран, а за генерирания от него газообразен радон и неговите разпадни продукти, които могат да попаднат в тялото през белите дробове.

Защо уранът е вреден?? Той, подобно на други тежки метали, е силно токсичен и може да причини бъбречна и чернодробна недостатъчност. От друга страна, уранът, като разпръснат елемент, неизбежно присъства във водата, почвата и, концентрирайки се в хранителната верига, навлиза в човешкото тяло. Логично е да се предположи, че в процеса на еволюция живите същества са се научили да неутрализират урана в естествени концентрации. Уранът е най-опасният във водата, затова СЗО определи граница: първоначално беше 15 µg/l, но през 2011 г. нормата беше увеличена до 30 µg/g. По правило във водата има много по-малко уран: в САЩ средно 6,7 µg/l, в Китай и Франция - 2,2 µg/l. Но има и силни отклонения. Така в някои райони на Калифорния то е сто пъти повече от нормата - 2,5 mg/l, а в Южна Финландия достига 7,8 mg/l. Изследователите се опитват да разберат дали стандартът на СЗО е твърде строг, като изучават ефекта на урана върху животните. Ето една типична работа ( BioMed Research International, 2014 г., ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Френски учени хранели плъхове с вода в продължение на девет месеца с добавки от обеднен уран и то в относително високи концентрации - от 0,2 до 120 mg/l. Долната стойност е водата в близост до мината, а горната стойност не се среща никъде - максималната концентрация на уран, измерена във Финландия, е 20 mg/l. За изненада на авторите - статията се нарича: „Неочакваното отсъствие на забележим ефект на урана върху физиологичните системи ...“ - уранът практически нямаше ефект върху здравето на плъховете. Животните се хранят добре, наддават правилно, не се оплакват от болести и не умират от рак. Уранът, както би трябвало да бъде, се отлага предимно в бъбреците и костите и в сто пъти по-малко в черния дроб, а натрупването му очаквано зависи от съдържанието във водата. Това обаче не е довело до бъбречна недостатъчност или дори до забележима поява на някакви молекулярни маркери на възпаление. Авторите предложиха да започне преглед на строгите насоки на СЗО. Има обаче едно предупреждение: ефектът върху мозъка. В мозъците на плъховете имало по-малко уран, отколкото в черния дроб, но съдържанието му не зависело от количеството във водата. Но уранът повлия на функционирането на антиоксидантната система на мозъка: активността на каталазата се увеличи с 20%, глутатион пероксидазата с 68–90%, а активността на супероксиддисмутазата намаля с 50%, независимо от дозата. Това означава, че уранът очевидно е причинил оксидативен стрес в мозъка и тялото е реагирало на него. Този ефект - силното въздействие на урана върху мозъка при липса на натрупване в него, впрочем, както и в половите органи - беше забелязан и преди. Освен това вода с уран в концентрация 75–150 mg/l, с която изследователи от университета в Небраска хранят плъхове в продължение на шест месеца ( Невротоксикология и тератология, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), повлияха на поведението на животните, предимно мъжки, пуснати на полето: те пресичаха линии, изправяха се на задните си крака и чистеха козината си по различен начин от контролните. Има доказателства, че уранът води и до увреждане на паметта при животните. Промените в поведението са свързани с нивата на липидното окисление в мозъка. Оказва се, че урановата вода е направила плъховете здрави, но доста глупави. Тези данни ще ни бъдат полезни при анализа на така наречения Синдром на войната в Персийския залив.

Уранът замърсява ли местата за разработване на шистов газ?Зависи от това колко уран има в газосъдържащите скали и как е свързан с тях. Например, доцентът Трейси Банк от университета в Бъфало изучава шистите Марцелус, които се простират от западен Ню Йорк през Пенсилвания и Охайо до Западна Вирджиния. Оказа се, че уранът е химически свързан именно с източника на въглеводороди (не забравяйте, че родствените въглеродни шисти имат най-високо съдържание на уран). Експериментите показват, че разтворът, използван по време на фрактурирането, перфектно разтваря урана. „Когато уранът в тези води достигне повърхността, той може да причини замърсяване на околната среда. Това не представлява радиационен риск, но уранът е отровен елемент“, отбелязва Трейси Банк в университетско прессъобщение от 25 октомври 2010 г. Все още не са изготвени подробни статии за риска от замърсяване на околната среда с уран или торий по време на производството на шистов газ.

Защо е необходим уран?Преди това се използва като пигмент за производство на керамика и цветно стъкло. Сега уранът е в основата на ядрената енергия и атомните оръжия. В този случай се използва неговото уникално свойство - способността на ядрото да се дели.

Какво е ядрено делене? Разпадането на ядрото на две неравни големи части. Именно поради това свойство по време на нуклеосинтезата поради неутронно облъчване ядрата, по-тежки от урана, се образуват много трудно. Същността на явлението е следната. Ако съотношението на броя на неутроните и протоните в ядрото не е оптимално, то става нестабилно. Обикновено такова ядро ​​излъчва или алфа частица - два протона и два неутрона, или бета частица - позитрон, което е придружено от трансформация на един от неутроните в протон. В първия случай се получава елемент от периодичната таблица, отдалечен две клетки назад, във втория - една клетка напред. Въпреки това, в допълнение към излъчването на алфа и бета частици, ядрото на урана е способно на делене - разпада се на ядрата на два елемента в средата на периодичната таблица, например барий и криптон, което прави, след като е получило нов неутрон. Това явление е открито малко след откриването на радиоактивността, когато физиците излагат новооткритата радиация на всичко, което могат. Ето как пише за това Ото Фриш, участник в събитията („Advances in Physical Sciences”, 1968, 96, 4). След откриването на берилиевите лъчи - неутроните - Енрико Ферми облъчва с тях уран, по-специално, за да предизвика бета-разпад - той се надява да го използва, за да получи следващия, 93-ти елемент, сега наречен нептуний. Именно той открива нов вид радиоактивност в облъчения уран, който свързва с появата на трансуранови елементи. В същото време забавянето на неутроните, за което източникът на берилий беше покрит със слой парафин, увеличи тази индуцирана радиоактивност. Американският радиохимик Аристид фон Гросе предполага, че един от тези елементи е протактиний, но той греши. Но Ото Хан, който тогава работел във Виенския университет и смятал открития през 1917 г. протактиний за свое въображение, решил, че е длъжен да разбере какви елементи са получени. Заедно с Lise Meitner, в началото на 1938 г., Хан предполага, въз основа на експериментални резултати, че цели вериги от радиоактивни елементи се образуват поради множество бета-разпади на неутронно-абсорбиращи ядра на уран-238 и неговите дъщерни елементи. Скоро Лизе Майтнер беше принудена да избяга в Швеция, страхувайки се от възможни репресии от нацистите след аншлуса на Австрия. Хан, продължавайки експериментите си с Фриц Щрасман, открива, че сред продуктите има и барий, елемент номер 56, който по никакъв начин не може да бъде получен от уран: всички вериги от алфа-разпадания на уран завършват с много по-тежко олово. Изследователите били толкова изненадани от резултата, че не го публикували, те само написали писма до приятели, по-специално до Лиз Майтнер в Гьотеборг. Там, на Коледа 1938 г., нейният племенник Ото Фриш я посети и, разхождайки се в околностите на зимния град - той на ски, лелята пеша - те обсъдиха възможността за появата на барий по време на облъчването на уран като резултат от ядрено делене (за повече информация относно Lise Meitner вижте „Химия и живот“, 2013 г., № 4). Връщайки се в Копенхаген, Фриш буквално хвана Нилс Бор на прохода на кораб, заминаващ за Съединените щати, и му разказа за идеята за делене. Бор, като се плесна по челото, каза: „О, какви глупаци бяхме! Трябваше да забележим това по-рано." През януари 1939 г. Фриш и Майтнер публикуват статия за деленето на уранови ядра под въздействието на неутрони. По това време Ото Фриш вече е провел контролен експеримент, както и много американски групи, които са получили съобщението от Бор. Казват, че физиците започнали да се разпръсват по лабораториите си точно по време на неговия доклад на 26 януари 1939 г. във Вашингтон на годишната конференция по теоретична физика, когато разбрали същността на идеята. След откриването на деленето Хан и Щрасман преразгледаха експериментите си и откриха, също като колегите си, че радиоактивността на облъчения уран е свързана не с трансураниите, а с разпадането на радиоактивни елементи, образувани по време на делене от средата на периодичната таблица.

Как възниква верижна реакция в урана?Скоро след като експериментално е доказана възможността за делене на ядрата на уран и торий (а на Земята няма други делящи се елементи в някакво значително количество), Нилс Бор и Джон Уилър, които са работили в Принстън, както и независимо от тях, Съветският физик-теоретик Я. И. Френкел и германците Зигфрид Флюге и Готфрид фон Дросте създават теорията за ядреното делене. От него последваха два механизма. Единият е свързан с праговата абсорбция на бързите неутрони. Според него, за да инициира делене, неутронът трябва да има доста висока енергия, повече от 1 MeV за ядрата на основните изотопи - уран-238 и торий-232. При по-ниски енергии поглъщането на неутрони от уран-238 има резонансен характер. По този начин неутрон с енергия от 25 eV има площ на напречното сечение на улавяне, която е хиляди пъти по-голяма, отколкото при други енергии. В този случай няма да има делене: уран-238 ще стане уран-239, който с период на полуразпад от 23,54 минути ще се превърне в нептуний-239, който с период на полуразпад от 2,33 дни ще се превърне в дълготраен плутоний-239. Торий-232 ще стане уран-233.

Вторият механизъм е безпраговото поглъщане на неутрон, следван от третия повече или по-малко разпространен делящ се изотоп - уран-235 (както и плутоний-239 и уран-233, които не се срещат в природата): поглъщайки всеки неутрон, дори и бавен, т. нар. термичен, с енергия като за молекули, участващи в топлинно движение - 0,025 eV, такова ядро ​​ще се раздели. И това е много добре: топлинните неутрони имат площ на напречното сечение на улавяне четири пъти по-висока от бързите, мегаелектронволтови неутрони. Това е значението на уран-235 за цялата последваща история на ядрената енергетика: именно той осигурява размножаването на неутроните в естествения уран. След като бъде ударено от неутрон, ядрото на уран-235 става нестабилно и бързо се разделя на две неравни части. По пътя се излъчват няколко (средно 2,75) нови неутрона. Ако ударят ядрата на същия уран, те ще накарат неутроните да се умножат експоненциално - ще настъпи верижна реакция, която ще доведе до експлозия поради бързото освобождаване на огромно количество топлина. Нито уран-238, нито торий-232 могат да работят така: в края на краищата по време на делене неутроните се излъчват със средна енергия от 1–3 MeV, тоест, ако има енергиен праг от 1 MeV, значителна част от неутроните със сигурност няма да могат да предизвикат реакция и няма да има възпроизводство. Това означава, че тези изотопи трябва да бъдат забравени и неутроните ще трябва да бъдат забавени до топлинна енергия, така че да взаимодействат възможно най-ефективно с ядрата на уран-235. В същото време не може да се допусне тяхното резонансно поглъщане от уран-238: в крайна сметка в естествения уран този изотоп е малко по-малко от 99,3% и неутроните по-често се сблъскват с него, а не с целевия уран-235. И като действа като модератор, е възможно да се поддържа размножаването на неутрони на постоянно ниво и да се предотврати експлозия - контролирайте верижната реакция.

Изчисление, извършено от Я. Б. Зелдович и Ю. Б. Харитон през същата съдбовна 1939 г., показва, че за това е необходимо да се използва неутронен модератор под формата на тежка вода или графит и да се обогати естественият уран с уран- 235 най-малко 1,83 пъти. Тогава тази идея им изглеждаше чиста фантазия: „Трябва да се отбележи, че приблизително двойното обогатяване на тези доста значителни количества уран, които са необходими за извършване на верижна експлозия,<...>е изключително тромава задача, почти невъзможна на практика.“ Сега този проблем е решен и ядрената индустрия масово произвежда уран, обогатен с уран-235 до 3,5% за електроцентрали.

Какво е спонтанно ядрено делене?През 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак откриват, че деленето на уран може да се случи спонтанно, без никакво външно влияние, въпреки че полуживотът е много по-дълъг, отколкото при обикновения алфа-разпад. Тъй като такова делене също произвежда неутрони, ако не им бъде позволено да излязат от реакционната зона, те ще служат като инициатори на верижната реакция. Именно това явление се използва при създаването на ядрени реактори.

Защо е необходима ядрената енергия?Зелдович и Харитон са сред първите, които изчисляват икономическия ефект от ядрената енергия (УФН, 1940, 23, 4). „...В момента все още е невъзможно да се направят окончателни изводи за възможността или невъзможността да се осъществи реакция на ядрено делене с безкрайно разклонени вериги в урана. Ако такава реакция е осъществима, тогава скоростта на реакцията се регулира автоматично, за да се осигури нейното гладко протичане, въпреки огромното количество енергия на разположение на експериментатора. Това обстоятелство е изключително благоприятно за енергийното използване на реакцията. Затова нека да представим - въпреки че това е разделяне на кожата на неубита мечка - някои числа, характеризиращи възможностите за енергийно използване на урана. Ако процесът на делене протича с бързи неутрони, следователно реакцията улавя основния изотоп на уран (U238), тогава<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>цената на една калория от основния изотоп на урана се оказва приблизително 4000 пъти по-евтина, отколкото от въглищата (освен ако, разбира се, процесите на „изгаряне“ и отвеждане на топлината се окажат много по-скъпи в случая на уран от в случай на въглища). В случай на бавни неутрони, цената на „уранова“ калория (въз основа на горните цифри) ще бъде, като се вземе предвид, че изобилието на изотопа U235 е 0,007, вече само 30 пъти по-евтино от една „въглищна“ калория, при равни други условия.”

Първата контролирана верижна реакция е извършена през 1942 г. от Енрико Ферми в Чикагския университет и реакторът е управляван ръчно - натискане на графитни пръчки навътре и навън при промяна на неутронния поток. Първата електроцентрала е построена в Обнинск през 1954 г. В допълнение към генерирането на енергия, първите реактори са работили и за производството на оръжеен плутоний.

Как работи атомната електроцентрала?В наши дни повечето реактори работят с бавни неутрони. Обогатеният уран под формата на метал, сплав като алуминий или оксид се поставя в дълги цилиндри, наречени горивни елементи. Те са монтирани по определен начин в реактора, като между тях са поставени модериращи пръти, които управляват верижната реакция. С течение на времето в горивния елемент се натрупват реакторни отрови - продукти на делене на уран, които също са способни да абсорбират неутрони. Когато концентрацията на уран-235 падне под критично ниво, елементът се извежда от експлоатация. Той обаче съдържа много фрагменти от делене със силна радиоактивност, която намалява с годините, което кара елементите да излъчват значително количество топлина за дълго време. Те се съхраняват в охладителни басейни и след това или се погребват, или се опитват да бъдат преработени - за извличане на неизгорял уран-235, произведен плутоний (използван е за направата на атомни бомби) и други изотопи, които могат да бъдат използвани. Неизползваната част се изпраща на гробища.

В така наречените бързи реактори или реактори-размножители около елементите са монтирани рефлектори от уран-238 или торий-232. Те забавят и изпращат обратно в реакционната зона неутрони, които са твърде бързи. Неутроните, забавени до резонансни скорости, абсорбират тези изотопи, превръщайки се съответно в плутоний-239 или уран-233, които могат да служат като гориво за атомна електроцентрала. Тъй като бързите неутрони реагират слабо с уран-235, концентрацията му трябва да бъде значително увеличена, но това се отплаща с по-силен неутронен поток. Въпреки факта, че размножителните реактори се смятат за бъдещето на ядрената енергия, тъй като те произвеждат повече ядрено гориво, отколкото консумират, експериментите показват, че те са трудни за управление. Сега в света е останал само един такъв реактор - в четвърти енергоблок на Белоярската АЕЦ.

Как се критикува ядрената енергия?Ако не говорим за аварии, тогава основният момент в аргументите на противниците на ядрената енергия днес е предложението да се добавят към изчислението на нейната ефективност разходите за опазване на околната среда след извеждане от експлоатация на станцията и при работа с гориво. И в двата случая възникват предизвикателствата на надеждното погребване на радиоактивните отпадъци, като това са разходи, поети от държавата. Има мнение, че ако ги прехвърлите към цената на енергията, тогава нейната икономическа привлекателност ще изчезне.

Опозиция има и сред привържениците на ядрената енергетика. Неговите представители посочват уникалността на уран-235, който няма заместител, тъй като в природата не се срещат алтернативни изотопи, делящи се от топлинни неутрони - плутоний-239 и уран-233 - поради техния период на полуразпад от хиляди години. А те се получават именно в резултат на деленето на уран-235. Ако той се изчерпи, ще изчезне чудесен естествен източник на неутрони за верижна ядрена реакция. В резултат на такова разточителство човечеството ще загуби в бъдеще възможността да включи в енергийния цикъл торий-232, чиито запаси са няколко пъти по-големи от урана.

Теоретично, ускорителите на частици могат да се използват за производство на поток от бързи неутрони с мегаелектронволтови енергии. Ако обаче говорим, например, за междупланетни полети на ядрен двигател, тогава прилагането на схема с обемист ускорител ще бъде много трудно. Изчерпването на уран-235 слага край на подобни проекти.

Какво е оръжеен уран?Това е високообогатен уран-235. Неговата критична маса - тя съответства на размера на парче вещество, в което спонтанно възниква верижна реакция - е достатъчно малка, за да произвежда боеприпаси. Такъв уран може да се използва за направата на атомна бомба, а също и като предпазител за термоядрена бомба.

Какви бедствия са свързани с използването на уран?Енергията, съхранявана в ядрата на делящите се елементи, е огромна. Ако излезе извън контрол поради недоглеждане или умишлено, тази енергия може да причини много проблеми. Двете най-тежки ядрени катастрофи се случват на 6 и 8 август 1945 г., когато ВВС на САЩ хвърлят атомни бомби над Хирошима и Нагасаки, убивайки и ранявайки стотици хиляди цивилни. Бедствията с по-малък мащаб са свързани с аварии в атомни електроцентрали и предприятия с ядрен цикъл. Първата голяма авария става през 1949 г. в СССР в завода Маяк край Челябинск, където се произвежда плутоний; Течни радиоактивни отпадъци се озоваха в река Теча. През септември 1957 г. на него избухва експлозия, освобождавайки голямо количество радиоактивен материал. Единадесет дни по-късно британският реактор за производство на плутоний в Windscale изгоря и облакът с продуктите на експлозията се разпръсна над Западна Европа. През 1979 г. изгоря реактор в атомната електроцентрала Three Mail Island в Пенсилвания. Най-мащабните последици бяха причинени от авариите в атомната електроцентрала Чернобил (1986 г.) и атомната електроцентрала Фукушима (2011 г.), когато милиони хора бяха изложени на радиация. Първите осеяха обширни площи, отделяйки 8 тона ураново гориво и разпадни продукти в резултат на експлозията, която се разпространи в цяла Европа. Вторият замърси и три години след инцидента продължава да замърсява Тихия океан в риболовните зони. Отстраняването на последствията от тези аварии беше много скъпо и ако тези разходи се разбият на цената на електроенергията, тя щеше да се увеличи значително.

Отделен въпрос са последствията за човешкото здраве. Според официалната статистика много хора, преживели бомбардировките или живеещи в замърсени райони, са се облагодетелствали от радиацията – първите имат по-висока продължителност на живота, вторите имат по-малко ракови заболявания, а експертите отдават известно увеличение на смъртността на социалния стрес. Броят на загиналите именно от последствията от катастрофи или в резултат на ликвидирането им възлиза на стотици хора. Противниците на атомните електроцентрали посочват, че авариите са довели до няколко милиона преждевременни смъртни случаи на европейския континент, но те са просто невидими в статистическия контекст.

Премахването на земи от човешка употреба в зони на аварии води до интересен резултат: те се превръщат в един вид природни резервати, където расте биоразнообразието. Вярно е, че някои животни страдат от заболявания, свързани с радиация. Остава отворен въпросът колко бързо ще се адаптират към повишения фон. Има също мнение, че последствието от хроничното облъчване е „селекция за глупаци“ (вж. „Химия и живот“, 2010, № 5): дори в ембрионален стадий оцеляват по-примитивни организми. По-специално, по отношение на хората, това трябва да доведе до намаляване на умствените способности на поколението, родено в замърсени райони малко след аварията.

Какво е обеднен уран?Това е уран-238, останал след отделянето на уран-235 от него. Обемите на отпадъците от производството на оръжеен уран и горивни елементи са големи - само в Съединените щати са натрупани 600 хиляди тона такъв уранов хексафлуорид (за проблемите с него вижте Химия и живот, 2008 г., № 5) . Съдържанието на уран-235 в него е 0,2%. Тези отпадъци трябва или да се съхраняват до по-добри времена, когато ще бъдат създадени реактори на бързи неутрони и ще бъде възможно да се преработи уран-238 в плутоний, или да се използват по някакъв начин.

Намериха му приложение. Уранът, подобно на други преходни елементи, се използва като катализатор. Така например авторите на статията в ACS Наноот 30 юни 2014 г. те пишат, че катализатор, направен от уран или торий с графен за редуциране на кислород и водороден пероксид, „има огромен потенциал за използване в енергийния сектор“. Тъй като уранът има висока плътност, той служи като баласт за кораби и противотежести за самолети. Този метал е подходящ и за радиационна защита в медицински изделия с източници на радиация.

Какви оръжия могат да бъдат направени от обеднен уран?Куршуми и ядра за бронебойни снаряди. Изчислението тук е следното. Колкото по-тежък е снарядът, толкова по-голяма е неговата кинетична енергия. Но колкото по-голям е снарядът, толкова по-малко е концентриран неговият удар. Това означава, че са необходими тежки метали с висока плътност. Куршумите са направени от олово (уралските ловци по едно време също са използвали самородна платина, докато не разберат, че това е благороден метал), докато ядрата на черупката са направени от волфрамова сплав. Еколозите посочват, че оловото замърсява почвата в местата на военни действия или лов и би било по-добре да го замените с нещо по-малко вредно, например волфрам. Но волфрамът не е евтин, а уранът, подобен по плътност, е вреден отпадък. В същото време допустимото замърсяване на почвата и водата с уран е приблизително два пъти по-високо, отколкото с олово. Това се случва, защото слабата радиоактивност на обеднения уран (и тя също е с 40% по-малка от тази на естествения уран) се пренебрегва и се взема предвид един наистина опасен химически фактор: уранът, както си спомняме, е отровен. В същото време плътността му е 1,7 пъти по-голяма от тази на оловото, което означава, че размерът на урановите куршуми може да бъде намален наполовина; уранът е много по-огнеупорен и твърд от оловото - изпарява се по-малко при изстрел, а когато попадне в целта, произвежда по-малко микрочастици. Като цяло урановият куршум е по-малко замърсяващ от оловен куршум, въпреки че такова използване на уран не е известно със сигурност.

Но е известно, че плочите от обеднен уран се използват за укрепване на бронята на американски танкове (това се улеснява от високата му плътност и точка на топене), а също и вместо волфрамова сплав в сърцевините за бронебойни снаряди. Урановото ядро ​​също е добро, защото уранът е пирофорен: неговите горещи малки частици, образувани при удар с бронята, пламват и подпалват всичко наоколо. И двете приложения се считат за радиационно безопасни. Така изчислението показа, че дори след една година престой в резервоар с уранова броня, зареден с уранови боеприпаси, екипажът ще получи само една четвърт от допустимата доза. И за да получите годишната допустима доза, трябва да завиете такива боеприпаси към повърхността на кожата за 250 часа.

Снаряди с уранови ядра - за 30-милиметрови авиационни оръдия или артилерийски подкалибър - са използвани от американците в последните войни, като се започне от кампанията в Ирак през 1991 г. През тази година те се изсипаха върху иракските бронирани части в Кувейт и по време на тяхното отстъпление 300 тона обеднен уран, от които 250 тона, или 780 хиляди патрона, бяха изстреляни по самолетни оръдия. В Босна и Херцеговина при бомбардировките на армията на непризнатата Република Сръбска са изразходвани 2,75 тона уран, а при обстрела на югославската армия в района на Косово и Метохия - 8,5 тона, или 31 хиляди патрона. Тъй като по това време СЗО беше загрижена за последствията от използването на уран, беше извършен мониторинг. Той показа, че един залп се състои от приблизително 300 изстрела, от които 80% съдържат обеднен уран. 10% са уцелили цели, а 82% са паднали на 100 метра от тях. Останалите се разпръснаха в рамките на 1,85 км. Снаряд, попаднал в танк, изгоря и се превърна в аерозол, урановият снаряд прониза леки цели като бронетранспортьори. Така най-много един и половина тона снаряди могат да се превърнат в уранов прах в Ирак. Според експерти от американския център за стратегически изследвания RAND Corporation повече от 10 до 35% от използвания уран се е превърнал в аерозол. Хърватският активист срещу боеприпасите с уран Асаф Дуракович, който е работил в различни организации от болницата „Крал Фейсал“ в Рияд до медицинския изследователски център за уран във Вашингтон, изчислява, че само в Южен Ирак през 1991 г. са се образували 3-6 тона субмикронни частици уран, които бяха разпръснати на широка територия, тоест замърсяването с уран там е сравнимо с Чернобил.

Уранът не е много типичен актинид, известни са петте му валентни състояния - от 2+ до 6+. Някои уранови съединения имат характерен цвят. Така разтворите на тривалентния уран са червени, четиривалентният уран е зелен, а шествалентният уран - съществува под формата на уранил йон (UO 2) 2+ - оцветява разтворите в жълто... Фактът, че шествалентният уран образува съединения с много органични комплексообразователи, се оказват много важни за технологията на извличане на елемент № 92.

Характерно е, че външната електронна обвивка на урановите йони винаги е напълно запълнена; Валентните електрони са в предишния електронен слой, в подобвивката 5f. Ако сравним урана с други елементи, очевидно е, че плутоният е най-сходен с него. Основната разлика между тях е големият йонен радиус на урана. Освен това плутоният е най-стабилен в четиривалентно състояние, а уранът е най-стабилен в шествалентно състояние. Това помага за разделянето им, което е много важно: ядреното гориво плутоний-239 се получава изключително от уран, баласт от енергийна гледна точка на уран-238. Плутоният се образува в маса от уран и те трябва да бъдат разделени!

Първо обаче трябва да получите тази маса уран, като преминете през дълга технологична верига, започвайки с руда. Обикновено многокомпонентна, бедна на уран руда.

Лек изотоп на тежък елемент

Когато говорихме за получаване на елемент № 92, съзнателно пропуснахме един важен етап. Както знаете, не всеки уран е способен да поддържа ядрена верижна реакция. Уран-238, който представлява 99,28% от естествената смес от изотопи, не е способен на това. Поради това уран-238 се превръща в плутоний и естествената смес от уранови изотопи се търси или да бъде разделена, или обогатена с изотопа на уран-235, който е способен да разпада топлинни неутрони.

Разработени са много методи за разделяне на уран-235 и уран-238. Най-често се използва газодифузионният метод. Същността му е, че ако смес от два газа се прекара през пореста преграда, тогава светлината ще премине по-бързо. През 1913 г. Ф. Астън частично разделя неоновите изотопи по този начин.

Повечето уранови съединения при нормални условия са твърди вещества и могат да бъдат превърнати в газообразно състояние само при много високи температури, когато не може да се говори за някакви фини процеси на разделяне на изотопи. Въпреки това, безцветното съединение на уран с флуор, UF 6 хексафлуорид, сублимира вече при 56,5 ° C (при атмосферно налягане). UF 6 е най-летливото съединение на уран и е най-подходящо за разделяне на неговите изотопи чрез газова дифузия.

Урановият хексафлуорид се характеризира с висока химическа активност. Корозия на тръби, помпи, контейнери, взаимодействие със смазването на механизмите - малък, но впечатляващ списък от проблеми, които създателите на дифузионни инсталации трябваше да преодолеят. Срещнахме още по-сериозни трудности.

Урановият хексафлуорид, получен чрез флуориране на естествена смес от уранови изотопи, от гледна точка на „дифузията“ може да се разглежда като смес от два газа с много сходни молекулни маси - 349 (235+19*6) и 352 (238 +19*6). Максималният теоретичен коефициент на разделяне в един етап на дифузия за газове, които се различават толкова малко по молекулно тегло, е само 1,0043. В реални условия тази стойност е още по-малка. Оказва се, че е възможно да се увеличи концентрацията на уран-235 от 0,72 до 99% само с помощта на няколко хиляди стъпки на дифузия. Следователно инсталациите за разделяне на изотопи на уран заемат площ от няколко десетки хектара. Площта на порестите прегради в разделителните каскади на фабриките е приблизително същия порядък.

Накратко за другите изотопи на урана

Природният уран, в допълнение към уран-235 и уран-238, включва уран-234. Изобилието на този рядък изотоп се изразява като число с четири нули след десетичната запетая. Много по-достъпен изкуствен изотоп е уран-233. Получава се чрез облъчване на торий в неутронния поток на ядрен реактор:

232 90 Th + 10n → 233 90 Th -β-→ 233 91 Pa -β-→ 233 92 U
Според всички правила на ядрената физика уран-233, като нечетен изотоп, се разделя на топлинни неутрони. И най-важното е, че в реакторите с уран-233 може (и се случва) да се случи разширено възпроизвеждане на ядрено гориво. В конвенционален реактор с топлинни неутрони! Изчисленията показват, че когато килограм уран-233 изгори в ториев реактор, в него трябва да се натрупат 1,1 кг нов уран-233. Чудо и това е всичко! Изгорихме килограм гориво, но количеството гориво не намаля.

Такива чудеса обаче са възможни само с ядрено гориво.

Уран-ториевият цикъл в реакторите с термични неутрони е основният конкурент на уран-плутониевия цикъл за възпроизвеждане на ядрено гориво в реактори на бързи неутрони... Всъщност само поради това елемент № 90 - торий - беше класифициран като стратегически материал.

Други изкуствени изотопи на урана не играят съществена роля. Заслужава да се спомене само уран-239 - първият изотоп във веригата от трансформации на уран-238 плутоний-239. Неговият полуживот е само 23 минути.

Изотопите на урана с масово число над 240 нямат време да се образуват в съвременните реактори. Животът на уран-240 е твърде кратък и той се разпада, преди да има време да улови неутрон.

В свръхмощните неутронни потоци на термоядрен взрив едно ураново ядро ​​успява да улови до 19 неутрона за една милионна от секундата. В този случай се раждат уранови изотопи с масови числа от 239 до 257. За тяхното съществуване се научи от появата на далечни трансуранови елементи - потомци на тежки изотопи на уран - в продуктите на термоядрен взрив. Самите „основатели на рода“ са твърде нестабилни, за да се бета разпаднат и да преминат в по-висши елементи много преди продуктите на ядрените реакции да бъдат извлечени от скалата, смесена от експлозията.

Съвременните топлинни реактори изгарят уран-235. Във вече съществуващите бързи неутронни реактори се освобождава енергията на ядрата на общ изотоп, уран-238, и ако енергията е истинско богатство, тогава ядрата на урана ще бъдат от полза за човечеството в близко бъдеще: енергията на елемент № 92 ще стане основата на нашето съществуване.

Жизненоважно е да се гарантира, че уранът и неговите производни горят само в ядрени реактори на мирни електроцентрали, горят бавно, без дим и пламък.

ДРУГ ИЗТОЧНИК НА УРАН. В наши дни тя се е превърнала в морска вода. Вече работят пилотно-промишлени инсталации за извличане на уран от вода с помощта на специални сорбенти: титанов оксид или акрилни влакна, обработени с определени реагенти.

КОЙ КОЛКО. В началото на 80-те години производството на уран в капиталистическите страни беше около 50 000 g годишно (по отношение на U3Os). Около една трета от тази сума е осигурена от американската индустрия. Канада е на второ място, следвана от Южна Африка. Нигор, Габон, Намибия. От европейските страни Франция произвежда най-много уран и неговите съединения, но делът й е почти седем пъти по-малък от САЩ.

НЕТРАДИЦИОННИ ВРЪЗКИ. Въпреки че не е без основание химията на урана и плутония да е по-добре проучена от химията на традиционните елементи като желязото, химиците все още откриват нови уранови съединения. Така през 1977 г. списание „Радиохимия“, том XIX, бр. 6 съобщава за две нови съединения на уранил. Съставът им е MU02(S04)2-SH20, където М е двувалентен манганов или кобалтов йон. Рентгеновите дифракционни модели показват, че новите съединения са двойни соли, а не смес от две подобни соли.

Ядрените технологии до голяма степен се основават на използването на радиохимични методи, които от своя страна се основават на ядрените физични, физични, химични и токсични свойства на радиоактивните елементи.

В тази глава ще се ограничим до кратко описание на свойствата на основните делящи се изотопи - уран и плутоний.

Уран

Уран ( уран) U - елемент от актинидната група, 7-0-ти период от периодичната система, Z=92, атомна маса 238.029; най-тежкият, открит в природата.

Известни са 25 изотопа на урана, всичките радиоактивни. Най-лесният 217U (Tj/ 2 =26 ms), най-тежкият 2 4 2 U (7 T J / 2 =i6,8 min). Има 6 ядрени изомера. Природният уран съдържа три радиоактивни изотопа: 2 8 и (99, 2 739%, Ti/ 2 = 4,47109 l), 2 35 U (0,7205%, G, / 2 = 7,04-109 години) и 2 34 U (0,0056%, Ти/ 2=2,48-юз л). Специфичната радиоактивност на естествения уран е 2,48104 Bq, разделена почти наполовина между 234 U и 288 U; 2 35U има малък принос (специфичната активност на изотопа 2 zi в естествения уран е 21 пъти по-малка от активността на 2 3 8 U). Напречните сечения за улавяне на термични неутрони са съответно 46, 98 и 2,7 barn за 2 zzi, 2 35U и 2 3 8 U; разделителна секция 527 и 584 плевня за 2 zzi и 2 z 8 и съответно; естествена смес от изотопи (0,7% 235U) 4,2 хамбар.

Таблица 1. Ядрени физични свойства 2 h9 Ri и 2 35Ts.

Таблица 2. Улавяне на неутрони 2 35Ts и 2 z 8 C.

Шест изотопа на урана са способни на спонтанно делене: 282 U, 2 zzi, 234 U, 235 U, 2 z 6 i и 2 z 8 i. Естествените изотопи 2 33 и 2 35 U се делят под влияние както на топлинни, така и на бързи неутрони, а ядрата 2 3 8 са способни на делене само когато улавят неутрони с енергия над 1,1 MeV. При улавяне на неутрони с по-ниска енергия, ядрата 288 U първо се трансформират в ядра 2 -i9U, които след това претърпяват p-разпад и се трансформират първо в 2 -"*9Np, а след това в 2 39Pu. Ефективните напречни сечения за улавяне на топлинна неутрони от 2 34U, 2 ядра 35U и 2 3 8 и са равни съответно на 98, 683 и 2,7 barn Пълното делене на 2 35 U води до „еквивалент на топлинна енергия“ от 2-107 kWh / kg. Изотопите 2 35 U и 2 zzi се използват като ядрено гориво, способно да поддържа верижна реакция на делене.

Ядрените реактори произвеждат n изкуствени изотопа на уран с масови числа 227-^240, от които най-дълготрайният е 233U (7 V 2 = i.62 *io 5 години); получава се чрез неутронно облъчване на торий. В свръхмощните неутронни потоци на термоядрен взрив се раждат уранови изотопи с масови числа 239^257.

Уран-232- техногенен нуклид, a-емитер, T x / 2=68,9 години, родителски изотопи 2 h 6 Pu(a), 23 2 Np(p*) и 23 2 Ra(p), дъщерен нуклид 228 Th. Интензитетът на спонтанното делене е 0,47 деления/s kg.

Уран-232 се образува в резултат на следните разпадания:

P + -разпад на нуклид *3 a Np (Ti/ 2 =14,7 минути):

В ядрената индустрия 2 3 2 U се произвежда като страничен продукт по време на синтеза на делящия се (оръжеен) нуклид 2 zi в ториевия горивен цикъл. Когато 2 3 2 Th се облъчва с неутрони, възниква основната реакция:

и двустепенна странична реакция:

Производството на 232 U от торий става само с бързи неутрони (Е„>6 MeV). Ако изходното вещество съдържа 2 3°TH, тогава образуването на 2 3 2 U се допълва от реакцията: 2 3°TH + u-> 2 3'TH. Тази реакция протича с помощта на топлинни неутрони. Генерирането на 2 3 2 U е нежелателно поради редица причини. Той се потиска чрез използване на торий с минимална концентрация 2 3°TH.

Разпадането на 2 × 2 става в следните посоки:

Разпад в 228 Th (вероятност 10%, енергия на разпадане 5,414 MeV):

енергията на излъчените алфа частици е 5,263 MeV (в 31,6% от случаите) и 5,320 MeV (в 68,2% от случаите).

• - спонтанно делене (вероятност по-малка от ~ 12%);
• - разпадане на клъстер с образуване на нуклид 28 Mg (вероятност за разпадане по-малка от 5*10" 12%):

Разпадане на клъстер с образуването на нуклид 2

Уран-232 е основателят на дълга верига на разпад, която включва нуклиди - излъчватели на твърди у-кванти:

^U-(3,64 дни, a,y)-> 220 Rn-> (55,6 s, a)-> 21b Po->(0,155 s, a)-> 212 Pb->(10,64 часа , p, y) - > 212 Bi -> (60,6 m, p, y) -> 212 Po a, y) -> 208x1, 212 Po -> (3 "Yu' 7 s, a) -> 2o8 Pb (убождане), 2o8 T1- >(3,06 m, p, y-> 2o8 Pb.

Натрупването на 2 3 2 U е неизбежно по време на производството на 2 zi в енергийния цикъл на торий. Интензивното y-лъчение, произтичащо от разпадането на 2 3 2 U, възпрепятства развитието на ториевата енергия. Необичайното е, че четният изотоп 2 3 2 11 има голямо напречно сечение на делене под въздействието на неутрони (75 барна за топлинни неутрони), както и високо напречно сечение на улавяне на неутрони - 73 барна. 2 3 2 U се използва в метода за радиоактивен индикатор в химичните изследвания.

2 h 2 и е основателят на дълга верига на разпадане (според схемата 2 h 2 T), която включва нуклиди, излъчващи твърди y-кванти. Натрупването на 2 3 2 U е неизбежно по време на производството на 2 zi в енергийния цикъл на торий. Интензивното y-лъчение, произтичащо от разпадането на 232 U, възпрепятства развитието на ториевата енергия. Необичайното е, че четният изотоп 2 3 2 U има високо напречно сечение на делене под въздействието на неутрони (75 барна за топлинни неутрони), както и високо напречно сечение на улавяне на неутрони - 73 барна. 2 3 2 U често се използва в метода за радиоактивни индикатори в химични и физични изследвания.

Уран-233- изкуствен радионуклид, a-емитер (енергия 4,824 (82,7%) и 4,783 MeV (14,9%)), Тви= 1.585105 години, родителски нуклиди 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +)-> 2 ззРа(р), дъщерен нуклид 22 9Th. 2 zzi се получава в ядрени реактори от торий: 2 z 2 Th улавя неутрон и се превръща в 2 zzT, който се разпада на 2 zzRa и след това на 2 zzi. Ядрата на 2 zi (нечетен изотоп) са способни както на спонтанно делене, така и на делене под въздействието на неутрони с всякаква енергия, което го прави подходящ за производство както на атомни оръжия, така и на реакторно гориво. Ефективното напречно сечение на делене е 533 barn, напречното сечение на улавяне е 52 barn, неутронен добив: за събитие на делене - 2,54, за погълнат неутрон - 2,31. Критичната маса на 2 zzi е три пъти по-малка от критичната маса на 2 35U (-16 kg). Интензитетът на спонтанното делене е 720 деления/s kg.

Уран-233 се образува в резултат на следните разпадания:

- (3 + -разпадане на нуклид 2 33Np (7^=36,2 минути):

В индустриален мащаб 2 zi се получава от 2 32Th чрез облъчване с неутрони:

Когато се абсорбира неутрон, ядрото 2 zzi обикновено се разделя, но понякога улавя неутрон, превръщайки се в 2 34U. Въпреки че 2 zzi обикновено се разделя след абсорбиране на неутрон, понякога задържа неутрон, превръщайки се в 2 34U. Производството на 2 zirs се извършва както в бързи, така и в термични реактори.

От оръжейна гледна точка, 2 ZZI е сравним с 2 39Pu: неговата радиоактивност е 1/7 от активността на 2 39Pu (Ti/ 2 = 159200 литра срещу 24100 литра за Pu), критичната маса на 2 zi е 60% по-висока от тази на ^Pu (16 kg срещу 10 kg), а скоростта на спонтанно делене е 20 пъти по-висока (bth - ' срещу 310 10). Неутронният поток от 2 zzi е три пъти по-висок от този на 2 39Pi. Създаването на ядрен заряд на базата на 2 zi изисква повече усилия, отколкото на ^Pi. Основната пречка е наличието на примеси 232 U в 2ZZI, чието y-лъчение от разпадните проекти затруднява работата с 2ZZI и улеснява откриването на готови оръжия. В допълнение, краткият полуживот на 2 3 2 U го прави активен източник на алфа частици. 2 zi с 1% 232 и има три пъти по-силна а-активност от оръжейния плутоний и съответно по-голяма радиотоксичност. Тази а-активност причинява създаването на неутрони в леките елементи на заряда на оръжието. За да се минимизира този проблем, присъствието на елементи като Be, B, F, Li трябва да бъде минимално. Наличието на неутронен фон не влияе на работата на системите за имплозия, но вериги на оръдия изискват високо ниво на чистота за леки елементи Съдържанието на 23 2 U в оръжейни клас 2 zis не трябва да надвишава 5 части на милион (0,0005% В горивото на топлоенергийните реактори присъствието на 2 3G не е вредно и дори е желателно, тъй като намалява възможността за използване на уран за оръжейни цели. 0,2%.

Разпадането на 2 zi става в следните посоки:

Разпад в 22 9Th (вероятност 10%, енергия на разпадане 4,909 MeV):

енергията на излъчените yahr частици е 4,729 MeV (в 1,61% от случаите), 4,784 MeV (в 13,2% от случаите) и 4,824 MeV (в 84,4% от случаите).

• - спонтанно разделяне (вероятност
• - клъстерен разпад с образуването на нуклид 28 Mg (вероятност за разпадане по-малка от 1,3*10_13%):

Разпадане на клъстера с образуването на нуклида 24 Ne (вероятност на разпадане 7,3-10-“%):

Веригата на разпадане на 2 zzi принадлежи към нептуниевата серия.

Специфичната радиоактивност на 2 zi е 3,57-8 Bq/g, което съответства на а-активност (и радиотоксичност) от -15% на плутония. Само 1% 2 3 2 U повишава радиоактивността до 212 mCi/g.

Уран-234(Уран II, UII)част от естествения уран (0,0055%), 2,445105 години, а-емитер (енергия на а-частиците 4,777 (72%) и

4,723 (28%) MeV), изходни радионуклиди: 2 h 8 Pu(a), 234 Pa(P), 234 Np(p +),

дъщерен изотоп в 2 z”th.

Обикновено 234 U е в равновесие с 2 h 8 u, като се разпада и образува със същата скорост. Приблизително половината от радиоактивността на естествения уран се дължи на 234U. Обикновено 234U се получава чрез йонообменна хроматография на стари препарати от чист 2 × 8 Pu. По време на a-разпад, *zRi дава 2 34U, така че старите препарати от 2 h 8 Ru са добри източници на 2 34U. yuo g 238Pi съдържа след една година 776 mg 2 34U, след 3 години

2,2 g 2 34U. Концентрацията на 234U във високообогатен уран е доста висока поради преференциалното обогатяване с леки изотопи. Тъй като 2 34u е силен y-емитер, има ограничения за концентрацията му в урана, предназначен за преработка в гориво. Повишените нива на 234i са приемливи за реакторите, но преработеното отработено гориво вече съдържа неприемливи нива на този изотоп.

Разпадането на 234i протича в следните посоки:

А-разпад при 2 3°Т (вероятност 100%, енергия на разпад 4,857 MeV):

енергията на излъчените алфа частици е 4,722 MeV (в 28,4% от случаите) и 4,775 MeV (в 71,4% от случаите).

• - спонтанно разделяне (вероятност 1,73-10-9%).
• - разпадане на клъстер с образуване на нуклид 28 Mg (вероятност за разпадане 1,4-10%, според други данни 3,9-10%):

• - разпад на клъстера с образуването на нуклиди 2 4Ne и 26 Ne (вероятност на разпадане 9-10", 2%, според други данни 2,3-10_11%):

Единственият известен изомер е 2 34ti (Tx/ 2 = 33,5 μs).

Напречното сечение на поглъщане на 2 термични неутрона 34U е 100 barn, а за резонансния интеграл, осреднен за различни междинни неутрони, е 700 barn. Следователно в реакторите с термични неутрони той се преобразува в делящ се 235U с по-бърза скорост, отколкото много по-голямото количество 238U (с напречно сечение от 2,7 барна) се преобразува в 2 39Ru. В резултат на това отработеното гориво съдържа по-малко 2 34U от прясното гориво.

Уран-235принадлежи към семейството 4P+3, способен да предизвика верижна реакция на делене. Това е първият изотоп, при който е открита реакцията на принудително ядрено делене под въздействието на неутрони. Чрез абсорбиране на неутрон 235U се превръща в 2 zbi, който се разделя на две части, освобождавайки енергия и излъчвайки няколко неутрона. Делим се от неутрони с всякаква енергия и способен на спонтанно делене, изотопът 2 35U е част от естествения ufan (0,72%), а-емитер (енергии 4,397 (57%) и 4,367 (18%) MeV), Ti/j=7.038-8 години, майчини нуклиди 2 35Pa, 2 35Np и 2 39Pu, дъщерни - 23Th. Скорост на спонтанно делене 2 3su 0,16 делене/s kg. При делене на едно 2 35U ядро ​​се отделя 200 MeV енергия = 3,210 pJ, т.е. 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Напречното сечение на делене от топлинни неутрони е 545 бара, а от бързи неутрони - 1,22 бара, неутронен добив: на акт на делене - 2,5, на абсорбиран неутрон - 2,08.

Коментирайте. Напречното сечение за улавяне на бавни неутрони за получаване на изотопа 2 sii (oo barn), така че общото напречно сечение на абсорбция на бавни неутрони е 645 barn.

• - спонтанно делене (вероятност 7*10~9%);
• - разпадане на клъстер с образуване на нуклиди 2 °Ne, 2 5Ne и 28 Mg (вероятностите съответно са 8-io_10%, 8-kg 10%, 8*10",0%):

Ориз. 1.

Единственият известен изомер е 2 35n»u (7/ 2 = 2b min).

Специфична активност 2 35C 7.77-4 Bq/g. Критичната маса на оръжейния уран (93,5% 2 35U) за топка с рефлектор е 15-7-23 кг.

Деленето 2 » 5U се използва в атомни оръжия, за производство на енергия и за синтез на важни актиниди. Верижната реакция се поддържа от излишъка от неутрони, произведени по време на деленето на 2 35C.

Уран-236намира се естествено на Земята в следи от количества (има повече от него на Луната), a-излъчвател (?

Ориз. 2. Радиоактивно семейство 4/7+2 (включително -з 8 и).

В атомен реактор 2 sz поглъща топлинен неутрон, след което се дели с вероятност от 82%, а с вероятност от 18% излъчва y-квант и се превръща в 2 sb и (за 100 делени ядра 2 35U там са 22 образувани ядра 2 3 6 U) . В малки количества е част от свежото гориво; се натрупва, когато уранът се облъчва с неутрони в реактор и следователно се използва като „сигнално устройство“ за отработено ядрено гориво. 2 hb и се образува като страничен продукт при отделянето на изотопи чрез газова дифузия при регенерирането на използвано ядрено гориво. 236 U е неутронна отрова, образувана в енергиен реактор; присъствието му в ядреното гориво се компенсира от високо ниво на обогатяване на 2 35 U.

2 z b и се използва като индикатор за смесване на океански води.

уран-237,T&= 6,75 дни, бета и гама излъчвател, могат да бъдат получени от ядрени реакции:

Откриване 287 и извършено по линии с Ей= o,ob MeV (36%), 0,114 MeV (0,06%), 0,165 MeV (2,0%), 0,208 MeV (23%)

237U се използва в метода на радиоактивен индикатор в химичните изследвания. Измерването на концентрацията (2-4°Am) в радиоактивните отпадъци от тестове на атомни оръжия предоставя ценна информация за вида на заряда и използваното оборудване.

Уран-238- принадлежи към семейството 4P+2, деля се от неутрони с висока енергия (повече от 1,1 MeV), способен на спонтанно делене, формира основата на естествения уран (99,27%), a-емитер, 7’; /2=4>468-109 години, директно се разпада на 2 34Th, образува редица генетично свързани радионуклиди и след 18 продукта се превръща в 206 Рb. Чистият 2 3 8 U има специфична радиоактивност от 1,22-104 Bq. Периодът на полуразпад е много дълъг - около 10 16 години, така че вероятността от делене по отношение на основния процес - излъчването на алфа частица - е само 10" 7. Един килограм уран дава само 10 спонтанни деления в секунда, и през същото време алфа частиците излъчват 20 милиона ядра.Матерни нуклиди: 2 4 2 Pu(a), *38ra(p-) 234Th, дъщерни T,/ 2 = 2 :и 4 Th.

Уран-238 се образува в резултат на следните разпадания:

2 (V0 4) 2 ] 8H 2 0. Сред вторичните минерали често се среща хидратиран калциев уранил фосфат Ca(U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0. Често уранът в минералите се придружава от други полезни елементи - титан , тантал, редкоземни елементи. Ето защо е естествен стремежът към комплексна преработка на ураносъдържащите руди.

Основни физични свойства на урана: атомна маса 238,0289 amu. (g/mol); атомен радиус 138 pm (1 pm = 12 m); йонизационна енергия (първи електрон 7,11 eV; електронна конфигурация -5f36d‘7s 2; степени на окисление 6, 5, 4, 3; GP l = 113 2, 2 °; T t,1=3818°; плътност 19,05; специфичен топлинен капацитет 0,115 JDKmol); якост на опън 450 MPa, топлина на топене 12,6 kJ/mol, топлина на изпарение 417 kJ/mol, специфична топлина 0,115 J/(mol-K); моларен обем 12,5 cm3/mol; характерна температура на Дебай © D =200K, температура на преход към свръхпроводящо състояние около.68K.

Уранът е тежък, сребристо-бял, лъскав метал. Той е малко по-мек от стоманата, ковък, гъвкав, има леки парамагнитни свойства и е пирофорен в прахообразна форма. Уранът има три алотропни форми: алфа (орторомбична, a-U, параметри на решетката 0=285, b= 587, c=49b pm, стабилен до 667,7°), бета (тетрагонален, p-U, стабилен от 667,7 до 774,8°), гама (с кубична центрирана решетка, y-U, съществуваща от 774,8° до точките на топене, frm= ii34 0), при който уранът е най-ковък и удобен за обработка.

При стайна температура орторомбичната а-фаза е стабилна; призматичната структура се състои от вълнообразни атомни слоеве, успоредни на равнината ABC,в изключително асиметрична призматична решетка. В рамките на слоевете атомите са тясно свързани, докато силата на връзките между атомите в съседните слоеве е много по-слаба (Фигура 4). Тази анизотропна структура затруднява легирането на уран с други метали. Само молибденът и ниобият създават твърдофазни сплави с уран. Въпреки това, металният уран може да взаимодейства с много сплави, образувайки интерметални съединения.

В диапазона 668^775° има (3-уран. Решетката от тетрагонален тип има слоеста структура със слоеве, успоредни на равнината абв позиции 1/4С, 1/2 си 3/4C от единичната клетка. При температури над 775° се образува у-уран с обемно центрирана кубична решетка. Добавянето на молибден позволява y-фазата да присъства при стайна температура. Молибденът образува широка гама от твърди разтвори с у-уран и стабилизира у-фазата при стайна температура. у-уранът е много по-мек и по-ковък от крехките а- и (3-фази.

Неутронното облъчване оказва значително влияние върху физичните и механичните свойства на урана, причинявайки увеличаване на размера на пробата, промяна във формата, както и рязко влошаване на механичните свойства (пълзене, крехкост) на уранови блокове по време на работа на ядрен реактор. Увеличаването на обема се дължи на натрупването в урана по време на делене на примеси на елементи с по-ниска плътност (превод 1% уран във фрагментиращи елементи увеличава обема с 3,4%).

Ориз. 4. Някои кристални структури на урана: a - a-уран, b - p-уран.

Най-разпространените методи за получаване на уран в метално състояние са редукция на техните флуориди с алкални или алкалоземни метали или електролиза на разтопени соли. Уранът може да се получи и чрез металотермична редукция от карбиди с волфрам или тантал.

Способността лесно да отдава електрони определя редуциращите свойства на урана и неговата по-голяма химическа активност. Уранът може да взаимодейства с почти всички елементи, с изключение на благородните газове, придобивайки степени на окисление +2, +3, +4, +5, +6. В разтвора основната валентност е 6+.

Бързо окисляващ се във въздуха, металният уран е покрит с ирисцентен филм от оксид. Финият уранов прах се запалва спонтанно във въздуха (при температури 1504-175°), образувайки и;) Ov. При 1000° уранът се свързва с азота, образувайки жълт уранов нитрид. Водата може да реагира с метала, бавно при ниски температури и бързо при високи температури. Уранът реагира бурно с вряща вода и пара, за да освободи водород, който образува хидрид с уран

Тази реакция е по-енергична от изгарянето на уран в кислород. Тази химическа активност на урана налага защитата на урана в ядрените реактори от контакт с вода.

Уранът се разтваря в солна, азотна и други киселини, образувайки U(IV) соли, но не взаимодейства с алкали. Уранът измества водорода от неорганични киселини и солни разтвори на метали като живак, сребро, мед, калай, платина и злато. При силно разклащане металните частици на урана започват да светят.

Структурните особености на електронните обвивки на атома на урана (наличието на ^/-електрони) и някои от неговите физикохимични свойства служат като основа за класифицирането на урана като член на серията актиниди. Съществува обаче химическа аналогия между урана и Cr, Mo и W. Уранът е силно реактивен и реагира с всички елементи, с изключение на благородните газове. В твърдата фаза примери за U(VI) са уранил триоксид U0 3 и уранил хлорид U0 2 C1 2. Уранов тетрахлорид UC1 4 и уранов диоксид U0 2

Примери за U(IV). Веществата, съдържащи U(IV), обикновено са нестабилни и стават шествалентни, когато са изложени на въздух за дълго време.

В системата уран-кислород са инсталирани шест оксида: UO, U0 2, U 4 0 9 и 3 Ov, U0 3. Характеризират се с широк диапазон на хомогенност. U0 2 е основен оксид, докато U0 3 е амфотерен. U0 3 - взаимодейства с вода, за да образува редица хидрати, най-важните от които са диурановата киселина H 2 U 2 0 7 и урановата киселина H 2 1U 4. С алкали U0 3 образува соли на тези киселини - уранати. При разтваряне на U0 3 в киселини се образуват соли на двойно заредения уранил катион U0 2 a+.

Урановият диоксид, U0 2, със стехиометричен състав е кафяв. Тъй като съдържанието на кислород в оксида се увеличава, цветът се променя от тъмнокафяв до черен. Кристална структура от тип CaF 2, А = 0,547 nm; плътност 10,96 g/cm"* (най-високата плътност сред урановите оксиди). T , pl =2875 0 , Тк „ = 3450°, D#°298 = -1084.5 kJ/mol. Урановият диоксид е полупроводник с дупкова проводимост и силен парамагнетик. MPC = o.015 mg/m3. Неразтворим във вода. При температура от -200° той добавя кислород, достигайки състав U0 2>25.

Уран (IV) оксид може да се получи чрез следните реакции:

Урановият диоксид проявява само основни свойства, той съответства на основния хидроксид U (OH) 4, който след това се превръща в хидратиран хидроксид U0 2 H 2 0. Урановият диоксид бавно се разтваря в силни неокисляващи киселини в отсъствието на атмосферен кислород с образуване на III + йони:

U0 2 + 2H 2 S0 4 ->U(S0 4) 2 + 2H 2 0. (38)

Той е разтворим в концентрирани киселини и скоростта на разтваряне може значително да се увеличи чрез добавяне на флуорни йони.

При разтваряне в азотна киселина се образува уранил йон 1O 2 2+:

Триуран октаоксид U 3 0s (уранов оксид) е прах, чийто цвят варира от черен до тъмнозелен; при силно натрошаване става маслиненозелено на цвят. Големите черни кристали оставят зелени ивици върху порцелана. Известни са три кристални модификации на U 3 0 h: a-U 3 C>8 - ромбична кристална структура (пространствена група C222; 0 = 0,671 nm; 6 = 1,197 nm; c = o,83 nm; д =0,839 nm); p-U 3 0e - ромбична кристална структура (пространствена група Stst; 0=0,705 nm; 6=1.172 nm; 0=0,829 nm. Началото на разлагане е oooo° (преходи до 100 2), MPC = 0,075 mg/m3.

U 3 C>8 може да се получи чрез реакцията:

Чрез калциниране на U0 2, U0 2 (N0 3) 2, U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 или (NH 4) 2 U 2 0 7 при 750 0 във въздух или в кислородна атмосфера ( p = 150+750 mmHg) се получава стехиометрично чист U 3 08.

Когато U 3 0s се калцинира при T>oooo°, той се редуцира до 10 2, но при охлаждане на въздух се връща до U 3 0s. U 3 0e се разтваря само в концентрирани силни киселини. В солната и сярната киселина се образува смес от U(IV) и U(VI), а в азотната киселина - уранил нитрат. Разредените сярна и солна киселина реагират много слабо с U 3 Os дори при нагряване; добавянето на окислители (азотна киселина, пиролузит) рязко увеличава скоростта на разтваряне. Концентрираната H 2 S0 4 разтваря U 3 Os, за да образува U(S0 4) 2 и U0 2 S0 4 . Азотната киселина разтваря U 3 Oe, за да образува уранил нитрат.

Уранов триоксид, U0 3 - кристално или аморфно вещество с ярко жълт цвят. Реагира с вода. ПДК = 0,075 mg/m3.

Получава се чрез калциниране на амониеви полиуранати, уранов пероксид, уранил оксалат при 300-500° и уранил нитрат хексахидрат. Получава се оранжев прах с аморфна структура с плътност

6,8 g/cm2. Кристалната форма на IU 3 може да се получи чрез окисление на U 3 0 8 при температури от 450°h-750° в поток от кислород. Има шест кристални модификации на U0 3 (a, (3, y> §> ?, n) - U0 3 е хигроскопичен и във влажен въздух се превръща в уранил хидроксид. Нагряването му при 520°-^6oo° дава съединение със състав 1U 2>9, по-нататъшното нагряване до 6oo° позволява да се получи U 3 Os.

Водородът, амонякът, въглеродът, алкалните и алкалоземните метали редуцират U0 3 до U0 2. При преминаване на смес от газове HF и NH3 се образува UF4. При по-висока валентност уранът проявява амфотерни свойства. При излагане на киселини U0 3 или неговите хидрати се образуват уранилни соли (U0 2 2+), оцветени в жълто-зелено:

Повечето соли на уранил са силно разтворими във вода.

Когато се слее с алкали, U0 3 образува соли на урановата киселина - MDKH уранати:

С алкални разтвори урановият триоксид образува соли на полиуранови киселини - полиуранати DHM 2 0y1U 3 pH^O.

Солите на урановата киселина са практически неразтворими във вода.

Киселинните свойства на U(VI) са по-слабо изразени от основните.

Уранът реагира с флуор при стайна температура. Стабилността на висшите халогениди намалява от флуориди към йодиди. Флуоридите UF 3, U4F17, U2F9 и UF 4 са нелетливи, а UFe е летлив. Най-важните флуориди са UF 4 и UFe.

Ftppippiyanir okgilya t"yanya ppptrkart според практиката:

Реакцията в кипящ слой се извършва съгласно уравнението:

Възможно е да се използват флуориращи агенти: BrF 3, CC1 3 F (фреон-11) или CC1 2 F 2 (фреон-12):

Урановият флуорид (1U) UF 4 („зелена сол“) е синкаво-зеленикав до изумрудено оцветен прах. G 11L = юз6°; Гк,«,.=-1730°. DN° 29 8= 1856 kJ/mol. Кристалната структура е моноклинна (sp. gp. C2/s; 0=1,273 nm; 5=1,075 nm; 0=0,843 nm; d= 6,7 nm; p=12b°20"; плътност 6,72 g/cm3. UF 4 е стабилно, неактивно, нелетливо съединение, слабо разтворимо във вода. Най-добрият разтворител за UF 4 е димяща перхлорна киселина HC10 4. Разтваря се в окислителни киселини, за да образува уранилна сол; бързо се разтваря в горещ разтвор на Al (N0 3) 3 или AlCl 3, както и в разтвор на борна киселина, подкиселен с H 2 S0 4, HC10 4 или HC1 Комплексообразуващи агенти, които свързват флуоридни йони, за например Fe3 +, Al3 + или борна киселина, също допринасят за разтварянето на UF 4. С флуориди на други метали образува редица слабо разтворими двойни соли (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7 и др.). NH 4 UF 5 е от промишлено значение.

U(IV) флуоридът е междинен продукт в препарата

UF6 и метален уран.

UF 4 може да се получи чрез реакции:

или чрез електролитна редукция на уранил флуорид.

Уранов хексафлуорид UFe - при стайна температура кристали с цвят на слонова кост с висок индекс на пречупване. Плътност

5,09 g/cmz, плътност на течния UFe - 3,63 g/cmz. Летливо съединение. Tvoag = 5^>5°> Gil=b4,5° (под налягане). Налягането на наситените пари достига атмосферата при 560°. Енталпия на образуване AH° 29 8 = -211b kJ/mol. Кристалната структура е орторомбична (пространствена група. Rpt; 0=0,999 nm; fe= 0,8962 nm; с=0,5207 nm; д 5,060 nm (25 0). ПДК - 0,015 mg/m3. От твърдо състояние UF6 може да сублимира (сублимира) в газ, заобикаляйки течната фаза в широк диапазон от налягания. Топлина на сублимация при 50 0 50 kJ/mg. Молекулата няма диполен момент, така че UF6 не се свързва. UFr парите са идеален газ.

Получава се чрез действието на флуор върху неговото U съединение:

В допълнение към реакциите в газовата фаза има и реакции в течната фаза

производство на UF6 с помощта на халофлуориди, например

Има начин за получаване на UF6 без използването на флуор - чрез окисляване на UF4:

UFe не реагира със сух въздух, кислород, азот и CO 2, но при контакт с вода, дори следи от нея, претърпява хидролиза:

Той взаимодейства с повечето метали, образувайки техните флуориди, което усложнява методите за неговото съхранение. Подходящи материали за съдове за работа с UF6 са: при нагряване Ni, Monel и Pt, при студено - също тефлон, абсолютно сух кварц и стъкло, мед и алуминий. При температури 25-0°C образува комплексни съединения с флуориди на алкални метали и сребро от типа 3NaFUFr>, 3KF2UF6.

Разтваря се добре в различни органични течности, неорганични киселини и всички халофлуориди. Инертен на сухо 0 2, N 2, C0 2, C1 2, Br 2. UFr се характеризира с редукционни реакции с повечето чисти метали. UF6 реагира енергично с въглеводороди и други органични вещества, така че затворените контейнери с UFe могат да експлодират. UF6 в диапазона 25 -r100° образува комплексни соли с флуориди на алкални и други метали. Това свойство се използва в технологията за селективна екстракция на UF

Уранови хидриди UH 2 и UH 3 заемат междинно положение между солеподобни хидриди и хидриди от вида на твърдите разтвори на водород в метала.

Когато уранът реагира с азота, се образуват нитриди. Има четири известни фази в системата U-N: UN (ураниев нитрид), a-U 2 N 3 (сесквинитрид), p- U 2 N 3 и ООН If90. Не е възможно да се постигне състав UN 2 (динитрид). Синтезите на уранов мононитрид UN са надеждни и добре контролирани, които най-добре се извършват директно от елементите. Урановите нитриди са прахообразни вещества, чийто цвят варира от тъмносив до сив; изглежда като метал. UN има кубична лицево-центрирана кристална структура, като NaCl (0 = 4,8892 A); (/=14.324, 7^=2855°, стабилен във вакуум до 1700 0. Получава се чрез взаимодействие на U или U хидрид с N2 или NH3, разлагане на висши U нитриди при 1300° или тяхната редукция с метален уран. U 2 N 3 е известен в две полиморфни модификации: кубичен a и хексагонален p (0 = 0,3688 nm, 6 = 0,5839 nm), освобождава N 2 във вакуум над 8oo°. Получава се чрез редукция на UN 2 с водород. UN2 динитридът се синтезира чрез взаимодействие на U с N2 при високо налягане на N2. Урановите нитриди са лесно разтворими в киселини и алкални разтвори, но се разлагат от разтопени основи.

Урановият нитрид се получава чрез двустепенна карботермична редукция на уранов оксид:

Нагряване в аргон при 7M450 0 за 10 х 20 часа

Урановият нитрид със състав, близък до динитрида, UN 2, може да се получи чрез излагане на UF 4 на амоняк при висока температура и налягане.

Урановият динитрид се разлага при нагряване:

Урановият нитрид, обогатен с 2 35 U, има по-висока плътност на делене, топлопроводимост и точка на топене от урановите оксиди - традиционното гориво на съвременните енергийни реактори. Освен това има добри механични свойства и стабилност, превъзхождащи традиционните горива. Следователно това съединение се счита за обещаваща основа за ядрено гориво в реактори на бързи неутрони (ядрени реактори от поколение IV).

Коментирайте. Много е полезно да обогатите UN с 5N, защото .4 N има тенденция да улавя неутрони, генерирайки радиоактивния изотоп 14 C чрез (n,p) реакцията.

Урановият карбид UC 2 (?-фаза) е светло сиво кристално вещество с метален блясък. В системата U-C (уранови карбиди) има UC 2 (?-фаза), UC 2 (b 2-фаза), U 2 C 3 (e-фаза), UC (b 2-фаза) - уранови карбиди. Уранов дикарбид UC 2 може да се получи чрез реакциите:

U + 2C^UC 2 (54v)

Урановите карбиди се използват като гориво за ядрени реактори, те са обещаващи като гориво за двигатели на космически ракети.

Уранил нитрат, уранил нитрат, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Ролята на метала в тази сол се играе от уранил 2+ катион. Жълти кристали със зеленикав оттенък, лесно разтворими във вода. Водният разтвор е кисел. Разтворим в етанол, ацетон и етер, неразтворим в бензен, толуен и хлороформ. При нагряване кристалите се топят и отделят HNO 3 и H 2 O. Кристалният хидрат лесно се изпарява във въздуха. Характерна реакция е, че под действието на NH3 се образува жълта утайка от амониев уран.

Уранът е способен да образува металоорганични съединения. Примери са циклопентадиенилови производни от състава U(C5H5)4 и техните халоген-заместени u(C5H5)3G или u(C5H5)2G2.

Във водни разтвори уранът е най-стабилен в степента на окисление на U(VI) под формата на уранилния йон U0 2 2+. В по-малка степен се характеризира с U(IV) състояние, но може да се появи дори във U(III) форма. Степента на окисление на U(V) може да съществува като йон IO2+, но това състояние рядко се наблюдава поради склонността му към диспропорциониране и хидролиза.

В неутрални и киселинни разтвори U(VI) съществува под формата на U0 2 2+ - жълт уранилов йон. Добре разтворимите уранови соли включват нитрат U0 2 (NO 3) 2, сулфат U0 2 S0 4, хлорид U0 2 C1 2, флуорид U0 2 F 2, ацетат U0 2 (CH 3 C00) 2. Тези соли се отделят от разтвори под формата на кристални хидрати с различен брой водни молекули. Слабо разтворими уранилови соли са: оксалат U0 2 C 2 0 4, фосфати U0 2 HP0., и UO2P2O4, амониев уранил фосфат UO2NH4PO4, натриев уранил ванадат NaU0 2 V0 4, фероцианид (U0 2) 2. Уранилният йон се характеризира със склонност към образуване на комплексни съединения. По този начин са известни комплекси с флуорни йони от -, 4- тип; нитратни комплекси и 2 *; комплекси на сярна киселина 2 "и 4-; карбонатни комплекси 4" и 2 "и др. Когато алкалите действат върху разтвори на уранови соли, се отделят слабо разтворими утайки от диуранати от типа Me 2 U 2 0 7 (моноуранати Me 2 U0 4 не се изолират от разтвори, те се получават чрез синтез на уранови оксиди с основи). Me 2 U n 0 3 n+i полиуранати са известни (например Na 2 U60i 9).

U(VI) се редуцира в кисели разтвори до U(IV) от желязо, цинк, алуминий, натриев хидросулфит и натриева амалгама. Разтворите са оцветени в зелено. Алкалите утаяват от тях хидроксид U0 2 (0H) 2, флуороводородна киселина - флуорид UF 4 -2,5H 2 0, оксалова киселина - оксалат U (C 2 0 4) 2 -6H 2 0. Йонът U 4+ има тенденция да образуват комплекси по-малко от тези на ураниловите йони.

Уранът (IV) в разтвор е под формата на U 4+ йони, които са силно хидролизирани и хидратирани:

В кисели разтвори хидролизата се потиска.

Уран (VI) в разтвор образува уранил оксокатион - U0 2 2+ Известни са множество уранилни съединения, примери за които са: U0 3, U0 2 (C 2 H 3 0 2) 2, U0 2 C0 3 -2(NH 4 ) 2 C0 3 U0 2 C0 3, U0 2 C1 2, U0 2 (0H) 2, U0 2 (N0 3) 2, UO0SO4, ZnU0 2 (CH 3 C00) 4 и др.

При хидролиза на уранилов йон се образуват редица многоядрени комплекси:

При по-нататъшна хидролиза се появява U 3 0s(0H) 2 и след това U 3 0 8 (0H) 4 2 -.

За качествено откриване на уран се използват методи за химичен, луминесцентен, радиометричен и спектрален анализ. Химичните методи се основават предимно на образуването на оцветени съединения (например червено-кафяв цвят на съединение с фероцианид, жълт с водороден прекис, син с арсеназо реактив). Луминесцентният метод се основава на способността на много уранови съединения да произвеждат жълтеникаво-зеленикаво сияние, когато са изложени на UV лъчи.

Количественото определяне на уран се извършва по различни методи. Най-важните от тях са: обемни методи, състоящи се в редукция на U(VI) до U(IV), последвано от титруване с разтвори на окислители; гравиметрични методи - утаяване на уранати, пероксид, U(IV) купферанати, хидроксихинолат, оксалат и др. последвано от тяхното калциниране при oooo° и претегляне U 3 0s; полярографските методи в нитратен разтвор позволяват да се определи 10*7-g10-9 g уран; многобройни колориметрични методи (например с H 2 O 2 в алкална среда, с арсеназо реактив в присъствието на EDTA, с дибензоилметан, под формата на тиоцианатен комплекс и др.); луминесцентен метод, който дава възможност да се определи кога се слива с NaF до Ю 11 g уран.

235U принадлежи към група на радиационна опасност А, минималната значима активност е MZA = 3,7-10 4 Bq, 2 3 8 и - към група D, MZA = 3,7-6 Bq (300 g).

Съдържанието на статията

УРАН, U (уран), метален химичен елемент от семейството на актинидите, което включва Ac, Th, Pa, U и трансуранови елементи (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Уранът придоби известност поради използването му в ядрени оръжия и ядрена енергия. Урановите оксиди се използват и за оцветяване на стъкло и керамика.

Да бъдеш сред природата.

Съдържанието на уран в земната кора е 0,003% и се намира в повърхностния слой на земята под формата на четири вида утайки. Първо, това са вени от уранинит или уранова смола (уранов диоксид UO 2), много богата на уран, но рядка. Те са придружени от радиеви отлагания, тъй като радият е пряк продукт от изотопния разпад на урана. Такива вени има в Заир, Канада (Голямото мечо езеро), Чехия и Франция. Вторият източник на уран са конгломерати от ториеви и уранови руди заедно с руди от други важни минерали. Конгломератите обикновено съдържат достатъчни количества злато и сребро за възстановяване, като уранът и торият са свързани елементи. Големи находища на тези руди се намират в Канада, Южна Африка, Русия и Австралия. Третият източник на уран са седиментни скали и пясъчници, богати на минерала карнотит (калиев уранил ванадат), който съдържа освен уран значително количество ванадий и други елементи. Такива руди има в западните щати на САЩ. Желязно-урановите шисти и фосфатните руди представляват четвърти източник на седименти. Богати находища има в шистите на Швеция. Някои фосфатни руди в Мароко и Съединените щати съдържат значителни количества уран, а фосфатните находища в Ангола и Централноафриканската република са още по-богати на уран. Повечето лигнити и някои въглища обикновено съдържат примеси на уран. Богати на уран лигнитни залежи са открити в Северна и Южна Дакота (САЩ) и битуминозни въглища в Испания и Чехия.

Отваряне.

Уран е открит през 1789 г. от немския химик М. Клапрот, който наименува елемента в чест на откриването на планетата Уран 8 години по-рано. (Клапрот беше водещият химик на своето време; той откри и други елементи, включително Ce, Ti и Zr.) Всъщност веществото, получено от Клапрот, не беше елементарен уран, а негова окислена форма, а елементарният уран беше получен за първи път от френският химик Е. .Пелиго през 1841 г. От момента на откриването до 20 век. уранът не е имал значението, което има днес, въпреки че много от неговите физически свойства, както и неговата атомна маса и плътност, са били определени. През 1896 г. А. Бекерел установява, че урановите соли имат радиация, която осветява фотографска плака на тъмно. Това откритие активира химиците към изследвания в областта на радиоактивността и през 1898 г. френските физици съпрузи П. Кюри и М. Склодовска-Кюри изолират соли на радиоактивните елементи полоний и радий, а Е. Ръдърфорд, Ф. Соди, К. Фаянс и други учени разработиха теорията за радиоактивния разпад, която постави основите на съвременната ядрена химия и ядрена енергия.

Първите употреби на уран.

Въпреки че радиоактивността на урановите соли беше известна, неговите руди през първата третина на този век бяха използвани само за получаване на придружаващ радий, а уранът се смяташе за нежелан страничен продукт. Използването му е съсредоточено главно в керамичната технология и металургията; Урановите оксиди бяха широко използвани за оцветяване на стъкло в цветове, вариращи от бледожълто до тъмнозелено, което допринесе за развитието на евтино производство на стъкло. Днес продуктите от тези индустрии се идентифицират като флуоресцентни под ултравиолетовите лъчи. По време на Първата световна война и малко след това уранът под формата на карбид е използван в производството на инструментални стомани, подобни на Mo и W; 4–8% уран замени волфрама, чието производство беше ограничено по това време. За получаване на инструментални стомани през 1914–1926 г. годишно се произвеждат няколко тона фероуран, съдържащ до 30% (маса) U. Тази употреба на уран обаче не продължи дълго.

Съвременни употреби на уран.

Урановата промишленост започва да се оформя през 1939 г., когато е извършено деленето на урановия изотоп 235 U, което води до техническото прилагане на контролирани верижни реакции на делене на уран през декември 1942 г. Това е раждането на ерата на атома , когато уранът се превърна от незначителен елемент в един от най-важните елементи в жизненото общество. Военното значение на урана за производството на атомната бомба и използването му като гориво в ядрени реактори доведе до астрономическо увеличение на търсенето на уран. Интересна е хронологията на нарастването на търсенето на уран въз основа на историята на седиментите в Голямото мечо езеро (Канада). През 1930 г. в това езеро е открита смес от смола, смес от уранови оксиди, а през 1932 г. в тази област е създадена технология за пречистване на радий. От всеки тон руда (смолна смес) се получава 1 g радий и около половин тон страничен продукт, уранов концентрат. Радият обаче беше малко и добивът му беше спрян. От 1940 до 1942 г. разработката е възобновена и уранова руда започва да се транспортира до Съединените щати. През 1949 г. подобно пречистване на уран, с някои подобрения, е използвано за производството на чист UO 2 . Това производство се разрасна и сега е едно от най-големите съоръжения за производство на уран.

Имоти.

Уранът е един от най-тежките елементи в природата. Чистият метал е много плътен, пластичен, електроположителен с ниска електрическа проводимост и силно реактивен.

Уранът има три алотропни модификации: а-уран (орторомбична кристална решетка), съществува в диапазона от стайна температура до 668 ° C; b-уран (сложна кристална решетка от тетрагонален тип), стабилен в диапазона 668–774° C; ж-уран (кубична кристална решетка с тяло-центр), стабилен от 774°C до точката на топене (1132°C). Тъй като всички изотопи на урана са нестабилни, всички негови съединения проявяват радиоактивност.

Изотопи на урана

238 U, 235 U, 234 U се срещат в природата в съотношение 99,3:0,7:0,0058, а 236 U се среща в следи от количества. Всички останали изотопи на урана от 226 U до 242 U се получават по изкуствен път. Изотопът 235 U е особено важен. Под въздействието на бавни (топлинни) неутрони той се разделя, освобождавайки огромна енергия. Пълното делене на 235 U води до освобождаване на „еквивалент на топлинна енергия“ от 2H 10 7 kWh h/kg. Деленето на 235 U може да се използва не само за производство на големи количества енергия, но и за синтезиране на други важни актинидни елементи. Естественият изотоп на урана може да се използва в ядрени реактори за производство на неутрони, произведени от деленето на 235 U, докато излишните неутрони, които не са необходими за верижната реакция, могат да бъдат уловени от друг естествен изотоп, което води до производството на плутоний:

Когато 238 U се бомбардира с бързи неутрони, възникват следните реакции:

Според тази схема най-често срещаният изотоп 238 U може да се превърне в плутоний-239, който, подобно на 235 U, също е способен да се дели под въздействието на бавни неутрони.

Понастоящем са получени голям брой изкуствени изотопи на урана. Сред тях 233 U е особено забележителен, тъй като той също се дели при взаимодействие с бавни неутрони.

Някои други изкуствени изотопи на урана често се използват като радиоактивни маркери в химически и физически изследвания; това е на първо място b- излъчвател 237 U и а- излъчвател 232 U.

Връзки.

Уранът, силно реактивен метал, има степен на окисление от +3 до +6, близък е до берилия в серията на активност, взаимодейства с всички неметали и образува интерметални съединения с Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn и Zn. Фино натрошеният уран е особено реактивен и при температури над 500 ° C често влиза в реакции, характерни за уранов хидрид. Еднократният уран или стружки горят ярко при 700–1000 ° C, а урановите пари изгарят вече при 150–250 ° C; уранът реагира с HF при 200–400 ° C, образувайки UF 4 и H 2 . Уранът се разтваря бавно в концентриран HF или H 2 SO 4 и 85% H 3 PO 4 дори при 90 ° C, но лесно реагира с конц. HCl и по-малко активен с HBr или HI. Най-активните и бързи реакции на уран с разреден и концентриран HNO 3 протичат с образуването на уранил нитрат ( виж отдолу). В присъствието на HCl уранът бързо се разтваря в органични киселини, образувайки органични U4+ соли. В зависимост от степента на окисление уранът образува няколко вида соли (най-важните от тях са с U 4+, една от тях UCl 4 е лесно окисляема зелена сол); ураниловите соли (радикал UO 2 2+) от типа UO 2 (NO 3) 2 са жълти на цвят и флуоресцират в зелено. Ураниловите соли се образуват чрез разтваряне на амфотерния оксид UO 3 (жълт цвят) в кисела среда. В алкална среда UO 3 образува уранати като Na 2 UO 4 или Na 2 U 2 O 7. Последното съединение („жълт уранил“) се използва за производството на порцеланови глазури и в производството на флуоресцентни стъкла.

Урановите халогениди са били широко изследвани през 1940-1950 г., тъй като са били използвани за разработване на методи за разделяне на уранови изотопи за атомната бомба или ядрения реактор. Урановият трифлуорид UF 3 се получава чрез редукция на UF 4 с водород, а урановият тетрафлуорид UF 4 се получава по различни начини чрез реакции на HF с оксиди като UO 3 или U 3 O 8 или чрез електролитна редукция на уранилни съединения. Урановият хексафлуорид UF 6 се получава чрез флуориране на U или UF 4 с елементарен флуор или чрез действието на кислород върху UF 4 . Хексафлуоридът образува прозрачни кристали с висок индекс на пречупване при 64 ° C (1137 mm Hg); съединението е летливо (при нормално налягане се сублимира при 56,54 ° C). Уранови оксохалиди, например оксофлуориди, имат състав UO 2 F 2 (уранил флуорид), UOF 2 (ураниев оксид дифлуорид).

И Сатурн), се отличава преди всичко с необичайното си движение около Слънцето, а именно, за разлика от всички други планети, Уран се върти „ретроградно“. Какво означава? И факт е, че ако другите планети, включително и нашата Земя, са като движещи се въртящи се върхове (поради усукване става смяната на деня и нощта), то Уран е като търкаляща се топка и в резултат на това смяната на деня/ нощ, както и сезоните на тази планетите са значително различни.

Кой откри Уран

Но нека започнем нашия разказ за тази необичайна планета с историята на нейното откриване. Планетата Уран е открита от английския астроном Уилям Хершел през 1781 г. Интересното е, че наблюдавайки необичайното му движение, астрономът първо го обърка и едва след няколко години наблюдения той получи планетарен статут. Хершел искаше да я нарече „Звездата на Георг“, но научната общност предпочете името, предложено от Йохан Боде - Уран, в чест на древния бог Уран, който е олицетворение на небето.

Бог Уран в древната митология е най-старият от боговете, създателят на всичко и всички (включително други богове), а също и дядо на върховния бог Зевс (Юпитер).

Характеристики на планетата Уран

Уранът е 14,5 пъти по-тежък от нашата Земя. Въпреки това, това е най-леката планета сред гигантските планети, тъй като съседната й планета, макар и по-малка по размер, има по-голяма маса от Уран. Относителната лекота на тази планета се дължи на нейния състав, значителна част от който е лед, а ледът на Уран е най-разнообразен: има амоняк, вода и метанов лед. Плътността на Уран е 1,27 g/cm3.

Температура на Уран

Каква е температурата на Уран? Поради разстоянието си от Слънцето, той, разбира се, е много студен и въпросът тук е не само отдалечеността му, но и фактът, че вътрешната топлина на Уран е няколко пъти по-малка от тази на други планети. Топлинният поток на планетата е изключително малък, по-малък от този на Земята. В резултат на това на Уран е регистрирана една от най-ниските температури в Слънчевата система - 224 C, което е дори по-ниско от това на Нептун, разположен още по-далеч от Слънцето.

Има ли живот на Уран

При температурата, описана в параграфа по-горе, е очевидно, че произходът на живот на Уран не е възможен.

Атмосфера на Уран

Каква е атмосферата на Уран? Атмосферата на тази планета е разделена на слоеве, които се определят от температурата и повърхността. Външният слой на атмосферата започва на разстояние 300 км от конвенционалната повърхност на планетата и се нарича атмосферна корона; това е най-студената част от атмосферата. Още по-близо до повърхността има стратосфера и тропосфера. Последната е най-ниската и най-плътна част от атмосферата на планетата. Тропосферата на Уран има сложна структура: тя се състои от водни облаци, амонячни облаци и метанови облаци, смесени заедно по хаотичен начин.

Съставът на атмосферата на Уран се различава от атмосферите на други планети поради високото съдържание на хелий и молекулярен хелий. Освен това голяма част от атмосферата на Уран принадлежи на метан, химично съединение, което съставлява 2,3% от всички молекули в атмосферата там.

Снимка на планетата Уран

Повърхността на Уран

Повърхността на Уран се състои от три слоя: скалисто ядро, ледена мантия и външна обвивка от водород и хелий, които са в газообразно състояние. Заслужава да се отбележи и друг важен елемент, който е част от повърхността на Уран - метановият лед, който създава така наречения характерен син цвят на планетата.

Учените също са използвали спектроскопия, за да открият въглероден оксид и въглероден диоксид в горните слоеве на атмосферата.

Да, Уран също има пръстени (както и други планети гиганти), макар и не толкова големи и красиви, колкото тези на неговия колега. Напротив, пръстените на Уран са тъмни и почти невидими, тъй като се състоят от много много тъмни и малки частици, вариращи в диаметър от микрометър до няколко метра. Интересното е, че пръстените на Уран са открити по-рано от пръстените на други планети с изключение на Сатурн; дори откривателят на планетата У. Хершел твърди, че е видял пръстени на Уран, но тогава не му повярваха, тъй като телескопите на това време не е имало достатъчно сила за други астрономи да потвърдят видяното от Хершел. Само два века по-късно, през 1977 г., американските астрономи Джеймсън Елиът, Дъглас Минком и Едуард Дънам, използвайки обсерваторията Кайпер, успяха да наблюдават пръстените на Уран със собствените си очи. Освен това това се случи случайно, тъй като учените просто щяха да наблюдават атмосферата на планетата и, без да го очакват, откриха наличието на пръстени.

Понастоящем са известни 13 пръстена на Уран, най-яркият от които е епсилонът. Пръстените на тази планета са сравнително млади, те са се образували след нейното раждане. Има хипотеза, че пръстените на Уран се образуват от останките на някакъв разрушен спътник на планетата.

Луни на Уран

Говорейки за луни, колко луни мислите, че има Уран? И той има цели 27 от тях (поне известните в момента). Най-големите са: Миранда, Ариел, Умбриел, Оберон и Титания. Всички спътници на Уран са смес от скала и лед, с изключение на Миранда, която е направена изцяло от лед.

Ето как изглеждат спътниците на Уран в сравнение със самата планета.

Много спътници нямат атмосфера, а някои от тях се движат вътре в пръстените на планетата, чрез които се наричат ​​още вътрешни спътници и всички те имат силна връзка с пръстенната система на Уран. Учените смятат, че много луни са били уловени от Уран.

Въртене на Уран

Въртенето на Уран около Слънцето е може би най-интересната характеристика на тази планета. Тъй като писахме по-горе, Уран се върти различно от всички останали планети, а именно „ретроградно“, точно като топка, която се търкаля по земята. В резултат на това промяната на деня и нощта (в нашето обичайно разбиране) на Уран се случва само близо до екватора на планетата, въпреки факта, че се намира много ниско над хоризонта, приблизително като в полярните ширини на земята. Що се отнася до полюсите на планетата, „полярният ден“ и „полярната нощ“ се сменят веднъж на всеки 42 земни години.

Що се отнася до годината на Уран, една година там е равна на нашите 84 земни години; през това време планетата обикаля по своята орбита около Слънцето.

Колко време отнема полетът до Уран?

Колко дълъг е полетът до Уран от Земята? Ако със съвременните технологии полетът до нашите най-близки съседи Венера и Марс отнема няколко години, то полетът до толкова далечни планети като Уран може да отнеме десетилетия. Към днешна дата само един космически кораб е направил такова пътуване: Вояджър 2, изстрелян от НАСА през 1977 г., достигна Уран през 1986 г., както виждате, еднопосочният полет отне почти десетилетие.

Също така беше планирано да се изпрати апаратът Касини, който се занимаваше с изучаване на Сатурн, до Уран, но след това беше решено да се остави Касини близо до Сатурн, където той умря съвсем наскоро - през септември миналата 2017 г.

• Три години след откриването си планетата Уран става декор за сатиричен памфлет. Писателите на научна фантастика често споменават тази планета в своите научнофантастични произведения.
• Уран може да се види на нощното небе с невъоръжено око, просто трябва да знаете къде да гледате и небето трябва да е идеално тъмно (което, за съжаление, не е възможно в съвременните градове).
• На планетата Уран има вода. Но водата на Уран е замръзнала като лед.
• Планетата Уран може уверено да бъде наградена с лаврите на „най-студената планета“ в Слънчевата система.

Планета Уран, видео

И в заключение едно интересно видео за планетата Уран.

Тази статия е достъпна на английски език - .