Urāna metāli. Kāpēc urāns un tā savienojumi ir bīstami? Urāna izotopu pielietojumi un veidi

No kurienes radās urāns? Visticamāk, tas parādās supernovas sprādzienu laikā. Fakts ir tāds, ka par dzelzi smagāku elementu nukleosintēzei ir jābūt spēcīgai neitronu plūsmai, kas notiek tieši supernovas sprādziena laikā. Šķiet, ka tad, kondensējoties no tā izveidoto jauno zvaigžņu sistēmu mākoņa, urānam, kas savākts protoplanetārā mākonī un būdams ļoti smags, vajadzētu nogrimt planētu dzīlēs. Bet tā nav taisnība. Urāns ir radioaktīvs elements, un, sadaloties, tas izdala siltumu. Aprēķini liecina, ka, ja urāns būtu vienmērīgi sadalīts visā planētas biezumā, vismaz ar tādu pašu koncentrāciju kā uz virsmas, tas izdalītu pārāk daudz siltuma. Turklāt, patērējot urānu, tā plūsmai vajadzētu vājināties. Tā kā nekas tāds nav novērots, ģeologi uzskata, ka vismaz trešdaļa urāna un varbūt arī viss ir koncentrēts zemes garozā, kur tā saturs ir 2,5∙10–4%. Kāpēc tas notika, netiek apspriests.

Kur tiek iegūts urāns? Urāna uz Zemes nav nemaz tik maz – pārpilnības ziņā tas ir 38. vietā. Un lielākā daļa šī elementa ir atrodami nogulumiežu iežos - oglekļa slānekļos un fosforītos: attiecīgi līdz 8∙10 –3 un 2,5∙10 –2%. Kopumā zemes garozā ir 10 14 tonnas urāna, taču galvenā problēma ir tā, ka tas ir ļoti izkliedēts un neveido spēcīgas nogulsnes. Aptuveni 15 urāna minerāliem ir rūpnieciska nozīme. Tā ir urāna darva – tās pamatā ir četrvērtīgais urāna oksīds, urāna vizla – dažādi silikāti, fosfāti un sarežģītāki savienojumi ar vanādiju vai titānu, kura pamatā ir sešvērtīgais urāns.

Kas ir Bekerela stari? Pēc tam, kad Volfgangs Rentgens atklāja rentgena starus, franču fiziķis Antuāns Anrī Bekerels sāka interesēties par urāna sāļu mirdzumu, kas rodas saules gaismas ietekmē. Viņš gribēja saprast, vai šeit ir arī rentgena stari. Tiešām, viņi bija klāt – sāls caur melno papīru izgaismoja fotoplati. Tomēr vienā no eksperimentiem sāls nebija izgaismots, bet fotoplāksne joprojām bija tumša. Kad metāla priekšmets tika novietots starp sāli un fotoplāksni, tumšums zem tā bija mazāks. Tāpēc jauni stari neradās urāna gaismas ierosmes dēļ un daļēji neizgāja cauri metālam. Sākotnēji tos sauca par Bekerela stariem. Pēc tam tika atklāts, ka tie galvenokārt ir alfa stari ar nelielu beta staru piedevu: fakts ir tāds, ka galvenie urāna izotopi sabrukšanas laikā izdala alfa daļiņu, un meitas produkti arī piedzīvo beta sabrukšanu.

Cik radioaktīvs ir urāns? Urānam nav stabilu izotopu, tie visi ir radioaktīvi. Visilgāk dzīvojošais ir urāns-238, kura pussabrukšanas periods ir 4,4 miljardi gadu. Tālāk seko urāns-235 – 0,7 miljardi gadu. Viņi abi tiek pakļauti alfa sabrukšanai un kļūst par atbilstošajiem torija izotopiem. Urāns-238 veido vairāk nekā 99% no visa dabiskā urāna. Milzīgā pussabrukšanas perioda dēļ šī elementa radioaktivitāte ir zema, turklāt alfa daļiņas nespēj iekļūt stratum corneum uz cilvēka ķermeņa virsmas. Viņi stāsta, ka pēc darba ar urānu I.V.Kurčatovs vienkārši noslaucīja rokas ar kabatlakatiņu un nav cietis no slimībām, kas saistītas ar radioaktivitāti.

Pētnieki vairākkārt ir pievērsušies urāna raktuvēs un pārstrādes rūpnīcās strādājošo slimību statistikai. Piemēram, nesen publicēts Kanādas un Amerikas speciālistu raksts, kas analizēja vairāk nekā 17 tūkstošu strādnieku veselības datus Eldorado raktuvēs Kanādas Saskačevanas provincē par 1950.–1999. Vides pētījumi, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Tie balstījās uz faktu, ka starojumam ir visspēcīgākā ietekme uz strauji vairojošām asins šūnām, izraisot atbilstošus vēža veidus. Statistika liecina, ka raktuvju darbiniekiem ir mazāka saslimstība ar dažāda veida asins vēzi nekā vidējiem Kanādas iedzīvotājiem. Šajā gadījumā par galveno starojuma avotu tiek uzskatīts nevis pats urāns, bet gan tā radītais gāzveida radons un tā sabrukšanas produkti, kas var iekļūt organismā caur plaušām.

Kāpēc urāns ir kaitīgs?? Tas, tāpat kā citi smagie metāli, ir ļoti toksisks un var izraisīt nieru un aknu mazspēju. Savukārt urāns, būdams izkliedēts elements, neizbēgami atrodas ūdenī, augsnē un, koncentrējoties barības ķēdē, nonāk cilvēka organismā. Ir pamats uzskatīt, ka evolūcijas procesā dzīvās būtnes ir iemācījušies neitralizēt urānu dabiskā koncentrācijā. Urāns ir visbīstamākais ūdenī, tāpēc PVO noteica ierobežojumu: sākotnēji tas bija 15 µg/l, bet 2011. gadā standarts tika palielināts līdz 30 µg/g. Ūdenī parasti ir daudz mazāk urāna: ASV vidēji 6,7 µg/l, Ķīnā un Francijā - 2,2 µg/l. Bet ir arī spēcīgas novirzes. Tātad dažos Kalifornijas rajonos tas ir simts reižu vairāk nekā standarts - 2,5 mg/l, bet Somijas dienvidos sasniedz 7,8 mg/l. Pētnieki mēģina saprast, vai PVO standarts ir pārāk stingrs, pētot urāna ietekmi uz dzīvniekiem. Šeit ir tipisks darbs ( BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Franču zinātnieki deviņus mēnešus baroja žurkas ar ūdeni ar noplicinātā urāna piedevām, turklāt salīdzinoši augstā koncentrācijā - no 0,2 līdz 120 mg/l. Apakšējā vērtība ir ūdens netālu no raktuves, savukārt augšējā vērtība nekur nav atrodama - maksimālā urāna koncentrācija, mērot Somijā, ir 20 mg/l. Autoru pārsteigumam raksta nosaukums ir: "Urāna neparedzēta ietekme uz fizioloģiskajām sistēmām ..." - urāns praktiski neietekmēja žurku veselību. Dzīvnieki labi ēda, pareizi pieņēmās svarā, nesūdzējās par slimībām un nenomira no vēža. Urāns, kā tam vajadzētu būt, galvenokārt tika nogulsnēts nierēs un kaulos un simts reižu mazākos daudzumos aknās, un tā uzkrāšanās, domājams, bija atkarīga no satura ūdenī. Tomēr tas neizraisīja nieru mazspēju vai pat ievērojamu iekaisuma molekulāro marķieru parādīšanos. Autori ierosināja, ka vajadzētu sākt pārskatīt PVO stingrās vadlīnijas. Tomēr ir viens brīdinājums: ietekme uz smadzenēm. Urāna žurku smadzenēs bija mazāk nekā aknās, taču tā saturs nebija atkarīgs no daudzuma ūdenī. Bet urāns ietekmēja smadzeņu antioksidantu sistēmas darbību: neatkarīgi no devas katalāzes aktivitāte palielinājās par 20%, glutationa peroksidāzes aktivitāte par 68–90%, bet superoksīda dismutāzes aktivitāte samazinājās par 50%. Tas nozīmē, ka urāns nepārprotami izraisīja oksidatīvo stresu smadzenēs un organisms uz to reaģēja. Šis efekts - urāna spēcīgā ietekme uz smadzenēm, ja tas, starp citu, nav uzkrājies tajās, kā arī dzimumorgānos, tika novērots jau iepriekš. Turklāt ūdens ar urānu 75–150 mg/l koncentrācijā, ar kuru Nebraskas universitātes pētnieki sešus mēnešus baroja žurkām ( Neirotoksikoloģija un teratoloģija, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), ietekmēja laukā izlaisto dzīvnieku, galvenokārt tēviņu, uzvedību: tie šķērsoja līnijas, piecēlās uz pakaļkājām un kopa kažokādas savādāk nekā kontroles. Ir pierādījumi, ka urāns arī izraisa atmiņas traucējumus dzīvniekiem. Uzvedības izmaiņas bija saistītas ar lipīdu oksidācijas līmeni smadzenēs. Izrādās, ka urāna ūdens žurkas padarīja veselas, bet diezgan stulbas. Šie dati mums noderēs tā sauktā Līča kara sindroma analīzē.

Vai urāns piesārņo slānekļa gāzes ieguves vietas? Tas ir atkarīgs no tā, cik daudz urāna ir gāzi saturošajos iežos un kā tas ir saistīts ar tiem. Piemēram, Bufalo universitātes asociētā profesore Treisija Banka pētīja Marcellus slānekli, kas stiepjas no Ņujorkas rietumiem caur Pensilvānijai un Ohaio līdz Rietumvirdžīnijai. Izrādījās, ka urāns ir ķīmiski saistīts tieši ar ogļūdeņražu avotu (atcerieties, ka radniecīgajos ogļslānekļos ir vislielākais urāna saturs). Eksperimenti ir parādījuši, ka skaldīšanas laikā izmantotais šķīdums lieliski izšķīdina urānu. "Kad urāns šajos ūdeņos sasniedz virsmu, tas var izraisīt apkārtējās teritorijas piesārņojumu. Tas nerada radiācijas risku, bet urāns ir indīgs elements,” atzīmē Treisijs Banks universitātes paziņojumā presei, kas datēts ar 2010. gada 25. oktobri. Pagaidām nav sagatavoti detalizēti raksti par vides piesārņojuma risku ar urānu vai toriju slānekļa gāzes ieguves laikā.

Kāpēc ir nepieciešams urāns? Iepriekš to izmantoja kā pigmentu keramikas un krāsainā stikla izgatavošanai. Tagad urāns ir kodolenerģijas un atomieroču pamats. Šajā gadījumā tiek izmantota tā unikālā īpašība - kodola spēja dalīties.

Kas ir kodola skaldīšana? Kodola sadalīšanās divos nevienādos lielos gabalos. Tieši šīs īpašības dēļ nukleosintēzes laikā neitronu apstarošanas rezultātā ar lielām grūtībām veidojas kodoli, kas ir smagāki par urānu. Parādības būtība ir šāda. Ja neitronu un protonu skaita attiecība kodolā nav optimāla, tas kļūst nestabils. Parasti šāds kodols izstaro vai nu alfa daļiņu – divus protonus un divus neitronus, vai beta daļiņu – pozitronu, ko pavada viena no neitroniem pārvēršanās protonā. Pirmajā gadījumā tiek iegūts periodiskās tabulas elements, kas atrodas divas šūnas atpakaļ, otrajā - vienu šūnu uz priekšu. Tomēr papildus alfa un beta daļiņu izstarošanai urāna kodols spēj sadalīties - sadalīties divu elementu kodolos periodiskās tabulas vidū, piemēram, bārijā un kriptonā, ko tas arī dara, saņemot jaunu neitronu. Šī parādība tika atklāta neilgi pēc radioaktivitātes atklāšanas, kad fiziķi pakļāva jaunatklāto starojumu visam, ko vien varēja. Lūk, kā par to raksta notikumu dalībnieks Otto Frišs (“Fizikālo zinātņu sasniegumi”, 1968, 96, 4). Pēc berilija staru - neitronu - atklāšanas Enriko Fermi ar tiem apstaroja urānu, jo īpaši, lai izraisītu beta sabrukšanu, viņš cerēja to izmantot, lai iegūtu nākamo, 93. elementu, ko tagad sauc par neptūniju. Tieši viņš atklāja jaunu radioaktivitātes veidu apstarotajā urānā, ko viņš saistīja ar transurāna elementu parādīšanos. Tajā pašā laikā, palēninot neitronus, kuru berilija avots bija pārklāts ar parafīna slāni, palielinājās šī inducētā radioaktivitāte. Amerikāņu radioķīmiķis Aristīds fon Gross ierosināja, ka viens no šiem elementiem ir protaktīnijs, taču viņš kļūdījās. Taču Otto Hāns, kurš tolaik strādāja Vīnes Universitātē un uzskatīja par savu prāta bērnu 1917. gadā atklāto protaktīniju, nolēma, ka viņam ir jānoskaidro, kādi elementi ir iegūti. Kopā ar Lizu Meitneri 1938. gada sākumā Hāns, pamatojoties uz eksperimentu rezultātiem, ierosināja, ka urāna-238 un tā meitas elementu neitronus absorbējošo kodolu vairāku beta sabrukšanas rezultātā veidojas veselas radioaktīvo elementu ķēdes. Drīz vien Līze Meitnere bija spiesta bēgt uz Zviedriju, baidoties no iespējamām nacistu represijām pēc Austrijas anšlusa. Hāns, turpinot eksperimentus ar Fricu Strasmanu, atklāja, ka starp produktiem ir arī bārijs, elements ar numuru 56, ko nekādi nevarēja iegūt no urāna: visas urāna alfa sabrukšanas ķēdes beidzas ar daudz smagāku svinu. Pētnieki bija tik pārsteigti par rezultātu, ka viņi to nepublicēja; viņi tikai rakstīja vēstules draugiem, jo ​​īpaši Līzei Meitnerei Gēteborgā. Tur 1938. gada Ziemassvētkos pie viņas viesojās viņas brāļadēls Otto Frišs un, ejot pa ziemas pilsētas apkārtni — viņš ar slēpēm, tante kājām —, viņi apsprieda bārija parādīšanās iespēju urāna apstarošanas laikā. kodola skaldīšanas rezultāts (plašāku informāciju par Lizu Meitneri skatiet sadaļā “Ķīmija un dzīve”, 2013, Nr. 4). Atgriežoties Kopenhāgenā, Frišs burtiski pieķēra Nīlu Boru uz kuģa, kurš devās uz ASV, ejas un pastāstīja viņam par skaldīšanas ideju. Bors, sitis sev pa pieri, sacīja: “Ak, kādi mēs muļķi bijām! Mums tas bija jāpamana agrāk." 1939. gada janvārī Frišs un Meitners publicēja rakstu par urāna kodolu skaldīšanu neitronu ietekmē. Līdz tam laikam Otto Frisch jau bija veicis kontroles eksperimentu, kā arī daudzas amerikāņu grupas, kas saņēma ziņojumu no Bora. Viņi saka, ka fiziķi sāka izklīst uz savām laboratorijām tieši viņa ziņojuma laikā 1939. gada 26. janvārī Vašingtonā ikgadējā teorētiskās fizikas konferencē, kad viņi saprata idejas būtību. Pēc skaldīšanas atklāšanas Hāns un Štrasmans pārskatīja savus eksperimentus un, tāpat kā viņu kolēģi, konstatēja, ka apstarotā urāna radioaktivitāte ir saistīta nevis ar transurāniem, bet gan ar radioaktīvo elementu sabrukšanu, kas veidojas skaldīšanas laikā no periodiskās tabulas vidus.

Kā urānā notiek ķēdes reakcija? Drīz pēc tam, kad eksperimentāli tika pierādīta urāna un torija kodolu dalīšanās iespēja (un uz Zemes nav citu skaldāmo elementu nozīmīgā daudzumā), Prinstonā strādājušie Nīls Bors un Džons Vīlers, kā arī neatkarīgi no viņiem Padomju teorētiskais fiziķis Ya.I. Frenkel un vācieši Zigfrīds Flüge un Gotfrīds fon Droste radīja kodola skaldīšanas teoriju. No tā izrietēja divi mehānismi. Viens no tiem ir saistīts ar ātro neitronu absorbcijas slieksni. Saskaņā ar to, lai uzsāktu skaldīšanu, neitronam ir jābūt ar diezgan augstu enerģiju, vairāk nekā 1 MeV galveno izotopu - urāna-238 un torija-232 - kodoliem. Pie zemākām enerģijām urāna-238 neitronu absorbcijai ir rezonējošs raksturs. Tādējādi neitronam ar enerģiju 25 eV ir uztveršanas šķērsgriezuma laukums, kas ir tūkstošiem reižu lielāks nekā ar citām enerģijām. Šajā gadījumā sadalīšanās nenotiks: urāns-238 kļūs par urānu-239, kas ar pussabrukšanas periodu 23,54 minūtes pārvērtīsies par neptūniju-239, kas ar pussabrukšanas periodu 2,33 dienas pārvērtīsies par ilgmūžīgu. plutonijs-239. Torijs-232 kļūs par urānu-233.

Otrs mehānisms ir neitrona absorbcija bez sliekšņa, tai seko trešais vairāk vai mazāk izplatītais skaldāmais izotops - urāns-235 (kā arī plutonijs-239 un urāns-233, kas dabā nav sastopami): absorbējot jebkuru neitronu, pat lēnu, tā saukto termisko, ar enerģiju kā molekulām, kas piedalās termiskajā kustībā - 0,025 eV, šāds kodols sadalīsies. Un tas ir ļoti labi: termisko neitronu uztveršanas šķērsgriezuma laukums ir četras reizes lielāks nekā ātriem, megaelektronvoltu neitroniem. Tāda ir urāna-235 nozīme visā turpmākajā kodolenerģijas vēsturē: tieši tas nodrošina neitronu pavairošanu dabiskajā urānā. Pēc neitrona trieciena urāna-235 kodols kļūst nestabils un ātri sadalās divās nevienlīdzīgās daļās. Pa ceļam tiek emitēti vairāki (vidēji 2,75) jauni neitroni. Ja tie trāpīs viena un tā paša urāna kodoliem, tie izraisīs neitronu eksponenciālu savairošanos – notiks ķēdes reakcija, kas izraisīs sprādzienu, strauji izdaloties milzīgam siltuma daudzumam. Ne urāns-238, ne torijs-232 nevar tā darboties: galu galā, skaldīšanas laikā neitroni tiek emitēti ar vidējo enerģiju 1–3 MeV, tas ir, ja ir enerģijas slieksnis 1 MeV, ievērojama daļa neitroni noteikti nespēs izraisīt reakciju, un nebūs vairošanās. Tas nozīmē, ka šie izotopi ir jāaizmirst un neitroni būs jāpalēninās līdz siltumenerģijai, lai tie pēc iespējas efektīvāk mijiedarbotos ar urāna-235 kodoliem. Tajā pašā laikā nevar pieļaut to rezonanses absorbciju ar urānu-238: galu galā dabiskajā urānā šis izotops ir nedaudz mazāks par 99,3%, un neitroni biežāk saduras ar to, nevis ar mērķa urānu-235. Un, darbojoties kā moderators, ir iespējams uzturēt neitronu pavairošanu nemainīgā līmenī un novērst sprādzienu - kontrolēt ķēdes reakciju.

Aprēķins, ko veica Ya. B. Zeldovich un Yu. B. Hariton tajā pašā liktenīgajā 1939. gadā, parādīja, ka šim nolūkam ir nepieciešams izmantot neitronu moderatoru smagā ūdens vai grafīta veidā un bagātināt dabisko urānu ar urānu. 235 vismaz 1,83 reizes. Tad šī ideja viņiem šķita tīra fantāzija: “Jāatzīmē, ka aptuveni divreiz bagātinot tos diezgan ievērojamos urāna daudzumus, kas nepieciešami ķēdes sprādziena veikšanai,<...>ir ārkārtīgi apgrūtinošs uzdevums, kas ir tuvu praktiskai neiespējamībai. Tagad šī problēma ir atrisināta, un kodolrūpniecība masveidā ražo urānu, kas bagātināts ar urānu-235 līdz 3,5% spēkstacijām.

Kas ir spontāna kodola skaldīšanās? 1940. gadā G. N. Flerovs un K. A. Petržaks atklāja, ka urāna skaldīšanās var notikt spontāni, bez jebkādas ārējas ietekmes, lai gan pussabrukšanas periods ir daudz ilgāks nekā parastajai alfa sabrukšanai. Tā kā šāda skaldīšanās rada arī neitronus, ja tiem neļaus izkļūt no reakcijas zonas, tie kalpos kā ķēdes reakcijas iniciatori. Tieši šī parādība tiek izmantota kodolreaktoru izveidē.

Kāpēc nepieciešama kodolenerģija? Zeldovičs un Haritons bija vieni no pirmajiem, kas aprēķināja kodolenerģijas ekonomisko efektu (Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1940, 23, 4). “...Šobrīd vēl nav iespējams izdarīt galīgos secinājumus par iespējamību vai neiespējamību veikt kodola skaldīšanas reakciju ar bezgalīgi sazarotām ķēdēm urānā. Ja šāda reakcija ir iespējama, reakcijas ātrums tiek automātiski pielāgots, lai nodrošinātu tās vienmērīgu norisi, neskatoties uz milzīgo enerģijas daudzumu, kas ir eksperimentētāja rīcībā. Šis apstāklis ​​ir ārkārtīgi labvēlīgs reakcijas enerģijas izmantošanai. Tāpēc sniegsim dažus skaitļus, kas raksturo urāna enerģijas izmantošanas iespējas, lai gan tas ir nenogalināta lāča ādas dalījums. Ja skaldīšanas process norisinās ar ātriem neitroniem, tāpēc reakcija uztver galveno urāna izotopu (U238), tad<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>kalorijas izmaksas no galvenā urāna izotopa izrādās aptuveni 4000 reižu lētākas nekā no oglēm (ja vien, protams, “sadegšanas” un siltuma atdalīšanas procesi urāna gadījumā neizrādītos daudz dārgāki nekā ogļu gadījumā). Lēnu neitronu gadījumā “urāna” kalorijas izmaksas (pamatojoties uz iepriekš minētajiem skaitļiem) būs, ņemot vērā, ka U235 izotopa daudzums ir 0,007, jau tikai 30 reizes lētāks nekā “ogļu” kalorija, visas pārējās lietas ir vienādas."

Pirmo kontrolēto ķēdes reakciju 1942. gadā veica Enriko Fermi Čikāgas Universitātē, un reaktoru vadīja manuāli – stumjot iekšā un ārā grafīta stieņus, mainoties neitronu plūsmai. Pirmā elektrostacija tika uzcelta Obninskā 1954. gadā. Papildus enerģijas ražošanai pirmie reaktori strādāja arī, lai ražotu ieročiem piemērotu plutoniju.

Kā darbojas atomelektrostacija? Mūsdienās lielākā daļa reaktoru darbojas ar lēniem neitroniem. Bagātināts urāns metāla, sakausējuma, piemēram, alumīnija, vai oksīda veidā tiek ievietots garos cilindros, ko sauc par degvielas elementiem. Tie ir noteiktā veidā uzstādīti reaktorā, un starp tiem tiek ievietoti moderatora stieņi, kas kontrolē ķēdes reakciju. Laika gaitā degvielas elementā uzkrājas reaktora indes - urāna skaldīšanas produkti, kas spēj absorbēt arī neitronus. Kad urāna-235 koncentrācija nokrītas zem kritiskā līmeņa, elements tiek pārtraukts. Tomēr tajā ir daudz skaldīšanas fragmentu ar spēcīgu radioaktivitāti, kas gadu gaitā samazinās, liekot elementiem ilgstoši izdalīt ievērojamu siltuma daudzumu. Tos glabā dzesēšanas baseinos un pēc tam vai nu apglabā, vai mēģina pārstrādāt – iegūt nesadegušu urānu-235, ražo plutoniju (to izmantoja atombumbu izgatavošanai) un citus izotopus, ko var izmantot. Neizmantotā daļa tiek nosūtīta uz apbedījumu vietām.

Tā sauktajos ātrajos reaktoros jeb selekcijas reaktoros ap elementiem ir uzstādīti atstarotāji no urāna-238 vai torija-232. Tie palēninās un nosūta atpakaļ reakcijas zonā neitronus, kas ir pārāk ātri. Neitroni, kas palēnināti līdz rezonanses ātrumam, absorbē šos izotopus, pārvēršoties attiecīgi par plutoniju-239 vai urānu-233, kas var kalpot par kodolspēkstacijas degvielu. Tā kā ātrie neitroni slikti reaģē ar urānu-235, tā koncentrācija ir ievērojami jāpalielina, taču tas atmaksājas ar spēcīgāku neitronu plūsmu. Neskatoties uz to, ka selekcijas reaktori tiek uzskatīti par kodolenerģijas nākotni, jo tie ražo vairāk kodoldegvielas nekā patērē, eksperimenti ir parādījuši, ka tos ir grūti pārvaldīt. Tagad pasaulē ir palicis tikai viens šāds reaktors - Belojarskas AES ceturtajā energoblokā.

Kā tiek kritizēta kodolenerģija? Ja nerunājam par negadījumiem, tad galvenais kodolenerģijas pretinieku argumentos šodien ir priekšlikums tās efektivitātes aprēķinam pievienot vides aizsardzības izmaksas pēc stacijas ekspluatācijas pārtraukšanas un strādājot ar degvielu. Abos gadījumos rodas problēmas ar radioaktīvo atkritumu uzticamu apglabāšanu, un tās ir izmaksas, ko sedz valsts. Pastāv uzskats, ka, pārnesot tos uz enerģijas izmaksām, tā ekonomiskā pievilcība zudīs.

Arī kodolenerģijas atbalstītāju vidū valda pretestība. Tās pārstāvji norāda uz urāna-235 unikalitāti, kam nav aizstājēju, jo alternatīvi izotopi, kas skalda ar termiskiem neitroniem - plutonijs-239 un urāns-233 - to pussabrukšanas perioda dēļ tūkstošiem gadu, dabā nav sastopami. Un tie tiek iegūti tieši urāna-235 skaldīšanas rezultātā. Ja tas beigsies, pazudīs brīnišķīgs dabiskais neitronu avots kodolenerģijas ķēdes reakcijai. Šādas izšķērdības rezultātā cilvēce nākotnē zaudēs iespēju enerģijas ciklā iesaistīt toriju-232, kura rezerves ir vairākas reizes lielākas nekā urānam.

Teorētiski daļiņu paātrinātājus var izmantot, lai radītu ātru neitronu plūsmu ar megaelektronvoltu enerģiju. Tomēr, ja mēs runājam, piemēram, par starpplanētu lidojumiem ar kodoldzinēju, tad shēmas īstenošana ar apjomīgu paātrinātāju būs ļoti sarežģīta. Urāna-235 izsīkšana pieliek punktu šādiem projektiem.

Kas ir ieroču kvalitātes urāns? Tas ir ļoti bagātināts urāns-235. Tā kritiskā masa – tā atbilst vielas gabala izmēram, kurā spontāni notiek ķēdes reakcija – ir pietiekami maza, lai ražotu munīciju. Šādu urānu var izmantot atombumbas izgatavošanai, kā arī kā drošinātāju kodolbumbai.

Kādas katastrofas ir saistītas ar urāna izmantošanu? Enerģija, kas uzkrāta skaldāmo elementu kodolos, ir milzīga. Ja tā kļūst nekontrolējama neuzmanības dēļ vai tīši, šī enerģija var radīt daudz nepatikšanas. Divas smagākās kodolkatastrofas notika 1945. gada 6. un 8. augustā, kad ASV gaisa spēki nometa atombumbas uz Hirosimu un Nagasaki, nogalinot un ievainojot simtiem tūkstošu civiliedzīvotāju. Mazāka mēroga katastrofas ir saistītas ar avārijām atomelektrostacijās un kodolcikla uzņēmumos. Pirmā lielā avārija notika 1949. gadā PSRS Mayak rūpnīcā netālu no Čeļabinskas, kur tika ražots plutonijs; Šķidrie radioaktīvie atkritumi nonāca Techas upē. 1957. gada septembrī uz tā notika sprādziens, izdalot lielu daudzumu radioaktīvo materiālu. Pēc vienpadsmit dienām nodega Lielbritānijas plutonija ražošanas reaktors Windscale, un mākonis ar sprādziena produktiem izkliedējās pār Rietumeiropu. 1979. gadā Pensilvānijas štatā Three Mail Island atomelektrostacijā nodega reaktors. Visizplatītākās sekas izraisīja avārijas Černobiļas atomelektrostacijā (1986) un Fukušimas atomelektrostacijā (2011), kad miljoniem cilvēku tika pakļauti radiācijas iedarbībai. Pirmās tika piegružotas plašas teritorijas, sprādziena rezultātā izdalot 8 tonnas urāna degvielas un sabrukšanas produktu, kas izplatījās visā Eiropā. Otrais piesārņots un trīs gadus pēc avārijas turpina piesārņot Kluso okeānu zvejas apgabalos. Šo negadījumu seku likvidēšana izmaksāja ļoti dārgi, un, ja šīs izmaksas sadalītu elektroenerģijas izmaksās, tās ievērojami pieaugtu.

Atsevišķs jautājums ir par ietekmi uz cilvēka veselību. Saskaņā ar oficiālo statistiku, daudzi cilvēki, kuri izdzīvoja bombardēšanas laikā vai dzīvoja piesārņotās teritorijās, guva labumu no radiācijas – pirmajiem ir lielāks paredzamais dzīves ilgums, otrajiem ir mazāk vēža, un eksperti zināmu mirstības pieaugumu saista ar sociālo stresu. To cilvēku skaits, kuri gāja bojā tieši no negadījumu sekām vai to likvidācijas rezultātā, sasniedz simtiem cilvēku. Atomelektrostaciju pretinieki norāda, ka avārijas Eiropas kontinentā izraisījušas vairākus miljonus priekšlaicīgas nāves, taču statistikas kontekstā tās ir vienkārši neredzamas.

Zemju izņemšana no cilvēku izmantošanas avāriju zonās noved pie interesanta rezultāta: tās kļūst par sava veida dabas rezervātiem, kur aug bioloģiskā daudzveidība. Tiesa, daži dzīvnieki cieš no slimībām, kas saistītas ar radiāciju. Jautājums par to, cik ātri viņi pielāgosies paaugstinātajam fonam, paliek atklāts. Pastāv arī uzskats, ka hroniskas apstarošanas sekas ir “izlase par muļķiem” (sk. “Ķīmija un dzīve”, 2010, Nr. 5): pat embrionālajā stadijā izdzīvo primitīvāki organismi. Jo īpaši attiecībā uz cilvēkiem tam vajadzētu izraisīt garīgo spēju samazināšanos paaudzē, kas dzimuši piesārņotās vietās neilgi pēc negadījuma.

Kas ir noplicināts urāns? Tas ir urāns-238, kas paliek pēc urāna-235 atdalīšanas no tā. Ieroču kvalitātes urāna un degvielas elementu ražošanas atkritumu apjomi ir lieli - ASV vien ir uzkrājušies 600 tūkstoši tonnu šāda urāna heksafluorīda (par problēmām ar to sk. Chemistry and Life, 2008, Nr. 5) . Urāna-235 saturs tajā ir 0,2%. Šie atkritumi vai nu jāglabā līdz labākiem laikiem, kad tiks izveidoti ātro neitronu reaktori un urānu-238 varēs pārstrādāt plutonijā, vai arī kaut kā jāizmanto.

Viņi atrada tam pielietojumu. Urāns, tāpat kā citi pārejas elementi, tiek izmantots kā katalizators. Piemēram, raksta autori iekš ACS Nano 2014. gada 30. jūnijā viņi raksta, ka katalizatoram, kas izgatavots no urāna vai torija ar grafēnu skābekļa un ūdeņraža peroksīda reducēšanai, “ir milzīgs potenciāls izmantošanai enerģētikas nozarē”. Tā kā urānam ir augsts blīvums, tas kalpo kā balasts kuģiem un pretsvars lidmašīnām. Šis metāls ir piemērots arī aizsardzībai pret radiāciju medicīnas ierīcēs ar starojuma avotiem.

Kādus ieročus var izgatavot no noplicināta urāna? Lodes un serdeņi bruņu caurduršanas lādiņiem. Šeit aprēķins ir šāds. Jo smagāks šāviņš, jo lielāka tā kinētiskā enerģija. Bet jo lielāks ir šāviņš, jo mazāk koncentrēts tā trieciens. Tas nozīmē, ka ir nepieciešami smagie metāli ar augstu blīvumu. Lodes ir izgatavotas no svina (Urālu mednieki savulaik izmantoja arī vietējo platīnu, līdz saprata, ka tas ir dārgmetāls), savukārt čaumalas serdeņi ir no volframa sakausējuma. Vides speciālisti norāda, ka svins piesārņo augsni militāro operāciju vai medību vietās un to labāk būtu aizstāt ar ko mazāk kaitīgu, piemēram, volframu. Bet volframs nav lēts, un urāns, kura blīvums ir līdzīgs, ir kaitīgi atkritumi. Tajā pašā laikā pieļaujamais augsnes un ūdens piesārņojums ar urānu ir aptuveni divas reizes lielāks nekā svinam. Tas notiek tāpēc, ka vājā noplicinātā urāna radioaktivitāte (un tā ir arī par 40% mazāka nekā dabiskā urāna) tiek ignorēta un tiek ņemts vērā patiesi bīstams ķīmiskais faktors: urāns, kā mēs atceramies, ir indīgs. Tajā pašā laikā tā blīvums ir 1,7 reizes lielāks nekā svina blīvums, kas nozīmē, ka urāna ložu izmēru var samazināt uz pusi; Urāns ir daudz ugunsizturīgāks un cietāks par svinu – šaujot tas iztvaiko mazāk, un, sasniedzot mērķi, tas rada mazāk mikrodaļiņu. Kopumā urāna lode ir mazāk piesārņojoša nekā svina lode, lai gan šāda urāna izmantošana nav noteikti zināma.

Bet ir zināms, ka amerikāņu tanku bruņu stiprināšanai tiek izmantotas plāksnes, kas izgatavotas no noplicināta urāna (to veicina to augstais blīvums un kušanas temperatūra), kā arī bruņu caurduršanas šāviņu serdeņos volframa sakausējuma vietā. Urāna kodols ir labs arī tāpēc, ka urāns ir pirofors: tā karstās mazās daļiņas, kas veidojas triecienā ar bruņām, uzliesmo un aizdedzina visu apkārtējo. Abi lietojumi tiek uzskatīti par radiācijas drošumu. Tādējādi aprēķins parādīja, ka arī pēc gada sēdēšanas tankā ar urāna bruņām, kas piekrauts ar urāna munīciju, ekipāža saņemtu tikai ceturto daļu no pieļaujamās devas. Un, lai iegūtu gada pieļaujamo devu, jums ir jāpieskrūvē šāda munīcija uz ādas virsmas 250 stundas.

Amerikāņi pēdējos karos, sākot ar 1991. gada Irākas kampaņu, ir izmantojuši šāviņus ar urāna serdeņiem – 30 mm lidmašīnu lielgabaliem vai artilērijas apakškalibriem. Togad viņi lija uz Irākas bruņotajām vienībām Kuveitā un to atkāpšanās laikā 300 tonnas noplicinātā urāna, no kurām 250 tonnas jeb 780 tūkstoši patronu tika izšautas pa lidmašīnu lielgabaliem. Bosnijā un Hercegovinā neatzītās Serbu Republikas armijas bombardēšanas laikā tika iztērētas 2,75 tonnas urāna, bet Dienvidslāvijas armijas apšaudes laikā Kosovas un Metohijas reģionā - 8,5 tonnas jeb 31 tūkstotis patronu. Tā kā PVO līdz tam laikam bija nobažījies par urāna izmantošanas sekām, tika veikta uzraudzība. Viņš parādīja, ka viena salva sastāvēja no aptuveni 300 patronām, no kurām 80% saturēja noplicinātu urānu. 10% trāpīja mērķos, un 82% nokrita 100 metru attālumā no tiem. Pārējie izklīda 1,85 km robežās. Šāviņš, kas trāpīja tankam, sadega un pārvērtās par aerosolu; urāna čaula izurbās cauri viegliem mērķiem, piemēram, bruņutransportieriem. Tādējādi Irākā par urāna putekļiem varētu pārvērsties ne vairāk kā pusotra tonna čaulu. Pēc amerikāņu stratēģisko pētījumu centra RAND Corporation ekspertu domām, vairāk, no 10 līdz 35% no izmantotā urāna pārvērtās aerosolā. Horvātijas preturāna munīcijas aktīvists Asafs Durakovičs, kurš ir strādājis dažādās organizācijās no Rijādas Karaļa Faisala slimnīcas līdz Vašingtonas Urāna medicīnas pētījumu centram, lēš, ka 1991. gadā Irākas dienvidos vien veidojās 3-6 tonnas submikronu urāna daļiņu, kas bija izkaisīti plašā teritorijā, tas ir, urāna piesārņojums tur ir salīdzināms ar Černobiļu.

Urāns nav ļoti tipisks aktinīds, ir zināmi pieci tā valences stāvokļi - no 2+ līdz 6+. Dažiem urāna savienojumiem ir raksturīga krāsa. Tādējādi trīsvērtīgā urāna šķīdumi ir sarkani, četrvērtīgais urāns ir zaļš, un sešvērtīgais urāns - tas eksistē uraniljona (UO 2) 2+ formā - iekrāso šķīdumus dzeltenā krāsā... Tas, ka sešvērtīgais urāns veido savienojumus ar daudzām organiskām vielām. kompleksveidotāji, izrādījās ļoti svarīgi elementa Nr.92 ekstrakcijas tehnoloģijai.

Raksturīgi, ka urāna jonu ārējais elektronu apvalks vienmēr ir pilnībā piepildīts; Valences elektroni atrodas iepriekšējā elektronu slānī, 5f apakščaulā. Ja salīdzinām urānu ar citiem elementiem, ir acīmredzams, ka plutonijs tam ir vislīdzīgākais. Galvenā atšķirība starp tām ir lielais urāna jonu rādiuss. Turklāt plutonijs ir visstabilākais četrvērtīgajā stāvoklī, un urāns ir visstabilākais sešvērtīgajā stāvoklī. Tas palīdz tos atdalīt, kas ir ļoti svarīgi: kodoldegvielu plutonijs-239 iegūst tikai no urāna, balasts no urāna-238 enerģijas viedokļa. Plutonijs veidojas urāna masā, un tie ir jāatdala!

Tomēr vispirms ir jāiegūst šī urāna masa, kas iet cauri garai tehnoloģiskai ķēdei, sākot ar rūdu. Parasti daudzkomponentu rūda ar urānu nabadzību.

Smagā elementa vieglais izotops

Kad mēs runājām par elementa Nr.92 iegūšanu, mēs apzināti izlaidām vienu svarīgu posmu. Kā zināms, ne viss urāns spēj atbalstīt kodolķēdes reakciju. Urāns-238, kas veido 99,28% no dabiskā izotopu maisījuma, to nespēj. Šī iemesla dēļ urāns-238 tiek pārveidots par plutoniju, un urāna izotopu dabisko maisījumu cenšas vai nu atdalīt, vai bagātināt ar urāna-235 izotopu, kas spēj skaldīt termiskos neitronus.

Urāna-235 un urāna-238 atdalīšanai ir izstrādātas daudzas metodes. Visbiežāk tiek izmantota gāzes difūzijas metode. Tās būtība ir tāda, ka, ja caur porainu starpsienu izlaiž divu gāzu maisījumu, tad gaisma izies ātrāk. Vēl 1913. gadā F. Astons šādā veidā daļēji atdalīja neona izotopus.

Lielākā daļa urāna savienojumu normālos apstākļos ir cietas vielas un var pārvērsties gāzveida stāvoklī tikai ļoti augstā temperatūrā, kad nevar būt ne runas par kaut kādiem smalkiem izotopu atdalīšanas procesiem. Tomēr bezkrāsains urāna savienojums ar fluoru, UF 6 heksafluorīds, sublimējas jau 56,5 ° C temperatūrā (atmosfēras spiedienā). UF 6 ir visgaistošākais urāna savienojums, un tas ir vislabāk piemērots izotopu atdalīšanai ar gāzveida difūziju.

Urāna heksafluorīdam raksturīga augsta ķīmiskā aktivitāte. Cauruļu, sūkņu, konteineru korozija, mijiedarbība ar mehānismu eļļošanu - neliels, bet iespaidīgs saraksts ar nepatikšanām, kuras bija jāpārvar difūzijas iekārtu radītājiem. Mēs saskārāmies ar vēl nopietnākām grūtībām.

Urāna heksafluorīdu, ko iegūst, fluorējot dabisku urāna izotopu maisījumu, no “difūzijas” viedokļa var uzskatīt par divu gāzu maisījumu ar ļoti līdzīgām molekulmasām - 349 (235 + 19 * 6) un 352 (238). + 19 * 6). Maksimālais teorētiskais atdalīšanas koeficients vienā difūzijas posmā gāzēm, kuru molekulmasa atšķiras tik nedaudz, ir tikai 1,0043. Reālos apstākļos šī vērtība ir vēl mazāka. Izrādās, ka urāna-235 koncentrāciju no 0,72 līdz 99% iespējams palielināt tikai ar vairāku tūkstošu difūzijas pakāpju palīdzību. Tāpēc urāna izotopu atdalīšanas rūpnīcas aizņem vairākus desmitus hektāru lielu platību. Porainu starpsienu laukums rūpnīcu atdalīšanas kaskādēs ir aptuveni vienāds.

Īsumā par citiem urāna izotopiem

Dabiskais urāns papildus urānam-235 un urānam-238 ietver urānu-234. Šī retā izotopa pārpilnība tiek izteikta kā skaitlis ar četrām nullēm aiz komata. Daudz pieejamāks mākslīgais izotops ir urāns-233. To iegūst, apstarojot toriju kodolreaktora neitronu plūsmā:

232 90 Th + 10n → 233 90 Th -β-→ 233 91 Pa -β-→ 233 92 U
Saskaņā ar visiem kodolfizikas noteikumiem urāns-233 kā nepāra izotops tiek dalīts ar termiskajiem neitroniem. Un pats galvenais, reaktoros ar urānu-233 var notikt (un notiek) paplašināta kodoldegvielas pavairošana. Parastā termiskā neitronu reaktorā! Aprēķini liecina, ka, torija reaktorā sadedzinot kilogramam urāna-233, tajā vajadzētu uzkrāties 1,1 kg jauna urāna-233. Brīnums, un tas arī viss! Degām kilogramu degvielas, bet degvielas daudzums nesamazinājās.

Taču šādi brīnumi ir iespējami tikai ar kodoldegvielu.

Urāna-torija cikls termiskajos neitronu reaktoros ir galvenais urāna-plutonija cikla konkurents kodoldegvielas reproducēšanai ātro neitronu reaktoros... Faktiski tikai tāpēc elements Nr.90 - torijs - tika klasificēts kā stratēģiskais materiāls.

Citiem mākslīgajiem urāna izotopiem nav nozīmīgas lomas. Ir tikai vērts pieminēt urānu-239 - pirmo izotopu urāna-238 plutonija-239 transformāciju ķēdē. Tā pussabrukšanas periods ir tikai 23 minūtes.

Urāna izotopiem, kuru masas skaitlis ir lielāks par 240, mūsdienu reaktoros nav laika veidoties. Urāna-240 kalpošanas laiks ir pārāk īss, un tas sadalās, pirms tam ir laiks notvert neitronu.

Kodoltermiskā sprādziena superjaudīgajās neitronu plūsmās urāna kodolam sekundes miljondaļās izdodas notvert līdz pat 19 neitronu. Šajā gadījumā dzimst urāna izotopi ar masas skaitļiem no 239 līdz 257. Par to esamību tika uzzināts, parādoties tālu transurāna elementiem - urāna smago izotopu pēcnācējiem - kodoltermiskā sprādziena produktos. Paši “ģints dibinātāji” ir pārāk nestabili, lai beta sabruktu un nonāktu augstākos elementos ilgi pirms kodolreakciju produkti tiek iegūti no sprādzienā sajauktajiem iežiem.

Mūsdienu termoreaktori sadedzina urānu-235. Jau esošajos ātro neitronu reaktoros tiek atbrīvota kopējā izotopa urāna-238 kodolu enerģija, un, ja enerģija ir patiesa bagātība, tad urāna kodoli tuvākajā nākotnē dos labumu cilvēcei: elementa Nr. 92 enerģija kļūt par mūsu eksistences pamatu.

Ir ļoti svarīgi nodrošināt, lai urāns un tā atvasinājumi degtu tikai mierīgo spēkstaciju kodolreaktoros, degtu lēni, bez dūmiem un liesmas.

Cits URĀNA AVOTS. Mūsdienās tas ir kļuvis par jūras ūdeni. Jau darbojas izmēģinājuma rūpnieciskās iekārtas urāna ekstrakcijai no ūdens, izmantojot īpašus sorbentus: titāna oksīdu vai akrila šķiedru, kas apstrādāts ar noteiktiem reaģentiem.

KURŠ CIK DAUDZ. 80. gadu sākumā urāna ražošana kapitālistiskajās valstīs bija aptuveni 50 000 g gadā (izsakot U3O). Apmēram trešo daļu no šīs summas nodrošināja ASV rūpniecība. Otrajā vietā ir Kanāda, kam seko Dienvidāfrika. Nigora, Gabona, Namībija. No Eiropas valstīm visvairāk urānu un tā savienojumus ražo Francija, taču tās īpatsvars bija gandrīz septiņas reizes mazāks nekā ASV.

NETRADICIONĀLIE SAVIENOJUMI. Lai gan nav bez pamata, ka urāna un plutonija ķīmija ir labāk pētīta nekā tradicionālo elementu, piemēram, dzelzs, ķīmija, ķīmiķi joprojām atklāj jaunus urāna savienojumus. Tātad 1977. gadā žurnāls “Radioķīmija”, XIX sēj., Nr. 6 ziņoja par diviem jauniem uranila savienojumiem. To sastāvs ir MU02(S04)2-SH20, kur M ir divvērtīgs mangāna vai kobalta jons. Rentgenstaru difrakcijas modeļi liecināja, ka jaunie savienojumi bija dubultsāļi, nevis divu līdzīgu sāļu maisījums.

Kodoltehnoloģijas lielā mērā balstās uz radioķīmijas metožu izmantošanu, kas savukārt balstās uz radioaktīvo elementu kodolfizikālajām, fizikālajām, ķīmiskajām un toksiskajām īpašībām.

Šajā nodaļā mēs aprobežosimies ar īsu galveno skaldāmo izotopu - urāna un plutonija - īpašību aprakstu.

Urāns

Urāns ( urāns) U - aktinīdu grupas elements, periodiskās sistēmas 7-0 periods, Z=92, atommasa 238,029; smagākais dabā sastopamais.

Ir zināmi 25 urāna izotopi, un tie visi ir radioaktīvi. Visvieglākais 217U (Tj/ 2 =26 ms), smagākais 2 4 2 U (7 T J / 2 =i6,8 min). Ir 6 kodolizomēri. Dabiskais urāns satur trīs radioaktīvos izotopus: 2 8 un (99, 2 739%, Ti/ 2 = 4,47109 l), 2 35 U (0,7205%, G, / 2 = 7,04-109 gadi) un 2 34 U ( 0,0056% Ti/ 2=2,48-juz l). Dabiskā urāna īpatnējā radioaktivitāte ir 2,48104 Bq, dalīta gandrīz uz pusi no 2 34 U un 288 U; 2 35U dod nelielu ieguldījumu (2 zi izotopa īpatnējā aktivitāte dabiskajā urānā ir 21 reizi mazāka nekā 2 3 8 U aktivitāte). Termiskās neitronu uztveršanas šķērsgriezumi ir attiecīgi 46, 98 un 2,7 barn uz 2 zzi, 2 35U un 2 3 8 U; nodalījuma iecirknis 527 un 584 šķūnis attiecīgi 2 zzi un 2 z 8 un; dabisks izotopu maisījums (0,7% 235U) 4,2 kūts.

Tabula 1. Kodolfizikālās īpašības 2 h9 Ri un 2 35Ts.

Tabula 2. Neitronu uztveršana 2 35Ts un 2 z 8 C.

Seši urāna izotopi spēj spontāni skaldīties: 282 U, 2 zzi, 234 U, 235 U, 2 z 6 i un 2 z 8 i. Dabiskie izotopi 2 33 un 2 35 U skaldās gan termisku, gan ātro neitronu ietekmē, un 2 3 8 kodoli ir spējīgi dalīties tikai tad, ja tie uztver neitronus ar enerģiju, kas lielāka par 1,1 MeV. Uztverot neitronus ar mazāku enerģiju, 288 U kodoli vispirms pārvēršas par 2 -i9U kodoliem, kas pēc tam tiek pakļauti p-sabrukšanai un vispirms pārveidojas par 2 -"*9Np un pēc tam par 2 39Pu. Efektīvie šķērsgriezumi termiskā uztveršanai. neitroni ar 2 34 U, 2 kodoli 35 U un 2 3 8 un ir attiecīgi vienādi ar 98, 683 un 2,7 barn. Pilnīga 2 35 U skaldīšana rada “siltuma enerģijas ekvivalentu” 2–107 kWh/kg. Izotopi 2 35 U un 2 zzi izmanto kā kodoldegvielu, kas spēj atbalstīt skaldīšanas ķēdes reakciju.

Kodolreaktori ražo n mākslīgos urāna izotopus ar masas skaitļiem 227-^240, no kuriem visilgākais ir 233 U (7 V 2 =i.62 *io 5 gadi); to iegūst ar torija neitronu apstarošanu. Kodoltermiskā sprādziena superjaudīgās neitronu plūsmās dzimst urāna izotopi ar masas skaitļiem 239^257.

Urāns-232- tehnogēns nuklīds, a-emiters, T x / 2=68,9 gadi, mātes izotopi 2 h 6 Pu(a), 23 2 Np(p*) un 23 2 Ra(p), meitas nuklīds 228 Th. Spontānas skaldīšanas intensitāte ir 0,47 divīzijas/s kg.

Urāns-232 veidojas šādu sabrukšanas rezultātā:

Nuklīda *3 a Np P + -sabrukšana (Ti/2 =14,7 min):

Kodolrūpniecībā 2 3 2 U rodas kā blakusprodukts skaldāmā (ieroča kvalitātes) nuklīda 2 zi sintēzes laikā torija degvielas ciklā. Kad 2 3 2 Th tiek apstarota ar neitroniem, notiek galvenā reakcija:

un divpakāpju blakusreakcija:

232 U ražošana no torija notiek tikai ar ātriem neitroniem (E">6 MeV). Ja izejviela satur 2 3°TH, tad 2 3 2 U veidošanos papildina reakcija: 2 3°TH + u-> 2 3'TH. Šī reakcija notiek, izmantojot termiskos neitronus. 2 3 2 U ģenerēšana nav vēlama vairāku iemeslu dēļ. To nomāc, izmantojot toriju ar minimālo koncentrāciju 2 3°TH.

2 × 2 sabrukšana notiek šādos virzienos:

Samazinājums 228 Th (varbūtība 10%, sabrukšanas enerģija 5,414 MeV):

emitēto alfa daļiņu enerģija ir 5,263 MeV (31,6% gadījumu) un 5,320 MeV (68,2% gadījumu).

• - spontāna skaldīšanās (varbūtība mazāka par ~ 12%);
• - klasteru sabrukšana, veidojoties 28 Mg nuklīdam (sabrukšanas varbūtība mazāka par 5*10" 12%):

Klasteru sabrukšana, veidojoties 2. nuklīdam

Urāns-232 ir garas sabrukšanas ķēdes dibinātājs, kas ietver nuklīdus - cieto y-kvantu emitētājus:

^U-(3,64 dienas, a,y)-> 220 Rn-> (55,6 s, a)-> 21b Po-> (0,155 s, a)-> 212 Pb-> (10,64 stundas , p, y) - > 212 Bi —> (60,6 m, p, y) -> 212 po a, y) -> 208 x 1, 212 po -> (3 Yu' 7 s, a) -> 2o8 Pb (stab), 2o8 T1- >(3,06 m, p, y-> 2o8 Pb.

2 3 2 U uzkrāšanās ir neizbēgama 2 zi veidošanās laikā torija enerģijas ciklā. Intensīvs y starojums, kas rodas no 2 3 2 U sabrukšanas, kavē torija enerģijas attīstību. Neparasti ir tas, ka vienmērīgajam izotopam 2 3 2 11 ir augsts skaldīšanas šķērsgriezums neitronu ietekmē (75 barni termiskajiem neitroniem), kā arī augsts neitronu uztveršanas šķērsgriezums - 73 barni. 2 3 2 U izmanto radioaktīvā marķiera metodē ķīmiskajos pētījumos.

2 h 2 un ir garas sabrukšanas ķēdes dibinātājs (saskaņā ar 2 h 2 T shēmu), kas ietver cieto y-kvantu nuklīdu emitētājus. 2 3 2 U uzkrāšanās ir neizbēgama 2 zi veidošanās laikā torija enerģijas ciklā. Intensīvs y starojums, kas rodas no 232 U sabrukšanas, kavē torija enerģijas attīstību. Neparasti ir tas, ka vienmērīgajam izotopam 2 3 2 U ir augsts skaldīšanas šķērsgriezums neitronu ietekmē (75 barni termiskajiem neitroniem), kā arī augsts neitronu uztveršanas šķērsgriezums - 73 barni. 2 3 2 U bieži izmanto radioaktīvā marķiera metodē ķīmiskajos un fizikālajos pētījumos.

Urāns-233- cilvēka radīts radionuklīds, a-emiters (enerģija 4,824 (82,7%) un 4,783 MeV (14,9%)), Tvi= 1,585105 gadi, vecāku nuklīdi 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +)-> 2 ззРа(р), meitas nuklīds 22 9Th. Kodolreaktoros no torija iegūst 2 zzi: 2 z 2 Th uztver neitronu un pārvēršas par 2 zzT, kas sadalās par 2 zzRa un pēc tam par 2 zzi. 2 zi (nepāra izotopu) kodoli spēj gan spontāni, gan skaldīties jebkuras enerģijas neitronu ietekmē, kas padara to piemērotu gan atomieroču, gan reaktoru degvielas ražošanai. Efektīvais skaldīšanas šķērsgriezums ir 533 barni, uztveršanas šķērsgriezums ir 52 barni, neitronu iznākums: uz vienu skaldīšanas notikumu - 2,54, uz absorbēto neitronu - 2,31. 2 zzi kritiskā masa ir trīs reizes mazāka par 2 35 U (-16 kg) kritisko masu. Spontānas skaldīšanas intensitāte ir 720 divīzijas/s kg.

Urāns-233 veidojas šādu sabrukšanas rezultātā:

- (3 + -nuklīda 2 sabrukšana 33Np (7^=36,2 min):

Rūpnieciskā mērogā 2 zi iegūst no 2 32 Th, apstarojot ar neitroniem:

Kad neitrons tiek absorbēts, 2 zzi kodols parasti sadalās, bet laiku pa laikam uztver neitronu, pārvēršoties par 2 34U. Lai gan 2 zzi parasti sadalās pēc neitrona absorbcijas, dažkārt tas saglabā neitronu, pārvēršoties par 2 34U. 2 ziru ražošana tiek veikta gan ātrajos, gan termiskajos reaktoros.

No ieroču viedokļa 2 ZZI ir salīdzināmi ar 2 39Pu: tā radioaktivitāte ir 1/7 no 2 39Pu aktivitātes. (Ti/ 2 = 159 200 litri pret 24 100 litriem Pu), kritiskā masa 2 zi ir par 60% lielāka nekā ^Pu (16 kg pret 10 kg), un spontānās dalīšanās ātrums ir 20 reizes lielāks (bth - ' pret 310 10). Neitronu plūsma no 2 zzi ir trīs reizes lielāka nekā 2 39Pi. Kodollādiņa izveidošana, pamatojoties uz 2 zi, prasa vairāk pūļu nekā uz ^Pi. Galvenais šķērslis ir 232 U piemaisījumu klātbūtne 2ZZI, kura sabrukšanas projektu y-starojums apgrūtina darbu ar 2ZZI un atvieglo gatavo ieroču noteikšanu. Turklāt īsais 2 3 2 U pussabrukšanas periods padara to par aktīvu alfa daļiņu avotu. 2 zi ar 1% 232, un tam ir trīs reizes spēcīgāka a-aktivitāte nekā ieroču kvalitātes plutonijs un attiecīgi lielāka radiotoksicitāte. Šī a-aktivitāte izraisa neitronu veidošanos ieroča lādiņa gaismas elementos. Lai samazinātu šo problēmu, tādu elementu kā Be, B, F, Li klātbūtnei jābūt minimālai. Neitronu fona klātbūtne neietekmē sprādzienbīstamo sistēmu darbību, taču lielgabalu ķēdēm ir nepieciešama augsta vieglo elementu tīrības pakāpe.23 2 U saturs 2. pakāpes ieročos zis nedrīkst pārsniegt 5 daļas uz miljonu (0,0005%). ) Termoreaktoru kurināmā 2 3G klātbūtne nav kaitīga un pat vēlama, jo samazina iespēju izmantot urānu ieroču vajadzībām.Pēc izlietotās kodoldegvielas pārstrādes un degvielas atkārtotas izmantošanas 232U saturs sasniedz aptuveni 1+ 0,2%.

2 zi samazināšanās notiek šādos virzienos:

Samazinājums 22 9. daļā (varbūtība 10%, sabrukšanas enerģija 4,909 MeV):

emitēto jara daļiņu enerģija ir 4,729 MeV (1,61% gadījumu), 4,784 MeV (13,2% gadījumu) un 4,824 MeV (84,4% gadījumu).

• - spontāna sadalīšanās (varbūtība
• - klasteru sabrukšana, veidojoties 28 Mg nuklīdam (sabrukšanas varbūtība mazāka par 1,3*10_13%):

Kopu sabrukšana, veidojoties nuklīdam 24 Ne (sabrukšanas varbūtība 7,3-10-“%):

2 zzi sabrukšanas ķēde pieder neptūnija sērijai.

2 zi īpatnējā radioaktivitāte ir 3,57-8 Bq/g, kas atbilst -15% plutonija a-aktivitātei (un radiotoksicitātei). Tikai 1% 2 3 2 U palielina radioaktivitāti līdz 212 mCi/g.

Urāns-234(Urāns II, UII) Daļa no dabiskā urāna (0,0055%), 2,445105 gadi, a-izstarotājs (a-daļiņu enerģija 4,777 (72%) un

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

meitas izotops 2 z” th.

Parasti 234 U ir līdzsvarā ar 2 h 8 u, sadaloties un veidojoties tādā pašā ātrumā. Apmēram pusi no dabiskā urāna radioaktivitātes veido 234 U. Parasti 234U iegūst, izmantojot jonu apmaiņas hromatogrāfiju veciem tīra 2 × 8 Pu preparātiem. A-sabrukšanas laikā *zRi iegūst 2 34 U, tāpēc veci preparāti ar 2 h 8 Ru ir labi 2 34 U avoti. yuo g 238Pi satur pēc gada 776 mg 2 34U, pēc 3 gadiem

2,2 g 2 34 U. 2 34 U koncentrācija augsti bagātinātā urānā ir diezgan augsta, jo tā tiek bagātināta ar viegliem izotopiem. Tā kā 2 34u ir spēcīgs y izstarotājs, pastāv ierobežojumi tā koncentrācijai urānā, kas paredzēts pārstrādei degvielā. Paaugstināts 234i līmenis ir pieņemams reaktoriem, bet pārstrādātā lietotā degviela jau satur nepieņemamu šī izotopa līmeni.

234i samazināšanās notiek šādos virzienos:

A-sabrukšana pie 2 3°Т (varbūtība 100%, sabrukšanas enerģija 4,857 MeV):

emitēto alfa daļiņu enerģija ir 4,722 MeV (28,4% gadījumu) un 4,775 MeV (71,4% gadījumu).

• - spontāna sadalīšanās (varbūtība 1,73-10-9%).
• - klasteru sabrukšana, veidojoties nuklīdam 28 Mg (sabrukšanas varbūtība 1,4-10%, pēc citiem datiem 3,9-10%):

• - klasteru sabrukšana ar nuklīdu 2 4Ne un 26 Ne veidošanos (sabrukšanas varbūtība 9-10", 2%, pēc citiem datiem 2,3-10_11%):

Vienīgais zināmais izomērs ir 2 34ti (Tx/2 = 33,5 μs).

2 34U termisko neitronu absorbcijas šķērsgriezums ir 100 barns, un rezonanses integrāļa vidējais rādītājs dažādos starpneitronos ir 700 barns. Tāpēc termiskajos neitronu reaktoros tas tiek pārveidots par skaldāmo 235U ātrāk nekā daudz lielāks daudzums 238U (ar šķērsgriezumu 2,7 barns) tiek pārveidots par 239Ru. Rezultātā lietotā degviela satur mazāk 2 34 U nekā svaiga degviela.

Urāns-235 pieder pie 4P+3 saimes, kas spēj izraisīt skaldīšanas ķēdes reakciju. Šis ir pirmais izotops, kurā tika atklāta piespiedu kodola dalīšanās reakcija neitronu ietekmē. Absorbējot neitronu, 235U kļūst par 2 zbi, kas tiek sadalīts divās daļās, atbrīvojot enerģiju un izstarot vairākus neitronus. Izotops 2 35U, kas skaldās ar jebkuras enerģijas neitroniem un spēj spontāni skaldīties, ir daļa no dabiskā ufāna (0,72%), a-emiters (enerģijas 4,397 (57%) un 4,367 (18%) MeV), Ti/j=7,038-8 gadi, mātes nuklīdi 2 35Pa, 2 35Np un 2 39Pu, meita - 23Th. Spontānas skaldīšanas ātrums 2 3su 0,16 skaldīšanās/s kg. Kad notiek viena 2 35U kodola skaldīšanās, atbrīvojas 200 MeV enerģijas = 3,210 p J, t.i. 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Termisko neitronu skaldīšanas šķērsgriezums ir 545 barni, bet ātrajiem neitroniem - 1,22 barni, neitronu iznākums: uz skaldīšanas aktu - 2,5, uz absorbēto neitronu - 2,08.

komentēt. Šķērsgriezums lēnai neitronu uztveršanai, lai iegūtu izotopu 2 ​​sii (oo barn), lai kopējais lēnās neitronu absorbcijas šķērsgriezums būtu 645 barn.

• - spontāna skaldīšanās (varbūtība 7*10~9%);
• - klasteru sabrukšana, veidojoties nuklīdiem 2 °Ne, 2 5Ne un 28 Mg (varbūtības attiecīgi ir 8-io_10%, 8-kg 10%, 8*10",0%):

Rīsi. 1.

Vienīgais zināmais izomērs ir 2 35n»u (7/2 = 2b min).

Īpatnējā aktivitāte 2 35C 7,77-4 Bq/g. Ieroču kvalitātes urāna (93,5% 2 35U) kritiskā masa lodei ar atstarotāju ir 15-7-23 kg.

Skaldīšana 2 » 5U tiek izmantota atomieročos, enerģijas ražošanai un svarīgu aktinīdu sintēzei. Ķēdes reakciju uztur neitronu pārpalikums, kas rodas 2 35C skaldīšanas laikā.

Urāns-236 dabā atrodams uz Zemes nelielos daudzumos (uz Mēness tā ir vairāk), a-emitter (?

Rīsi. 2. Radioaktīvā saime 4/7+2 (tai skaitā -з 8 и).

Atomu reaktorā 2 sz absorbē termisko neitronu, pēc kā tas sadalās ar 82% varbūtību un ar 18% varbūtību izstaro y-kvantu un pārvēršas par 2 sb un (100 sašķeltiem kodoliem tur 2 35U ir 22 izveidoti kodoli 2 3 6 U) . Nelielos daudzumos tas ir daļa no svaigas degvielas; uzkrājas, kad urānu reaktorā apstaro ar neitroniem, un tāpēc to izmanto kā izlietotās kodoldegvielas “signalizēšanas ierīci”. 2 hb un veidojas kā blakusprodukts izotopu atdalīšanas laikā ar gāzes difūziju izmantotās kodoldegvielas reģenerācijas laikā. 236 U ir neitronu inde, kas veidojas jaudas reaktorā; tā klātbūtni kodoldegvielā kompensē augsts bagātināšanas līmenis 2 35 U.

2 z b un tiek izmantots kā okeāna ūdeņu sajaukšanās marķieris.

Urāns-237,T&= 6,75 dienas, beta un gamma izstarotāju, var iegūt no kodolreakcijām:

Atklāšana 287 un veikta pa līnijām ar Ey= o,ob MeV (36%), 0,114 MeV (0,06%), 0,165 MeV (2,0%), 0,208 MeV (23%)

237U izmanto radiotracer metodē ķīmiskajos pētījumos. Koncentrācijas (2–4°Am) mērīšana atomieroču testu nokrišņos sniedz vērtīgu informāciju par lādiņa veidu un izmantoto aprīkojumu.

Urāns-238- pieder 4P+2 saimei, ir skaldāms ar augstas enerģijas neitroniem (vairāk nekā 1,1 MeV), spējīgs spontāni skaldīties, veido dabīgā urāna (99,27%), a-emitera, 7’ pamatu; /2=4>468-109 gadi, tieši sadalās par 2 34Th, veido vairākus ģenētiski radniecīgus radionuklīdus un pēc 18 produktiem pārvēršas par 206 Рb. Pure 2 3 8 U īpatnējā radioaktivitāte ir 1,22-104 Bq. Pussabrukšanas periods ir ļoti garš – apmēram 10 16 gadi, tāpēc skaldīšanas varbūtība attiecībā pret galveno procesu – alfa daļiņas emisiju – ir tikai 10" 7. Viens kilograms urāna dod tikai 10 spontānas skaldīšanas sekundē, un tajā pašā laikā alfa daļiņas izdala 20 miljonus kodolu Mātes nuklīdi: 2 4 2 Pu(a), *38ra(p-) 234Th, meita T,/ 2 = 2 :i 4 Th.

Urāns-238 veidojas šādu sabrukšanas rezultātā:

2 (V0 4) 2 ] 8H 2 0. No sekundārajiem minerāliem izplatīts ir hidratēts kalcija uranilfosfāts Ca(U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0. Bieži vien urānu minerālos pavada citi noderīgi elementi - titāns. , tantals, retzemju metāli. Tāpēc ir dabiski tiekties uz sarežģītu urānu saturošu rūdu apstrādi.

Urāna fizikālās pamatīpašības: atommasa 238,0289 amu. (g/mol); atomu rādiuss 138 pm (1 pm = 12 m); jonizācijas enerģija (pirmais elektrons 7,11 eV; elektroniskā konfigurācija -5f36d‘7s 2; oksidācijas pakāpes 6, 5, 4, 3; GP l = 113 2, 2 °; T t,1=3818°; blīvums 19,05; īpatnējā siltumietilpība 0,115 JDKmol); stiepes izturība 450 MPa, kausēšanas siltums 12,6 kJ/mol, iztvaikošanas siltums 417 kJ/mol, īpatnējais siltums 0,115 J/(mol-K); molārais tilpums 12,5 cm3/mol; raksturīgā Debija temperatūra © D =200K, pārejas temperatūra supravadītāja stāvoklī apm.68K.

Urāns ir smags, sudrabaini balts, spīdīgs metāls. Tas ir nedaudz mīkstāks par tēraudu, kaļams, elastīgs, tam piemīt nelielas paramagnētiskas īpašības un pulvera veidā ir pirofors. Urānam ir trīs allotropās formas: alfa (ortorombisks, a-U, režģa parametri 0=285, b= 587, c=49b pm, stabils līdz 667,7°), beta (tetragonāls, p-U, stabils no 667,7 līdz 774,8°), gamma (ar kubisku ķermeni centrētu režģi, y-U, pastāv no 774,8° līdz kušanas temperatūrai, frm= ii34 0), kurā urāns ir kaļams un ērtāks apstrādei.

Istabas temperatūrā ortorombiskā a-fāze ir stabila, prizmatiskā struktūra sastāv no viļņainiem atomu slāņiem, kas ir paralēli plaknei ABC,ārkārtīgi asimetriskā prizmatiskā režģī. Slāņos atomi ir cieši saistīti, savukārt saišu stiprums starp atomiem blakus esošajos slāņos ir daudz vājāks (4. attēls). Šī anizotropā struktūra apgrūtina urāna sakausēšanu ar citiem metāliem. Tikai molibdēns un niobijs veido cietās fāzes sakausējumus ar urānu. Tomēr urāna metāls var mijiedarboties ar daudziem sakausējumiem, veidojot intermetāliskus savienojumus.

Diapazonā 668^775° ir (3-urāns. Tetragonāla tipa režģim ir slāņaina struktūra ar slāņiem paralēli plaknei. ab pozīcijās 1/4С, 1/2 Ar un 3/4C no vienības šūnas. Temperatūrā virs 775° veidojas y-urāns ar uz ķermeni centrētu kubisko režģi. Molibdēna pievienošana ļauj Y-fāzei atrasties istabas temperatūrā. Molibdēns veido plašu cieto šķīdumu klāstu ar y-urānu un stabilizē y fāzi istabas temperatūrā. Y-urāns ir daudz mīkstāks un kaļams nekā trauslais a un (3 fāzes.

Neitronu apstarošana būtiski ietekmē urāna fizikālās un mehāniskās īpašības, izraisot parauga izmēra palielināšanos, formas izmaiņas, kā arī krasu urāna bloku mehānisko īpašību pasliktināšanos (šļūde, trauslums) urāna bloku darbības laikā. kodolreaktora darbība. Tilpuma pieaugums ir saistīts ar urāna uzkrāšanos, sadaloties elementu piemaisījumiem ar mazāku blīvumu (tulk. 1% urāns sadrumstalotajos elementos palielina apjomu par 3,4%).

Rīsi. 4. Dažas urāna kristāliskās struktūras: a - a-urāns, b - p-urāns.

Visizplatītākās metodes urāna iegūšanai metāliskā stāvoklī ir tā fluorīdu reducēšana ar sārmu vai sārmzemju metāliem vai izkausētu sāļu elektrolīze. Urānu var iegūt arī metalotermiski reducējot no karbīdiem ar volframu vai tantalu.

Spēja viegli atteikties no elektroniem nosaka urāna reducējošās īpašības un tā lielāku ķīmisko aktivitāti. Urāns var mijiedarboties ar gandrīz visiem elementiem, izņemot cēlgāzes, iegūstot oksidācijas pakāpi +2, +3, +4, +5, +6. Šķīdumā galvenā valence ir 6+.

Metāliskais urāns, ātri oksidējoties gaisā, ir pārklāts ar zaigojošu oksīda plēvi. Smalkais urāna pulveris spontāni uzliesmo gaisā (1504-175° temperatūrā), veidojot un;) Ov. 1000° temperatūrā urāns savienojas ar slāpekli, veidojot dzeltenu urāna nitrīdu. Ūdens var reaģēt ar metālu lēni zemā temperatūrā un ātri augstā temperatūrā. Urāns spēcīgi reaģē ar verdošu ūdeni un tvaiku, izdalot ūdeņradi, kas veido hidrīdu ar urānu

Šī reakcija ir enerģiskāka nekā urāna sadegšana skābeklī. Šīs urāna ķīmiskās aktivitātes dēļ kodolreaktoros ir jāaizsargā urāns no saskares ar ūdeni.

Urāns šķīst sālsskābēs, slāpekļskābēs un citās skābēs, veidojot U(IV) sāļus, bet nesadarbojas ar sārmiem. Urāns izspiež ūdeņradi no neorganiskām skābēm un metālu, piemēram, dzīvsudraba, sudraba, vara, alvas, platīna un zelta, sāļu šķīdumiem. Spēcīgi sakratot, urāna metāla daļiņas sāk spīdēt.

Urāna atoma elektronu apvalku struktūras iezīmes (^/-elektronu klātbūtne) un dažas tā fizikāli ķīmiskās īpašības kalpo par pamatu, lai urānu klasificētu kā aktinīdu sērijas locekli. Tomēr pastāv ķīmiska līdzība starp urānu un Cr, Mo un W. Urāns ir ļoti reaģējošs un reaģē ar visiem elementiem, izņemot cēlgāzes. Cietajā fāzē U(VI) piemēri ir uraniltrioksīds U03 un uranilhlorīds U02C12. Urāna tetrahlorīds UC1 4 un urāna dioksīds U0 2

U(IV) piemēri. Vielas, kas satur U(IV), parasti ir nestabilas un kļūst sešvērtīgas, ilgstoši pakļautas gaisa iedarbībai.

Urāna-skābekļa sistēmā ir uzstādīti seši oksīdi: UO, U0 2, U 4 0 9 un 3 Ov, U0 3. Tiem ir raksturīgs plašs viendabīguma diapazons. U02 ir bāzisks oksīds, bet U03 ir amfotērisks. U0 3 - mijiedarbojas ar ūdeni, veidojot vairākus hidrātus, no kuriem svarīgākie ir diurānskābe H 2 U 2 0 7 un urānskābe H 2 1U 4. Ar sārmiem U0 3 veido šo skābju sāļus - urānus. Izšķīdinot U0 3 skābēs, veidojas divkārši lādēta uranilkatjona U0 2 a+ sāļi.

Urāna dioksīds, U0 2, ar stehiometrisko sastāvu ir brūns. Palielinoties skābekļa saturam oksīdā, krāsa mainās no tumši brūnas uz melnu. CaF 2 tipa kristāliskā struktūra, A = 0,547 nm; blīvums 10,96 g/cm"* (augstākais blīvums starp urāna oksīdiem). T , pl =2875 0 , Tk " = 3450°, D#°298 = -1084,5 kJ/mol. Urāna dioksīds ir pusvadītājs ar caurumu vadītspēju un spēcīgu paramagnētu. MPC = o,015 mg/m3. Nešķīst ūdenī. -200° temperatūrā tas pievieno skābekli, sasniedzot sastāvu U0 2>25.

Urāna (IV) oksīdu var iegūt ar šādām reakcijām:

Urāna dioksīdam piemīt tikai pamata īpašības, tas atbilst bāziskajam hidroksīdam U(OH) 4, kas pēc tam tiek pārveidots par hidratētu hidroksīdu U0 2 H 2 0. Urāna dioksīds lēnām izšķīst spēcīgās neoksidējošās skābēs, ja nav atmosfēras skābekļa. III+ jonu veidošanās:

U02 + 2H2S04 ->U(S04)2 + 2H20. (38)

Tas šķīst koncentrētās skābēs, un šķīdināšanas ātrumu var ievērojami palielināt, pievienojot fluora jonu.

Izšķīdinot slāpekļskābē, veidojas uraniljons 1O 2 2+:

Triurāna oktaoksīds U 3 0s (urāna oksīds) ir pulveris, kura krāsa mainās no melnas līdz tumši zaļai; stipri sasmalcinot, tas kļūst olīvzaļā krāsā. Lieli melni kristāli atstāj uz porcelāna zaļas svītras. Ir zināmas trīs U 3 0 kristālu modifikācijas h: a-U 3 C>8 - rombveida kristāla struktūra (telpas grupa C222; 0 = 0,671 nm; 6 = 1,197 nm; c = o,83 nm; d =0,839 nm); p-U 3 0e - rombveida kristāla struktūra (telpas grupa Stst; 0 = 0,705 nm; 6 = 1,172 nm; 0 = 0,829 nm. Sadalīšanās sākums ir oooo° (pārejas uz 100 2), MPC = 0,075 mg/m3.

U 3 C>8 var iegūt ar reakciju:

Kalcinējot U0 2, U0 2 (N0 3) 2, U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 vai (NH 4) 2 U 2 0 7 750 0 temperatūrā gaisā vai skābekļa atmosfērā ( p = 150+750 mmHg) iegūst stehiometriski tīru U 3 08.

Kad U 3 0s tiek kalcinēts pie T>oooo°, tas tiek samazināts līdz 10 2, bet, atdziestot gaisā, tas atgriežas līdz U 3 0s. U 3 0e šķīst tikai koncentrētās stiprās skābēs. Sālsskābē un sērskābē veidojas U(IV) un U(VI) maisījums, bet slāpekļskābē - uranilnitrāts. Atšķaidītas sērskābes un sālsskābes ļoti vāji reaģē ar U 3 Os pat karsējot; oksidētāju (slāpekļskābes, pirolīta) pievienošana krasi palielina šķīšanas ātrumu. Koncentrēts H 2 S0 4 izšķīdina U 3 Os, veidojot U(S0 4) 2 un U0 2 S0 4 . Slāpekļskābe izšķīdina U 3 Oe, veidojot uranilnitrātu.

Urāna trioksīds, U0 3 - kristāliska vai amorfa viela spilgti dzeltenā krāsā. Reaģē ar ūdeni. MPC = 0,075 mg/m3.

To iegūst, kalcinējot amonija poliurānus, urāna peroksīdu, uraniloksalātu 300-500° temperatūrā un uranilnitrāta heksahidrātu. Tādējādi tiek iegūts amorfas struktūras oranžs pulveris ar blīvumu

6,8 g/cmz. IU 3 kristālisko formu var iegūt, oksidējot U 3 0 8 450°h-750° temperatūrā skābekļa plūsmā. Ir sešas U0 3 kristāliskās modifikācijas (a, (3, y> §> ?, n) - U0 3 ir higroskopisks un mitrā gaisā pārvēršas par uranilhidroksīdu. To karsējot 520°-^6oo°, rodas sastāva savienojums 1U 2>9, tālāk karsējot līdz 6oo°, var iegūt U 3 Os.

Ūdeņradis, amonjaks, ogleklis, sārmu un sārmzemju metāli samazina U0 3 līdz U0 2. Izlaižot gāzu HF un NH 3 maisījumu, veidojas UF 4. Augstākas valences gadījumā urānam piemīt amfoteriskas īpašības. Saskaroties ar skābēm U0 3 vai to hidrātiem, veidojas uranilsāļi (U0 2 2+), kas ir dzeltenīgi zaļā krāsā:

Lielākā daļa uranila sāļu labi šķīst ūdenī.

Sakausējot ar sārmiem, U03 veido urānskābes sāļus - MDKH urānus:

Ar sārma šķīdumiem urāna trioksīds veido poliurānskābes sāļus - poliurānātus DHM 2 0y1U 3 pH^O.

Urānskābes sāļi praktiski nešķīst ūdenī.

U(VI) skābās īpašības ir mazāk izteiktas nekā bāzes.

Urāns istabas temperatūrā reaģē ar fluoru. Augstāko halogenīdu stabilitāte samazinās no fluorīdiem uz jodīdiem. Fluorīdi UF 3, U4F17, U2F9 un UF 4 nav gaistoši, un UFe ir gaistoši. Svarīgākie fluorīdi ir UF 4 un UFe.

Ftppippiyanir okgilya t"yanya ppptrkart saskaņā ar praksi:

Reakciju verdošā slānī veic saskaņā ar vienādojumu:

Ir iespējams izmantot fluorēšanas līdzekļus: BrF 3, CC1 3 F (Freon-11) vai CC1 2 F 2 (Freon-12):

Urāna fluorīds (1U) UF 4 (“zaļais sāls”) ir zilgani zaļganā līdz smaragda krāsā pulveris. G 11L = yuz6°; Гк,«,.=-1730°. DN° 29 8= 1856 kJ/mol. Kristālu struktūra ir monoklīniska (sp. gp. C2/s; 0=1,273 nm; 5=1,075 nm; 0=0,843 nm; d= 6,7 nm; p=12b°20"; blīvums 6,72 g/cm3. UF 4 ir stabils, neaktīvs, negaistošs savienojums, slikti šķīst ūdenī. Labākais UF 4 šķīdinātājs ir kūpošā perhlorskābe HC10 4. Izšķīst oksidējošās skābēs, veidojot uranila sāls; ātri šķīst karstā Al(N0 3) 3 vai AlCl 3 šķīdumā, kā arī borskābes šķīdumā, kas paskābināts ar H 2 S0 4, HC10 4 vai HC1. Kompleksu veidotāji, kas saista fluora jonus, Piemēram, Fe3 +, Al3 + vai borskābe, arī veicina UF 4 šķīšanu. Ar citu metālu fluorīdiem tas veido vairākus slikti šķīstošos dubultsāļus (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7 utt.). NH 4 UF 5 ir rūpnieciska nozīme.

U(IV) fluorīds ir preparāta starpprodukts

gan UF6, gan urāna metāls.

UF 4 var iegūt ar reakcijām:

vai elektrolītiski reducējot uranilfluorīdu.

Urāna heksafluorīds UFe - istabas temperatūrā ziloņkaula krāsas kristāli ar augstu refrakcijas indeksu. Blīvums

5,09 g/cmz, šķidruma UFe blīvums - 3,63 g/cmz. Gaistošs savienojums. Tvoag = 5^>5°> Gil=b4,5° (zem spiediena). Piesātinātā tvaika spiediens sasniedz atmosfēru pie 560°. Veidojuma entalpija AH° 29 8 = -211b kJ/mol. Kristāla struktūra ir ortorombiska (telpas grupa. Rpt; 0 = 0,999 nm; fe= 0,8962 nm; c=o,5207 nm; d 5,060 nm (25°). MPC - 0,015 mg/m3. No cietā stāvokļa UF6 var sublimēties (sublimēt) par gāzi, apejot šķidro fāzi plašā spiediena diapazonā. Sublimācijas siltums pie 50 0 50 kJ/mg. Molekulai nav dipola momenta, tāpēc UF6 neasociējas. UFr tvaiki ir ideāla gāze.

To iegūst, fluoram iedarbojoties uz tā U savienojumu:

Papildus gāzes fāzes reakcijām pastāv arī šķidruma fāzes reakcijas

ražojot UF6, piemēram, izmantojot halofluorīdus

Ir veids, kā iegūt UF6, neizmantojot fluoru, oksidējot UF 4:

UFe nereaģē ar sausu gaisu, skābekli, slāpekli un C0 2, bet, nonākot saskarē ar ūdeni, pat ar tā pēdām, tas tiek hidrolizēts:

Tas mijiedarbojas ar lielāko daļu metālu, veidojot to fluorīdus, kas sarežģī tā uzglabāšanas metodes. Piemēroti trauku materiāli darbam ar UF6 ir: karsēti Ni, Monel un Pt, aukstumā arī teflons, absolūti sauss kvarcs un stikls, varš un alumīnijs. 25-0°C temperatūrā tas veido kompleksus savienojumus ar sārmu metālu un sudraba fluorīdiem, kuru tips ir 3NaFUFr>, 3KF2UF6.

Tas labi šķīst dažādos organiskos šķidrumos, neorganiskās skābēs un visos halofluorīdos. Inerts žūšanai 0 2, N 2, C0 2, C1 2, Br 2. UFr raksturo reducēšanās reakcijas ar lielāko daļu tīro metālu. UF6 enerģiski reaģē ar ogļūdeņražiem un citām organiskām vielām, tāpēc slēgti konteineri ar UFe var eksplodēt. UF6 diapazonā no 25 -r100° veido kompleksus sāļus ar sārmu un citu metālu fluorīdiem. Šis īpašums tiek izmantots UF selektīvas ekstrakcijas tehnoloģijā

Urāna hidrīdi UH 2 un UH 3 ieņem starpposmu starp sāļiem līdzīgiem hidrīdiem un cieto ūdeņraža šķīdumu hidrīdiem metālā.

Urānam reaģējot ar slāpekli, veidojas nitrīdi. U-N sistēmā ir zināmas četras fāzes: UN (urāna nitrīds), a-U 2 N 3 (seskvinitrīds), p- U 2 N 3 un ANO If90. Nav iespējams sasniegt sastāvu UN 2 (dinitrīds). Urāna mononitrīda UN sintēzes ir uzticamas un labi kontrolētas, ko vislabāk veikt tieši no elementiem. Urāna nitrīdi ir pulverveida vielas, kuru krāsa svārstās no tumši pelēkas līdz pelēkai; izskatās pēc metāla. ANO ir kubiskā seja centrēta kristāla struktūra, piemēram, NaCl (0 = 4,8892 A); (/=14,324, 7^=2855°, stabils vakuumā līdz 1700 0. To sagatavo, reaģējot U vai U hidrīdam ar N 2 vai NH 3 , augstāku U nitrīdu sadalīšanās 1300° temperatūrā vai to reducēšana ar metālu urānu. U 2 N 3 ir zināms divās polimorfās modifikācijās: kubiskā a un sešstūra p (0 = 0,3688 nm, 6 = 0,5839 nm), atbrīvo N 2 vakuumā virs 8oo°. To iegūst, reducējot UN 2 ar ūdeņradi. UN2 dinitrīds tiek sintezēts, reaģējot U ar N2 zem augsta N2 spiediena. Urāna nitrīdi viegli šķīst skābēs un sārmu šķīdumos, bet tos sadala izkausēti sārmi.

Urāna nitrīdu iegūst, divpakāpju karbotermiski reducējot urāna oksīdu:

Karsēšana argonā pie 7M450 0 10*20 stundas

Urāna nitrīdu, kura sastāvs ir tuvu dinitrīdam, UN 2, var iegūt, pakļaujot UF 4 amonjaka iedarbībai augstā temperatūrā un spiedienā.

Urāna dinitrīds karsējot sadalās:

Urāna nitrīdam, kas bagātināts ar 2 35 U, ir augstāks skaldīšanas blīvums, siltumvadītspēja un kušanas temperatūra nekā urāna oksīdiem – tradicionālajai mūsdienu spēka reaktoru degvielai. Tam ir arī labas mehāniskās īpašības un stabilitāte, kas ir labāka par tradicionālajām degvielām. Tāpēc šis savienojums tiek uzskatīts par daudzsološu pamatu kodoldegvielai ātro neitronu reaktoros (IV paaudzes kodolreaktoros).

komentēt. Ir ļoti noderīgi bagātināt ANO ar ‘5N, jo .4 N mēdz uztvert neitronus, radot radioaktīvo izotopu 14 C ar (n,p) reakciju.

Urāna karbīds UC 2 (α-fāze) ir gaiši pelēka kristāliska viela ar metālisku spīdumu. U-C sistēmā (urāna karbīdi) ir UC 2 (?-fāze), UC 2 (b-fāze), U 2 C3 (e-fāze), UC (b 2-phase) - urāna karbīdi. Urāna dikarbīdu UC 2 var iegūt ar šādām reakcijām:

U + 2C^UC 2 (54v)

Urāna karbīdus izmanto kā degvielu kodolreaktoros; tie ir daudzsološi kā degviela kosmosa raķešu dzinējiem.

Uranilnitrāts, uranilnitrāts, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Metāla lomu šajā sālī spēlē uranil 2+ katjons. Dzelteni kristāli ar zaļganu nokrāsu, viegli šķīst ūdenī. Ūdens šķīdums ir skābs. Šķīst etanolā, acetonā un ēterī, nešķīst benzolā, toluolā un hloroformā. Sildot, kristāli kūst un izdala HN0 3 un H 2 0. Kristālisks hidrāts viegli iztvaiko gaisā. Raksturīga reakcija ir tāda, ka NH 3 iedarbībā veidojas dzeltenas amonija urāna nogulsnes.

Urāns spēj veidot metālu-organiskus savienojumus. Piemēri ir ciklopentadienilatvasinājumi ar sastāvu U(C5H5)4 un to halogēna aizvietotie u(C5H5)3G vai u(C5H5)2G2.

Ūdens šķīdumos urāns ir visstabilākais U(VI) oksidācijas stāvoklī uraniljona U0 2 2+ formā. Mazākā mērā to raksturo U(IV) stāvoklis, bet tas var rasties pat U(III) formā. U(V) oksidācijas stāvoklis var pastāvēt kā IO2+ jons, taču šis stāvoklis tiek novērots reti, jo tam ir tendence uz disproporciju un hidrolīzi.

Neitrālos un skābos šķīdumos U(VI) eksistē U0 2 2+ - dzeltena uraniljona formā. Labi šķīstošie uranila sāļi ir nitrāts U0 2 (N0 3) 2, sulfāts U0 2 S0 4, hlorīds U0 2 C1 2, fluorīds U0 2 F 2, acetāts U0 2 (CH 3 C00) 2. Šie sāļi no šķīdumiem izdalās kristālisku hidrātu veidā ar dažādu ūdens molekulu skaitu. Viegli šķīstošie uranila sāļi ir: oksalāts U0 2 C 2 0 4, fosfāti U0 2 HP0., un UO2P2O4, amonija uranilfosfāts UO2NH4PO4, nātrija uranilvanadāts NaU0 2 V0 4, ferocianīds (U0. Uraniljonam ir raksturīga tendence veidot sarežģītus savienojumus. Tādējādi ir zināmi kompleksi ar -, 4- tipa fluora joniem; nitrātu kompleksi " un 2 *; sērskābes kompleksi 2" un 4-; karbonātu kompleksi 4" un 2" utt. Sārmiem iedarbojoties uz uranila sāļu šķīdumiem, izdalās slikti šķīstošas ​​Me 2 U 2 0 7 tipa diuranātu nogulsnes (monouranāti Me 2 U0 4 nav izolēti no šķīdumiem, tos iegūst, sapludinot urāna oksīdus ar sārmiem).Ir zināmi Me 2 U n 0 3 n+i poliurāni (piemēram, Na 2 U60i 9).

U(VI) skābos šķīdumos reducē līdz U(IV), izmantojot dzelzi, cinku, alumīniju, nātrija hidrosulfītu un nātrija amalgamu. Šķīdumi ir iekrāsoti zaļā krāsā. No tiem izgulsnējas sārmu hidroksīds U0 2 (0H) 2, fluorūdeņražskābe - fluorīds UF 4 -2,5H 2 0, skābeņskābe - oksalāts U(C 2 0 4) 2 -6H 2 0. U 4+ jonam ir tendence veido mazāk kompleksus nekā uranila joni.

Urāns (IV) šķīdumā ir U 4+ jonu veidā, kas ir ļoti hidrolizēti un hidratēti:

Skābos šķīdumos hidrolīze tiek nomākta.

Urāns (VI) šķīdumā veido uranila oksokāciju - U0 2 2+ Ir zināmi daudzi uranila savienojumi, kuru piemēri ir: 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 utt.

Uraniljona hidrolīzes laikā veidojas vairāki daudzkodolu kompleksi:

Ar turpmāku hidrolīzi parādās U 3 0s(0H) 2 un pēc tam U 3 0 8 (0H) 4 2 -.

Urāna kvalitatīvai noteikšanai tiek izmantotas ķīmiskās, luminiscences, radiometriskās un spektrālās analīzes metodes. Ķīmiskās metodes galvenokārt balstās uz krāsainu savienojumu veidošanos (piemēram, savienojuma sarkanbrūna krāsa ar ferocianīdu, dzeltena ar ūdeņraža peroksīdu, zila ar arsenazo reaģentu). Luminiscences metode balstās uz daudzu urāna savienojumu spēju radīt dzeltenīgi zaļganu mirdzumu, pakļaujoties UV stariem.

Urāna kvantitatīvo noteikšanu veic ar dažādām metodēm. Svarīgākās no tām ir: tilpuma metodes, kas sastāv no U(VI) reducēšanas līdz U(IV), kam seko titrēšana ar oksidētāju šķīdumiem; gravimetriskās metodes - urānu, peroksīda, U(IV) cupferranātu, hidroksihinolāta, oksalāta u.c. izgulsnēšana. kam seko to kalcinēšana oooo° un sver U 3 0s; polarogrāfiskās metodes nitrātu šķīdumā ļauj noteikt 10*7-g10-9 g urāna; daudzas kolorimetriskās metodes (piemēram, ar H 2 0 2 sārmainā vidē, ar arsenazo reaģentu EDTA klātbūtnē, ar dibenzoilmetānu, tiocianāta kompleksa veidā utt.); luminiscences metode, kas ļauj noteikt, kad kausēts ar NaF uz Yu 11 g urāna.

235U pieder A radiācijas bīstamības grupai, minimālā nozīmīgā aktivitāte ir MZA = 3,7-10 4 Bq, 2 3 8 un - D grupai, MZA = 3,7-6 Bq (300 g).

Raksta saturs

URĀNS, U (urāns), metālisks ķīmiskais elements aktinīdu saimē, kurā ietilpst Ac, Th, Pa, U un transurāna elementi (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Urāns ir ieguvis ievērību, pateicoties tā izmantošanai kodolieročos un kodolenerģijā. Urāna oksīdus izmanto arī stikla un keramikas krāsošanai.

Atrodoties dabā.

Urāna saturs zemes garozā ir 0,003%, un tas atrodas zemes virsmas slānī četru veidu nogulumu veidā. Pirmkārt, tās ir uranīta jeb urāna piķa (urāna dioksīds UO 2) dzīslas, kas ir ļoti bagātas ar urānu, bet reti sastopamas. Tos pavada rādija nogulsnes, jo rādijs ir tiešs urāna izotopu sabrukšanas produkts. Šādas vēnas ir sastopamas Zairā, Kanādā (Lielajā Lāču ezerā), Čehijā un Francijā. Otrs urāna avots ir torija un urāna rūdu konglomerāti kopā ar citu svarīgu minerālu rūdām. Konglomerāti parasti satur pietiekamu daudzumu zelta un sudraba, kas jāatgūst, un urāns un torijs ir saistītie elementi. Lielas šo rūdu atradnes atrodas Kanādā, Dienvidāfrikā, Krievijā un Austrālijā. Trešais urāna avots ir nogulumieži un smilšakmeņi, kas bagāti ar minerālu karnotītu (kālija uranilvanadātu), kas papildus urānam satur ievērojamu daudzumu vanādija un citu elementu. Šādas rūdas ir atrodamas ASV rietumu štatos. Dzelzs-urāna slānekļi un fosfāta rūdas ir ceturtais nogulumu avots. Zviedrijas slānekļos atrodamas bagātīgas atradnes. Dažas fosfātu rūdas Marokā un ASV satur ievērojamu daudzumu urāna, un fosfātu atradnes Angolā un Centrālāfrikas Republikā ir vēl bagātākas ar urānu. Lielākā daļa lignītu un dažas ogles parasti satur urāna piemaisījumus. Ar urānu bagātas lignīta atradnes atrastas Ziemeļdakotā un Dienviddakotā (ASV), bet bitumena ogles – Spānijā un Čehijā.

Atvēršana.

Urānu 1789. gadā atklāja vācu ķīmiķis M. Klaprots, kurš elementu nosauca par godu planētas Urāna atklāšanai 8 gadus agrāk. (Klaprots bija sava laika vadošais ķīmiķis; viņš atklāja arī citus elementus, tostarp Ce, Ti un Zr.) Faktiski Klaprota iegūtā viela nebija elementārais urāns, bet gan tā oksidēta forma, un elementāro urānu pirmo reizi ieguva franču ķīmiķis E. .Peligo 1841. No atklāšanas brīža līdz 20. gs. urānam nebija tādas nozīmes kā mūsdienās, lai gan tika noteiktas daudzas tā fizikālās īpašības, kā arī atomu masa un blīvums. 1896. gadā A. Bekerels konstatēja, ka urāna sāļiem piemīt starojums, kas tumsā izgaismo fotoplati. Šis atklājums aktivizēja ķīmiķus veikt pētījumus radioaktivitātes jomā, un 1898. gadā franču fiziķu dzīvesbiedri P. Kirī un M. Sklodovska-Kirī izolēja radioaktīvo elementu polonija un rādija sāļus un E. Raterfordu, F. Sodiju un K. Fajansu. un citi zinātnieki izstrādāja radioaktīvās sabrukšanas teoriju, kas lika pamatus mūsdienu kodolķīmijai un kodolenerģijai.

Urāna pirmie lietojumi.

Lai gan urāna sāļu radioaktivitāte bija zināma, tā rūdas šī gadsimta pirmajā trešdaļā izmantoja tikai pavadošā rādija iegūšanai, un urāns tika uzskatīts par nevēlamu blakusproduktu. Tās izmantošana galvenokārt tika koncentrēta keramikas tehnoloģijā un metalurģijā; Urāna oksīdus plaši izmantoja stikla krāsošanai no gaiši dzeltenas līdz tumši zaļai, kas veicināja lētas stikla ražošanas attīstību. Mūsdienās šo nozaru produkti tiek identificēti kā fluorescējoši ultravioleto staru ietekmē. Pirmā pasaules kara laikā un neilgi pēc tam urānu karbīda veidā izmantoja instrumentu tēraudu ražošanā, līdzīgi kā Mo un W; 4–8% urāna aizstāja volframu, kura ražošana tajā laikā bija ierobežota. Instrumentu tēraudu iegūšanai 1914.–1926. gadā katru gadu tika saražotas vairākas tonnas ferourāna, kas satur līdz 30% (masas) U. Tomēr šāda urāna izmantošana nebija ilga.

Mūsdienu urāna izmantošanas veidi.

Urāna rūpniecība sāka veidoties 1939. gadā, kad tika veikta urāna izotopa 235 U skaldīšana, kā rezultātā 1942. gada decembrī tika tehniski īstenotas kontrolētas urāna skaldīšanas ķēdes reakcijas. Tā sākās atoma laikmets. , kad urāns no nenozīmīga elementa kļuva par vienu no svarīgākajiem elementiem dzīvē. Urāna militārā nozīme atombumbas ražošanā un tā izmantošanai kā degvielai kodolreaktoros izraisīja astronomisku urāna pieprasījumu. Interesanta ir urāna pieprasījuma pieauguma hronoloģija, pamatojoties uz nogulumu vēsturi Lielajā Lāču ezerā (Kanāda). 1930. gadā šajā ezerā tika atklāts sveķu maisījums, urāna oksīdu maisījums, un 1932. gadā šajā teritorijā tika izveidota rādija attīrīšanas tehnoloģija. No katras tonnas rūdas (sveķu maisījuma) tika iegūts 1 g rādija un aptuveni pustonna blakusprodukta – urāna koncentrāta. Tomēr rādija bija maz, un tā ieguve tika pārtraukta. No 1940. līdz 1942. gadam attīstība tika atsākta un urāna rūdu sāka sūtīt uz ASV. 1949. gadā līdzīgu urāna attīrīšanu ar dažiem uzlabojumiem izmantoja, lai iegūtu tīru UO 2 . Šī ražošana ir pieaugusi un tagad ir viena no lielākajām urāna ražotnēm.

Īpašības.

Urāns ir viens no smagākajiem dabā sastopamajiem elementiem. Tīrs metāls ir ļoti blīvs, elastīgs, elektropozitīvs ar zemu elektrisko vadītspēju un ļoti reaģējošs.

Urānam ir trīs allotropas modifikācijas: a-urāns (ortorombiskais kristālrežģis), pastāv diapazonā no istabas temperatūras līdz 668 ° C; b-urāns (komplekss tetragonāla tipa kristāliskais režģis), stabils 668–774°C diapazonā; g-urāns (uz ķermeni centrēts kubiskais kristālrežģis), stabils no 774°C līdz kušanas temperatūrai (1132°C). Tā kā visi urāna izotopi ir nestabili, visiem tā savienojumiem ir radioaktivitāte.

Urāna izotopi

238 U, 235 U, 234 U dabā sastopami proporcijā 99,3:0,7:0,0058, un 236 U sastopami nelielā daudzumā. Visi pārējie urāna izotopi no 226 U līdz 242 U tiek iegūti mākslīgi. Izotops 235 U ir īpaši svarīgs. Lēnu (termisko) neitronu ietekmē tas sadalās, atbrīvojot milzīgu enerģiju. Pilnīgas 235 U sadalīšanās rezultātā tiek atbrīvots “siltuma enerģijas ekvivalents” 2H 10 7 kWh h/kg. 235 U skaldīšanu var izmantot ne tikai liela enerģijas daudzuma ražošanai, bet arī citu svarīgu aktinīdu elementu sintezēšanai. Dabisko urāna izotopu var izmantot kodolreaktoros, lai ražotu neitronus, kas rodas, sadaloties 235 U, savukārt liekos neitronus, kas nav nepieciešami ķēdes reakcijai, var uztvert cits dabiskais izotops, kā rezultātā rodas plutonijs:

Kad 238 U tiek bombardēts ar ātriem neitroniem, notiek šādas reakcijas:

Saskaņā ar šo shēmu visizplatītākais izotops 238 U var tikt pārveidots par plutoniju-239, kas, tāpat kā 235 U, arī spēj sadalīties lēnu neitronu ietekmē.

Šobrīd ir iegūts liels skaits mākslīgo urāna izotopu. Starp tiem 233 U ir īpaši ievērojams, jo tas arī sadalās, mijiedarbojoties ar lēniem neitroniem.

Dažus citus mākslīgos urāna izotopus bieži izmanto kā radioaktīvos marķierus ķīmiskajos un fizikālajos pētījumos; tas ir pirmkārt b- izstarotājs 237 U un a- izstarotājs 232 U.

Savienojumi.

Urāns, ļoti reaģējošs metāls, ar oksidācijas pakāpi no +3 līdz +6, aktivitāšu sērijā ir tuvu berilijam, mijiedarbojas ar visiem nemetāliem un veido intermetāliskus savienojumus ar Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn un Zn. Smalki sasmalcināts urāns ir īpaši reaģējošs, un temperatūrā virs 500 ° C tas bieži nonāk reakcijās, kas raksturīgas urāna hidrīdam. Urāna gabaliņi vai skaidas spilgti deg 700–1000 ° C temperatūrā, un urāna tvaiki deg jau 150–250 ° C; urāns reaģē ar HF 200–400 ° C temperatūrā, veidojot UF 4 un H 2 . Urāns lēni šķīst koncentrētā HF vai H 2 SO 4 un 85% H 3 PO 4 pat 90 ° C temperatūrā, bet viegli reaģē ar konc. HCl un mazāk aktīvs ar HBr vai HI. Aktīvākās un ātrākās urāna reakcijas ar atšķaidītu un koncentrētu HNO 3 notiek, veidojoties uranilnitrātam ( Skatīt zemāk). HCl klātbūtnē urāns ātri izšķīst organiskajās skābēs, veidojot organiskos U4+ sāļus. Atkarībā no oksidācijas pakāpes urāns veido vairāku veidu sāļus (no tiem svarīgākie ir ar U 4+, viens no tiem UCl 4 ir viegli oksidējams zaļais sāls); UO 2 (NO 3) 2 tipa uranila sāļi (radikālis UO 2 2+) ir dzeltenā krāsā un fluorescē zaļā krāsā. Uranila sāļi veidojas, izšķīdinot amfoterisko oksīdu UO 3 (dzeltenā krāsā) skābā vidē. Sārmainā vidē UO 3 veido urānus, piemēram, Na 2 UO 4 vai Na 2 U 2 O 7. Pēdējo savienojumu ("dzelteno uranilu") izmanto porcelāna glazūru un fluorescējošu stiklu ražošanā.

Urāna halogenīdi tika plaši pētīti 1940.–1950. gadā, jo tos izmantoja, lai izstrādātu metodes urāna izotopu atdalīšanai atombumbai vai kodolreaktoram. Urāna trifluorīds UF 3 tika iegūts, reducējot UF 4 ar ūdeņradi, un urāna tetrafluorīdu UF 4 iegūst dažādos veidos, HF reakcijās ar oksīdiem, piemēram, UO 3 vai U 3 O 8, vai elektrolītiski reducējot uranila savienojumus. Urāna heksafluorīdu UF 6 iegūst, fluorējot U vai UF 4 ar elementāru fluoru vai skābekļa iedarbību uz UF 4 . Heksafluorīds veido caurspīdīgus kristālus ar augstu refrakcijas indeksu 64 ° C (1137 mm Hg) temperatūrā; savienojums ir gaistošs (normālā spiedienā tas sublimējas 56,54 ° C temperatūrā). Urāna oksohalogenīdiem, piemēram, oksofluorīdiem, ir UO 2 F 2 (uranilfluorīds), UOF 2 (urāna oksīda difluorīds).

Un Saturns), pirmkārt, ir ievērojams ar savu neparasto kustību ap Sauli, proti, atšķirībā no visām citām planētām, Urāns griežas “retrogrādā”. Ko tas nozīmē? Un fakts ir tāds, ka, ja citas planētas, tajā skaitā mūsu Zeme, ir kā kustīgas griežas (vērpes dēļ notiek dienas un nakts maiņa), tad Urāns ir kā ripojoša bumba, un rezultātā dienas maiņa/ nakts, kā arī gadalaiki uz šīs planētas ievērojami atšķiras.

Kas atklāja Urānu

Bet sāksim savu stāstu par šo neparasto planētu ar tās atklāšanas vēsturi. Planētu Urāns 1781. gadā atklāja angļu astronoms Viljams Heršels. Interesanti, ka, novērojot tās neparasto kustību, astronoms vispirms to uztvēra un tikai pēc pāris gadiem ilgiem novērojumiem ieguva planētas statusu. Heršels vēlējās to saukt par “Georga zvaigzni”, taču zinātnieku aprindas deva priekšroku Johana Bodes piedāvātajam nosaukumam - Urāns par godu senajam dievam Urānam, kurš ir debesu personifikācija.

Dievs Urāns antīkajā mitoloģijā ir vecākais no dieviem, visa un visu (arī citu dievu) radītājs un arī augstākā dieva Zeva (Jupitera) vectēvs.

Planētas Urāns iezīmes

Urāns ir 14,5 reizes smagāks par mūsu Zemi. Neskatoties uz to, tā ir visvieglākā planēta starp milzu planētām, jo ​​tai kaimiņu planētai, lai arī mazāka izmēra, ir lielāka masa nekā Urānam. Šīs planētas relatīvais vieglums ir saistīts ar tās sastāvu, kura ievērojama daļa ir ledus, un Urāna ledus ir visdažādākais: ir amonjaka, ūdens un metāna ledus. Urāna blīvums ir 1,27 g/cm3.

Urāna temperatūra

Kāda ir temperatūra uz Urāna? Tā kā tas ir attālums no Saules, tas, protams, ir ļoti auksts, un šeit nozīme ir ne tikai tā attālumam, bet arī faktam, ka Urāna iekšējais siltums ir vairākas reizes mazāks nekā citām planētām. Planētas siltuma plūsma ir ārkārtīgi maza, mazāka nekā uz Zemes. Rezultātā uz Urāna tika reģistrēta viena no zemākajām temperatūrām Saules sistēmā - 224 C, kas ir pat zemāka nekā Neptūnam, kas atrodas vēl tālāk no Saules.

Vai uz Urāna ir dzīvība

Iepriekš minētajā rindkopā aprakstītajā temperatūrā ir acīmredzams, ka dzīvības izcelsme uz Urāna nav iespējama.

Urāna atmosfēra

Kāda ir atmosfēra uz Urāna? Šīs planētas atmosfēra ir sadalīta slāņos, kurus nosaka temperatūra un virsma. Atmosfēras ārējais slānis sākas 300 km attālumā no planētas parastās virsmas un tiek saukts par atmosfēras koronu; šī ir atmosfēras aukstākā daļa. Vēl tuvāk virsmai ir stratosfēra un troposfēra. Pēdējā ir zemākā un blīvākā planētas atmosfēras daļa. Urāna troposfērai ir sarežģīta struktūra: to veido ūdens mākoņi, amonjaka mākoņi un metāna mākoņi, kas haotiski sajaukti.

Urāna atmosfēras sastāvs atšķiras no citu planētu atmosfēras augstā hēlija un molekulārā hēlija satura dēļ. Tāpat liela daļa Urāna atmosfēras pieder metānam, ķīmiskam savienojumam, kas veido 2,3% no visām atmosfērā esošajām molekulām.

Foto no planētas Urāns

Urāna virsma

Urāna virsma sastāv no trim slāņiem: akmeņaina kodola, ledus apvalka un ūdeņraža un hēlija ārējā apvalka, kas atrodas gāzveida stāvoklī. Ir vērts atzīmēt arī vēl vienu svarīgu elementu, kas ir daļa no Urāna virsmas - metāna ledus, kas rada planētas raksturīgo zilo krāsu.

Zinātnieki arī izmantoja spektroskopiju, lai atklātu oglekļa monoksīdu un oglekļa dioksīdu atmosfēras augšējos slāņos.

Jā, arī Urānam ir gredzeni (tāpat kā citām milzu planētām), lai gan ne tik lieli un skaisti kā tā kolēģim. Gluži pretēji, Urāna gredzeni ir blāvi un gandrīz neredzami, jo tie sastāv no daudzām ļoti tumšām un mazām daļiņām, kuru diametrs svārstās no mikrometra līdz dažiem metriem. Interesanti, ka Urāna gredzeni tika atklāti agrāk nekā citu planētu gredzeni, izņemot Saturnu, pat planētas atklājējs V. Heršels apgalvoja, ka ir redzējis gredzenus uz Urāna, bet tad viņi viņam neticēja, jo teleskopi tam laikam nebija pietiekami daudz spēka, lai citi astronomi apstiprinātu Heršela redzēto. Tikai divus gadsimtus vēlāk, 1977. gadā, amerikāņu astronomi Džeimsons Eliots, Duglass Minkoms un Edvards Danhems, izmantojot Kuipera observatoriju, varēja savām acīm novērot Urāna gredzenus. Turklāt tas notika nejauši, jo zinātnieki vienkārši gatavojās novērot planētas atmosfēru un, negaidot, atklāja gredzenu klātbūtni.

Šobrīd ir zināmi 13 Urāna gredzeni, no kuriem spožākais ir epsilona gredzens. Šīs planētas gredzeni ir salīdzinoši jauni, tie veidojās pēc tās dzimšanas. Pastāv hipotēze, ka Urāna gredzeni veidojas no kāda iznīcināta planētas satelīta atliekām.

Urāna pavadoņi

Runājot par pavadoņiem, cik pavadoņu, jūsuprāt, ir Urānam? Un viņam tādas ir pat 27 (vismaz šobrīd zināmās). Lielākās ir: Miranda, Ariel, Umbriel, Oberon un Titania. Visi Urāna pavadoņi ir akmeņu un ledus maisījums, izņemot Mirandu, kas ir pilnībā izgatavota no ledus.

Šādi Urāna pavadoņi izskatās, salīdzinot ar pašu planētu.

Daudziem satelītiem nav atmosfēras, un daži no tiem pārvietojas planētas gredzenu iekšpusē, caur kuriem tos sauc arī par iekšējiem pavadoņiem, un tiem visiem ir spēcīga saikne ar Urāna gredzenu sistēmu. Zinātnieki uzskata, ka Urāns ir notvēris daudzus pavadoņus.

Urāna rotācija

Urāna rotācija ap Sauli, iespējams, ir visinteresantākā šīs planētas iezīme. Tā kā mēs rakstījām iepriekš, Urāns griežas savādāk nekā visas citas planētas, proti, “retrogrāda”, tāpat kā bumba, kas ripo pa zemi. Tā rezultātā dienas un nakts maiņa (mūsu parastajā izpratnē) uz Urāna notiek tikai netālu no planētas ekvatora, neskatoties uz to, ka tas atrodas ļoti zemu virs horizonta, apmēram tāpat kā polārajos platuma grādos. uz Zemes. Kas attiecas uz planētas poliem, “polārā diena” un “polārā nakts” nomaina viena otru reizi 42 Zemes gados.

Kas attiecas uz gadu uz Urāna, tad viens gads ir vienāds ar mūsu 84 zemes gadiem; tieši šajā laikā planēta riņķo savā orbītā ap Sauli.

Cik ilgs laiks ir lidojumam uz Urānu?

Cik ilgs ir lidojums no Zemes uz Urānu? Ja ar modernajām tehnoloģijām lidojums uz mūsu tuvākajiem kaimiņiem Venēru un Marsu aizņem vairākus gadus, tad lidojums uz tik tālām planētām kā Urāns var ilgt gadu desmitus. Līdz šim šādu ceļojumu veicis tikai viens kosmosa kuģis: NASA 1977. gadā palaists Voyager 2 Urānu sasniedza 1986. gadā, kā redzams, lidojums vienā virzienā ilga gandrīz desmit gadus.

Uz Urānu bija plānots nosūtīt arī Cassini aparātu, kas nodarbojās ar Saturna izpēti, taču pēc tam tika nolemts Cassini pamest pie Saturna, kur tas nomira pavisam nesen - pagājušā gada septembrī.

• Trīs gadus pēc tās atklāšanas planēta Urāns kļuva par satīriskas brošūras vietu. Zinātniskās fantastikas rakstnieki bieži piemin šo planētu savos zinātniskās fantastikas darbos.
• Urānu naksnīgajās debesīs var redzēt ar neapbruņotu aci, tikai jāzina, kur skatīties, un debesīm jābūt perfekti tumšām (kas diemžēl mūsdienu pilsētās nav iespējams).
• Uz planētas Urāns ir ūdens. Bet ūdens uz Urāna ir sasalis kā ledus.
• Planētai Urāns droši var tikt piešķirtas Saules sistēmas “aukstākās planētas” lauriem.

Planēta Urāns, video

Un noslēgumā interesants video par planētu Urāns.

Šis raksts ir pieejams angļu valodā - .