Uran metaliczny. Dlaczego uran i jego związki są niebezpieczne? Zastosowania i rodzaje izotopów uranu

Skąd wziął się uran? Najprawdopodobniej pojawia się podczas wybuchów supernowych. Faktem jest, że do nukleosyntezy pierwiastków cięższych od żelaza musi nastąpić silny przepływ neutronów, co następuje właśnie podczas wybuchu supernowej. Wydawałoby się, że wówczas podczas kondensacji z utworzonej przez niego chmury nowych układów gwiezdnych uran, zebrawszy się w obłoku protoplanetarnym i będąc bardzo ciężkim, powinien zatonąć w głębinach planet. Ale to nieprawda. Uran jest pierwiastkiem radioaktywnym i podczas rozpadu wydziela ciepło. Obliczenia pokazują, że gdyby uran był równomiernie rozprowadzony na całej grubości planety, przynajmniej w takim samym stężeniu jak na powierzchni, emitowałby zbyt dużo ciepła. Co więcej, jego przepływ powinien słabnąć w miarę zużywania się uranu. Ponieważ niczego takiego nie zaobserwowano, geolodzy uważają, że co najmniej jedna trzecia uranu, a może i cały, koncentruje się w skorupie ziemskiej, gdzie jego zawartość wynosi 2,5∙10 –4%. Dlaczego tak się stało, nie jest omawiane.

Gdzie wydobywa się uran? Na Ziemi nie jest tak mało uranu - zajmuje 38. miejsce pod względem obfitości. A najwięcej tego pierwiastka występuje w skałach osadowych – łupkach węglowych i fosforytach: odpowiednio do 8∙10 –3 i 2,5∙10 –2%. W sumie skorupa ziemska zawiera 10 14 ton uranu, ale głównym problemem jest to, że jest on bardzo rozproszony i nie tworzy potężnych złóż. Około 15 minerałów uranu ma znaczenie przemysłowe. Jest to smoła uranowa - jej podstawą jest tlenek uranu czterowartościowego, mika uranowa - różne krzemiany, fosforany i bardziej złożone związki z wanadem lub tytanem na bazie uranu sześciowartościowego.

Co to są promienie Becquerela? Po odkryciu promieni rentgenowskich przez Wolfganga Roentgena francuski fizyk Antoine-Henri Becquerel zainteresował się świeceniem soli uranu, które zachodzi pod wpływem światła słonecznego. Chciał zrozumieć, czy tutaj też były promienie rentgenowskie. Rzeczywiście były obecne – sól oświetlała kliszę fotograficzną przez czarny papier. W jednym z eksperymentów sól nie została jednak naświetlona, ​​ale klisza fotograficzna nadal była przyciemniona. Kiedy pomiędzy solą a kliszą fotograficznym umieszczono metalowy przedmiot, zaciemnienie pod spodem było mniejsze. Dlatego nowe promienie nie powstały w wyniku wzbudzenia uranu światłem i nie przeszły częściowo przez metal. Początkowo nazywano je „promieniami Becquerela”. Później odkryto, że są to głównie promienie alfa z niewielkim dodatkiem promieni beta: faktem jest, że główne izotopy uranu podczas rozpadu emitują cząstkę alfa, a produkty pochodne również ulegają rozpadowi beta.

Jak radioaktywny jest uran? Uran nie ma stabilnych izotopów; wszystkie są radioaktywne. Najdłużej żyje uran-238, którego okres półtrwania wynosi 4,4 miliarda lat. Następny jest uran-235 – 0,7 miliarda lat. Obydwa ulegają rozpadowi alfa i stają się odpowiednimi izotopami toru. Uran-238 stanowi ponad 99% całego naturalnego uranu. Ze względu na ogromny okres półtrwania radioaktywność tego pierwiastka jest niska, a dodatkowo cząsteczki alfa nie są w stanie przeniknąć przez warstwę rogową naskórka na powierzchni organizmu człowieka. Mówią, że po pracy z uranem I.V. Kurchatov po prostu wytarł ręce chusteczką i nie cierpiał na żadne choroby związane z radioaktywnością.

Badacze wielokrotnie odwoływali się do statystyk dotyczących chorób pracowników kopalń uranu i zakładów przetwórczych. Oto na przykład niedawny artykuł kanadyjskich i amerykańskich specjalistów, którzy przeanalizowali dane zdrowotne ponad 17 tysięcy pracowników kopalni Eldorado w kanadyjskiej prowincji Saskatchewan za lata 1950–1999 ( Badania środowiskowe, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Wyszli z faktu, że promieniowanie ma najsilniejszy wpływ na szybko namnażające się komórki krwi, co prowadzi do odpowiednich typów nowotworów. Statystyki wykazały, że wśród pracowników kopalń występuje mniejsza częstość występowania różnych typów nowotworów krwi niż przeciętna populacja Kanady. W tym przypadku za główne źródło promieniowania nie uważa się samego uranu, ale wytwarzany przez niego gazowy radon i produkty jego rozpadu, które mogą przedostawać się do organizmu przez płuca.

Dlaczego uran jest szkodliwy?? Podobnie jak inne metale ciężkie jest wysoce toksyczny i może powodować niewydolność nerek i wątroby. Z drugiej strony uran, będący pierwiastkiem rozproszonym, nieuchronnie występuje w wodzie, glebie i koncentrując się w łańcuchu pokarmowym przedostaje się do organizmu człowieka. Rozsądne jest założenie, że w procesie ewolucji istoty żywe nauczyły się neutralizować uran w naturalnych stężeniach. Uran jest najbardziej niebezpieczny w wodzie, dlatego WHO ustaliła limit: początkowo wynosił 15 µg/l, ale w 2011 roku normę podwyższono do 30 µg/g. Z reguły uranu w wodzie jest znacznie mniej: w USA średnio 6,7 µg/l, w Chinach i Francji – 2,2 µg/l. Ale są też silne odchylenia. I tak w niektórych rejonach Kalifornii jest to sto razy więcej od normy - 2,5 mg/l, a w południowej Finlandii sięga 7,8 mg/l. Naukowcy próbują zrozumieć, czy standard WHO jest zbyt rygorystyczny, badając wpływ uranu na zwierzęta. Oto typowa praca ( Międzynarodowe badania BioMed, 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Francuscy naukowcy karmili szczury wodą przez dziewięć miesięcy z dodatkami zubożonego uranu i to w stosunkowo wysokich stężeniach – od 0,2 do 120 mg/l. Dolną wartość stanowi woda w pobliżu kopalni, natomiast górnej nigdzie nie stwierdzono – maksymalne stężenie uranu mierzone w Finlandii wynosi 20 mg/l. Ku zaskoczeniu autorów - artykuł nosi tytuł: „Nieoczekiwany brak zauważalnego wpływu uranu na układy fizjologiczne…” - uran praktycznie nie miał wpływu na zdrowie szczurów. Zwierzęta dobrze jadły, prawidłowo przybierały na wadze, nie skarżyły się na choroby i nie umierały na raka. Uran, jak powinien, odkładał się przede wszystkim w nerkach i kościach oraz w stukrotnie mniejszych ilościach w wątrobie, a jego akumulacja zależała prawdopodobnie od zawartości wody. Nie doprowadziło to jednak do niewydolności nerek ani nawet do zauważalnego pojawienia się jakichkolwiek molekularnych markerów stanu zapalnego. Autorzy zasugerowali rozpoczęcie przeglądu rygorystycznych wytycznych WHO. Jest jednak jedno zastrzeżenie: wpływ na mózg. W mózgach szczurów było mniej uranu niż w wątrobie, ale jego zawartość nie zależała od ilości w wodzie. Jednak uran wpłynął na funkcjonowanie układu antyoksydacyjnego mózgu: aktywność katalazy wzrosła o 20%, peroksydazy glutationowej o 68–90%, a aktywność dysmutazy ponadtlenkowej spadła o 50%, niezależnie od dawki. Oznacza to, że uran wyraźnie spowodował stres oksydacyjny w mózgu i organizm na niego zareagował. Nawiasem mówiąc, ten efekt - silny wpływ uranu na mózg przy braku jego gromadzenia się w nim, a także w narządach płciowych - zauważono już wcześniej. Ponadto woda z uranem w stężeniu 75–150 mg/l, którą badacze z Uniwersytetu w Nebrasce karmili szczury przez sześć miesięcy ( Neurotoksykologia i teratologia, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), wpływały na zachowanie zwierząt, głównie samców, wypuszczanych na pole: przekraczały linie, stawały na tylnych łapach i inaczej czesały futro niż zwierzęta kontrolne. Istnieją dowody na to, że uran prowadzi również do upośledzenia pamięci u zwierząt. Zmiany w zachowaniu korelowano z poziomem utleniania lipidów w mózgu. Okazuje się, że woda uranowa uczyniła szczury zdrowymi, ale raczej głupimi. Dane te będą nam przydatne w analizie tzw. syndromu wojny w Zatoce Perskiej.

Czy uran zanieczyszcza miejsca wydobycia gazu łupkowego? Zależy to od ilości uranu w skałach zawierających gaz i od tego, jak jest z nimi powiązany. Na przykład profesor nadzwyczajny Tracy Bank z uniwersytetu w Buffalo badała złoże Marcellus Shale, które rozciąga się od zachodniego Nowego Jorku, przez Pensylwanię i Ohio po Zachodnią Wirginię. Okazało się, że uran jest chemicznie powiązany dokładnie ze źródłem węglowodorów (należy pamiętać, że pokrewne łupki węglowe mają najwyższą zawartość uranu). Eksperymenty wykazały, że roztwór stosowany podczas szczelinowania doskonale rozpuszcza uran. „Kiedy uran zawarty w tych wodach wypłynie na powierzchnię, może spowodować skażenie otaczającego obszaru. Nie stwarza to ryzyka promieniowania, ale uran jest pierwiastkiem trującym” – zauważa Tracy Bank w uniwersyteckim komunikacie prasowym z dnia 25 października 2010 r. Nie opracowano jeszcze szczegółowych artykułów na temat ryzyka skażenia środowiska uranem lub torem podczas wydobycia gazu łupkowego.

Dlaczego uran jest potrzebny? Wcześniej był używany jako pigment do produkcji ceramiki i kolorowego szkła. Teraz uran jest podstawą energii nuklearnej i broni atomowej. W tym przypadku wykorzystywana jest jego unikalna właściwość - zdolność jądra do podziału.

Co to jest rozszczepienie jądrowe? Rozpad jądra na dwie nierówne duże części. Właśnie z powodu tej właściwości podczas nukleosyntezy pod wpływem napromieniowania neutronami z wielkim trudem powstają jądra cięższe od uranu. Istota zjawiska jest następująca. Jeśli stosunek liczby neutronów i protonów w jądrze nie jest optymalny, staje się ono niestabilne. Zazwyczaj takie jądro emituje albo cząstkę alfa - dwa protony i dwa neutrony, albo cząstkę beta - pozyton, czemu towarzyszy przemiana jednego z neutronów w proton. W pierwszym przypadku otrzymujemy element układu okresowego oddalony o dwie komórki do tyłu, w drugim o jedną komórkę do przodu. Jednak oprócz emisji cząstek alfa i beta jądro uranu jest zdolne do rozszczepienia - rozpadu na jądra dwóch pierwiastków znajdujących się w środku układu okresowego, na przykład baru i kryptonu, co dzieje się po otrzymaniu nowego neutronu. Zjawisko to odkryto wkrótce po odkryciu radioaktywności, kiedy fizycy wystawili nowo odkryte promieniowanie na wszystko, co tylko mogli. Oto jak pisze na ten temat Otto Frisch, uczestnik wydarzeń („Advances in Physical Sciences”, 1968, 96, 4). Po odkryciu promieni berylowych – neutronów – Enrico Fermi napromieniował nimi w szczególności uran, aby spowodować rozpad beta – miał nadzieję wykorzystać go do otrzymania kolejnego, 93. pierwiastka, zwanego obecnie neptunem. To on odkrył nowy rodzaj promieniotwórczości w napromieniowanym uranie, który skojarzył z pojawieniem się pierwiastków transuranowych. Jednocześnie spowalnianie neutronów, dla których źródło berylu pokryto warstwą parafiny, zwiększało tę indukowaną radioaktywność. Amerykański radiochemik Aristide von Grosse zasugerował, że jednym z tych pierwiastków jest protaktyn, ale się mylił. Jednak Otto Hahn, który wówczas pracował na Uniwersytecie Wiedeńskim i uważał protaktyn odkryty w 1917 r. za swoje dzieło, zdecydował, że ma obowiązek dowiedzieć się, jakie pierwiastki uzyskano. Wraz z Lise Meitner na początku 1938 roku Hahn zasugerował, na podstawie wyników eksperymentów, że całe łańcuchy pierwiastków promieniotwórczych powstają w wyniku wielokrotnych rozpadów beta pochłaniających neutrony jąder uranu-238 i jego pierwiastków potomnych. Wkrótce Lise Meitner zmuszona była uciekać do Szwecji w obawie przed możliwymi represjami ze strony nazistów po Anschlussie Austrii. Hahn, kontynuując swoje doświadczenia z Fritzem Strassmannem, odkrył, że wśród produktów znajdował się także bar, pierwiastek nr 56, którego w żaden sposób nie można było uzyskać z uranu: wszystkie łańcuchy rozpadów alfa uranu kończą się znacznie cięższym ołowiem. Badacze byli tak zaskoczeni wynikiem, że go nie opublikowali, a jedynie pisali listy do przyjaciół, zwłaszcza Lise Meitner w Göteborgu. Tam na Boże Narodzenie 1938 roku odwiedził ją jej siostrzeniec Otto Frisch i przechadzając się po okolicach zimowego miasta – on na nartach, ciocia pieszo – omawiali możliwość pojawienia się baru podczas napromieniania uranu jako w wyniku rozszczepienia jądrowego (więcej o Lise Meitner w artykule „Chemia i życie”, 2013, nr 4). Wracając do Kopenhagi, Frisch dosłownie złapał Nielsa Bohra na trapie statku wypływającego do Stanów Zjednoczonych i opowiedział mu o idei rozszczepienia. Bohr, uderzając się w czoło, powiedział: „Och, jakimi głupcami byliśmy! Powinniśmy byli to zauważyć wcześniej.” W styczniu 1939 roku Frisch i Meitner opublikowali artykuł na temat rozszczepienia jąder uranu pod wpływem neutronów. W tym czasie Otto Frisch przeprowadził już eksperyment kontrolny, podobnie jak wiele amerykańskich grup, które otrzymały wiadomość od Bohra. Mówią, że fizycy zaczęli rozchodzić się do swoich laboratoriów już podczas jego raportu z 26 stycznia 1939 roku w Waszyngtonie na dorocznej konferencji poświęconej fizyce teoretycznej, kiedy zrozumieli istotę tej idei. Po odkryciu rozszczepienia Hahn i Strassmann zrewidowali swoje eksperymenty i podobnie jak ich koledzy odkryli, że radioaktywność napromieniowanego uranu nie jest związana z transuranami, ale z rozpadem pierwiastków promieniotwórczych powstałych podczas rozszczepienia ze środka układu okresowego.

Jak zachodzi reakcja łańcuchowa w uranie? Wkrótce po doświadczalnym udowodnieniu możliwości rozszczepienia jąder uranu i toru (a na Ziemi nie ma innych pierwiastków rozszczepialnych w znaczącej ilości) pracujący w Princeton Niels Bohr i John Wheeler, a także niezależnie od nich Radziecki fizyk teoretyczny Ya.I. Frenkel oraz Niemcy Siegfried Flügge i Gottfried von Droste stworzyli teorię rozszczepienia jądrowego. Wynikały z tego dwa mechanizmy. Jeden jest związany z progową absorpcją szybkich neutronów. Według niego, aby zainicjować rozszczepienie, neutron musi mieć dość wysoką energię, większą niż 1 MeV dla jąder głównych izotopów - uranu-238 i toru-232. Przy niższych energiach absorpcja neutronów przez uran-238 ma charakter rezonansowy. Zatem neutron o energii 25 eV ma pole przekroju poprzecznego wychwytu, które jest tysiące razy większe niż w przypadku innych energii. W tym przypadku nie będzie rozszczepienia: uran-238 stanie się uranem-239, który przy okresie półtrwania wynoszącym 23,54 minuty zamieni się w neptun-239, który przy okresie półtrwania wynoszącym 2,33 dnia zamieni się w długowieczny pluton-239. Tor-232 stanie się uranem-233.

Drugim mechanizmem jest bezprogowa absorpcja neutronu, po której następuje trzeci, mniej lub bardziej powszechny izotop rozszczepialny - uran-235 (a także pluton-239 i uran-233, które nie występują w przyrodzie): przez absorbując dowolny neutron, nawet powolny, tzw. termiczny, o energii jak dla cząsteczek biorących udział w ruchu termicznym - 0,025 eV, takie jądro ulegnie rozszczepieniu. I to jest bardzo dobre: ​​neutrony termiczne mają pole przekroju poprzecznego wychwytu czterokrotnie większe niż szybkie neutrony megaelektronowoltowe. Takie jest znaczenie uranu-235 dla całej późniejszej historii energii jądrowej: to on zapewnia namnażanie neutronów w uranie naturalnym. Po uderzeniu neutronem jądro uranu-235 staje się niestabilne i szybko dzieli się na dwie nierówne części. Po drodze emitowanych jest kilka (średnio 2,75) nowych neutronów. Jeśli uderzą w jądra tego samego uranu, spowodują wykładnicze mnożenie się neutronów - nastąpi reakcja łańcuchowa, która doprowadzi do eksplozji z powodu szybkiego uwolnienia ogromnej ilości ciepła. Ani uran-238, ani tor-232 nie mogą tak działać: w końcu podczas rozszczepienia emitowane są neutrony o średniej energii 1–3 MeV, czyli jeśli próg energii wynosi 1 MeV, znaczna część neutrony z pewnością nie będą w stanie wywołać reakcji i nie będzie reprodukcji. Oznacza to, że należy zapomnieć o tych izotopach, a neutrony trzeba będzie spowolnić do energii cieplnej, aby jak najskuteczniej oddziaływać z jądrami uranu-235. Jednocześnie nie można dopuścić do ich rezonansowej absorpcji przez uran-238: wszak w uranie naturalnym ten izotop wynosi nieco mniej niż 99,3% i neutrony częściej zderzają się z nim, a nie z docelowym uranem-235. A pełniąc rolę moderatora, można utrzymać namnażanie neutronów na stałym poziomie i zapobiec wybuchowi - kontrolować reakcję łańcuchową.

Obliczenia przeprowadzone przez Ya. B. Zeldovicha i Yu. B. Kharitona w tym samym pamiętnym roku 1939 wykazały, że w tym celu konieczne jest użycie moderatora neutronów w postaci ciężkiej wody lub grafitu i wzbogacenie naturalnego uranu uranem- 235 co najmniej 1,83 razy. Wtedy pomysł ten wydał im się czystą fantazją: „Należy zauważyć, że w przybliżeniu dwukrotne wzbogacenie tych dość znacznych ilości uranu, które są niezbędne do przeprowadzenia eksplozji łańcuchowej,<...>jest zadaniem niezwykle uciążliwym, bliskim praktycznej niemożliwości”. Teraz problem ten został rozwiązany i przemysł nuklearny produkuje masowo uran wzbogacony uranem-235 do 3,5% dla elektrowni.

Co to jest spontaniczne rozszczepienie jądrowe? W 1940 r. G. N. Flerov i K. A. Petrzhak odkryli, że rozszczepienie uranu może nastąpić samoistnie, bez żadnego wpływu zewnętrznego, chociaż okres półtrwania jest znacznie dłuższy niż w przypadku zwykłego rozpadu alfa. Ponieważ w wyniku takiego rozszczepienia powstają również neutrony, jeśli nie pozwoli się im uciec ze strefy reakcji, posłużą jako inicjatorzy reakcji łańcuchowej. To właśnie to zjawisko wykorzystuje się przy tworzeniu reaktorów jądrowych.

Dlaczego energia jądrowa jest potrzebna? Zeldovich i Khariton byli jednymi z pierwszych, którzy obliczyli ekonomiczny efekt energii jądrowej (Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1940, 23, 4). „...W tej chwili nadal nie można wyciągnąć ostatecznych wniosków na temat możliwości lub niemożności przeprowadzenia reakcji rozszczepienia jądrowego z nieskończenie rozgałęzionymi łańcuchami w uranie. Jeśli taka reakcja jest możliwa, wówczas szybkość reakcji jest automatycznie dostosowywana tak, aby zapewnić jej płynny przebieg, pomimo ogromnej ilości energii, jaką dysponuje eksperymentator. Okoliczność ta jest niezwykle korzystna dla wykorzystania energii reakcji. Przedstawmy zatem – choć jest to podział skóry nieuśmierconego niedźwiedzia – kilka liczb charakteryzujących możliwości energetycznego wykorzystania uranu. Jeśli zatem proces rozszczepienia przebiega z szybkimi neutronami, w reakcji wychwytuje się główny izotop uranu (U238), wówczas<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>koszt kalorii z głównego izotopu uranu okazuje się około 4000 razy tańszy niż z węgla (chyba, że ​​procesy „spalania” i odprowadzania ciepła okażą się w przypadku uranu znacznie droższe niż w przypadku węgla). W przypadku wolnych neutronów koszt kalorii „uranowej” (na podstawie powyższych liczb) będzie, biorąc pod uwagę, że obfitość izotopu U235 wynosi 0,007, już tylko 30 razy tańsza niż kaloria „węglowa”, wszystkie inne rzeczy są równe.”

Pierwszą kontrolowaną reakcję łańcuchową przeprowadził w 1942 roku Enrico Fermi na Uniwersytecie w Chicago, a reaktorem sterowano ręcznie, wpychając i wysuwając pręty grafitowe w miarę zmiany strumienia neutronów. Pierwszą elektrownię zbudowano w Obnińsku w 1954 roku. Oprócz wytwarzania energii pierwsze reaktory produkowały także pluton do celów wojskowych.

Jak działa elektrownia jądrowa? Obecnie większość reaktorów działa na wolnych neutronach. Wzbogacony uran w postaci metalu, stopu takiego jak aluminium lub tlenku umieszcza się w długich cylindrach zwanych elementami paliwowymi. Są one instalowane w reaktorze w określony sposób, a pomiędzy nimi umieszczane są pręty moderatora, które kontrolują reakcję łańcuchową. Z biegiem czasu w elemencie paliwowym gromadzą się trucizny reaktora - produkty rozszczepienia uranu, które są również zdolne do pochłaniania neutronów. Kiedy stężenie uranu-235 spadnie poniżej poziomu krytycznego, pierwiastek zostaje wycofany z eksploatacji. Zawiera jednak wiele fragmentów rozszczepialnych o silnej radioaktywności, która z biegiem lat maleje, powodując, że pierwiastki przez długi czas emitują znaczną ilość ciepła. Trzyma się je w basenach chłodniczych, a następnie zakopuje lub próbuje poddać obróbce w celu wydobycia niespalonego uranu-235, powstałego plutonu (wykorzystywano go do produkcji bomb atomowych) i innych izotopów, które można wykorzystać. Niewykorzystaną część wysyła się na cmentarze.

W tak zwanych reaktorach prędkich, czyli reaktorach powielających, wokół elementów instalowane są reflektory wykonane z uranu-238 lub toru-232. Zwalniają i wysyłają z powrotem do strefy reakcji neutrony, które są zbyt szybkie. Neutrony zwolnione do prędkości rezonansowych pochłaniają te izotopy, zamieniając się odpowiednio w pluton-239 lub uran-233, które mogą służyć jako paliwo dla elektrowni jądrowej. Ponieważ szybkie neutrony słabo reagują z uranem-235, należy znacznie zwiększyć jego stężenie, ale opłaci się to silniejszym strumieniem neutronów. Pomimo tego, że reaktory powielające uważane są za przyszłość energetyki jądrowej, gdyż wytwarzają więcej paliwa jądrowego, niż zużywają, eksperymenty wykazały, że są one trudne w zarządzaniu. Obecnie na świecie pozostał już tylko jeden taki reaktor – w czwartym bloku energetycznym elektrowni jądrowej w Biełojarsku.

Jak krytykuje się energię jądrową? Jeśli nie mówimy o wypadkach, to głównym punktem dzisiejszej argumentacji przeciwników energetyki jądrowej jest propozycja doliczenia do kalkulacji jej efektywności kosztów ochrony środowiska po likwidacji stacji i podczas pracy z paliwem. W obu przypadkach powstają wyzwania związane z niezawodnym unieszkodliwianiem odpadów promieniotwórczych, a są to koszty ponoszone przez państwo. Istnieje opinia, że ​​jeśli przeniesiemy je na koszt energii, wówczas zniknie jej atrakcyjność ekonomiczna.

Sprzeciw jest także wśród zwolenników energetyki jądrowej. Jego przedstawiciele wskazują na wyjątkowość uranu-235, który nie ma zamiennika, ponieważ w przyrodzie nie występują alternatywne izotopy rozszczepialne przez neutrony termiczne - pluton-239 i uran-233 - ze względu na ich okres półtrwania wynoszący tysiące lat. Otrzymuje się je właśnie w wyniku rozszczepienia uranu-235. Jeśli się skończy, zniknie wspaniałe naturalne źródło neutronów potrzebnych do jądrowej reakcji łańcuchowej. W wyniku takiego marnotrawstwa ludzkość straci w przyszłości możliwość włączenia do obiegu energetycznego toru-232, którego zasoby są kilkakrotnie większe niż uranu.

Teoretycznie akceleratory cząstek można wykorzystać do wytworzenia strumienia szybkich neutronów o energii megaelektronowoltów. Jeśli jednak mówimy na przykład o lotach międzyplanetarnych na silniku nuklearnym, wówczas wdrożenie schematu z nieporęcznym akceleratorem będzie bardzo trudne. Wyczerpanie się uranu-235 kładzie kres takim projektom.

Co to jest uran do celów wojskowych? Jest to wysoko wzbogacony uran-235. Jego masa krytyczna – odpowiadająca wielkości kawałka substancji, w której samoistnie zachodzi reakcja łańcuchowa – jest na tyle mała, że ​​można wyprodukować amunicję. Taki uran można wykorzystać do budowy bomby atomowej, a także jako zapalnik do bomby termojądrowej.

Jakie katastrofy wiążą się ze stosowaniem uranu? Energia zmagazynowana w jądrach pierwiastków rozszczepialnych jest ogromna. Jeśli wymknie się spod kontroli z powodu niedopatrzenia lub celowo, energia ta może spowodować wiele problemów. Dwie najgorsze katastrofy nuklearne miały miejsce 6 i 8 sierpnia 1945 r., kiedy Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych zrzuciły bomby atomowe na Hiroszimę i Nagasaki, zabijając i raniąc setki tysięcy cywilów. Katastrofy na mniejszą skalę są związane z awariami w elektrowniach jądrowych i przedsiębiorstwach zajmujących się cyklem jądrowym. Pierwsza poważna awaria miała miejsce w 1949 r. w ZSRR w fabryce Majak pod Czelabińskiem, gdzie produkowano pluton; Płynne odpady radioaktywne trafiły do ​​rzeki Techa. We wrześniu 1957 r. nastąpiła na nim eksplozja, w wyniku której uwolniła się duża ilość materiału radioaktywnego. Jedenaście dni później spłonął brytyjski reaktor do produkcji plutonu w Windscale, a chmura z produktami eksplozji rozproszyła się po Europie Zachodniej. W 1979 roku spłonął reaktor w elektrowni jądrowej Three Mail Island w Pensylwanii. Najbardziej powszechne skutki przyniosły awarie w elektrowni jądrowej w Czarnobylu (1986 r.) i elektrowni jądrowej w Fukushimie (2011 r.), podczas których napromieniowane zostały miliony ludzi. Pierwsza zaśmieciła rozległe obszary, uwalniając 8 ton paliwa uranowego i produktów rozpadu w wyniku eksplozji, która rozprzestrzeniła się po całej Europie. Drugi zanieczyszczał i trzy lata po wypadku nadal zanieczyszcza Ocean Spokojny na obszarach rybackich. Likwidacja skutków tych awarii była bardzo kosztowna, a gdyby rozłożyć te koszty na koszt energii elektrycznej, znacznie by wzrósł.

Osobną kwestią są skutki dla zdrowia człowieka. Według oficjalnych statystyk wiele osób, które przeżyły bombardowanie lub mieszkały na skażonych obszarach, odniosło korzyści z promieniowania – ci pierwsi żyją dłużej, ci drudzy rzadziej chorują na nowotwory, a eksperci przypisują pewien wzrost śmiertelności stresowi społecznemu. Liczba osób, które zginęły właśnie na skutek wypadków lub w wyniku ich likwidacji, sięga kilkuset osób. Przeciwnicy elektrowni jądrowych zwracają uwagę, że awarie doprowadziły do ​​kilku milionów przedwczesnych zgonów na kontynencie europejskim, ale w kontekście statystycznym są one po prostu niewidoczne.

Wycofywanie terenów z użytkowania przez człowieka w strefach wypadków prowadzi do ciekawego rezultatu: stają się one swego rodzaju rezerwatami przyrody, w których rośnie różnorodność biologiczna. To prawda, że ​​niektóre zwierzęta cierpią na choroby wywołane promieniowaniem. Otwarte pozostaje pytanie, jak szybko dostosują się do zwiększonego tła. Istnieje także opinia, że ​​konsekwencją przewlekłego napromieniania jest „selekcja dla głupców” (por. „Chemia i życie”, 2010, nr 5): nawet w fazie embrionalnej przeżywają organizmy bardziej prymitywne. W szczególności w odniesieniu do ludzi powinno to prowadzić do obniżenia sprawności umysłowej pokolenia urodzonego na terenach skażonych wkrótce po wypadku.

Co to jest zubożony uran? Jest to uran-238, pozostały po oddzieleniu od niego uranu-235. Ilości odpadów z produkcji uranu do celów wojskowych i elementów paliwowych są duże – w samych Stanach Zjednoczonych zgromadzono 600 tysięcy ton takiego sześciofluorku uranu (problemy z tym związane zob. Chemistry and Life, 2008, nr 5). . Zawartość uranu-235 wynosi 0,2%. Odpady te trzeba albo przechować do lepszych czasów, kiedy powstaną reaktory na prędkie neutrony i będzie można przetworzyć uran-238 na pluton, albo w jakiś sposób wykorzystać.

Znaleźli dla tego zastosowanie. Uran, podobnie jak inne pierwiastki przejściowe, służy jako katalizator. Przykładowo autorzy artykułu w ACS Nano z 30 czerwca 2014 r. piszą, że katalizator wykonany z uranu lub toru z grafenem do redukcji tlenu i nadtlenku wodoru „ma ogromny potencjał zastosowania w energetyce”. Ponieważ uran ma dużą gęstość, służy jako balast dla statków i przeciwwaga dla samolotów. Metal ten nadaje się również do ochrony przed promieniowaniem w urządzeniach medycznych ze źródłami promieniowania.

Jaką broń można wyprodukować ze zubożonego uranu? Pociski i rdzenie do pocisków przeciwpancernych. Obliczenie jest tutaj następujące. Im cięższy pocisk, tym większa jest jego energia kinetyczna. Ale im większy pocisk, tym mniej skoncentrowane jest jego uderzenie. Oznacza to, że potrzebne są metale ciężkie o dużej gęstości. Pociski robi się z ołowiu (myśliwi z Uralu używali kiedyś rodzimej platyny, dopóki nie zdali sobie sprawy, że jest to metal szlachetny), natomiast rdzenie łusek wykonane są ze stopu wolframu. Ekolodzy zwracają uwagę, że ołów zanieczyszcza glebę w miejscach działań wojennych czy polowań i lepiej byłoby go zastąpić czymś mniej szkodliwym, np. wolframem. Ale wolfram nie jest tani, a uran o podobnej gęstości jest szkodliwym odpadem. Jednocześnie dopuszczalne zanieczyszczenie gleby i wody uranem jest w przybliżeniu dwukrotnie wyższe niż w przypadku ołowiu. Dzieje się tak, ponieważ pomija się słabą radioaktywność zubożonego uranu (a jest ona również o 40% mniejsza niż uranu naturalnego) i bierze się pod uwagę naprawdę niebezpieczny czynnik chemiczny: uran, jak pamiętamy, jest trujący. Jednocześnie jego gęstość jest 1,7 razy większa niż ołowiu, co oznacza, że ​​rozmiar pocisków uranowych można zmniejszyć o połowę; uran jest znacznie bardziej ogniotrwały i twardy niż ołów - podczas wystrzeliwania mniej paruje, a gdy trafi w cel, wytwarza mniej mikrocząstek. Ogólnie rzecz biorąc, pocisk uranowy jest mniej zanieczyszczający niż pocisk ołowiany, chociaż takie wykorzystanie uranu nie jest pewne.

Wiadomo jednak, że płyty ze zubożonego uranu służą do wzmacniania pancerza amerykańskich czołgów (ułatwia to jego wysoka gęstość i temperatura topnienia), a także zamiast stopu wolframu w rdzeniach pocisków przeciwpancernych. Rdzeń uranowy jest również dobry, ponieważ uran jest piroforyczny: jego gorące małe cząsteczki powstałe w wyniku uderzenia w pancerz wybuchają i podpalają wszystko wokół. Obydwa zastosowania są uważane za bezpieczne dla promieniowania. Zatem obliczenia wykazały, że nawet po roku siedzenia w zbiorniku o pancerzu uranowym załadowanym amunicją uranową załoga otrzyma tylko jedną czwartą dopuszczalnej dawki. Aby uzyskać roczną dopuszczalną dawkę, należy przykręcić taką amunicję do powierzchni skóry na 250 godzin.

Pociski z rdzeniem uranowym – do dział lotniczych kal. 30 mm lub podkalibrów artylerii – były używane przez Amerykanów w ostatnich wojnach, począwszy od kampanii w Iraku w 1991 roku. W tym samym roku spadł deszcz na irackie jednostki pancerne w Kuwejcie i podczas ich odwrotu 300 ton zubożonego uranu, z czego 250 ton, czyli 780 tysięcy nabojów, wystrzelono w działa lotnicze. W Bośni i Hercegowinie podczas bombardowania armii nierozpoznanej Republiki Serbskiej wydano 2,75 tony uranu, a podczas ostrzału armii jugosłowiańskiej w rejonie Kosowa i Metohiji – 8,5 tony, czyli 31 tysięcy nabojów. Ponieważ WHO była już wówczas zaniepokojona konsekwencjami użycia uranu, przeprowadzono monitorowanie. Pokazał, że jedna salwa składała się z około 300 nabojów, z czego 80% zawierało zubożony uran. 10% trafiło w cele, a 82% spadło w promieniu 100 metrów od nich. Reszta rozproszyła się w promieniu 1,85 km. Pocisk, który trafił w czołg, spłonął i zamienił się w aerozol, a pocisk uranowy przebił lekkie cele, takie jak transportery opancerzone. W ten sposób co najwyżej półtora tony pocisków mogłoby w Iraku zamienić się w pył uranowy. Według ekspertów z amerykańskiego centrum badań strategicznych RAND Corporation więcej, od 10 do 35% zużytego uranu, zamieniło się w aerozol. Chorwacki działacz na rzecz amunicji przeciwuranowej Asaf Durakovic, który pracował w różnych organizacjach, od szpitala King Faisal w Riyadzie po Washington Uranium Medical Research Center, szacuje, że w samym południowym Iraku w 1991 r. powstało 3–6 ton submikronowych cząstek uranu, które były rozproszone na dużym obszarze, czyli zanieczyszczenie uranem jest porównywalne z Czarnobylem.

Uran nie jest typowym aktynowcem, znanych jest jego pięć stanów walencyjnych – od 2+ do 6+. Niektóre związki uranu mają charakterystyczny kolor. Zatem roztwory uranu trójwartościowego są czerwone, uran czterowartościowy jest zielony, a uran sześciowartościowy - występuje w postaci jonu uranylu (UO 2) 2+ - barwi roztwory na żółto... Fakt, że uran sześciowartościowy tworzy związki z wieloma substancjami organicznymi czynniki kompleksujące, okazały się bardzo istotne dla technologii ekstrakcji pierwiastka nr 92.

Charakterystyczne jest, że zewnętrzna powłoka elektronowa jonów uranu jest zawsze całkowicie wypełniona; Elektrony walencyjne znajdują się w poprzedniej warstwie elektronowej, na podpowłoce 5f. Jeśli porównamy uran z innymi pierwiastkami, oczywiste jest, że pluton jest do niego najbardziej podobny. Główną różnicą między nimi jest duży promień jonowy uranu. Ponadto pluton jest najbardziej stabilny w stanie czterowartościowym, a uran jest najbardziej stabilny w stanie sześciowartościowym. Pomaga to je rozdzielić, co jest bardzo ważne: pluton-239 w paliwie jądrowym otrzymywany jest wyłącznie z uranu, który z energetycznego punktu widzenia jest balastem uranu-238. Pluton tworzy się w masie uranu i należy je oddzielić!

Najpierw jednak trzeba zdobyć tę właśnie masę uranu, przechodząc przez długi łańcuch technologiczny, zaczynając od rudy. Zwykle jest to wieloskładnikowa ruda uboga w uran.

Lekki izotop ciężkiego pierwiastka

Kiedy mówiliśmy o zdobyciu elementu nr 92, celowo pominęliśmy jeden ważny etap. Jak wiadomo, nie cały uran jest w stanie podtrzymać jądrową reakcję łańcuchową. Uran-238, który stanowi 99,28% naturalnej mieszaniny izotopów, nie jest do tego zdolny. Z tego powodu uran-238 przekształca się w pluton i stara się oddzielić naturalną mieszaninę izotopów uranu lub wzbogacić ją izotopem uranu-235, który jest zdolny do rozszczepienia neutronów termicznych.

Opracowano wiele metod oddzielania uranu-235 i uranu-238. Najczęściej stosowana jest metoda dyfuzji gazowej. Jego istotą jest to, że jeśli mieszanina dwóch gazów przejdzie przez porowatą przegrodę, wówczas światło będzie przechodzić szybciej. Już w 1913 roku F. Aston częściowo oddzielił w ten sposób izotopy neonu.

Większość związków uranu w normalnych warunkach ma charakter stały i można je przekształcić w stan gazowy dopiero w bardzo wysokich temperaturach, kiedy nie można mówić o żadnych subtelnych procesach separacji izotopów. Natomiast bezbarwny związek uranu z fluorem, sześciofluorek UF 6, sublimuje już w temperaturze 56,5°C (pod ciśnieniem atmosferycznym). UF 6 jest najbardziej lotnym związkiem uranu i najlepiej nadaje się do rozdzielania jego izotopów metodą dyfuzji gazowej.

Sześciofluorek uranu charakteryzuje się dużą aktywnością chemiczną. Korozja rur, pomp, zbiorników, interakcja ze smarowaniem mechanizmów – niewielka, ale imponująca lista problemów, z którymi musieli się uporać twórcy instalacji dyfuzyjnych. Natrafiliśmy na jeszcze poważniejsze trudności.

Sześciofluorek uranu, otrzymywany przez fluoryzację naturalnej mieszaniny izotopów uranu, z „dyfuzyjnego” punktu widzenia można uznać za mieszaninę dwóch gazów o bardzo podobnych masach cząsteczkowych - 349 (235+19*6) i 352 (238) +19*6). Maksymalny teoretyczny współczynnik separacji w jednym stopniu dyfuzji dla gazów tak nieznacznie różniących się masą cząsteczkową wynosi zaledwie 1,0043. W rzeczywistych warunkach wartość ta jest jeszcze mniejsza. Okazuje się, że zwiększenie stężenia uranu-235 z 0,72 do 99% jest możliwe jedynie za pomocą kilku tysięcy etapów dyfuzji. Dlatego zakłady separacji izotopów uranu zajmują powierzchnię kilkudziesięciu hektarów. Powierzchnia porowatych przegród w kaskadach oddzielających fabryki jest w przybliżeniu tego samego rzędu wielkości.

Krótko o innych izotopach uranu

Uran naturalny, oprócz uranu-235 i uranu-238, obejmuje uran-234. Obfitość tego rzadkiego izotopu wyraża się liczbą z czterema zerami po przecinku. Znacznie łatwiej dostępnym sztucznym izotopem jest uran-233. Otrzymuje się go przez napromienianie toru w strumieniu neutronów reaktora jądrowego:

232 90 Th + 10n → 233 90 Th -β- → 233 91 Pa -β- → 233 92 U
Zgodnie ze wszystkimi zasadami fizyki jądrowej uran-233, jako izotop nieparzysty, jest dzielony przez neutrony termiczne. A co najważniejsze, w reaktorach z uranem-233 może (i ma miejsce) reprodukcja rozszerzonego paliwa jądrowego. W konwencjonalnym reaktorze na neutrony termiczne! Obliczenia pokazują, że gdy kilogram uranu-233 spali się w reaktorze torowym, powinno zgromadzić się w nim 1,1 kg nowego uranu-233. Cud i tyle! Spaliliśmy kilogram paliwa, ale ilość paliwa nie malała.

Jednak takie cuda są możliwe tylko w przypadku paliwa nuklearnego.

Cykl uran-tor w reaktorach na neutrony termiczne jest głównym konkurentem cyklu uran-pluton w reprodukcji paliwa jądrowego w reaktorach na neutrony szybkie... Właściwie tylko z tego powodu pierwiastek nr 90 - tor - został sklasyfikowany jako pierwiastek nr 90 - tor - materiał strategiczny.

Inne sztuczne izotopy uranu nie odgrywają znaczącej roli. Warto jedynie wspomnieć o uranie-239 – pierwszym izotopie w łańcuchu przemian uranu-238 i plutonu-239. Jego okres półtrwania wynosi tylko 23 minuty.

Izotopy uranu o liczbie masowej większej niż 240 nie mają czasu na powstanie w nowoczesnych reaktorach. Żywotność uranu-240 jest zbyt krótka i rozpada się, zanim zdąży wychwycić neutron.

W superpotężnych strumieniach neutronów powstających podczas eksplozji termojądrowej jądro uranu jest w stanie wychwycić do 19 neutronów w ciągu jednej milionowej sekundy. W tym przypadku rodzą się izotopy uranu o liczbach masowych od 239 do 257. O ich istnieniu dowiedziano się na podstawie pojawienia się odległych pierwiastków transuranowych - potomków ciężkich izotopów uranu - w produktach eksplozji termojądrowej. Sami „założyciele rodzaju” są zbyt niestabilni, aby rozpadać się w fazie beta i przechodzić do wyższych pierwiastków na długo przed wyodrębnieniem produktów reakcji jądrowych ze skały zmieszanej w wyniku eksplozji.

Nowoczesne reaktory termiczne spalają uran-235. W istniejących już reaktorach na prędkie neutrony uwalniana jest energia jąder wspólnego izotopu uranu-238, a jeśli energia jest prawdziwym bogactwem, to jądra uranu w najbliższej przyszłości przyniosą korzyści ludzkości: energia pierwiastka nr 92 stać się podstawą naszego istnienia.

Niezwykle ważne jest zapewnienie, aby uran i jego pochodne spalały się wyłącznie w reaktorach jądrowych pokojowych elektrowni, paliły się powoli, bez dymu i płomieni.

KOLEJNE ŹRÓDŁO URANU. Obecnie stała się wodą morską. Działają już pilotażowo-przemysłowe instalacje do ekstrakcji uranu z wody za pomocą specjalnych sorbentów: tlenku tytanu lub włókna akrylowego poddanego obróbce określonymi odczynnikami.

KTO ILE. Na początku lat 80. produkcja uranu w krajach kapitalistycznych wynosiła około 50 000 g rocznie (w przeliczeniu na U3O). Około jedną trzecią tej kwoty dostarczył przemysł amerykański. Kanada jest na drugim miejscu, a za nią Republika Południowej Afryki. Nigor, Gabon, Namibia. Spośród krajów europejskich najwięcej uranu i jego związków produkuje Francja, ale jej udział był prawie siedmiokrotnie mniejszy niż Stany Zjednoczone.

NIETRADYCYJNE POŁĄCZENIA. Chociaż nie bez powodu chemia uranu i plutonu jest lepiej zbadana niż chemia tradycyjnych pierwiastków, takich jak żelazo, chemicy wciąż odkrywają nowe związki uranu. I tak w 1977 r. ukazało się czasopismo „Radiochemia”, t. XIX, nr. 6 donieśli o dwóch nowych związkach uranylu. Ich skład to MU02(S04)2-SH20, gdzie M oznacza dwuwartościowy jon manganu lub kobaltu. Wzory dyfrakcji promieni rentgenowskich wykazały, że nowe związki są solami podwójnymi, a nie mieszaniną dwóch podobnych soli.

Technologie jądrowe w dużej mierze opierają się na wykorzystaniu metod radiochemicznych, które z kolei opierają się na jądrowych właściwościach fizycznych, fizycznych, chemicznych i toksycznych pierwiastków promieniotwórczych.

W tym rozdziale ograniczymy się do krótkiego opisu właściwości głównych izotopów rozszczepialnych - uranu i plutonu.

Uran

Uran ( uran) U - pierwiastek grupy aktynowców, 7-0 okres układu okresowego, Z=92, masa atomowa 238,029; najcięższy występujący w przyrodzie.

Znanych jest 25 izotopów uranu, wszystkie radioaktywne. Najłatwiejszym 217U (Tj/ 2 =26 ms), najcięższy 2 4 2 U (7 T J / 2 =i6,8 min). Istnieje 6 izomerów jądrowych. Naturalny uran zawiera trzy izotopy promieniotwórcze: 2 8 i (99, 2 739%, Ti/ 2 = 4,47109 l), 2 35 U (0,7205%, G, / 2 = 7,04-109 lat) i 2 34 U ( 0,0056%, Ti/ 2=2,48-yuz l). Radioaktywność właściwa uranu naturalnego wynosi 2,48104 Bq i jest podzielona prawie w połowie pomiędzy 2,34 U i 288 U; 2 35U ma niewielki udział (aktywność właściwa izotopu 2 ​​zi w uranie naturalnym jest 21 razy mniejsza niż aktywność 2 3 8 U). Przekroje wychwytu neutronów termicznych wynoszą odpowiednio 46, 98 i 2,7 barna dla 2 zzi, 2 35U i 2 3 8 U; podział sekcji 527 i 584 stodoła na 2 zzi i 2 z 8 oraz odpowiednio; naturalna mieszanina izotopów (0,7% 235U) 4,2 barn.

Tabela 1. Właściwości fizyczne jądra 2 h9 Ri i 2 35T.

Tabela 2. Wychwytywanie neutronów 2 35T i 2 z 8 C.

Do spontanicznego rozszczepienia zdolnych jest sześć izotopów uranu: 282 U, 2 zzi, 234 U, 235 U, 2 z 6 i oraz 2 z 8 i. Naturalne izotopy 2 33 i 2 35 U rozszczepione pod wpływem zarówno neutronów termicznych, jak i szybkich oraz jądra 2 3 8 są zdolne do rozszczepienia tylko wtedy, gdy wychwytują neutrony o energii większej niż 1,1 MeV. Przy wychwytywaniu neutronów o niższej energii jądra 288 U najpierw przekształcają się w jądra 2 -i9U, które następnie ulegają rozpadowi p i przekształcają się najpierw w 2 -"*9Np, a następnie w 2 39Pu. Efektywne przekroje poprzeczne do wychwytywania ciepła neutronów 2 34U, 2 jąder 35U i 2 3 8 i są równe odpowiednio 98, 683 i 2,7 barna Całkowite rozszczepienie 2 35 U prowadzi do „ekwiwalentu energii cieplnej” wynoszącej 2-107 kWh / kg Izotopy 2 35 U i 2 zzi są wykorzystywane jako paliwo jądrowe, zdolne do podtrzymania reakcji łańcuchowej rozszczepienia.

Reaktory jądrowe wytwarzają n sztucznych izotopów uranu o liczbach masowych 227-^240, z których najdłużej żyje 233U (7 V2 =i.62 *około 5 lat); otrzymuje się go przez napromienianie neutronami toru. W superpotężnych strumieniach neutronów wybuchu termojądrowego rodzą się izotopy uranu o liczbach masowych 239^257.

Uran-232- nuklid technogenny, a-emiter, Tx / 2=68,9 lat, izotopy macierzyste 2 h 6 Pu(a), 23 2 Np(p*) i 23 2 Ra(p), nuklid potomny 228 Th. Intensywność spontanicznego rozszczepienia wynosi 0,47 działek/s kg.

Uran-232 powstaje w wyniku następujących rozpadów:

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

W przemyśle nuklearnym 2 3 2 U powstaje jako produkt uboczny podczas syntezy rozszczepialnego (o jakości broni) nuklidu 2 zi w cyklu paliwowym toru. Kiedy 2 3 2 Th zostanie napromieniowane neutronami, zachodzi główna reakcja:

i dwuetapowa reakcja uboczna:

Produkcja 232 U z toru zachodzi tylko przy użyciu szybkich neutronów (MI„>6 MeV). Jeżeli substancja wyjściowa zawiera 2 3°TH, to utworzenie 2 3 2 U uzupełnia reakcja: 2 3°TH + u-> 2 3'TH. Reakcja ta zachodzi przy użyciu neutronów termicznych. Generowanie 2 3 2 U jest niepożądane z wielu powodów. Tłumi się go za pomocą toru o minimalnym stężeniu 2 3°TH.

Rozpad 2 × 2 przebiega w następujących kierunkach:

Rozpad 228 Th (prawdopodobieństwo 10%, energia rozpadu 5,414 MeV):

energia emitowanych cząstek alfa wynosi 5,263 MeV (w 31,6% przypadków) i 5,320 MeV (w 68,2% przypadków).

• - spontaniczne rozszczepienie (prawdopodobieństwo mniejsze niż ~ 12%);
• - rozpad klastra z utworzeniem nuklidu 28 Mg (prawdopodobieństwo rozpadu mniejsze niż 5*10" 12%):

Rozpad klastrów z utworzeniem nuklidu 2

Uran-232 jest założycielem długiego łańcucha rozpadu, w skład którego wchodzą nuklidy - emitery twardych kwantów y:

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

Akumulacja 2 3 2 U jest nieunikniona podczas produkcji 2 zi w cyklu energetycznym toru. Intensywne promieniowanie y powstające w wyniku rozpadu 2 3 2 U utrudnia rozwój energii toru. Niezwykłe jest to, że parzysty izotop 2 3 2 11 ma duży przekrój poprzeczny rozszczepienia pod wpływem neutronów (75 barnów dla neutronów termicznych), a także duży przekrój wychwytu neutronów - 73 barny. 2 3 2 U jest stosowany w metodzie znacznika radioaktywnego w badaniach chemicznych.

2 h 2 i jest założycielem długiego łańcucha rozpadu (zgodnie ze schematem 2 h 2 T), który obejmuje emitery nuklidów twardych kwantów y. Akumulacja 2 3 2 U jest nieunikniona podczas produkcji 2 zi w cyklu energetycznym toru. Intensywne promieniowanie y powstające w wyniku rozpadu 232 U utrudnia rozwój energii toru. Niezwykłe jest to, że parzysty izotop 2 3 2 U ma duży przekrój poprzeczny rozszczepienia pod wpływem neutronów (75 barnów dla neutronów termicznych), a także duży przekrój wychwytu neutronów – 73 barny. 2 3 2 U jest często stosowany w metodzie znacznika radioaktywnego w badaniach chemicznych i fizycznych.

Uran-233- radionuklid sztuczny, a-emiter (energia 4,824 (82,7%) i 4,783 MeV (14,9%)), Tvi= 1,585105 lat, nuklidy macierzyste 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +)-> 2 ззРа(р), nuklid potomny 22 9Th. 2 zzi otrzymuje się w reaktorach jądrowych z toru: 2 z 2 Th wychwytuje neutron i zamienia się w 2 zzT, który rozpada się na 2 zzRa, a następnie na 2 zzi. Jądra 2 zi (izotop nieparzysty) są zdolne zarówno do rozszczepienia samoistnego, jak i pod wpływem neutronów o dowolnej energii, co czyni je odpowiednimi do produkcji zarówno broni atomowej, jak i paliwa reaktorowego. Efektywny przekrój rozszczepienia wynosi 533 bary, przekrój wychwytu wynosi 52 bary, wydajność neutronów: na zdarzenie rozszczepienia - 2,54, na zaabsorbowany neutron - 2,31. Masa krytyczna 2 zzi jest trzykrotnie mniejsza niż masa krytyczna 2 35U (-16 kg). Intensywność spontanicznego rozszczepienia wynosi 720 działek/s kg.

Uran-233 powstaje w wyniku następujących rozpadów:

- (3 + -rozpad nuklidu 2 33Np (7^=36,2 min):

Na skalę przemysłową 2 zi otrzymuje się z 2 32Th przez napromienianie neutronami:

Kiedy neutron jest absorbowany, jądro 2 zzi zwykle pęka, ale czasami wychwytuje neutron, zamieniając się w 2 34U. Chociaż 2 zzi zwykle dzieli się po zaabsorbowaniu neutronu, czasami zatrzymuje neutron, zamieniając się w 2 34U. Produkcja 2 cyrkonów odbywa się zarówno w reaktorach prędkich, jak i termicznych.

Z punktu widzenia broni 2 ZZI jest porównywalny z 2 39Pu: jego radioaktywność stanowi 1/7 aktywności 2 39Pu (Ti/ 2 = 159200 litrów wobec 24100 litrów dla Pu), masa krytyczna 2 zi jest o 60% większa niż ^Pu (16 kg kontra 10 kg), a tempo spontanicznego rozszczepienia jest 20 razy większe (bth - ' w porównaniu z 310 10). Strumień neutronów z 2 zzi jest trzykrotnie większy niż z 2 39Pi. Stworzenie ładunku jądrowego w oparciu o 2 zi wymaga większego wysiłku niż w przypadku ^Pi. Główną przeszkodą jest obecność w 2ZZI domieszki 232 U, której promieniowanie y rozpadu utrudnia pracę z 2ZZI i ułatwia wykrycie gotowej broni. Ponadto krótki okres półtrwania wynoszący 2 3 2 U czyni go aktywnym źródłem cząstek alfa. 2zi z 1% 232 i ma trzykrotnie większą aktywność a niż pluton do broni, a zatem większą radiotoksyczność. Ta aktywność powoduje powstawanie neutronów w lekkich elementach ładunku broni. Aby zminimalizować ten problem, obecność pierwiastków takich jak Be, B, F, Li powinna być minimalna. Obecność tła neutronowego nie ma wpływu na działanie układów implozji, ale obwody armat wymagają wysokiego stopnia czystości dla pierwiastków lekkich.Zawartość 23 2 U w broni klasy 2 zis nie powinna przekraczać 5 części na milion (0,0005% ).W paliwie reaktorów elektroenergetycznych obecność 2 3G nie jest szkodliwa, a nawet pożądana, gdyż ogranicza możliwość wykorzystania uranu do celów zbrojeniowych. Po przetworzeniu wypalonego paliwa i ponownym wykorzystaniu paliwa zawartość 232U osiąga około 1+ 0,2%.

Rozpad 2 zi przebiega w następujących kierunkach:

Rozpad w 22 9Th (prawdopodobieństwo 10%, energia rozpadu 4,909 MeV):

energia emitowanych cząstek yahr wynosi 4,729 MeV (w 1,61% przypadków), 4,784 MeV (w 13,2% przypadków) i 4,824 MeV (w 84,4% przypadków).

• - podział spontaniczny (prawdopodobieństwo
• - rozpad klastra z utworzeniem nuklidu 28 Mg (prawdopodobieństwo rozpadu mniejsze niż 1,3*10_13%):

Rozpad klastrów z utworzeniem nuklidu 24 Ne (prawdopodobieństwo rozpadu 7,3-10-„%):

Łańcuch rozpadu 2 zzi należy do szeregu neptunów.

Radioaktywność właściwa 2zi wynosi 3,57-8 Bq/g, co odpowiada aktywności (i radiotoksyczności) -15% plutonu. Już 1% 2 3 2 U zwiększa radioaktywność do 212 mCi/g.

Uran-234(Uran II, UII) część naturalnego uranu (0,0055%), 2,445105 lat, a-emiter (energia cząstek a 4,777 (72%) i

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

izotop potomny w 2 z”th.

Zazwyczaj 234 U pozostaje w równowadze z 2 h 8 u, rozpadając się i tworząc w tym samym tempie. Około połowa radioaktywności naturalnego uranu pochodzi z 234U. Zazwyczaj 234U otrzymuje się metodą chromatografii jonowymiennej starych preparatów czystego 2 × 8 Pu. Podczas rozpadu a *zRi daje 2 34U, więc stare preparaty 2 h 8 Ru są dobrym źródłem 2 34U. yuo g 238Pi zawiera po roku 776 mg 2 34U, po 3 latach

2,2 g 2 34U. Stężenie 2 34U w wysoko wzbogaconym uranie jest dość wysokie ze względu na preferencyjne wzbogacanie lekkimi izotopami. Ponieważ 2 34u jest silnym emiterem y, istnieją ograniczenia dotyczące jego stężenia w uranie przeznaczonym do przetworzenia na paliwo. Podwyższone poziomy 234i są dopuszczalne w reaktorach, ale przetworzone wypalone paliwo już zawiera niedopuszczalne poziomy tego izotopu.

Rozpad 234i przebiega w następujących kierunkach:

Rozpad A w 2,3°Т (prawdopodobieństwo 100%, energia rozpadu 4,857 MeV):

energia wyemitowanych cząstek alfa wynosi 4,722 MeV (w 28,4% przypadków) i 4,775 MeV (w 71,4% przypadków).

• - podział spontaniczny (prawdopodobieństwo 1,73-10-9%).
• - rozpad klastra z utworzeniem nuklidu 28 Mg (prawdopodobieństwo rozpadu 1,4-10%, według innych danych 3,9-10%):

• - rozpad klastra z utworzeniem nuklidów 2 4Ne i 26 Ne (prawdopodobieństwo rozpadu 9-10", 2%, według innych danych 2,3-10_11%):

Jedynym znanym izomerem jest 2·34ti (Tx/2 = 33,5 μs).

Przekrój absorpcji 2 neutronów termicznych 34U wynosi 100 barów, a dla całki rezonansowej uśrednionej dla różnych neutronów pośrednich wynosi 700 barów. Dlatego w termicznych reaktorach neutronowych jest on przekształcany w rozszczepialny 235U w szybszym tempie niż znacznie większa ilość 238U (o przekroju 2,7 barna) w 2 39Ru. W rezultacie wypalone paliwo zawiera mniej 2 34U niż świeże paliwo.

Uran-235 należy do rodziny 4P+3, zdolnych do wywołania reakcji łańcuchowej rozszczepienia. Jest to pierwszy izotop, w którym odkryto reakcję wymuszonego rozszczepienia jądrowego pod wpływem neutronów. Absorbując neutron, 235U staje się 2 zbi, które dzieli się na dwie części, uwalniając energię i emitując kilka neutronów. Rozszczepialny przez neutrony o dowolnej energii i zdolny do samorzutnego rozszczepienia, izotop 2 35U jest częścią naturalnego ufanu (0,72%), emitera a (energie 4,397 (57%) i 4,367 (18%) MeV), Ti/j=7,038-8 lat, nuklidy macierzyste 2 35Pa, 2 35Np i 2 39Pu, córka - 23Th. Szybkość spontanicznego rozszczepienia 2 3su 0,16 rozszczepienia/s kg. Podczas rozszczepienia jednego jądra 2 35U uwalniana jest energia 200 MeV = 3,210 pJ, tj. 18 TJ/mol = 77 TJ/kg. Przekrój rozszczepienia przez neutrony termiczne wynosi 545 barnów, a przez neutrony szybkie - 1,22 barna, wydajność neutronów: na akt rozszczepienia - 2,5, na zaabsorbowany neutron - 2,08.

Komentarz. Przekrój poprzeczny powolnego wychwytu neutronów w celu wytworzenia izotopu 2 ​​sii (oo barn), tak że całkowity przekrój poprzeczny powolnej absorpcji neutronów wynosi 645 barn.

• - spontaniczne rozszczepienie (prawdopodobieństwo 7*10~9%);
• - rozpad klastra z utworzeniem nuklidów 2°Ne, 2 5Ne i 28 Mg (prawdopodobieństwa odpowiednio wynoszą 8-io_10%, 8-kg 10%, 8*10",0%):

Ryż. 1.

Jedynym znanym izomerem jest 2 35n»u (7/2 = 2b min).

Aktywność właściwa 2 35C 7,77-4 Bq/g. Masa krytyczna uranu do celów wojskowych (93,5% 2 35U) dla kuli z reflektorem wynosi 15-7-23 kg.

Rozszczepienie 2 » 5U jest wykorzystywane w broni atomowej, do produkcji energii i do syntezy ważnych aktynowców. Reakcja łańcuchowa jest podtrzymywana przez nadmiar neutronów powstałych podczas rozszczepienia 2 35C.

Uran-236 naturalnie występujący na Ziemi w ilościach śladowych (na Księżycu jest go więcej), a-emiter (?

Ryż. 2. Rodzina radioaktywna 4/7+2 (w tym -з 8 и).

W reaktorze atomowym 2 sz absorbuje neutron termiczny, po czym rozszczepia się z prawdopodobieństwem 82%, a z prawdopodobieństwem 18% emituje kwant y i zamienia się w 2 sb i (na 100 rozszczepionych jąder 2 35U jest są 22 utworzone jądra 2 3 6 U) . W małych ilościach wchodzi w skład świeżego paliwa; gromadzi się podczas napromieniania uranu neutronami w reaktorze i dlatego jest wykorzystywany jako „urządzenie sygnalizacyjne” w przypadku wypalonego paliwa jądrowego. 2 hb i powstaje jako produkt uboczny podczas rozdzielania izotopów metodą dyfuzji gazu podczas regeneracji zużytego paliwa jądrowego. 236 U to trucizna neutronowa powstająca w reaktorze energetycznym, jej obecność w paliwie jądrowym kompensowana jest wysokim stopniem wzbogacenia 2 35 U.

2 z b i służy jako znacznik mieszania się wód oceanicznych.

Uran-237,T&= 6,75 dnia, emiter beta i gamma, można uzyskać w reakcjach jądrowych:

Wykrywanie 287 i przeprowadzane zgodnie z Ej= o,ob MeV (36%), 0,114 MeV (0,06%), 0,165 MeV (2,0%), 0,208 MeV (23%)

237U stosuje się w metodzie radioznacznikowej w badaniach chemicznych. Pomiar stężenia (2–4°A) opadu powstałego w wyniku testów broni atomowej dostarcza cennych informacji na temat rodzaju ładunku i użytego sprzętu.

Uran-238- należy do rodziny 4P+2, jest rozszczepialny przez neutrony o wysokiej energii (powyżej 1,1 MeV), zdolny do samorzutnego rozszczepienia, stanowi podstawę naturalnego uranu (99,27%), a-emiter, 7’; /2=4>468-109 lat, rozpada się bezpośrednio na 2 34Th, tworzy szereg genetycznie powiązanych radionuklidów, a po 18 produktach zamienia się w 206 Рb. Czysty 2 3 8 U ma radioaktywność właściwą 1,22-104 Bq. Okres półtrwania jest bardzo długi – około 10 16 lat, więc prawdopodobieństwo rozszczepienia w odniesieniu do głównego procesu – emisji cząstki alfa – wynosi tylko 10” 7. Jeden kilogram uranu daje tylko 10 samorzutnych rozszczepień na sekundę, i w tym samym czasie cząstki alfa emitują 20 milionów jąder Nuklidy macierzyste: 2 4 2 Pu(a), *38ra(p-) 234Th, córka T,/ 2 = 2 :I 4 Cz.

Uran-238 powstaje w wyniku następujących rozpadów:

2 (V0 4) 2 ] 8H 2 0. Wśród minerałów wtórnych powszechny jest uwodniony fosforan uranylu wapnia Ca(U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0. Często uranowi w minerałach towarzyszą inne przydatne pierwiastki - tytan , tantal, pierwiastki ziem rzadkich. Dlatego naturalnym jest dążenie do kompleksowego przerobu rud zawierających uran.

Podstawowe właściwości fizyczne uranu: masa atomowa 238,0289 amu. (g/mol); promień atomowy 138 pm (1 pm = 12 m); energia jonizacji (pierwszy elektron 7,11 eV; konfiguracja elektronowa -5f36d‘7s 2; stopnie utlenienia 6, 5, 4, 3; GP l = 113 2, 2 °; T t,1=3818°; gęstość 19,05; pojemność cieplna właściwa 0,115 JDKmol); wytrzymałość na rozciąganie 450 MPa, ciepło topnienia 12,6 kJ/mol, ciepło parowania 417 kJ/mol, ciepło właściwe 0,115 J/(mol-K); objętość molowa 12,5 cm3/mol; charakterystyczna temperatura Debye'a © D =200K, temperatura przejścia w stan nadprzewodzący ok.68K.

Uran jest ciężkim, srebrzystobiałym i błyszczącym metalem. Jest nieco bardziej miękki od stali, plastyczny, elastyczny, ma niewielkie właściwości paramagnetyczne, a w postaci proszku jest piroforyczny. Uran ma trzy formy alotropowe: alfa (rombową, a-U, parametry sieci 0=285, b= 587, c=49bpm, stabilny do 667,7°), beta (tetragonalny, p-U, stabilny od 667,7 do 774,8°), gamma (z sześcienną siatką skupioną wokół ciała, y-U, istniejącą od 774,8° do temperatur topnienia, frm= ii34 0), przy czym uran jest najbardziej plastyczny i wygodny w obróbce.

W temperaturze pokojowej rombowa faza a jest stabilna, struktura pryzmatyczna składa się z falistych warstw atomowych równoległych do płaszczyzny ABC, w niezwykle asymetrycznej siatce pryzmatycznej. W obrębie warstw atomy są ściśle powiązane, natomiast siła wiązań pomiędzy atomami w sąsiednich warstwach jest znacznie słabsza (rysunek 4). Ta anizotropowa struktura utrudnia stopowanie uranu z innymi metalami. Tylko molibden i niob tworzą stopy w fazie stałej z uranem. Jednakże uran metaliczny może oddziaływać z wieloma stopami, tworząc związki międzymetaliczne.

W przedziale 668^775° występuje (3-uran. Sieć typu tetragonalnego ma budowę warstwową z warstwami równoległymi do płaszczyzny ok w pozycjach 1/4С, 1/2 Z i 3/4C komórki elementarnej. W temperaturach powyżej 775° tworzy się y-uran z sześcienną siatką skupioną wokół ciała. Dodatek molibdenu pozwala na obecność fazy y w temperaturze pokojowej. Molibden tworzy szeroką gamę roztworów stałych z y-uranem i stabilizuje fazę y w temperaturze pokojowej. y-Uran jest znacznie bardziej miękki i plastyczny niż kruche a- i (3-fazy.

Napromienianie neutronami ma znaczący wpływ na właściwości fizyczne i mechaniczne uranu, powodując zwiększenie wielkości próbki, zmianę kształtu, a także gwałtowne pogorszenie właściwości mechanicznych (pełzanie, kruchość) bloków uranu podczas działanie reaktora jądrowego. Wzrost objętości wynika z akumulacji uranu podczas rozszczepienia zanieczyszczeń pierwiastków o niższej gęstości (tłumaczenie 1% uran na pierwiastki fragmentacyjne zwiększa objętość o 3,4%).

Ryż. 4. Niektóre struktury krystaliczne uranu: a - a-uran, b - p-uran.

Najbardziej powszechnymi metodami otrzymywania uranu w stanie metalicznym jest redukcja jego fluorków metalami alkalicznymi lub ziem alkalicznych lub elektroliza stopionych soli. Uran można również otrzymać poprzez redukcję metalotermiczną z węglików wolframem lub tantalem.

Zdolność do łatwego oddawania elektronów decyduje o właściwościach redukujących uranu i jego większej aktywności chemicznej. Uran może oddziaływać z prawie wszystkimi pierwiastkami z wyjątkiem gazów szlachetnych, uzyskując stopnie utlenienia +2, +3, +4, +5, +6. W roztworze główna wartościowość wynosi 6+.

Metaliczny uran, szybko utleniający się na powietrzu, pokryty jest opalizującą warstwą tlenku. Drobny proszek uranu samozapala się w powietrzu (w temperaturach 1504-175°), tworząc i;) Ow. W temperaturze 1000° uran łączy się z azotem, tworząc żółty azotek uranu. Woda może reagować z metalem powoli w niskich temperaturach i szybko w wysokich temperaturach. Uran reaguje gwałtownie z wrzącą wodą i parą, wydzielając wodór, który tworzy z uranem wodorek

Reakcja ta jest bardziej energetyczna niż spalanie uranu w tlenie. Ta aktywność chemiczna uranu powoduje konieczność ochrony uranu w reaktorach jądrowych przed kontaktem z wodą.

Uran rozpuszcza się w kwasach solnym, azotowym i innych, tworząc sole U(IV), ale nie wchodzi w interakcję z zasadami. Uran wypiera wodór z kwasów nieorganicznych i roztworów soli metali takich jak rtęć, srebro, miedź, cyna, platyna i złoto. Po energicznym wstrząśnięciu cząstki metalu uranu zaczynają świecić.

Cechy strukturalne powłok elektronowych atomu uranu (obecność ^/-elektronów) i niektóre jego właściwości fizykochemiczne stanowią podstawę do zaklasyfikowania uranu do szeregu aktynowców. Istnieje jednak chemiczna analogia między uranem a Cr, Mo i W. Uran jest wysoce reaktywny i reaguje ze wszystkimi pierwiastkami z wyjątkiem gazów szlachetnych. W fazie stałej przykładami U(VI) są trójtlenek uranylu U0 3 i chlorek uranylu U0 2 C1 2. Tetrachlorek uranu UC1 4 i dwutlenek uranu U0 2

Przykłady U(IV). Substancje zawierające U(IV) są zwykle niestabilne i pod wpływem długotrwałego działania powietrza stają się sześciowartościowe.

W układzie uranowo-tlenowym zainstalowanych jest sześć tlenków: UO, U0 2, U 4 0 9 i 3 Ov, U0 3. Charakteryzują się szerokim zakresem jednorodności. U0 2 jest tlenkiem zasadowym, natomiast U0 3 jest tlenkiem amfoterycznym. U0 3 - oddziałuje z wodą tworząc szereg hydratów, z których najważniejsze to kwas diuranowy H 2 U 2 0 7 i kwas uranowy H 2 1U 4. W przypadku zasad U0 3 tworzy sole tych kwasów - uranany. Kiedy U0 3 rozpuszcza się w kwasach, powstają sole podwójnie naładowanego kationu uranylu U0 2 a+.

Dwutlenek uranu U0 2 o składzie stechiometrycznym jest brązowy. Wraz ze wzrostem zawartości tlenu w tlenku kolor zmienia się z ciemnobrązowego na czarny. Struktura krystaliczna typu CaF 2, A = 0,547 nm; gęstość 10,96 g/cm"* (najwyższa gęstość wśród tlenków uranu). T , pl =2875 0 , Tk „ = 3450°, D#°298 = -1084,5 kJ/mol. Dwutlenek uranu jest półprzewodnikiem o przewodnictwie dziurowym i silnym paramagnetyku. MPC = o,015 mg/m3. Nierozpuszczalne w wodzie. W temperaturze -200° dodaje tlenu, osiągając skład U0 2>25.

Tlenek uranu (IV) można otrzymać w wyniku następujących reakcji:

Dwutlenek uranu wykazuje jedynie właściwości zasadowe, odpowiada zasadowemu wodorotlenkowi U(OH) 4, który następnie przekształca się w uwodniony wodorotlenek U0 2 H 2 0. Dwutlenek uranu powoli rozpuszcza się w mocnych, nieutleniających kwasach pod nieobecność tlenu atmosferycznego tworzenie jonów III +:

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

Jest rozpuszczalny w stężonych kwasach, a szybkość rozpuszczania można znacznie zwiększyć poprzez dodanie jonu fluoru.

Po rozpuszczeniu w kwasie azotowym następuje tworzenie jonu uranylu 1O 2 2+:

Oktatlenek triuranu U 3 0s (tlenek uranu) jest proszkiem o barwie od czarnej do ciemnozielonej; po mocnym zmiażdżeniu zmienia kolor na oliwkowozielony. Duże czarne kryształy pozostawiają zielone smugi na porcelanie. Znane są trzy modyfikacje krystaliczne U 3 0 h: a-U 3 C>8 - rombowa struktura krystaliczna (grupa przestrzenna C222; 0 = 0,671 nm; 6 = 1,197 nm; c = o,83 nm; D =0,839 nm); p-U 3 0e - rombowa struktura krystaliczna (grupa przestrzenna Stst; 0=0,705 nm; 6=1,172 nm; 0=0,829 nm. Początek rozkładu wynosi oooo° (przejścia do 100 2), MPC = 0,075 mg/m3.

U 3C>8 można otrzymać w reakcji:

Przez kalcynację U0 2, U0 2 (N0 3) 2, U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 lub (NH 4) 2 U 2 0 7 w temperaturze 750 0 w powietrzu lub w atmosferze tlenu ( p = 150+750 mmHg) otrzymujemy stechiometrycznie czysty U 3 08.

Gdy U 3 0s kalcynuje się w T>oooo°, zmniejsza się do 10 2, ale po ochłodzeniu na powietrzu powraca do U 3 0s. U 3 0e rozpuszcza się tylko w stężonych mocnych kwasach. W kwasach solnym i siarkowym tworzy się mieszanina U(IV) i U(VI), a w kwasie azotowym azotan uranylu. Rozcieńczone kwasy siarkowy i solny reagują bardzo słabo z U 3 Os nawet po podgrzaniu, dodatek środków utleniających (kwas azotowy, piroluzyt) gwałtownie zwiększa szybkość rozpuszczania. Stężony H 2 S0 4 rozpuszcza U 3 Os tworząc U(S0 4) 2 i U0 2 S0 4 . Kwas azotowy rozpuszcza U 3 Oe, tworząc azotan uranylu.

Trójtlenek uranu, U0 3 - krystaliczna lub amorficzna substancja o jasnożółtym kolorze. Reaguje z wodą. MPC = 0,075 mg/m3.

Otrzymuje się go przez kalcynację poliuranianów amonu, nadtlenku uranu, szczawianu uranylu w temperaturze 300-500° i heksahydratu azotanu uranylu. W ten sposób powstaje pomarańczowy proszek o amorficznej strukturze i odpowiedniej gęstości

6,8 g/cm2. Postać krystaliczną IU 3 można otrzymać przez utlenianie U 3 0 8 w temperaturach 450°h-750° w przepływie tlenu. Istnieje sześć krystalicznych modyfikacji U0 3 (a, (3, y> §> ?, n) - U0 3 jest higroskopijny i pod wpływem wilgotnego powietrza zamienia się w wodorotlenek uranylu. Jego ogrzewanie w temperaturze 520°-^6oo° daje związek o składzie 1U 2>9, dalsze ogrzewanie do 6oo° pozwala uzyskać U 3 Os.

Wodór, amoniak, węgiel, metale alkaliczne i ziem alkalicznych redukują U0 3 do U0 2. Podczas przepuszczania mieszaniny gazów HF i NH3 powstaje UF4. Przy wyższej wartościowości uran wykazuje właściwości amfoteryczne. Pod wpływem kwasów U0 3 lub ich hydratów tworzą się sole uranylu (U0 2 2+) o barwie żółto-zielonej:

Większość soli uranylu jest dobrze rozpuszczalna w wodzie.

Po stopieniu z zasadami U0 3 tworzy sole kwasu uranowego - uranany MDKH:

W roztworach alkalicznych trójtlenek uranu tworzy sole kwasów poliuranowych - poliuraniany DHM 2 0y1U 3 pH^O.

Sole kwasu uranowego są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie.

Właściwości kwasowe U(VI) są mniej wyraźne niż zasadowe.

Uran reaguje z fluorem w temperaturze pokojowej. Stabilność wyższych halogenków zmniejsza się od fluorków do jodków. Fluorki UF 3, U4F17, U2F9 i UF 4 są nielotne, a UFe jest lotny. Najważniejszymi fluorkami są UF 4 i UFe.

Ftppippiyanir okgilya t"yanya ppptrkart zgodnie z praktyką:

Reakcję w złożu fluidalnym prowadzi się według równania:

Można stosować środki fluorujące: BrF 3, CC1 3 F (Freon-11) lub CC1 2 F 2 (Freon-12):

Fluorek uranu (1U) UF 4 („zielona sól”) jest proszkiem o barwie niebieskawo-zielonkawej do szmaragdowej. G 11L = yuz6°; Гк,«,.=-1730°. DN° 29 8= 1856 kJ/mol. Struktura krystaliczna jest jednoskośna (sp. gp. C2/s; 0=1,273 nm; 5=1,075 nm; 0=0,843 nm; d= 6,7 nm; p=12b°20"; gęstość 6,72 g/cm3. UF 4 jest związkiem stabilnym, nieaktywnym, nielotnym, słabo rozpuszczalnym w wodzie. Najlepszym rozpuszczalnikiem dla UF 4 jest dymiący kwas nadchlorowy HC10 4. Rozpuszcza się w kwasach utleniających, tworząc sól uranylowa, szybko rozpuszcza się w gorącym roztworze Al(N0 3) 3 lub AlCl 3, a także w roztworze kwasu borowego zakwaszonego H 2 SO 4, H 10 4 lub HC1. Substancje kompleksujące wiążące jony fluorkowe, np. na przykład Fe3 +, Al3 + lub kwas borowy również przyczyniają się do rozpuszczania UF 4. Wraz z fluorkami innych metali tworzy szereg słabo rozpuszczalnych soli podwójnych (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7 itp.). NH 4 UF 5 ma znaczenie przemysłowe.

Fluorek U(IV) jest produktem pośrednim w preparacie

zarówno UF6, jak i uran metaliczny.

UF 4 można otrzymać w reakcjach:

lub przez elektrolityczną redukcję fluorku uranylu.

Sześciofluorek uranu UFe - w temperaturze pokojowej kryształy w kolorze kości słoniowej o wysokim współczynniku załamania światła. Gęstość

5,09 g/cm2, gęstość ciekłego UFe - 3,63 g/cm2. Lotny związek. Tvoag = 5^>5°> Gil=b4,5° (pod ciśnieniem). Nasycone ciśnienie pary dociera do atmosfery pod kątem 560°. Entalpia tworzenia AH° 29 8 = -211b kJ/mol. Struktura kryształu jest rombowa (grupa przestrzenna. Rpt; 0=0,999 nm; fe= 0,8962 nm; c=0,5207 nm; D 5,060 nm (25 0). MPC - 0,015 mg/m3. Ze stanu stałego UF6 może sublimować (sublimować) do gazu, omijając fazę ciekłą w szerokim zakresie ciśnień. Ciepło sublimacji przy 50 0 50 kJ/mg. Cząsteczka nie ma momentu dipolowego, więc UF6 nie ulega asocjacji. Para UFr jest gazem doskonałym.

Otrzymuje się go przez działanie fluoru na jego związek U:

Oprócz reakcji w fazie gazowej istnieją również reakcje w fazie ciekłej

wytwarzanie UF6 na przykład przy użyciu halofluorków

Istnieje sposób na uzyskanie UF6 bez użycia fluoru - poprzez utlenianie UF 4:

UFe nie reaguje z suchym powietrzem, tlenem, azotem i CO 2, jednak w kontakcie z wodą, nawet jej śladami, ulega hydrolizie:

Oddziałuje z większością metali, tworząc ich fluorki, co komplikuje metody jego przechowywania. Odpowiednimi materiałami naczyń do pracy z UF6 są: po podgrzaniu Ni, Monel i Pt, na zimno także Teflon, całkowicie suchy kwarc i szkło, miedź i aluminium. W temperaturach 25-0°C tworzy złożone związki z fluorkami metali alkalicznych i srebrem typu 3NaFUFr>, 3KF2UF6.

Dobrze rozpuszcza się w różnych cieczach organicznych, kwasach nieorganicznych i wszelkich halofluorkach. Obojętny na sucho 0 2, N 2, C0 2, C1 2, Br 2. UFr charakteryzuje się reakcjami redukcji z większością czystych metali. UF6 gwałtownie reaguje z węglowodorami i innymi substancjami organicznymi, dlatego zamknięte pojemniki z UFe mogą eksplodować. UF6 w zakresie 25 - 100° tworzy sole złożone z fluorkami metali alkalicznych i innych metali. Właściwość ta jest wykorzystywana w technologii selektywnej ekstrakcji UF

Wodorki uranu UH 2 i UH 3 zajmują pozycję pośrednią między wodorkami podobnymi do soli i wodorkami typu stałych roztworów wodoru w metalu.

Kiedy uran reaguje z azotem, powstają azotki. W układzie ONZ istnieją cztery znane fazy: UN (azotek uranu), a-U 2 N 3 (seskwinitrek), p- U 2 N 3 i ONZ If90. Nie jest możliwe uzyskanie składu UN 2 (diazotek). Syntezy monoazotku uranu UN są niezawodne i dobrze kontrolowane, a najlepiej przeprowadzać je bezpośrednio z pierwiastków. Azotki uranu to substancje sproszkowane, których kolor zmienia się od ciemnoszarego do szarego; wyglądać jak metal. UN ma sześcienną strukturę krystaliczną skupioną na ścianie, taką jak NaCl (0 = 4,8892 A); (/=14,324, 7^=2855°, trwały w próżni do 1700 0. Otrzymuje się go w reakcji U lub wodorku U z N 2 lub NH3, rozkład wyższych azotków jednostkowych w temperaturze 1300° lub ich redukcja uranem metalicznym. U 2 N 3 występuje w dwóch odmianach polimorficznych: sześciennej a i sześciokątnej p (0 = 0,3688 nm, 6 = 0,5839 nm), uwalnia N 2 w próżni powyżej 8oo°. Otrzymuje się go poprzez redukcję UN 2 wodorem. Dwuazotek UN2 syntetyzuje się w reakcji U z N2 pod wysokim ciśnieniem N2. Azotki uranu są łatwo rozpuszczalne w roztworach kwasów i zasad, ale rozkładają się pod wpływem stopionych zasad.

Azotek uranu otrzymuje się w wyniku dwustopniowej redukcji karbotermicznej tlenku uranu:

Ogrzewanie w argonie w temperaturze 7M450 0 przez 10*20 godzin

Azotek uranu o składzie zbliżonym do dwuazotku, UN 2, można otrzymać przez poddanie UF 4 działaniu amoniaku w wysokiej temperaturze i ciśnieniu.

Dwuazotek uranu rozkłada się po podgrzaniu:

Azotek uranu wzbogacony w 2 35 U ma wyższą gęstość rozszczepienia, przewodność cieplną i temperaturę topnienia niż tlenki uranu – tradycyjne paliwo nowoczesnych reaktorów energetycznych. Ma również dobre właściwości mechaniczne i stabilność lepsze od tradycyjnych paliw. Dlatego też związek ten uznawany jest za obiecującą podstawę paliwa jądrowego w reaktorach na neutrony prędkie (reaktory jądrowe IV generacji).

Komentarz. Bardzo przydatne jest wzbogacenie ONZ o „5N, ponieważ .4 N ma tendencję do wychwytywania neutronów, generując radioaktywny izotop 14 C w wyniku reakcji (n,p).

Węglik uranu UC 2 (faza a) jest jasnoszarą, krystaliczną substancją o metalicznym połysku. W układzie U-C (węgliki uranu) występują UC 2 (faza a), UC 2 (b 2-faza), U 2 C 3 (faza e), UC (b 2-faza) - węgliki uranu. Diwęglik uranu UC 2 można otrzymać w reakcjach:

U + 2C^UC 2 (54 V)

Węgliki uranu są wykorzystywane jako paliwo do reaktorów jądrowych, obiecujące są jako paliwo do silników rakiet kosmicznych.

Azotan uranylu, azotan uranylu, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Rolę metalu w tej soli pełni kation uranylu 2+. Żółte kryształy o zielonkawym odcieniu, łatwo rozpuszczalne w wodzie. Roztwór wodny jest kwaśny. Rozpuszczalny w etanolu, acetonie i eterze, nierozpuszczalny w benzenie, toluenie i chloroformie. Po podgrzaniu kryształy topią się i uwalniają HN03 i H20. Krystaliczny hydrat łatwo odparowuje na powietrzu. Charakterystyczną reakcją jest to, że pod działaniem NH3 tworzy się żółty osad uranu amonowego.

Uran może tworzyć związki metaloorganiczne. Przykładami są pochodne cyklopentadienylowe o składzie U(C5H5)4 i ich podstawione halogenem u(C5H5)3G lub u(C5H5)2G2.

W roztworach wodnych uran jest najbardziej stabilny na stopniu utlenienia U(VI) w postaci jonu uranylu U0 2 2+. W mniejszym stopniu charakteryzuje się stanem U(IV), ale może nawet występować w postaci U(III). Stopień utlenienia U(V) może występować w postaci jonu IO2+, ale stan ten jest rzadko obserwowany ze względu na jego tendencję do dysproporcjonowania i hydrolizy.

W roztworach obojętnych i kwaśnych U(VI) występuje w postaci U0 2 2+ - żółtego jonu uranylu. Dobrze rozpuszczalne sole uranylu obejmują azotan U0 2 (N0 3) 2, siarczan U0 2 S0 4, chlorek U0 2 C1 2, fluorek U0 2 F 2, octan U0 2 (CH 3 CO0) 2. Sole te uwalniają się z roztworów w postaci krystalicznych hydratów o różnej liczbie cząsteczek wody. Słabo rozpuszczalne sole uranylu to: szczawian U0 2 C 2 0 4, fosforany U0 2 HP0. i UO2P2O4, fosforan amonu uranylu UO2NH4PO4, uranylowanadan sodu NaU0 2 V0 4, żelazocyjanek (U0 2) 2. Jon uranylowy charakteryzuje się tendencją do tworzenia związków złożonych. Znane są zatem kompleksy z jonami fluoru typu -, 4-; kompleksy azotanowe” i 2 *; kompleksy kwasu siarkowego 2 "i 4-; kompleksy węglanowe 4" i 2 "itp. Gdy zasady działają na roztwory soli uranylu, uwalniają się trudno rozpuszczalne osady diuranianów typu Me 2 U 2 0 7 (monouraniany Me 2 U0 4 nie są izolowane z roztworów, są otrzymywane przez stopienie tlenków uranu z zasadami). Znane są poliuraniany Me 2 Un 0 3 n+i (np. Na 2 U60i 9).

U(VI) ulega redukcji w roztworach kwaśnych do U(IV) przez żelazo, cynk, glin, wodorosiarczyn sodu i amalgamat sodu. Roztwory są zabarwione na zielono. Wytrącają się z nich zasady wodorotlenek U0 2 (0H) 2, kwas fluorowodorowy - fluorek UF 4 -2,5H 2 0, kwas szczawiowy - szczawian U(C 2 0 4) 2 -6H 2 0. Jon U 4+ ma tendencję do tworzą kompleksy mniejsze niż jony uranylu.

Uran (IV) w roztworze występuje w postaci jonów U 4+, które są silnie zhydrolizowane i uwodnione:

W roztworach kwaśnych hydroliza jest tłumiona.

Uran (VI) w roztworze tworzy oksokation uranylu - U0 2 2+ Znanych jest wiele związków uranylu, których przykładami są: 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 itd.

Podczas hydrolizy jonu uranylu powstaje szereg kompleksów wielojądrowych:

Przy dalszej hydrolizie pojawiają się U 3 0s(0H) 2, a następnie U 3 0 8 (0H) 4 2 -.

Do jakościowego wykrywania uranu stosuje się metody analiz chemicznych, luminescencyjnych, radiometrycznych i spektralnych. Metody chemiczne opierają się głównie na tworzeniu związków barwnych (np. czerwono-brązowa barwa związku z żelazocyjankiem, żółta z nadtlenkiem wodoru, niebieska z odczynnikiem arsenazowym). Metoda luminescencyjna opiera się na zdolności wielu związków uranu do wytwarzania żółtawo-zielonkawej poświaty pod wpływem promieni UV.

Ilościowe oznaczanie uranu przeprowadza się różnymi metodami. Do najważniejszych z nich należą: metody wolumetryczne, polegające na redukcji U(VI) do U(IV), a następnie miareczkowaniu roztworami utleniaczy; metody grawimetryczne - wytrącanie uranów, nadtlenków, miedzianożelazianów U(IV), hydroksychinolanów, szczawianów itp. następnie kalcynacja w temperaturze 00° i ważenie U 3 0s; metody polarograficzne w roztworze azotanów pozwalają oznaczyć 10*7-g10-9 g uranu; liczne metody kolorymetryczne (np. z H 2 0 2 w środowisku zasadowym, z odczynnikiem arsenazowym w obecności EDTA, z dibenzoilometanem, w postaci kompleksu tiocyjanianowego itp.); metoda luminescencyjna, która umożliwia określenie, kiedy jest skondensowany z NaF Ju 11 g uranu.

235U należy do grupy zagrożenia radiacyjnego A, minimalna istotna aktywność wynosi MZA = 3,7-10 4 Bq, 2 3 8 oraz - do grupy D, MZA = 3,7-6 Bq (300 g).

Treść artykułu

URAN, U (uran), pierwiastek chemiczny metalu z rodziny aktynowców, do którego zaliczają się pierwiastki Ac, Th, Pa, U i transuranowe (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Uran zyskał na znaczeniu dzięki zastosowaniu go w broni jądrowej i energetyce jądrowej. Tlenki uranu wykorzystuje się także do barwienia szkła i ceramiki.

Będąc w naturze.

Zawartość uranu w skorupie ziemskiej wynosi 0,003% i występuje on w powierzchniowej warstwie ziemi w postaci czterech rodzajów złóż. Po pierwsze, są to żyły uraninitu, czyli paku uranowego (dwutlenek uranu UO 2), bardzo bogatego w uran, ale rzadkiego. Towarzyszą im złoża radu, gdyż rad jest bezpośrednim produktem rozpadu izotopowego uranu. Takie żyły występują w Zairze, Kanadzie (Wielkie Jezioro Niedźwiedzie), Czechach i Francji. Drugim źródłem uranu są konglomeraty toru i rud uranu wraz z rudami innych ważnych minerałów. Konglomeraty zwykle zawierają wystarczające ilości złota i srebra do odzyskania, a pierwiastkami towarzyszącymi są uran i tor. Duże złoża tych rud znajdują się w Kanadzie, Republice Południowej Afryki, Rosji i Australii. Trzecim źródłem uranu są skały osadowe i piaskowce bogate w mineralny karnotyt (wanadan uranylowy potasu), który oprócz uranu zawiera znaczną ilość wanadu i innych pierwiastków. Rudy takie występują w zachodnich stanach Stanów Zjednoczonych. Czwartym źródłem osadów są łupki żelazowo-uranowe i rudy fosforanowe. Bogate złoża znajdują się w łupkach Szwecji. Niektóre rudy fosforanowe w Maroku i Stanach Zjednoczonych zawierają znaczne ilości uranu, a złoża fosforanów w Angoli i Republice Środkowoafrykańskiej są jeszcze bogatsze w uran. Większość węgla brunatnego i niektóre węgle zawierają zwykle zanieczyszczenia uranem. Bogate w uran złoża węgla brunatnego odkryto w Północnej i Południowej Dakocie (USA), a węgiel bitumiczny w Hiszpanii i Czechach.

Otwarcie.

Uran został odkryty w 1789 roku przez niemieckiego chemika M. Klaprotha, który nazwał go na cześć odkrycia planety Uran 8 lat wcześniej. (Klaproth był czołowym chemikiem swoich czasów; odkrył także inne pierwiastki, w tym Ce, Ti i Zr.) W rzeczywistości otrzymana przez Klaprotha substancja nie była uranem elementarnym, ale jego utlenioną formą, a uran pierwiastkowy został po raz pierwszy otrzymany przez francuskiego chemika E. Peligo w 1841 r. Od momentu odkrycia aż do XX wieku. uran nie miał takiego znaczenia jak dzisiaj, chociaż określono wiele jego właściwości fizycznych, a także masę i gęstość atomową. W 1896 r. A. Becquerel ustalił, że sole uranu posiadają promieniowanie oświetlające kliszę fotograficzną w ciemności. Odkrycie to zaktywizowało chemików do badań w dziedzinie radioaktywności i w 1898 roku małżonkowie francuskich fizyków P. Curie i M. Skłodowska-Curie wyizolowali sole pierwiastków promieniotwórczych polonu i radu, a E. Rutherford, F. Soddy, K. Fayans i inni naukowcy opracowali teorię rozpadu promieniotwórczego, która położyła podwaliny pod współczesną chemię nuklearną i energię jądrową.

Pierwsze zastosowania uranu.

Mimo że znana była radioaktywność soli uranu, jego rudy w pierwszej tercji tego stulecia wykorzystywano jedynie do otrzymywania towarzyszącego radu, a uran uznawano za niepożądany produkt uboczny. Jego zastosowanie koncentrowało się głównie w technologii ceramicznej i metalurgii; Tlenki uranu były szeroko stosowane do barwienia szkła na kolory od bladożółtego do ciemnozielonego, co przyczyniło się do rozwoju niedrogiej produkcji szkła. Obecnie produkty tych branż są identyfikowane jako fluorescencyjne w promieniach ultrafioletowych. Podczas I wojny światowej i wkrótce po niej uran w postaci węglika był używany do produkcji stali narzędziowych, podobnych do Mo i W; Wolfram, którego produkcja była wówczas ograniczona, zastąpił 4–8% uranu. Aby otrzymać stale narzędziowe, w latach 1914–1926 produkowano rocznie kilka ton żelazouranu zawierającego do 30% (masowych) U. Jednak to wykorzystanie uranu nie trwało długo.

Współczesne zastosowania uranu.

Przemysł uranowy zaczął się kształtować w 1939 r., kiedy przeprowadzono rozszczepienie izotopu uranu 235 U, co doprowadziło do technicznego wdrożenia kontrolowanych reakcji łańcuchowych rozszczepienia uranu w grudniu 1942 r. Były to narodziny ery atomu , kiedy uran z nieistotnego pierwiastka stał się jednym z najważniejszych pierwiastków w społeczeństwie żywym. Wojskowe znaczenie uranu do produkcji bomby atomowej i jego zastosowania jako paliwa w reaktorach jądrowych spowodowało astronomiczny wzrost zapotrzebowania na uran. Ciekawa jest chronologia wzrostu zapotrzebowania na uran na podstawie historii osadów w jeziorze Great Bear Lake (Kanada). W 1930 roku odkryto w tym jeziorze blendę żywiczną, czyli mieszaninę tlenków uranu, a w 1932 roku stworzono na tym terenie technologię oczyszczania radu. Z każdej tony rudy (mieszanki żywicy) uzyskano 1 g radu i około pół tony produktu ubocznego, koncentratu uranu. Radu było jednak mało i jego wydobycie zostało wstrzymane. W latach 1940–1942 wznowiono prace rozwojowe i zaczęto wysyłać rudę uranu do Stanów Zjednoczonych. W 1949 r. zastosowano podobną metodę oczyszczania uranu, z pewnymi udoskonaleniami, w celu wytworzenia czystego UO 2 . Produkcja ta wzrosła i jest obecnie jednym z największych zakładów produkujących uran.

Nieruchomości.

Uran jest jednym z najcięższych pierwiastków występujących w przyrodzie. Czysty metal jest bardzo gęsty, plastyczny, elektrododatni o niskiej przewodności elektrycznej i wysoce reaktywny.

Uran ma trzy modyfikacje alotropowe: A-uran (ortorombowa sieć krystaliczna), występuje w zakresie od temperatury pokojowej do 668°C; B-uran (złożona sieć krystaliczna typu tetragonalnego), trwała w zakresie 668–774°C; G-uran (sześcienna sieć krystaliczna skupiona wokół ciała), stabilny od 774°C do temperatury topnienia (1132°C). Ponieważ wszystkie izotopy uranu są niestabilne, wszystkie jego związki wykazują radioaktywność.

Izotopy uranu

238 U, 235 U, 234 U występują w przyrodzie w stosunku 99,3:0,7:0,0058, a 236 U występuje w ilościach śladowych. Wszystkie pozostałe izotopy uranu od 226 U do 242 U otrzymuje się sztucznie. Szczególnie ważny jest izotop 235 U. Pod wpływem wolnych (termicznych) neutronów ulega podziałowi, uwalniając ogromną energię. Całkowite rozszczepienie 235 U powoduje uwolnienie „równoważnika energii cieplnej” 2H 10 7 kWh h/kg. Rozszczepienie 235 U można wykorzystać nie tylko do wytworzenia dużych ilości energii, ale także do syntezy innych ważnych pierwiastków aktynowców. Naturalny izotop uranu można wykorzystać w reaktorach jądrowych do produkcji neutronów powstałych w wyniku rozszczepienia 235 U, natomiast nadmiar neutronów niewymaganych w reakcji łańcuchowej można wychwycić przez inny naturalny izotop, w wyniku czego powstaje pluton:

Kiedy 238 U jest bombardowane szybkimi neutronami, zachodzą następujące reakcje:

Zgodnie z tym schematem najpopularniejszy izotop 238 U można przekształcić w pluton-239, który podobnie jak 235 U jest również zdolny do rozszczepienia pod wpływem wolnych neutronów.

Obecnie otrzymano dużą liczbę sztucznych izotopów uranu. Wśród nich 233 U jest szczególnie godny uwagi, ponieważ rozszczepia się również podczas interakcji z wolnymi neutronami.

Niektóre inne sztuczne izotopy uranu są często wykorzystywane jako znaczniki radioaktywne w badaniach chemicznych i fizycznych; to jest przede wszystkim B- emiter 237 U i A- emiter 232 U.

Znajomości.

Uran, metal wysoce reaktywny, ma stopień utlenienia od +3 do +6, w szeregu aktywności jest zbliżony do berylu, oddziałuje ze wszystkimi niemetalami i tworzy związki międzymetaliczne z Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn i Zn. Drobno rozdrobniony uran jest szczególnie reaktywny i w temperaturach powyżej 500°C często wchodzi w reakcje charakterystyczne dla wodorku uranu. Uran w kawałkach lub wióry palą się jasno w temperaturze 700–1000° C, a pary uranu palą się już w temperaturze 150–250° C, uran reaguje z HF w temperaturze 200–400° C, tworząc UF 4 i H 2 . Uran rozpuszcza się powoli w stężonym HF lub H 2 SO 4 i 85% H 3 PO 4 nawet w temperaturze 90 ° C, ale łatwo reaguje ze stęż. HCl i mniej aktywny z HBr lub HI. Najbardziej aktywne i szybkie reakcje uranu z rozcieńczonym i stężonym HNO 3 zachodzą wraz z utworzeniem azotanu uranylu ( patrz poniżej). W obecności HCl uran szybko rozpuszcza się w kwasach organicznych, tworząc organiczne sole U4+. W zależności od stopnia utlenienia uran tworzy kilka rodzajów soli (najważniejsze z nich to U 4+, jedna z nich UCl 4 to łatwo utleniająca się zielona sól); sole uranylu (rodnik UO 2 2+) typu UO 2 (NO 3) 2 mają barwę żółtą i fluoryzują na zielono. Sole uranylu powstają poprzez rozpuszczenie amfoterycznego tlenku UO 3 (kolor żółty) w środowisku kwaśnym. W środowisku zasadowym UO 3 tworzy uran, taki jak Na 2 UO 4 lub Na 2 U 2 O 7. Ten ostatni związek („żółty uranyl”) stosowany jest do produkcji szkliw porcelanowych oraz do produkcji szkieł fluorescencyjnych.

Halogenki uranu były szeroko badane w latach 1940–1950, ponieważ wykorzystano je do opracowania metod rozdziału izotopów uranu na potrzeby bomby atomowej lub reaktora jądrowego. Trifluorek uranu UF 3 otrzymano w wyniku redukcji UF 4 wodorem, a tetrafluorek uranu UF 4 otrzymuje się na różne sposoby w reakcjach HF z tlenkami takimi jak UO 3 lub U 3 O 8 lub w drodze elektrolitycznej redukcji związków uranylu. Sześciofluorek uranu UF 6 otrzymuje się przez fluorowanie U lub UF 4 fluorem elementarnym lub przez działanie tlenu na UF 4 . Sześciofluorek tworzy przezroczyste kryształy o wysokim współczynniku załamania światła w temperaturze 64°C (1137 mm Hg); związek jest lotny (pod normalnym ciśnieniem sublimuje w temperaturze 56,54°C). Oksohalogenki uranu, na przykład oksofluorki, mają skład UO 2 F 2 (fluorek uranu), UOF 2 (difluorek tlenku uranu).

I Saturn) wyróżnia się przede wszystkim niezwykłym ruchem wokół Słońca, a mianowicie, w przeciwieństwie do wszystkich innych planet, Uran obraca się „wstecznie”. Co to znaczy? A faktem jest, że jeśli inne planety, w tym nasza Ziemia, przypominają poruszające się bączki (w wyniku skręcenia następuje zmiana dnia i nocy), to Uran jest jak tocząca się kula i w efekcie następuje zmiana dnia/nocy. noc, a także pory roku na tych planetach znacznie się różnią.

Kto odkrył Urana

Ale zacznijmy naszą opowieść o tej niezwykłej planecie od historii jej odkrycia. Planetę Uran odkrył angielski astronom William Herschel w 1781 roku. Co ciekawe, obserwując jej niezwykły ruch, astronom najpierw wziął ją za pomyloną i dopiero po kilku latach obserwacji otrzymała status planety. Herschel chciał nazwać ją „Gwiazdą Georga”, ale społeczność naukowa wolała nazwę zaproponowaną przez Johanna Bode – Uran, na cześć starożytnego boga Urana, który jest uosobieniem nieba.

Bóg Uran w mitologii starożytnej jest najstarszym z bogów, stwórcą wszystkiego i wszystkich (w tym innych bogów), a także dziadkiem najwyższego boga Zeusa (Jowisza).

Cechy planety Uran

Uran jest 14,5 razy cięższy od naszej Ziemi. Niemniej jednak jest to najlżejsza planeta wśród planet-olbrzymów, ponieważ sąsiadująca z nią planeta, choć mniejsza, ma większą masę niż Uran. Względna lekkość tej planety wynika z jej składu, którego znaczną część stanowi lód, a lód na Uranie jest najbardziej zróżnicowany: jest amoniak, woda i lód metanowy. Gęstość Urana wynosi 1,27 g/cm3.

Temperatura Urana

Jaka jest temperatura na Uranie? Ze względu na odległość od Słońca jest oczywiście bardzo zimno, a chodzi nie tylko o jego oddalenie, ale także o to, że wewnętrzne ciepło Urana jest kilkakrotnie mniejsze niż innych planet. Przepływ ciepła na planecie jest niezwykle mały, mniejszy niż na Ziemi. W rezultacie na Uranie zarejestrowano jedną z najniższych temperatur w Układzie Słonecznym - 224 C, czyli jeszcze mniej niż na położonym jeszcze dalej od Słońca Neptunie.

Czy na Uranie jest życie?

W temperaturze opisanej w powyższym akapicie jest oczywiste, że powstanie życia na Uranie nie jest możliwe.

Atmosfera Urana

Jaka jest atmosfera na Uranie? Atmosfera tej planety jest podzielona na warstwy, które są określone przez temperaturę i powierzchnię. Zewnętrzna warstwa atmosfery zaczyna się w odległości 300 km od konwencjonalnej powierzchni planety i nazywa się koroną atmosferyczną, jest to najzimniejsza część atmosfery. Dalej bliżej powierzchni znajduje się stratosfera i troposfera. Ta ostatnia jest najniższą i najgęstszą częścią atmosfery planety. Troposfera Urana ma złożoną strukturę: składa się z chmur wody, chmur amoniaku i chmur metanu zmieszanych ze sobą w sposób chaotyczny.

Skład atmosfery Urana różni się od atmosfer innych planet wysoką zawartością helu i helu molekularnego. Ponadto duża część atmosfery Urana składa się z metanu – związku chemicznego stanowiącego 2,3% wszystkich cząsteczek w tamtejszej atmosferze.

Zdjęcie planety Uran

Powierzchnia Urana

Powierzchnia Urana składa się z trzech warstw: skalistego jądra, lodowego płaszcza oraz zewnętrznej powłoki z wodoru i helu, które są w stanie gazowym. Warto również zwrócić uwagę na inny ważny pierwiastek wchodzący w skład powierzchni Urana – lód metanowy, który tworzy tzw. charakterystyczny niebieski kolor planety.

Naukowcy wykorzystali także spektroskopię do wykrycia tlenku i dwutlenku węgla w górnych warstwach atmosfery.

Tak, Uran również ma pierścienie (podobnie jak inne planety-olbrzymy), choć nie tak duże i piękne jak pierścienie jego kolegi. Wręcz przeciwnie, pierścienie Urana są słabe i prawie niewidoczne, ponieważ składają się z wielu bardzo ciemnych i małych cząstek o średnicy od mikrometra do kilku metrów. Co ciekawe, pierścienie Urana odkryto wcześniej niż pierścienie innych planet z wyjątkiem Saturna, nawet odkrywca planety W. Herschel twierdził, że widział pierścienie na Uranie, ale wtedy mu nie uwierzyli, gdyż teleskopy ten czas nie miał wystarczającej mocy, aby inni astronomowie mogli potwierdzić to, co zobaczył Herschel. Zaledwie dwa wieki później, w 1977 roku, amerykańscy astronomowie Jameson Eliot, Douglas Mincom i Edward Dunham, korzystając z Obserwatorium Kuipera, mogli na własne oczy obserwować pierścienie Urana. Co więcej, stało się to przez przypadek, ponieważ naukowcy po prostu zamierzali obserwować atmosferę planety i nie spodziewając się tego, odkryli obecność pierścieni.

Obecnie znanych jest 13 pierścieni Urana, z których najjaśniejszy jest pierścień epsilon. Pierścienie tej planety są stosunkowo młode, powstały już po jej narodzinach. Istnieje hipoteza, że ​​​​pierścienie Urana powstają z pozostałości jakiegoś zniszczonego satelity planety.

Księżyce Urana

A skoro mowa o księżycach, jak myślisz, ile księżyców ma Uran? A ma ich aż 27 (przynajmniej tych znanych na chwilę obecną). Największe to: Miranda, Ariel, Umbriel, Oberon i Titania. Wszystkie księżyce Urana są mieszaniną skał i lodu, z wyjątkiem Mirandy, która jest zbudowana w całości z lodu.

Tak wyglądają satelity Urana w porównaniu z samą planetą.

Wiele satelitów nie ma atmosfery, a niektóre z nich poruszają się wewnątrz pierścieni planety, przez co nazywane są również satelitami wewnętrznymi, a wszystkie mają silny związek z układem pierścieni Urana. Naukowcy uważają, że Uran przechwycił wiele księżyców.

Obrót Urana

Rotacja Urana wokół Słońca jest prawdopodobnie najciekawszą cechą tej planety. Ponieważ pisaliśmy powyżej, Uran obraca się inaczej niż wszystkie inne planety, a mianowicie „wsteczny”, podobnie jak kula tocząca się po Ziemi. W rezultacie zmiana dnia i nocy (w naszym zwykłym rozumieniu) na Uranie następuje tylko w pobliżu równika planety, mimo że znajduje się ona bardzo nisko nad horyzontem, w przybliżeniu jak na szerokościach polarnych na ziemi. Jeśli chodzi o bieguny planety, „dzień polarny” i „noc polarna” zastępują się raz na 42 ziemskie lata.

Jeśli chodzi o rok na Uranie, jeden rok równa się naszym 84 ziemskim latom; w tym czasie planeta krąży po swojej orbicie wokół Słońca.

Ile trwa lot do Urana?

Ile trwa lot z Ziemi na Uran? Jeśli przy nowoczesnych technologiach lot do naszych najbliższych sąsiadów, Wenus i Marsa, zajmie kilka lat, to lot na tak odległe planety jak Uran może zająć dziesięciolecia. Do tej pory tylko jeden statek kosmiczny odbył taką podróż: Voyager 2, wystrzelony przez NASA w 1977 r., dotarł do Urana w 1986 r., jak widać, lot w jedną stronę trwał prawie dekadę.

Planowano także wysłać aparat Cassiniego, który zajmował się badaniem Saturna, na Urana, ale wtedy zdecydowano się opuścić Cassini w pobliżu Saturna, gdzie zmarł całkiem niedawno - we wrześniu ubiegłego roku 2017 r.

• Trzy lata po odkryciu planeta Uran stała się scenerią dla satyrycznej broszury. Pisarze science fiction często wspominają o tej planecie w swoich dziełach science fiction.
• Urana można zobaczyć na nocnym niebie gołym okiem, wystarczy wiedzieć, gdzie patrzeć, a niebo musi być idealnie ciemne (co niestety nie jest możliwe we współczesnych miastach).
• Na planecie Uran jest woda. Ale woda na Uranie jest zamarznięta jak lód.
• Planeta Uran może z pewnością zostać nagrodzona laurami „najzimniejszej planety” w Układzie Słonecznym.

Planeta Uran, wideo

I na zakończenie ciekawy film o planecie Uran.

Ten artykuł jest dostępny w języku angielskim - .