Uranyum metalleri. Uranyum ve bileşikleri neden tehlikelidir? Uranyum izotoplarının uygulamaları ve çeşitleri

Uranyum nereden geldi? Büyük ihtimalle süpernova patlamaları sırasında ortaya çıkıyor. Gerçek şu ki, demirden daha ağır elementlerin nükleosentezi için, tam olarak bir süpernova patlaması sırasında meydana gelen güçlü bir nötron akışının olması gerekir. Öyle görünüyor ki, oluşturduğu yeni yıldız sistemleri bulutundan yoğunlaşma sırasında, proto-gezegensel bir bulutta toplanan ve çok ağır olan uranyumun gezegenlerin derinliklerine batması gerekiyor. Ama bu doğru değil. Uranyum radyoaktif bir elementtir ve bozunduğunda ısı açığa çıkar. Hesaplamalar, uranyumun gezegenin tüm kalınlığı boyunca eşit olarak dağılması durumunda, en azından yüzeydekiyle aynı konsantrasyonda olması halinde, çok fazla ısı yayacağını gösteriyor. Üstelik uranyum tüketildikçe akışının zayıflaması gerekir. Böyle bir şey gözlemlenmediğinden jeologlar, uranyumun en az üçte birinin, belki de tamamının, içeriğinin %2,5∙10 –4 olduğu yerkabuğunda yoğunlaştığına inanıyor. Bunun neden olduğu tartışılmıyor.

Uranyum nerede çıkarılır? Dünya'da çok az uranyum yok - bolluk açısından 38. sırada. Ve bu elementin çoğu tortul kayalarda bulunur - karbonlu şeyller ve fosforitler: sırasıyla %8∙10 –3 ve 2,5∙10 –2'ye kadar. Toplamda yer kabuğu 10 14 ton uranyum içerir, ancak asıl sorun çok dağınık olması ve güçlü birikintiler oluşturmamasıdır. Yaklaşık 15 uranyum minerali endüstriyel öneme sahiptir. Bu uranyum katranıdır - temeli dört değerlikli uranyum oksit, uranyum mikadır - çeşitli silikatlar, fosfatlar ve altı değerlikli uranyum bazlı vanadyum veya titanyum içeren daha karmaşık bileşikler.

Becquerel ışınları nelerdir? Wolfgang Roentgen'in X ışınlarını keşfetmesinden sonra Fransız fizikçi Antoine-Henri Becquerel, güneş ışığının etkisi altında oluşan uranyum tuzlarının parıltısıyla ilgilenmeye başladı. Burada da röntgen olup olmadığını anlamak istiyordu. Gerçekten de oradaydılar; tuz, siyah kağıdın içinden fotoğraf plakasını aydınlatıyordu. Ancak deneylerden birinde tuz aydınlatılmadı ancak fotoğraf plakası hala karardı. Tuz ile fotoğraf plakası arasına metal bir nesne yerleştirildiğinde alttaki kararma daha azdı. Bu nedenle uranyumun ışıkla uyarılması nedeniyle yeni ışınlar ortaya çıkmamış ve metalin içinden kısmen geçememiştir. Başlangıçta bunlara “Becquerel ışınları” deniyordu. Daha sonra bunların esas olarak küçük bir beta ışınları ilavesiyle alfa ışınları olduğu keşfedildi: Gerçek şu ki, uranyumun ana izotopları bozunma sırasında bir alfa parçacığı yayıyor ve yavru ürünler de beta bozunumu yaşıyor.

Uranyum ne kadar radyoaktiftir? Uranyumun kararlı izotopları yoktur; hepsi radyoaktiftir. En uzun ömürlü olanı 4,4 milyar yıllık yarı ömrüyle uranyum-238'dir. Daha sonra uranyum-235 geliyor - 0,7 milyar yıl. Her ikisi de alfa bozunmasına uğrar ve toryumun karşılık gelen izotopları haline gelir. Uranyum-238, tüm doğal uranyumun %99'undan fazlasını oluşturur. Büyük yarı ömrü nedeniyle bu elementin radyoaktivitesi düşüktür ve ayrıca alfa parçacıkları insan vücudunun yüzeyindeki stratum korneum'a nüfuz edemez. I.V. Kurchatov'un uranyumla çalıştıktan sonra ellerini mendille sildiğini ve radyoaktivite ile ilişkili herhangi bir hastalıktan muzdarip olmadığını söylüyorlar.

Araştırmacılar defalarca uranyum madenlerinde ve işleme tesislerinde çalışan işçilerin hastalıklarının istatistiklerine yöneldiler. Örneğin burada, Kanada'nın Saskatchewan eyaletindeki Eldorado madeninde 1950-1999 yıllarına ait 17 binden fazla işçinin sağlık verilerini analiz eden Kanadalı ve Amerikalı uzmanların yazdığı yakın tarihli bir makale var ( Çevresel Araştırma, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Radyasyonun hızla çoğalan kan hücreleri üzerinde en güçlü etkiye sahip olduğu ve ilgili kanser türlerine yol açtığı gerçeğinden yola çıktılar. İstatistikler, maden işçilerinde çeşitli kan kanseri türlerine yakalanma oranının ortalama Kanada nüfusuna göre daha düşük olduğunu göstermiştir. Bu durumda, radyasyonun ana kaynağının uranyumun kendisi değil, ürettiği gaz halindeki radon ve akciğerler yoluyla vücuda girebilen bozunma ürünleri olduğu düşünülmektedir.

Uranyum neden zararlıdır?? Diğer ağır metaller gibi oldukça toksiktir ve böbrek ve karaciğer yetmezliğine neden olabilir. Öte yandan dağınık bir element olan uranyum kaçınılmaz olarak suda, toprakta bulunur ve besin zincirinde yoğunlaşarak insan vücuduna girer. Canlıların evrim sürecinde doğal konsantrasyonlardaki uranyumu nötralize etmeyi öğrendiklerini varsaymak mantıklıdır. Uranyum sudaki en tehlikeli madde olduğundan WHO bir sınır belirledi: Başlangıçta bu oran 15 µg/l idi, ancak 2011'de standart 30 µg/g'a çıkarıldı. Kural olarak suda çok daha az uranyum bulunur: ABD'de ortalama 6,7 ​​µg/l, Çin ve Fransa'da - 2,2 µg/l. Ancak güçlü sapmalar da var. Yani Kaliforniya'nın bazı bölgelerinde standart olan 2,5 mg/l'den yüz kat daha fazladır ve Güney Finlandiya'da 7,8 mg/l'ye ulaşır. Araştırmacılar, uranyumun hayvanlar üzerindeki etkisini inceleyerek WHO standardının çok katı olup olmadığını anlamaya çalışıyor. İşte tipik bir iş ( BioMed Araştırma Uluslararası 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Fransız bilim adamları dokuz ay boyunca fareleri seyreltilmiş uranyum katkı maddeleri içeren ve nispeten yüksek konsantrasyonlarda (0,2 ila 120 mg/l) su ile beslediler. En düşük değer madenin yakınındaki sudur, üst değer ise hiçbir yerde bulunmaz; Finlandiya'da ölçülen maksimum uranyum konsantrasyonu 20 mg/l'dir. Yazarları şaşırtacak şekilde - makalenin adı: "Uranyumun fizyolojik sistemler üzerinde gözle görülür bir etkisinin beklenmedik yokluğu ..." - uranyumun farelerin sağlığı üzerinde neredeyse hiçbir etkisi yoktu. Hayvanlar iyi beslendi, düzgün kilo aldı, hastalıktan şikayet etmedi ve kanserden ölmedi. Uranyum, olması gerektiği gibi, öncelikle böbreklerde ve kemiklerde, yüz kat daha küçük miktarlarda ise karaciğerde birikiyordu ve birikiminin su içeriğine bağlı olması bekleniyor. Ancak bu durum böbrek yetmezliğine veya inflamasyonun moleküler belirteçlerinin gözle görülür şekilde ortaya çıkmasına yol açmadı. Yazarlar, DSÖ'nün katı kurallarının gözden geçirilmesinin başlaması gerektiğini öne sürdü. Ancak bir uyarı var: beyin üzerindeki etkisi. Farelerin beyinlerinde karaciğerlerine göre daha az uranyum vardı, ancak içeriği sudaki miktara bağlı değildi. Ancak uranyum beynin antioksidan sisteminin işleyişini etkiledi: Doza bakılmaksızın katalaz aktivitesi %20 arttı, glutatyon peroksidaz %68-90 arttı ve süperoksit dismutaz aktivitesi %50 azaldı. Bu, uranyumun açıkça beyinde oksidatif strese neden olduğu ve vücudun buna tepki verdiği anlamına geliyor. Bu etki - uranyumun beyin üzerinde, bu arada, cinsel organlarda olduğu gibi içinde de birikmesi olmadığında güçlü etkisi - daha önce fark edilmişti. Ayrıca Nebraska Üniversitesi'nden araştırmacıların fareleri altı ay boyunca beslediği 75-150 mg/l konsantrasyonundaki uranyumlu su ( Nörotoksikoloji ve Teratoloji, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), tarlaya salınan başta erkekler olmak üzere hayvanların davranışlarını etkiledi: çizgileri geçtiler, arka ayakları üzerinde kalktılar ve kontrollerden farklı olarak kürklerini düzelttiler. Uranyumun hayvanlarda hafıza bozukluğuna da yol açtığına dair kanıtlar var. Davranış değişiklikleri beyindeki lipit oksidasyon seviyeleriyle ilişkilendirildi. Uranyumlu suyun fareleri sağlıklı ama oldukça aptal hale getirdiği ortaya çıktı. Bu veriler sözde Körfez Savaşı Sendromu'nun analizinde işimize yarayacak.

Uranyum kaya gazı geliştirme sahalarını kirletiyor mu? Gaz içeren kayalarda ne kadar uranyum bulunduğuna ve onlarla nasıl ilişkilendirildiğine bağlıdır. Örneğin, Buffalo Üniversitesi'nden Doçent Tracy Bank, batı New York'tan Pennsylvania ve Ohio'ya ve Batı Virginia'ya kadar uzanan Marcellus Shale'i inceledi. Uranyumun kimyasal olarak hidrokarbonların kaynağıyla tam olarak ilişkili olduğu ortaya çıktı (ilgili karbonlu şeyllerin en yüksek uranyum içeriğine sahip olduğunu unutmayın). Deneyler, kırma sırasında kullanılan çözeltinin uranyumu mükemmel şekilde çözdüğünü göstermiştir. “Bu sulardaki uranyum yüzeye ulaştığında çevrenin kirlenmesine neden olabiliyor. Bu bir radyasyon riski teşkil etmiyor ancak uranyum zehirli bir elementtir” diye belirtiyor Tracy Bank, 25 Ekim 2010 tarihli bir üniversite basın açıklamasında. Kaya gazı üretimi sırasında uranyum veya toryumun çevreyi kirletme riskine ilişkin henüz detaylı bir yazı hazırlanmadı.

Uranyuma neden ihtiyaç duyulur? Daha önce seramik ve renkli cam yapımında pigment olarak kullanılıyordu. Artık uranyum nükleer enerjinin ve atom silahlarının temelidir. Bu durumda, benzersiz özelliği kullanılır - çekirdeğin bölünme yeteneği.

Nükleer fisyon nedir? Bir çekirdeğin iki eşit olmayan büyük parçaya bozunması. Bu özellik nedeniyle nötron ışınlamasına bağlı nükleosentez sırasında uranyumdan daha ağır çekirdeklerin büyük zorluklarla oluşmasıdır. Olayın özü aşağıdaki gibidir. Çekirdekteki nötron ve proton sayısının oranı optimal değilse kararsız hale gelir. Tipik olarak, böyle bir çekirdek ya bir alfa parçacığı - iki proton ve iki nötron ya da bir beta parçacığı - bir pozitron yayar ve buna nötronlardan birinin bir protona dönüşmesi eşlik eder. İlk durumda, periyodik tablonun bir elemanı elde edilir, iki hücre geriye, ikincisinde ise bir hücre öne yerleştirilir. Bununla birlikte, alfa ve beta parçacıkları yaymanın yanı sıra, uranyum çekirdeği, yeni bir nötron alarak periyodik tablonun ortasındaki iki elementin (örneğin baryum ve kripton) çekirdeğine bozunma yeteneğine sahiptir ve bunu yapar. Bu fenomen, radyoaktivitenin keşfinden kısa bir süre sonra, fizikçilerin yeni keşfedilen radyasyonu ellerinden gelen her şeye maruz bırakmasıyla keşfedildi. Etkinliklere katılanlardan Otto Frisch bu konuda şöyle yazıyor (“Advances in Physical Sciences,” 1968, 96, 4). Berilyum ışınlarının - nötronların - keşfinden sonra Enrico Fermi, özellikle beta bozunmasına neden olmak için uranyumu bunlarla ışınladı - bunu şimdi neptunyum olarak adlandırılan bir sonraki 93. elementi elde etmek için kullanmayı umuyordu. Işınlanmış uranyumda yeni bir tür radyoaktivite keşfeden ve bunu uranyum ötesi elementlerin görünümüyle ilişkilendiren oydu. Aynı zamanda berilyum kaynağının parafin tabakasıyla kaplandığı nötronların yavaşlatılması bu indüklenen radyoaktiviteyi artırdı. Amerikalı radyokimyacı Aristide von Grosse, bu elementlerden birinin protaktinyum olduğunu öne sürdü ama yanıldı. Ancak o zamanlar Viyana Üniversitesi'nde çalışan ve 1917'de keşfedilen protaktinyumun parlak buluşu olduğunu düşünen Otto Hahn, hangi elementlerin elde edildiğini öğrenmek zorunda olduğuna karar verdi. 1938'in başında Lise Meitner ile birlikte Hahn, deneysel sonuçlara dayanarak, tüm radyoaktif element zincirlerinin, uranyum-238'in nötron soğuran çekirdeklerinin ve onun yavru elementlerinin çoklu beta bozunmaları nedeniyle oluştuğunu öne sürdü. Kısa süre sonra Lise Meitner, Avusturya'nın Anschluss'undan sonra Nazilerin olası misillemelerinden korkarak İsveç'e kaçmak zorunda kaldı. Fritz Strassmann ile deneylerine devam eden Hahn, ürünler arasında hiçbir şekilde uranyumdan elde edilemeyen 56 numaralı element olan baryumun da bulunduğunu keşfetti: uranyumun tüm alfa bozunma zincirleri çok daha ağır kurşunla sona eriyor. Araştırmacılar sonuç karşısında o kadar şaşırdılar ki yayınlamadılar; yalnızca arkadaşlarına, özellikle Göteborg'daki Lise Meitner'e mektuplar yazdılar. Orada, 1938 Noelinde, yeğeni Otto Frisch onu ziyaret etti ve kış şehrinin çevresinde yürürken - kendisi kayaklarda, teyzesi yaya olarak - uranyumun ışınlanması sırasında baryumun ortaya çıkma olasılığını tartıştılar. nükleer fisyonun bir sonucu (Lise Meitner hakkında daha fazla bilgi için bkz. “Kimya ve Yaşam ", 2013, No. 4). Kopenhag'a dönen Frisch, Niels Bohr'u tam anlamıyla Amerika Birleşik Devletleri'ne giden bir geminin iskelesinde yakaladı ve ona fisyon fikrini anlattı. Bohr alnına tokat atarak şöyle dedi: “Ah, ne kadar aptaldık! Bunu daha önce fark etmeliydik." Ocak 1939'da Frisch ve Meitner, nötronların etkisi altında uranyum çekirdeklerinin bölünmesi üzerine bir makale yayınladı. O zamana kadar Otto Frisch ve Bohr'dan mesaj alan birçok Amerikalı grup zaten bir kontrol deneyi gerçekleştirmişti. Fikrin özünü kavradıklarında, fizikçilerin 26 Ocak 1939'da Washington'da düzenlenen yıllık teorik fizik konferansındaki raporu sırasında laboratuvarlarına dağılmaya başladıklarını söylüyorlar. Fisyonun keşfinden sonra Hahn ve Strassmann deneylerini revize ettiler ve tıpkı meslektaşları gibi ışınlanmış uranyumun radyoaktivitesinin uranyum ötesilerle değil, periyodik tablonun ortasından fisyon sırasında oluşan radyoaktif elementlerin bozunması ile ilişkili olduğunu buldular.

Uranyumda zincirleme reaksiyon nasıl oluşur? Uranyum ve toryum çekirdeklerinin fisyon olasılığının deneysel olarak kanıtlanmasından kısa bir süre sonra (ve Dünya üzerinde önemli miktarda başka bölünebilir element yoktur), Princeton'da çalışan Niels Bohr ve John Wheeler ve onlardan bağımsız olarak, Sovyet teorik fizikçi Ya. I. Frenkel ve Alman Siegfried Flügge ve Gottfried von Droste nükleer fisyon teorisini yarattılar. Bunu iki mekanizma takip etti. Bunlardan biri hızlı nötronların eşik emilimiyle ilişkilidir. Buna göre, fisyonu başlatmak için bir nötronun, ana izotopların (uranyum-238 ve toryum-232) çekirdekleri için 1 MeV'den fazla, oldukça yüksek bir enerjiye sahip olması gerekir. Daha düşük enerjilerde, uranyum-238'in nötron emilimi rezonans karakterine sahiptir. Böylece, 25 eV enerjili bir nötron, diğer enerjilere göre binlerce kat daha büyük bir yakalama kesit alanına sahiptir. Bu durumda fisyon olmayacak: uranyum-238, 23,54 dakikalık yarı ömrü olan uranyum-239'a dönüşecek ve 2,33 günlük yarı ömrü olan neptunyum-239'a dönüşecek. plütonyum-239. Toryum-232, uranyum-233'e dönüşecek.

İkinci mekanizma, bir nötronun eşiksiz emilimidir, bunu üçüncü az çok yaygın bölünebilir izotop - uranyum-235 (ayrıca doğada bulunmayan plütonyum-239 ve uranyum-233) takip eder: termal harekete katılan moleküller için olduğu gibi enerji ile termal olarak adlandırılan yavaş bile olsa herhangi bir nötronu emer - 0,025 eV, böyle bir çekirdek bölünecektir. Ve bu çok iyi: termal nötronlar, hızlı megaelektronvolt nötronlardan dört kat daha yüksek bir yakalama kesit alanına sahiptir. Bu, uranyum-235'in nükleer enerjinin sonraki tüm tarihi için önemidir: doğal uranyumdaki nötronların çoğalmasını sağlayan şey budur. Bir nötron tarafından vurulduktan sonra uranyum-235 çekirdeği kararsız hale gelir ve hızla iki eşit olmayan parçaya ayrılır. Yol boyunca birkaç (ortalama 2,75) yeni nötron yayılır. Aynı uranyumun çekirdeklerine çarparlarsa, nötronların katlanarak çoğalmasına neden olacaklar - büyük miktarda ısının hızla salınması nedeniyle patlamaya yol açacak bir zincirleme reaksiyon meydana gelecektir. Ne uranyum-238 ne de toryum-232 bu şekilde çalışamaz: Sonuçta, fisyon sırasında nötronlar ortalama 1-3 MeV enerjiyle yayılır, yani 1 MeV'lik bir enerji eşiği varsa, bu enerjinin önemli bir kısmıdır. nötronlar kesinlikle reaksiyona giremeyecek ve üreme gerçekleşmeyecektir. Bu, bu izotopların unutulması gerektiği ve nötronların, uranyum-235'in çekirdekleriyle mümkün olduğunca verimli bir şekilde etkileşime girebilmeleri için termal enerjiye kadar yavaşlatılması gerektiği anlamına gelir. Aynı zamanda, bunların uranyum-238 tarafından rezonans emilimine izin verilemez: sonuçta, doğal uranyumda bu izotop% 99,3'ten biraz daha azdır ve nötronlar hedef uranyum-235 ile değil, onunla daha sık çarpışır. Ve moderatör olarak hareket ederek nötronların çoğalmasını sabit bir seviyede tutmak ve bir patlamayı önlemek, yani zincir reaksiyonunu kontrol etmek mümkündür.

Ya.B. Zeldovich ve Yu.B. Khariton tarafından aynı kader yılında 1939'da yapılan bir hesaplama, bunun için ağır su veya grafit formunda bir nötron moderatörü kullanmanın ve doğal uranyumu uranyumla zenginleştirmenin gerekli olduğunu gösterdi. 235 en az 1,83 kez. Sonra bu fikir onlara saf bir fantezi gibi göründü: “Zincirleme bir patlamayı gerçekleştirmek için gerekli olan oldukça önemli miktarlardaki uranyumun zenginleştirilmesinin yaklaşık iki katı olduğu unutulmamalıdır,<...>pratik olarak imkansızlığa yakın, son derece hantal bir iştir.” Artık bu sorun çözüldü ve nükleer endüstri, enerji santralleri için uranyum-235 ila %3,5 oranında zenginleştirilmiş uranyumun seri üretimini yapıyor.

Kendiliğinden nükleer fisyon nedir? 1940 yılında G. N. Flerov ve K. A. Petrzhak, yarılanma ömrünün sıradan alfa bozunmasından çok daha uzun olmasına rağmen, uranyum fisyonunun herhangi bir dış etki olmaksızın kendiliğinden gerçekleşebileceğini keşfettiler. Bu tür bir fisyon aynı zamanda nötronlar da ürettiğinden, bunların reaksiyon bölgesinden kaçmasına izin verilmezse, zincirleme reaksiyonun başlatıcısı olarak görev yapacaklardır. Nükleer reaktörlerin oluşturulmasında kullanılan bu olgudur.

Nükleer enerjiye neden ihtiyaç duyulur? Zeldovich ve Khariton nükleer enerjinin ekonomik etkisini ilk hesaplayanlar arasındaydı (Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1940, 23, 4). “...Uranyumda sonsuz dallanan zincirlerle nükleer fisyon reaksiyonunun gerçekleştirilmesinin mümkün olup olmadığı konusunda nihai sonuçlara varmak şu anda hala mümkün değil. Eğer böyle bir reaksiyon mümkünse, deneycinin elindeki muazzam enerji miktarına rağmen reaksiyon hızı, reaksiyonun düzgün ilerlemesini sağlayacak şekilde otomatik olarak ayarlanır. Bu durum reaksiyonun enerji kullanımı açısından son derece elverişlidir. Bu nedenle, her ne kadar öldürülmemiş bir ayının derisinin bir bölümü olsa da, uranyumun enerji kullanımı olanaklarını karakterize eden bazı rakamları sunalım. Fisyon süreci hızlı nötronlarla ilerlerse, reaksiyon uranyumun ana izotopunu (U238) yakalar, o zaman<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>uranyumun ana izotopundan elde edilen bir kalorinin maliyeti, kömürden yaklaşık 4000 kat daha ucuzdur (tabii ki, "yanma" ve ısı giderme süreçleri uranyum durumunda olduğundan çok daha pahalı olmadığı sürece) kömür durumunda). Yavaş nötronlar durumunda, U235 izotopunun bolluğunun 0,007 olduğu dikkate alındığında, bir "uranyum" kalorisinin maliyeti (yukarıdaki rakamlara göre), zaten bir "kömür" kalorisinden yalnızca 30 kat daha ucuz olacaktır, diğer her şey eşit olduğunda."

İlk kontrollü zincirleme reaksiyon 1942'de Chicago Üniversitesi'nden Enrico Fermi tarafından gerçekleştirildi ve reaktör, nötron akışı değiştikçe grafit çubukların içeri ve dışarı itilmesiyle manuel olarak kontrol ediliyordu. İlk enerji santrali 1954 yılında Obninsk'te inşa edildi. İlk reaktörler, enerji üretmenin yanı sıra silaha uygun plütonyum üretmek için de çalışıyordu.

Nükleer santral nasıl çalışır? Günümüzde reaktörlerin çoğu yavaş nötronlarla çalışmaktadır. Metal, alüminyum gibi bir alaşım veya oksit formundaki zenginleştirilmiş uranyum, yakıt elemanları adı verilen uzun silindirlere yerleştirilir. Reaktöre belirli bir şekilde monte edilirler ve aralarına zincir reaksiyonunu kontrol eden moderatör çubukları yerleştirilir. Zamanla, yakıt elemanında - aynı zamanda nötronları emebilen uranyum fisyon ürünleri - reaktör zehirleri birikir. Uranyum-235 konsantrasyonu kritik seviyenin altına düştüğünde element hizmet dışı bırakılır. Ancak yıllar geçtikçe azalan, elementlerin uzun süre önemli miktarda ısı yaymasına neden olan güçlü radyoaktiviteye sahip çok sayıda fisyon parçası içerir. Soğutma havuzlarında tutuluyorlar ve daha sonra ya gömülüyor ya da işlenmeye çalışılıyor - yanmamış uranyum-235'i çıkarmak, üretilen plütonyum (atom bombası yapmak için kullanılıyordu) ve kullanılabilecek diğer izotoplar. Kullanılmayan kısım mezarlıklara gönderilir.

Hızlı reaktörler veya besleyici reaktörler olarak adlandırılan reaktörlerde, elemanların etrafına uranyum-238 veya toryum-232'den yapılmış reflektörler yerleştirilir. Yavaşlarlar ve çok hızlı olan nötronları reaksiyon bölgesine geri gönderirler. Rezonans hızlarına yavaşlayan nötronlar bu izotopları emerek, bir nükleer santral için yakıt görevi görebilecek sırasıyla plütonyum-239 veya uranyum-233'e dönüşür. Hızlı nötronlar uranyum-235 ile zayıf reaksiyona girdiğinden konsantrasyonunun önemli ölçüde arttırılması gerekir, ancak bu daha güçlü bir nötron akışıyla karşılığını verir. Üretilen reaktörler, tükettiklerinden daha fazla nükleer yakıt ürettikleri için nükleer enerjinin geleceği olarak görülse de, deneyler bunların yönetilmesinin zor olduğunu göstermiştir. Artık dünyada böyle bir reaktör kaldı - Beloyarsk NPP'nin dördüncü güç ünitesinde.

Nükleer enerji nasıl eleştiriliyor? Kazalardan bahsetmezsek, bugün nükleer enerjiye karşı çıkanların argümanlarındaki ana nokta, istasyonun hizmet dışı bırakılmasından sonra ve yakıtla çalışırken çevreyi koruma maliyetlerinin verimliliğinin hesaplanmasına eklenmesi önerisidir. Her iki durumda da radyoaktif atıkların güvenilir bir şekilde bertaraf edilmesi konusunda zorluklar ortaya çıkar ve bunlar devletin karşıladığı maliyetlerdir. Bunları enerji maliyetine aktarırsanız ekonomik çekiciliğinin ortadan kalkacağına dair bir görüş var.

Nükleer enerjiyi destekleyenler arasında da muhalefet var. Temsilcileri, alternatifi olmayan uranyum-235'in benzersizliğine işaret ediyor, çünkü termal nötronlar tarafından bölünebilen alternatif izotoplar - plütonyum-239 ve uranyum-233 - binlerce yıllık yarı ömürleri nedeniyle doğada bulunmuyor. Ve tam olarak uranyum-235'in bölünmesi sonucu elde edilirler. Eğer tükenirse, nükleer zincirleme reaksiyon için harika bir doğal nötron kaynağı ortadan kalkacaktır. Bu israfın sonucunda insanlık, rezervleri uranyumun birkaç katı olan toryum-232'yi gelecekte enerji döngüsüne dahil etme fırsatını kaybedecektir.

Teorik olarak parçacık hızlandırıcıları megaelektronvolt enerjili hızlı nötron akışı üretmek için kullanılabilir. Bununla birlikte, örneğin nükleer bir motorla gezegenler arası uçuşlardan bahsediyorsak, o zaman büyük bir hızlandırıcıya sahip bir planın uygulanması çok zor olacaktır. Uranyum-235'in tükenmesi bu tür projelerin sonunu getiriyor.

Silah sınıfı uranyum nedir? Bu oldukça zenginleştirilmiş uranyum-235'tir. Kritik kütlesi (kendiliğinden zincirleme reaksiyonun meydana geldiği bir madde parçasının boyutuna karşılık gelir) mühimmat üretebilecek kadar küçüktür. Bu tür uranyum atom bombası yapımında kullanılabileceği gibi termonükleer bomba fitili olarak da kullanılabilir.

Uranyum kullanımıyla hangi felaketler ilişkilidir? Bölünebilir elementlerin çekirdeklerinde depolanan enerji çok büyüktür. Dikkatsizlik nedeniyle veya kasıtlı olarak kontrolden çıkarsa bu enerji birçok soruna neden olabilir. En kötü iki nükleer felaket, 6 ve 8 Ağustos 1945'te ABD Hava Kuvvetleri'nin Hiroşima ve Nagazaki'ye atom bombası atarak yüz binlerce sivilin ölümüne ve yaralanmasına neden olduğunda meydana geldi. Daha küçük ölçekli afetler, nükleer santraller ve nükleer çevrim işletmelerindeki kazalarla ilişkilidir. İlk büyük kaza 1949'da SSCB'de plütonyumun üretildiği Çelyabinsk yakınlarındaki Mayak fabrikasında meydana geldi; Sıvı radyoaktif atık Techa Nehri'ne ulaştı. Eylül 1957'de üzerinde büyük miktarda radyoaktif madde açığa çıkaran bir patlama meydana geldi. On bir gün sonra, Windscale'deki İngiliz plütonyum üretim reaktörü yandı ve patlama ürünlerini içeren bulut Batı Avrupa'ya dağıldı. 1979'da Pensilvanya'daki Three Mail Island Nükleer Santrali'ndeki bir reaktör yandı. En yaygın sonuçlara Çernobil nükleer santralinde (1986) ve Fukushima nükleer santralinde (2011) milyonlarca insanın radyasyona maruz kaldığı kazalar neden oldu. Avrupa'ya yayılan patlama sonucunda ilki geniş alanlar çöple doldu, 8 ton uranyum yakıtı ve bozunma ürünleri açığa çıktı. İkincisi kirlendi ve kazadan üç yıl sonra da Pasifik Okyanusu'ndaki balıkçılık alanlarını kirletmeye devam ediyor. Bu kazaların sonuçlarının ortadan kaldırılması çok pahalıydı ve bu maliyetler elektrik maliyetine bölünürse önemli ölçüde artacaktı.

Ayrı bir konu insan sağlığına yönelik sonuçlarıdır. Resmi istatistiklere göre, bombalamadan sağ kurtulan ya da kirlenmiş bölgelerde yaşayan pek çok kişi radyasyondan yararlandı; ilkinin yaşam beklentisi daha uzun, ikincisi ise daha az kansere yakalanıyor ve uzmanlar ölüm oranlarındaki bir miktar artışı sosyal strese bağlıyor. Kaza sonucu veya tasfiye sonucu hayatını kaybedenlerin sayısı yüzlerce kişiyi buluyor. Nükleer santral karşıtları, kazaların Avrupa kıtasında birkaç milyon erken ölüme yol açtığını, ancak bunların istatistiksel bağlamda görünmez olduğunu belirtiyor.

Kaza bölgelerindeki arazilerin insan kullanımından çıkarılması ilginç bir sonuca yol açıyor: Buralar biyolojik çeşitliliğin büyüdüğü bir tür doğa koruma alanı haline geliyor. Bazı hayvanların radyasyona bağlı hastalıklardan muzdarip olduğu doğrudur. Artan arka plana ne kadar çabuk uyum sağlayacakları sorusu hala açık. Ayrıca kronik ışınlamanın sonucunun "aptallar için seçim" olduğu yönünde bir görüş de var (bkz. "Kimya ve Yaşam", 2010, No. 5): embriyonik aşamada bile daha ilkel organizmalar hayatta kalır. Özellikle insanlarla ilişkilerde bu durum, kazadan kısa süre sonra kirlenmiş bölgelerde doğan nesilde zihinsel yeteneklerin azalmasına yol açmalıdır.

Seyreltilmiş uranyum nedir? Bu, uranyum-235'in ondan ayrılmasından sonra kalan uranyum-238'dir. Silah kalitesinde uranyum ve yakıt elemanlarının üretiminden kaynaklanan atık hacimleri büyüktür - yalnızca Amerika Birleşik Devletleri'nde bu tür 600 bin ton uranyum hekzaflorür birikmiştir (bununla ilgili sorunlar için bkz. Kimya ve Yaşam, 2008, No. 5) . İçerisindeki uranyum-235 içeriği %0,2'dir. Bu atığın ya hızlı nötron reaktörlerinin oluşturulacağı ve uranyum-238'in plütonyuma dönüştürülmesinin mümkün olacağı daha iyi zamanlara kadar depolanması ya da bir şekilde kullanılması gerekiyor.

Bunun için bir kullanım alanı buldular. Uranyum da diğer geçiş elementleri gibi katalizör olarak kullanılır. Örneğin makalenin yazarları ACS Nano 30 Haziran 2014 tarihli yazıda, oksijen ve hidrojen peroksitin indirgenmesi için grafenli uranyum veya toryumdan yapılmış bir katalizörün "enerji sektöründe kullanım için muazzam bir potansiyele sahip olduğunu" yazıyorlar. Uranyumun yoğunluğu yüksek olduğundan gemiler için balast, uçaklar için ise karşı ağırlık görevi görür. Bu metal aynı zamanda radyasyon kaynaklarına sahip tıbbi cihazlarda radyasyondan korunmak için de uygundur.

Seyreltilmiş uranyumdan hangi silahlar yapılabilir? Zırh delici mermiler için mermiler ve çekirdekler. Burada hesaplama şu şekildedir. Mermi ne kadar ağır olursa kinetik enerjisi de o kadar yüksek olur. Ancak mermi ne kadar büyük olursa etkisi o kadar az yoğunlaşır. Bu da yüksek yoğunluklu ağır metallere ihtiyaç olduğu anlamına geliyor. Mermiler kurşundan yapılmıştır (Ural avcıları bir zamanlar değerli bir metal olduğunu anlayana kadar doğal platin de kullanmışlardır), mermi çekirdekleri ise tungsten alaşımından yapılmıştır. Çevreciler, kurşunun askeri operasyonlar veya avlanma yerlerinde toprağı kirlettiğini ve kurşunun tungsten gibi daha az zararlı bir şeyle değiştirilmesinin daha iyi olacağını belirtiyor. Ancak tungsten ucuz değildir ve yoğunluğu benzer olan uranyum zararlı bir atıktır. Aynı zamanda toprağın ve suyun uranyumla izin verilen kirlenmesi kurşunun yaklaşık iki katı kadardır. Bunun nedeni, tükenmiş uranyumun zayıf radyoaktivitesinin (ve aynı zamanda doğal uranyumunkinden %40 daha azdır) ihmal edilmesi ve gerçekten tehlikeli bir kimyasal faktörün dikkate alınmasıdır: hatırladığımız gibi uranyum zehirlidir. Aynı zamanda yoğunluğu kurşununkinden 1,7 kat daha fazladır, bu da uranyum mermilerinin boyutunun yarı yarıya azaltılabileceği anlamına gelir; uranyum kurşundan çok daha dayanıklı ve serttir; ateşlendiğinde daha az buharlaşır ve bir hedefe çarptığında daha az mikro parçacık üretir. Genel olarak bir uranyum mermisi, kurşun mermiye göre daha az kirleticidir, ancak uranyumun bu şekilde kullanıldığı kesin olarak bilinmemektedir.

Ancak Amerikan tanklarının zırhını güçlendirmek için (bu, yüksek yoğunluğu ve erime noktası ile kolaylaştırılmıştır) ve ayrıca zırh delici mermilerin çekirdeklerinde tungsten alaşımı yerine, tükenmiş uranyumdan yapılmış plakaların kullanıldığı bilinmektedir. Uranyum çekirdeği de iyidir çünkü uranyum piroforiktir: zırhın çarpmasıyla oluşan sıcak küçük parçacıklar alevlenir ve etrafındaki her şeyi ateşe verir. Her iki uygulama da radyasyon açısından güvenli kabul edilir. Dolayısıyla hesaplama, uranyum mühimmatı yüklü uranyum zırhlı bir tankta bir yıl oturduktan sonra bile mürettebatın izin verilen dozun yalnızca dörtte birini alacağını gösterdi. Ve izin verilen yıllık dozu elde etmek için, bu tür mühimmatı 250 saat boyunca cilt yüzeyine vidalamanız gerekir.

Uranyum çekirdekli mermiler - 30 mm'lik uçak topları veya topçu alt kalibreleri için - Amerikalılar tarafından 1991'deki Irak harekatından başlayarak son savaşlarda kullanıldı. O yıl Kuveyt'teki Irak zırhlı birliklerinin üzerine 300 ton seyreltilmiş uranyum yağdırdılar; bunun 250 tonu, yani 780 bin mermisi uçak silahlarına ateşlendi. Bosna-Hersek'te, tanınmayan Sırp Cumhuriyeti ordusunun bombalanması sırasında 2,75 ton uranyum harcandı ve Yugoslav ordusunun Kosova ve Metohija bölgesindeki bombardımanı sırasında - 8,5 ton veya 31 bin mermi. DSÖ o zamanlar uranyum kullanımının sonuçlarından endişe duyduğundan izleme yapıldı. Bir salvonun yaklaşık 300 mermiden oluştuğunu ve bunların %80'inin seyreltilmiş uranyum içerdiğini gösterdi. %10'u hedefleri vurdu ve %82'si bunların 100 metre yakınına düştü. Geri kalanı 1,85 km içinde dağıldı. Bir tanka çarpan mermi yanarak aerosol haline geldi, uranyum mermisi zırhlı personel taşıyıcı gibi hafif hedefleri deldi. Böylece Irak'ta en fazla bir buçuk ton merminin uranyum tozuna dönüşmesi mümkün olabilecek. Amerikan stratejik araştırma merkezi RAND Corporation'ın uzmanlarına göre, kullanılan uranyumun% 10 ila 35'i daha fazlası aerosole dönüştü. Riyad'ın Kral Faysal Hastanesi'nden Washington Uranyum Tıbbi Araştırma Merkezi'ne kadar çeşitli kuruluşlarda çalışan Hırvat uranyum karşıtı mühimmat aktivisti Asaf Durakoviç, 1991 yılında yalnızca güney Irak'ta 3-6 ton mikron altı uranyum parçacığının oluştuğunu tahmin ediyor. geniş bir alana dağılmış, yani oradaki uranyum kirliliği Çernobil ile karşılaştırılabilecek düzeyde.

Uranyum çok tipik bir aktinit değildir; 2+'dan 6+'ya kadar beş değerlik durumu bilinmektedir. Bazı uranyum bileşiklerinin karakteristik bir rengi vardır. Böylece, üç değerlikli uranyum çözeltileri kırmızı, dört değerlikli uranyum yeşil ve altı değerlikli uranyum - uranil iyonu (UO 2) 2+ formunda bulunur - çözeltileri sarı renklendirir... Altı değerlikli uranyumun birçok organik bileşikle bileşikler oluşturması kompleksleştirici ajanların, 92 numaralı elementin ekstraksiyon teknolojisi için çok önemli olduğu ortaya çıktı.

Uranyum iyonlarının dış elektron kabuğunun her zaman tamamen dolu olması karakteristiktir; Değerlik elektronları önceki elektron katmanında, 5f alt kabuğundadır. Uranyumu diğer elementlerle karşılaştırırsak ona en çok benzeyenin plütonyum olduğu açıktır. Aralarındaki temel fark, uranyumun büyük iyon yarıçapıdır. Ek olarak, plütonyum dört değerlikli durumda en kararlıdır ve uranyum altı değerlikli durumda en kararlıdır. Bu onları ayırmaya yardımcı olur ki bu çok önemlidir: nükleer yakıt plütonyum-239 yalnızca uranyumdan elde edilir, uranyum-238'in enerji açısından balastıdır. Plütonyum bir uranyum kütlesinde oluşur ve bunların ayrılması gerekir!

Ancak öncelikle cevherden başlayarak uzun bir teknolojik zincirden geçerek bu uranyum kütlesini elde etmeniz gerekiyor. Tipik olarak çok bileşenli, uranyum açısından fakir bir cevherdir.

Ağır bir elementin hafif izotopu

92 numaralı elementin elde edilmesinden bahsettiğimizde önemli bir aşamayı kasıtlı olarak atladık. Bildiğiniz gibi uranyumun tamamı nükleer zincirleme reaksiyonu destekleyemez. Doğal izotop karışımının %99,28'ini oluşturan Uranyum-238 bunu yapamaz. Bu nedenle uranyum-238 plütonyuma dönüştürülmekte ve uranyum izotoplarının doğal karışımının ya ayrıştırılması ya da termal nötronları parçalama yeteneğine sahip uranyum-235 izotopu ile zenginleştirilmesi aranmaktadır.

Uranyum-235 ve uranyum-238'in ayrılması için birçok yöntem geliştirilmiştir. Gaz difüzyon yöntemi en sık kullanılır. Bunun özü, iki gazın bir karışımının gözenekli bir bölmeden geçmesi durumunda ışığın daha hızlı geçmesidir. 1913 yılında F. Aston neon izotoplarını bu şekilde kısmen ayırmıştı.

Normal koşullar altında çoğu uranyum bileşiği katıdır ve yalnızca çok yüksek sıcaklıklarda, herhangi bir ince izotop ayırma işleminden söz edilemediğinde gaz haline dönüştürülebilir. Bununla birlikte, uranyumun flor ile renksiz bileşiği olan UF 6 heksaflorür, halihazırda 56,5 ° C'de (atmosfer basıncında) süblimleşir. UF 6, en uçucu uranyum bileşiğidir ve izotoplarını gaz halinde difüzyonla ayırmak için en uygunudur.

Uranyum heksaflorür, yüksek kimyasal aktivite ile karakterize edilir. Boruların, pompaların, kapların korozyonu, mekanizmaların yağlanmasıyla etkileşimi - difüzyon tesislerinin yaratıcılarının üstesinden gelmek zorunda olduğu küçük ama etkileyici bir sorun listesi. Daha da ciddi zorluklarla karşılaştık.

Doğal bir uranyum izotop karışımının florlanmasıyla elde edilen uranyum heksaflorür, “difüzyon” açısından, çok benzer moleküler kütlelere sahip iki gazın karışımı olarak düşünülebilir - 349 (235+19*6) ve 352 (238) +19*6). Molekül ağırlığı çok az farklılık gösteren gazlar için bir difüzyon aşamasındaki maksimum teorik ayırma katsayısı yalnızca 1,0043'tür. Gerçek koşullarda bu değer daha da azdır. Uranyum-235 konsantrasyonunu yalnızca birkaç bin difüzyon adımının yardımıyla %0,72'den %99'a çıkarmanın mümkün olduğu ortaya çıktı. Bu nedenle uranyum izotop ayırma tesisleri onlarca hektarlık bir alanı kaplamaktadır. Fabrikaların ayırma basamaklarındaki gözenekli bölmelerin alanı yaklaşık olarak aynı büyüklüktedir.

Uranyumun diğer izotopları hakkında kısaca

Doğal uranyum, uranyum-235 ve uranyum-238'e ek olarak uranyum-234'ü de içerir. Bu nadir izotopun bolluğu, virgülden sonra dört sıfır içeren bir sayıyla ifade edilir. Çok daha erişilebilir bir yapay izotop uranyum-233'tür. Bir nükleer reaktörün nötron akışında toryumun ışınlanmasıyla elde edilir:

232 90 Th + 10n → 233 90 Th -β-→ 233 91 Pa -β-→ 233 92 U
Nükleer fiziğin tüm kurallarına göre, tek bir izotop olan uranyum-233, termal nötronlarla bölünür. Ve en önemlisi, uranyum-233 içeren reaktörlerde nükleer yakıtın genişletilmiş yeniden üretimi gerçekleşebilir (ve meydana gelir). Geleneksel bir termal nötron reaktöründe! Hesaplamalar, bir toryum reaktöründe bir kilogram uranyum-233 yandığında, içinde 1,1 kg yeni uranyum-233 birikmesi gerektiğini gösteriyor. Bir mucize ve hepsi bu! Bir kilo yakıt yaktık ama yakıt miktarı azalmadı.

Ancak bu tür mucizeler ancak nükleer yakıtla mümkündür.

Termal nötron reaktörlerindeki uranyum-toryum döngüsü, hızlı nötron reaktörlerinde nükleer yakıtın yeniden üretilmesi için uranyum-plütonyum döngüsünün ana rakibidir... Aslında, sırf bu nedenle, 90 numaralı element - toryum - bir stratejik malzeme.

Uranyumun diğer yapay izotopları önemli bir rol oynamaz. Sadece uranyum-238 plütonyum-239'un dönüşüm zincirindeki ilk izotop olan uranyum-239'dan bahsetmeye değer. Yarı ömrü sadece 23 dakikadır.

Kütle numarası 240'tan büyük olan uranyum izotoplarının modern reaktörlerde oluşma zamanı yoktur. Uranyum-240'ın ömrü çok kısa ve bir nötron yakalamaya zaman bulamadan bozunuyor.

Termonükleer bir patlamanın süper güçlü nötron akışlarında, bir uranyum çekirdeği saniyenin milyonda biri içinde 19'a kadar nötron yakalamayı başarır. Bu durumda, kütle numaraları 239'dan 257'ye kadar olan uranyum izotopları doğar.Bunların varlığı, termonükleer bir patlamanın ürünlerinde uzak uranyum ötesi elementlerin (uranyumun ağır izotoplarının soyundan gelenler) ortaya çıkmasından öğrenildi. "Cinsin kurucuları", nükleer reaksiyonların ürünleri patlamayla karıştırılan kayadan çıkarılmadan çok önce beta bozunması ve daha yüksek elementlere geçemeyecek kadar kararsızdır.

Modern termal reaktörler uranyum-235'i yakıyor. Halihazırda mevcut olan hızlı nötron reaktörlerinde, ortak bir izotop olan uranyum-238'in çekirdeklerinin enerjisi açığa çıkar ve eğer enerji gerçek bir zenginlikse, o zaman uranyum çekirdekleri yakın gelecekte insanlığa fayda sağlayacaktır: 92 numaralı elementin enerjisi, varoluşumuzun temeli haline gelir.

Uranyum ve türevlerinin sadece barışçıl enerji santrallerinin nükleer reaktörlerinde, yavaş, dumansız, alevsiz yanmasını sağlamak hayati önem taşıyor.

BAŞKA BİR URANYUM KAYNAĞI. Günümüzde deniz suyu haline gelmiştir. Özel sorbentler (titanyum oksit veya belirli reaktiflerle işlenmiş akrilik elyaf) kullanarak sudan uranyumun çıkarılmasına yönelik pilot endüstriyel tesisler halihazırda faaliyettedir.

KİM NE KADAR. 80'li yılların başında kapitalist ülkelerdeki uranyum üretimi yılda yaklaşık 50.000 gramdı (U3O cinsinden). Bu miktarın yaklaşık üçte biri ABD endüstrisi tarafından sağlandı. Kanada ikinci sırada yer alırken onu Güney Afrika takip ediyor. Nigor, Gabon, Namibya. Avrupa ülkeleri arasında en fazla uranyum ve bileşiklerini Fransa üretiyor ancak payı ABD'den neredeyse yedi kat daha az.

GELENEKSEL OLMAYAN BAĞLANTILAR. Uranyum ve plütonyumun kimyasının demir gibi geleneksel elementlerin kimyasından daha iyi çalışıldığı temelsiz olmasa da kimyagerler hâlâ yeni uranyum bileşikleri keşfediyorlar. Böylece, 1977'de “Radiochemistry” dergisi, cilt XIX, no. 6 iki yeni uranil bileşiği bildirdi. Bileşimleri MU02(S04)2-SH20'dir; burada M, iki değerlikli bir manganez veya kobalt iyonudur. X-ışını kırınım desenleri, yeni bileşiklerin iki benzer tuzun karışımı değil, çift tuz olduğunu gösterdi.

Nükleer teknolojiler büyük ölçüde radyokimya yöntemlerinin kullanımına dayanmaktadır ve bu yöntemler de radyoaktif elementlerin nükleer fiziksel, fiziksel, kimyasal ve toksik özelliklerine dayanmaktadır.

Bu bölümde kendimizi ana bölünebilir izotopların (uranyum ve plütonyum) özelliklerinin kısa bir açıklamasıyla sınırlayacağız.

Uranüs

Uranüs ( uranyum) U - aktinit grubunun elementi, periyodik sistemin 7-0. periyodu, Z=92, atom kütlesi 238.029; doğada bulunan en ağır madde.

Uranyumun bilinen 25 izotopu vardır ve bunların hepsi radyoaktiftir. Kolay 217U (Tj/ 2 =26 ms), en ağır 2 4 2 U (7 T J/2 =i6,8 dk). 6 nükleer izomer vardır. Doğal uranyum üç radyoaktif izotop içerir: 2 8 ve (%99, 2 739, Ti/ 2 = 4,47109 l), 2 35 U (%0,7205, G, / 2 = 7,04-109 yıl) ve 2 34 U (%0,0056, ti/ 2=2,48-yuz1). Doğal uranyumun spesifik radyoaktivitesi 2,48104 Bq olup, neredeyse yarısı 234 U ile 288 U arasında bölünmüştür; 2 35U küçük bir katkı sağlar (doğal uranyumdaki 2 zi izotopunun spesifik aktivitesi, 2 3 8 U'nun aktivitesinden 21 kat daha azdır). Termal nötron yakalama kesitleri 2 zzi, 2 35U ve 2 3 8 U için sırasıyla 46, 98 ve 2,7 barn'dır; bölme bölümü 527 ve 584 ahır için sırasıyla 2 zzi ve 2 z 8 ve; izotopların doğal karışımı (%0,7 235U) 4,2 ahır.

Masa 1. Nükleer fiziksel özellikler 2 sa9 Ri ve 2 35T.

Masa 2. Nötron yakalama 2 35T ve 2z8C.

Uranyumun altı izotopu kendiliğinden fisyon yeteneğine sahiptir: 282 U, 2 zzi, 234 U, 235 U, 2 z 6 i ve 2 z 8 i. Hem termal hem de hızlı nötronların etkisi altında doğal izotoplar 2 33 ve 2 35 U fisyonu ve 2 3 8 çekirdekler, yalnızca 1,1 MeV'den daha fazla enerjiye sahip nötronları yakaladıklarında fisyon yapabilirler. Daha düşük enerjiye sahip nötronları yakalarken, 288 U çekirdeği önce 2 -i9U çekirdeğine dönüşür, daha sonra p-bozunumuna uğrar ve önce 2 -"*9Np'ye, ardından 2 39Pu'ya dönüşür. Termal nötronların yakalanması için etkili kesitler 2 34U nötron, 2 çekirdek 35U ve 2 3 8 ve sırasıyla 98, 683 ve 2,7 barn'a eşittir.2 35 U'nun tam fisyonu, 2-107 kWh / kg'lık bir “termal enerji eşdeğerine” yol açar.İzotoplar 2 35 U ve 2 zzi, fisyon zincir reaksiyonunu destekleyebilen nükleer yakıt olarak kullanılır.

Nükleer reaktörler kütle numaraları 227-^240 olan n adet yapay uranyum izotopu üretir; bunların en uzun ömürlü olanı 233U'dur (7 V2 =i.62 *io 5 yıl); toryumun nötron ışınlaması ile elde edilir. Termonükleer bir patlamanın süper güçlü nötron akışlarında kütle numarası 239^257 olan uranyum izotopları doğar.

Uran-232- teknojenik nüklid, a-yayıcı, T x / 2=68,9 yıl, ana izotoplar 2 saat 6 Pu(a), 23 2 Np(p*) ve 23 2 Ra(p), yavru çekirdek 228 Th. Kendiliğinden fisyonun yoğunluğu 0,47 bölüm/s kg'dir.

Uranyum-232 aşağıdaki bozunmaların bir sonucu olarak oluşur:

Nüklit *3 a Np'nin P + - bozunması (Ti/ 2 =14,7 dk):

Nükleer endüstride, toryum yakıt döngüsünde bölünebilir (silah sınıfı) nüklid 2zi'nin sentezi sırasında bir yan ürün olarak 2 3 2 U üretilir. 2 3 2 Th nötronlarla ışınlandığında ana reaksiyon meydana gelir:

ve iki aşamalı bir yan reaksiyon:

Toryumdan 232 U üretimi yalnızca hızlı nötronlarla gerçekleşir (E">6 MeV). Başlangıç ​​maddesi 2 3°TH içeriyorsa, 2 3 2 U'nun oluşumu şu reaksiyonla tamamlanır: 2 3°TH + u-> 2 3'TH. Bu reaksiyon termal nötronlar kullanılarak gerçekleşir. 2 3 2 U'nun oluşturulması çeşitli nedenlerden dolayı istenmemektedir. Minimum 2 3°TH konsantrasyonuna sahip toryum kullanılarak bastırılır.

2 × 2'nin bozunumu aşağıdaki yönlerde gerçekleşir:

228 Th'deki bir bozunum (olasılık %10, bozunma enerjisi 5,414 MeV):

yayılan alfa parçacıklarının enerjisi 5,263 MeV (vakaların %31,6'sında) ve 5,320 MeV'dir (vakaların %68,2'sinde).

• - kendiliğinden bölünme (olasılık ~%12'den az);
• - 28 Mg nüklid oluşumu ile küme bozunması (bozunma olasılığı 5*10" %12'den az):

Nüklit 2 oluşumuyla küme bozulması

Uranyum-232, sert y-kuanta yayıcıları olan nüklitleri içeren uzun bir bozunma zincirinin kurucusudur:

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

Toryum enerji döngüsünde 2zi üretimi sırasında 2 3 2 U'nun birikmesi kaçınılmazdır. 2 3 2 U'nun bozunmasından kaynaklanan yoğun y-radyasyonu toryum enerjisinin gelişimini engellemektedir. Alışılmadık olan şey, 2 3 2 11 numaralı eşit izotopun, nötronların etkisi altında yüksek bir fisyon kesitine (termal nötronlar için 75 ahır) ve ayrıca yüksek bir nötron yakalama kesitine - 73 ahıra sahip olmasıdır. 2 3 2 U, kimyasal araştırmalarda radyoaktif izleyici yönteminde kullanılır.

2 saat 2 ve sert y-kuantanın nüklid yayıcılarını içeren uzun bir bozunma zincirinin kurucusudur (2 saat 2 T şemasına göre). Toryum enerji döngüsünde 2zi üretimi sırasında 2 3 2 U'nun birikmesi kaçınılmazdır. 232 U'nun bozunmasından kaynaklanan yoğun y-radyasyonu toryum enerjisinin gelişimini engellemektedir. Alışılmadık olan şey, 2 3 2 U izotopunun, nötronların etkisi altında yüksek bir fisyon kesitine (termal nötronlar için 75 ahır) ve ayrıca yüksek bir nötron yakalama kesitine - 73 ahıra sahip olmasıdır. 2 3 2 U, kimyasal ve fiziksel araştırmalarda radyoaktif izleyici yönteminde sıklıkla kullanılır.

Uran-233- insan yapımı radyonüklid, a-yayıcı (enerji 4,824 (%82,7) ve 4,783 MeV (%14,9), Tvi= 1,585105 yıl, ana çekirdekler 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +)-> 2 ззРа(р), yavru çekirdek 22 9Th. Toryumdan nükleer reaktörlerde 2 zzi elde edilir: 2 z 2 Th bir nötron yakalar ve 2 zzT'ye dönüşür, bu da 2 zzRa'ya ve ardından 2 zzi'ye bozunur. 2zi'nin (tek izotop) çekirdekleri, herhangi bir enerjideki nötronların etkisi altında hem kendiliğinden fisyon hem de fisyon yeteneğine sahiptir, bu da onu hem atom silahlarının hem de reaktör yakıtının üretimi için uygun kılar. Etkili fisyon kesiti 533 ahırdır, yakalama kesiti 52 ahırdır, nötron verimi: fisyon olayı başına - 2,54, emilen nötron başına - 2,31. 2 zzi'nin kritik kütlesi, 2 35U'nun (-16 kg) kritik kütlesinden üç kat daha azdır. Kendiliğinden fisyonun yoğunluğu 720 bölüm/s kg'dir.

Uranyum-233 aşağıdaki bozunmaların bir sonucu olarak oluşur:

- (nüklid 2 33Np'nin 3 + - bozunması (7^=36,2 dk):

Endüstriyel ölçekte, 2 32Th'den nötronlarla ışınlama yoluyla 2 zi elde edilir:

Bir nötron emildiğinde, 2 zzi çekirdeği genellikle bölünür, ancak ara sıra bir nötron yakalayarak 2 34U'ya dönüşür. 2 zzi genellikle bir nötron emdikten sonra bölünse de bazen bir nötronu tutarak 2 34U'ya dönüşür. 2 zir üretimi hem hızlı hem de termal reaktörlerde gerçekleştirilmektedir.

Silah açısından bakıldığında 2 ZZI, 2 39Pu ile karşılaştırılabilir: radyoaktivitesi 2 39Pu aktivitesinin 1/7'sidir. (Ti/ 2 = 159200 litreye karşılık Pu için 24100 litre), 2zi'nin kritik kütlesi ^Pu'nunkinden %60 daha yüksektir (16 kg'a karşı 10 kg) ve kendiliğinden fisyon oranı 20 kat daha yüksektir (bth - ' 310 10'a karşı). 2 zzi'den gelen nötron akışı, 2 39Pi'den üç kat daha yüksektir. 2zi'ye dayalı bir nükleer yük oluşturmak ^Pi'ye göre daha fazla çaba gerektirir. Ana engel, 2ZZI'de 232 U safsızlığının varlığıdır; bozunma projelerinin y-radyasyonu, 2ZZI ile çalışmayı zorlaştırır ve bitmiş silahların tespit edilmesini kolaylaştırır. Ayrıca 2 3 2 U'nun kısa yarı ömrü onu aktif bir alfa parçacıkları kaynağı yapar. %1 232 içeren 2zi ve silah sınıfı plütonyumdan üç kat daha güçlü a-aktiviteye ve buna bağlı olarak daha fazla radyotoksisiteye sahiptir. Bu a-aktivite, silah yükünün hafif elementlerinde nötronların oluşmasına neden olur. Bu sorunu en aza indirmek için Be, B, F, Li gibi elementlerin varlığının minimum düzeyde olması gerekir. Bir nötron arka planının varlığı, patlama sistemlerinin çalışmasını etkilemez, ancak top devreleri, hafif elementler için yüksek düzeyde saflık gerektirir.Silah sınıfı 2 z'deki 23 2 U içeriği, milyonda 5 parçayı (%0,0005) geçmemelidir. Termik güç reaktörlerinin yakıtında, 2 3G'nin varlığı zararlı değildir ve hatta arzu edilir, çünkü uranyumun silah amacıyla kullanılma olasılığını azaltır.Harcanan yakıtın yeniden işlenmesi ve yakıtın yeniden kullanılmasından sonra, 232U içeriği yaklaşık 1+ değerine ulaşır. %0,2.

2zi'nin bozunumu aşağıdaki yönlerde gerçekleşir:

22 9Th'deki bir bozunma (%10 olasılık, bozunma enerjisi 4,909 MeV):

yayılan yahr parçacıklarının enerjisi 4,729 MeV (vakaların %1,61'inde), 4,784 MeV (vakaların %13,2'sinde) ve 4,824 MeV'dir (vakaların %84,4'ünde).

• - kendiliğinden bölünme (olasılık
• - 28 Mg nüklid oluşumu ile küme bozunması (bozunma olasılığı %1,3*10_13'ten az):

24 Ne nüklit oluşumu ile küme bozunması (bozunma olasılığı 7,3-10-“%):

2 zzi'nin bozunma zinciri neptunyum serisine aittir.

2zi'nin spesifik radyoaktivitesi 3.57-8 Bq/g'dir ve bu, plütonyumun -%15'lik a-aktivitesine (ve radyotoksisitesine) karşılık gelir. Sadece %1 2 3 2 U, radyoaktiviteyi 212 mCi/g'ye yükseltir.

Uran-234(Uranüs II, UIII) doğal uranyumun bir kısmı (%0,0055), 2,445105 yıl, a-yayıcı (a-parçacıklarının enerjisi 4,777 (%72) ve

4,723 (%28 MeV), ana radyonüklidler: 2 saat 8 Pu(a), 234 Pa(P), 234 Np(p +),

2 z”deki yavru izotop.

Tipik olarak 234 U, 2 saat 8 u ile dengededir ve aynı oranda bozunur ve oluşur. Doğal uranyumun radyoaktivitesinin yaklaşık yarısı 234U'dan kaynaklanmaktadır. Tipik olarak 234U, saf 2x8 Pu'nun eski preparatlarının iyon değişim kromatografisi ile elde edilir. A-bozunması sırasında, *zRi 2 34U verir, dolayısıyla 2 saatlik 8 Ru'luk eski preparatlar iyi 2 34U kaynaklarıdır. yuo g 238Pi, bir yıl sonra 776 mg 2 34U, 3 yıl sonra içerir

2,2 gr 2 34U. Yüksek derecede zenginleştirilmiş uranyumdaki 2 34U konsantrasyonu, hafif izotoplarla tercihli zenginleştirme nedeniyle oldukça yüksektir. 2 34u güçlü bir y yayıcı olduğundan, yakıt olarak işlenmesi amaçlanan uranyumdaki konsantrasyonu konusunda kısıtlamalar vardır. Reaktörler için artan 234i seviyeleri kabul edilebilir, ancak yeniden işlenmiş kullanılmış yakıt zaten bu izotopun kabul edilemez seviyelerini içermektedir.

234i'nin bozunması aşağıdaki yönlerde meydana gelir:

2 3°Т'de A bozunması (olasılık %100, bozunma enerjisi 4,857 MeV):

yayılan alfa parçacıklarının enerjisi 4,722 MeV (vakaların %28,4'ünde) ve 4,775 MeV'dir (vakaların %71,4'ünde).

• - kendiliğinden bölünme (olasılık %1,73-10-9).
• - 28 Mg nüklid oluşumu ile küme bozunması (diğer verilere göre bozunma olasılığı %1,4-10, %3,9-10):

• - 2 4Ne ve 26 Ne nüklidlerinin oluşumu ile küme bozunması (bozunma olasılığı 9-10", %2, diğer verilere göre %2,3-10_11):

Bilinen tek izomer 2 34ti'dir (Tx/ 2 = 33,5 μs).

2 34U termal nötronun soğurma kesiti 100 barn'dır ve çeşitli ara nötronlar üzerinden ortalaması alınan rezonans integrali için 700 barn'dır. Bu nedenle, termal nötron reaktörlerinde, çok daha büyük miktardaki 238U'nun (2,7 barn kesitli) 2 39Ru'ya dönüştürülmesinden daha hızlı bir şekilde bölünebilir 235U'ya dönüştürülür. Sonuç olarak kullanılmış yakıt, taze yakıttan daha az 2 34U içerir.

Uran-235 4P+3 ailesine ait olup, fisyon zincirleme reaksiyonu üretebilmektedir. Bu, nötronların etkisi altında zorla nükleer fisyon reaksiyonunun keşfedildiği ilk izotoptur. Bir nötron emildiğinde, 235U iki parçaya bölünen 2 zbi haline gelir, enerji açığa çıkar ve birkaç nötron yayar. Herhangi bir enerjideki nötronlar tarafından bölünebilen ve kendiliğinden bölünme yeteneğine sahip olan izotop 2 35U, doğal ufanın (%0,72) bir parçasıdır, bir a-yayıcıdır (enerjiler 4,397 (%57) ve 4,367 (%18 MeV), Ti/j=7,038-8 yıl, anne nüklidleri 2 35Pa, 2 35Np ve 2 39Pu, kız çocuğu - 23Th. Kendiliğinden fisyon hızı 2 3su 0,16 fisyon/s kg. Bir adet 2 adet 35U çekirdek fisyonunda 200 MeV enerji = 3,210 p J açığa çıkar; 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Termal nötronlar tarafından fisyonun kesiti 545 ahırdır ve hızlı nötronlar tarafından - 1,22 ahır, nötron verimi: fisyon eylemi başına - 2,5, emilen nötron başına - 2,08.

Yorum. İzotop 2 sii'yi (oo ahır) üretmek için yavaş nötron yakalamaya yönelik kesit, böylece toplam yavaş nötron absorpsiyon kesiti 645 ahırdır.

• - kendiliğinden bölünme (olasılık 7*10~%9);
• - 2 °Ne, 2 5Ne ve 28 Mg nüklitlerin oluşumuyla küme bozunması (olasılıklar sırasıyla %8-io_10, 8-kg %10, 8*10",%0'dır):

Pirinç. 1.

Bilinen tek izomer 2 35n»u'dur (7/ 2 = 2b dk).

Spesifik aktivite 2 35C 7.77-4 Bq/g. Reflektörlü bir top için silah kalitesinde uranyumun kritik kütlesi (%93,5 2 35U) 15-7-23 kg'dır.

Fisyon 2 » 5U atom silahlarında, enerji üretiminde ve önemli aktinitlerin sentezinde kullanılır. Zincirleme reaksiyon, 2°35C'deki fisyon sırasında üretilen nötronların fazlalığıyla sürdürülür.

Uran-236 Dünya'da doğal olarak eser miktarlarda bulunur (Ay'da daha fazlası vardır), a-yayıcı (?

Pirinç. 2. Radyoaktif aile 4/7+2 (-з 8 и dahil).

Bir atomik reaktörde, 2 sz termal bir nötronu emer, ardından% 82 olasılıkla fisyona uğrar ve% 18 olasılıkla bir y-kuantumu yayar ve 2 sb'ye dönüşür ve (100 fisyon çekirdeği için 2 35U var) 22 tane oluşturulmuş çekirdek 2 3 6 U) . Küçük miktarlarda taze yakıtın bir parçasıdır; Uranyum bir reaktörde nötronlarla ışınlandığında birikir ve bu nedenle kullanılmış nükleer yakıt için bir "sinyal cihazı" olarak kullanılır. 2 hb ve kullanılmış nükleer yakıtın rejenerasyonu sırasında izotopların gaz difüzyonu ile ayrılması sırasında bir yan ürün olarak oluşur. 236 U, bir güç reaktöründe oluşan bir nötron zehiridir; nükleer yakıttaki varlığı, yüksek düzeyde zenginleştirme 2 35 U ile telafi edilir.

2 z b ve okyanus sularının karışmasının izleyicisi olarak kullanılır.

Uranyum-237,T&= 6,75 gün, beta ve gama yayıcı, nükleer reaksiyonlardan elde edilebilir:

Tespit 287 ve aynı doğrultuda gerçekleştirildi Ey= o,ob MeV (%36), 0,114 MeV (%0,06), 0,165 MeV (%2,0), 0,208 MeV (%23)

237U, kimyasal araştırmalarda radyotracer yönteminde kullanılır. Atom silah testlerinden kaynaklanan serpintideki konsantrasyonun (2-4°Am) ölçülmesi, şarjın türü ve kullanılan ekipman hakkında değerli bilgiler sağlar.

Uran-238- 4P+2 ailesine aittir, yüksek enerjili nötronlar (1,1 MeV'den fazla) tarafından bölünebilir, kendiliğinden bölünebilir, doğal uranyumun temelini oluşturur (%99,27), a-yayıcı, 7'; /2=4>468-109 yıl, doğrudan 2 34Th'ye bozunur, genetik olarak ilişkili bir dizi radyonüklit oluşturur ve 18 üründen sonra 206 Рb'ye dönüşür. Saf 2 3 8 U'nun spesifik radyoaktivitesi 1,22-104 Bq'dur. Yarı ömür çok uzundur - yaklaşık 10-16 yıl, dolayısıyla ana süreçle (bir alfa parçacığının emisyonu) ilişkili olarak fisyon olasılığı yalnızca 10" 7'dir. Bir kilogram uranyum, saniyede yalnızca 10 kendiliğinden fisyon sağlar, ve aynı zamanda alfa parçacıkları 20 milyon çekirdek yayar Ana çekirdekler: 2 4 2 Pu(a), *38ra(p-) 234Th, yavru T,/ 2 = 2 :Ben 4 Th.

Uranyum-238 aşağıdaki bozunmaların bir sonucu olarak oluşur:

2 (V0 4) 2 ] 8H 2 0. İkincil mineraller arasında, hidratlanmış kalsiyum uranil fosfat Ca(U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0 yaygındır. Minerallerdeki uranyuma genellikle diğer yararlı elementler eşlik eder - titanyum , tantal, nadir topraklar. Bu nedenle uranyum içeren cevherlerin karmaşık işlenmesi için çabalamak doğaldır.

Uranyumun temel fiziksel özellikleri: atom kütlesi 238.0289 amu. (g/mol); atom yarıçapı 138 pm (1 pm = 12 m); iyonlaşma enerjisi (ilk elektron 7,11 eV; elektronik konfigürasyon -5f36d‘7s 2; oksidasyon durumları 6, 5, 4, 3; GP l = 113 2, 2 °; T t,1=3818°; yoğunluk 19.05; özgül ısı kapasitesi 0,115 JDKmol); gerilme mukavemeti 450 MPa, füzyon ısısı 12,6 kJ/mol, buharlaşma ısısı 417 kJ/mol, özgül ısı 0,115 J/(mol-K); molar hacim 12,5 cm3/mol; karakteristik Debye sıcaklığı © D =200K, süperiletken duruma geçiş sıcaklığı yaklaşık.68K.

Uranyum ağır, gümüşi beyaz, parlak bir metaldir. Çelikten biraz daha yumuşaktır, dövülebilir, esnektir, hafif paramanyetik özelliklere sahiptir ve toz halinde piroforiktir. Uranyumun üç allotropik formu vardır: alfa (ortorombik, a-U, kafes parametreleri 0=285, b= 587, c=49b pm, 667,7°'ye kadar kararlı), beta (dörtgen, p-U, 667,7'den 774,8°'ye kadar kararlı), gama (kübik gövde merkezli kafes ile, y-U, 774,8°'den erime noktalarına kadar mevcut, frm= ii34 0), burada uranyum en dövülebilir ve işlenmeye en uygun olanıdır.

Oda sıcaklığında ortorombik a-fazı stabildir; prizmatik yapı düzleme paralel dalgalı atomik katmanlardan oluşur. ABC, son derece asimetrik prizmatik bir kafes içinde. Katmanlar içinde atomlar sıkı bir şekilde bağlanırken, bitişik katmanlardaki atomlar arasındaki bağların gücü çok daha zayıftır (Şekil 4). Bu anizotropik yapı, uranyumun diğer metallerle alaşımlanmasını zorlaştırır. Yalnızca molibden ve niyobyum, uranyumla katı fazlı alaşımlar oluşturur. Ancak uranyum metali birçok alaşımla etkileşime girerek intermetalik bileşikler oluşturabilir.

668^775° aralığında (3-uranyum) bulunur. Dörtgen tip kafes, düzleme paralel katmanlardan oluşan katmanlı bir yapıya sahiptir. ab 1/4С, 1/2 konumlarında İle ve birim hücrenin 3/4C'si. 775°'nin üzerindeki sıcaklıklarda vücut merkezli kübik kafesli y-uranyum oluşur. Molibden ilavesi, y fazının oda sıcaklığında mevcut olmasını sağlar. Molibden, y-uranyum ile geniş bir yelpazede katı çözeltiler oluşturur ve y-fazını oda sıcaklığında stabilize eder. y-Uranyum, kırılgan a- ve (3-fazlarından) çok daha yumuşak ve daha dövülebilirdir.

Nötron ışınlaması, uranyumun fiziksel ve mekanik özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir; numunenin boyutunda bir artışa, şekil değişikliğine ve ayrıca uranyum bloklarının mekanik özelliklerinde (sürünme, gevrekleşme) keskin bir bozulmaya neden olur. nükleer reaktörün işletilmesi. Hacimdeki artış, daha düşük yoğunluğa sahip elementlerin safsızlıklarının bölünmesi sırasında uranyumun birikmesinden kaynaklanmaktadır (çeviri). 1% Uranyumun parçalanma elemanlarına dönüştürülmesi hacmi %3,4 artırır.

Pirinç. 4. Uranyumun bazı kristal yapıları: a - a-uranyum, b - p-uranyum.

Uranyumun metalik halde elde edilmesinin en yaygın yöntemleri, florürlerinin alkali veya toprak alkali metallerle indirgenmesi veya erimiş tuzların elektrolizidir. Uranyum ayrıca tungsten veya tantal içeren karbürlerden metalotermik indirgeme yoluyla da elde edilebilir.

Elektronları kolayca verme yeteneği, uranyumun indirgeyici özelliklerini ve daha büyük kimyasal aktivitesini belirler. Uranyum, soy gazlar hariç hemen hemen tüm elementlerle etkileşime girebilir ve +2, +3, +4, +5, +6 oksidasyon durumlarını elde edebilir. Çözümde ana değer 6+'dır.

Havada hızla oksitlenen metalik uranyum, yanardöner bir oksit filmi ile kaplanır. İnce uranyum tozu havada (1504-175° sıcaklıklarda) kendiliğinden tutuşarak oluşur ve;) Ov. 1000°C'de uranyum nitrojenle birleşerek sarı uranyum nitrür oluşturur. Su, metalle düşük sıcaklıklarda yavaş, yüksek sıcaklıklarda hızlı bir şekilde reaksiyona girebilir. Uranyum, kaynar su ve buharla şiddetli reaksiyona girerek uranyumla bir hidrit oluşturan hidrojeni açığa çıkarır.

Bu reaksiyon uranyumun oksijende yanmasından daha enerjiktir. Uranyumun bu kimyasal aktivitesi, nükleer reaktörlerdeki uranyumun suyla temasından korunmasını gerekli kılmaktadır.

Uranyum hidroklorik, nitrik ve diğer asitlerde çözünerek U(IV) tuzlarını oluşturur, ancak alkalilerle etkileşime girmez. Uranyum, inorganik asitlerdeki hidrojeni ve cıva, gümüş, bakır, kalay, platin ve altın gibi metallerin tuz çözeltilerini uzaklaştırır. Kuvvetli bir şekilde sallandığında uranyumun metal parçacıkları parlamaya başlar.

Uranyum atomunun elektron kabuklarının yapısal özellikleri (^/-elektronların varlığı) ve bazı fizikokimyasal özellikleri, uranyumun aktinit serisinin bir üyesi olarak sınıflandırılmasının temelini oluşturur. Ancak uranyum ile Cr, Mo ve W arasında kimyasal bir benzerlik vardır. Uranyum oldukça reaktiftir ve soy gazlar dışındaki tüm elementlerle reaksiyona girer. Katı fazda U(VI) örnekleri, uranil trioksit U03 ve uranil klorür U02C12'dir. Uranyum tetraklorür UC1 4 ve uranyum dioksit U0 2

U(IV) örnekleri. U(IV) içeren maddeler genellikle kararsızdır ve uzun süre havaya maruz kaldığında altı değerlikli hale gelir.

Uranyum-oksijen sisteminde altı oksit bulunur: UO, U0 2, U 4 0 9 ve 3 Ov, U0 3. Geniş bir homojenlik yelpazesi ile karakterize edilirler. U0 2 bazik bir oksittir, U0 3 ise amfoteriktir. U0 3 - en önemlileri diuranik asit H2 U207 ve uranik asit H21U4 olan bir dizi hidrat oluşturmak üzere suyla etkileşime girer. Alkalilerle U0 3, bu asitlerin - uranatların tuzlarını oluşturur. U03 asitler içinde çözündüğünde çift yüklü uranil katyonu U02a+'nın tuzları oluşur.

Stokiyometrik bileşime sahip Uranyum dioksit, U0 2 kahverengidir. Oksitteki oksijen içeriği arttıkça renk koyu kahverengiden siyaha döner. CaF 2 tipinin kristal yapısı, A = 0,547 nm; yoğunluk 10,96 g/cm"* (uranyum oksitler arasında en yüksek yoğunluk). T , pl =2875 0 , Teşekkürler = 3450°, D#°298 = -1084,5 kJ/mol. Uranyum dioksit delik iletkenliğine ve güçlü bir paramanyetik özelliğe sahip bir yarı iletkendir. MPC = 0,015 mg/m3. Suda çözünmez. -200° sıcaklıkta oksijen ekleyerek U0 2>25 bileşimine ulaşır.

Uranyum (IV) oksit aşağıdaki reaksiyonlarla hazırlanabilir:

Uranyum dioksit yalnızca temel özellikler gösterir; daha sonra hidratlanmış hidroksit U0 2 H 2 0'ya dönüştürülen bazik hidroksit U(OH) 4'e karşılık gelir. Uranyum dioksit, atmosferik oksijenin yokluğunda güçlü oksitleyici olmayan asitlerde yavaş yavaş çözünür. III + iyonlarının oluşumu:

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

Konsantre asitlerde çözünür ve flor iyonu eklenerek çözünme hızı önemli ölçüde arttırılabilir.

Nitrik asit içinde çözündüğünde uranil iyonu 1O22+ oluşumu meydana gelir:

Triuran oktaoksit U 3 0s (uranyum oksit), rengi siyahtan koyu yeşile kadar değişen bir tozdur; kuvvetlice ezildiğinde zeytin yeşili rengine döner. Büyük siyah kristaller porselen üzerinde yeşil çizgiler bırakır. U 3 0'un üç kristal modifikasyonu bilinmektedir h: a-U3C>8 - eşkenar dörtgen kristal yapısı (uzay grubu C222; 0 = 0,671 nm; 6 = 1,197 nm; c = 0,83 nm; D =0,839 nm); p-U 3 0e - eşkenar dörtgen kristal yapısı (uzay grubu Stst; 0=0,705 nm; 6=1,172 nm; 0=0,829 nm. Ayrışmanın başlangıcı oooo°'dir (100 2'ye geçiş), MPC = 0,075 mg/m3.

U 3 C>8 aşağıdaki reaksiyonla elde edilebilir:

U0 2, U0 2 (N0 3) 2, U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 veya (NH 4) 2 U 2 0 7'nin havada veya oksijen atmosferinde 750 0'de kalsinasyonuyla ( p = 150+750 mmHg) stokiyometrik olarak saf U 3 08 elde edilir.

U 3 0'lar T>oooo°'de kalsine edildiğinde 10 2'ye düşürülür, ancak havada soğutulduğunda U 3 0'lara geri döner. U 3 0e yalnızca konsantre güçlü asitlerde çözünür. Hidroklorik ve sülfürik asitlerde U(IV) ve U(VI) karışımı, nitrik asitte ise uranil nitrat oluşur. Seyreltik sülfürik ve hidroklorik asitler ısıtıldığında bile U3O'larla çok zayıf reaksiyona girer; oksitleyici maddelerin (nitrik asit, pirolusit) eklenmesi çözünme hızını keskin bir şekilde artırır. Konsantre H2S04, U3Os'u çözerek U(S04)2 ve U02S04'ü oluşturur. Nitrik asit U3Oe'yi çözerek uranil nitratı oluşturur.

Uranyum trioksit, U0 3 - parlak sarı renkte kristal veya amorf bir madde. Su ile reaksiyona girer. MPC = 0,075 mg/m3.

Amonyum poliuranatların, uranyum peroksitin, uranil oksalatın 300-500°'de ve uranil nitrat hekzahidratın kalsine edilmesiyle elde edilir. Bu, yoğunlukta amorf bir yapıya sahip turuncu bir toz üretir.

6,8 g/cm2. IU3'ün kristal formu, U308'in 450°saat-750° sıcaklıklarda bir oksijen akışında oksidasyonu yoluyla elde edilebilir. U0 3'ün altı kristal modifikasyonu vardır (a, (3, y> §> ?, n) - U0 3 higroskopiktir ve nemli havada uranil hidroksite dönüşür. 520°-^6oo°'de ısıtılması bileşimin bir bileşiğini verir. 1U 2>9, 6oo°'ye daha fazla ısıtmak U3Os elde edilmesini sağlar.

Hidrojen, amonyak, karbon, alkali ve alkalin toprak metalleri U0 3'ü U0 2'ye düşürür. HF ve NH3 gazlarının bir karışımını geçerken UF 4 oluşur. Daha yüksek değerlikte uranyum amfoterik özellikler sergiler. U0 3 asitlerine veya hidratlarına maruz kaldığında sarı-yeşil renkte uranil tuzları (U0 2 2+) oluşur:

Uranil tuzlarının çoğu suda oldukça çözünür.

Alkalilerle birleştirildiğinde U0 3, uranik asit tuzları oluşturur - MDKH uranatlar:

Alkali çözeltilerle uranyum trioksit, poliuranik asitlerin tuzlarını oluşturur - poliuranatlar DHM 2 0y1U 3 pH^O.

Uranik asit tuzları suda pratik olarak çözünmez.

U(VI)'nın asidik özellikleri bazik olanlardan daha az belirgindir.

Uranyum oda sıcaklığında flor ile reaksiyona girer. Yüksek halojenürlerin stabilitesi florürlerden iyodürlere doğru azalır. UF 3, U4F17, U2F9 ve UF 4 florürleri uçucu değildir ve UFe uçucudur. En önemli florürler UF 4 ve UFe'dir.

Uygulamaya göre Ftppippiyanir okgilya t"yanya ppptrkart:

Akışkan yataktaki reaksiyon aşağıdaki denkleme göre gerçekleştirilir:

Florlama maddelerinin kullanılması mümkündür: BrF 3, CC1 3 F (Freon-11) veya CC1 2 F2 (Freon-12):

Uranyum florür (1U) UF 4 (“yeşil tuz”) mavimsi-yeşilimsi ila zümrüt renginde bir tozdur. G11L = yuz6°; Гк,«,.=-1730°. DN° 29 8= 1856 kJ/mol. Kristal yapısı monokliniktir (sp. gp. C2/s; 0=1.273 nm; 5=1.075 nm; 0=0.843 nm; d= 6,7 nm; p=12b°20"; yoğunluk 6,72 g/cm3. UF 4 kararlı, inaktif, uçucu olmayan bir bileşiktir, suda az çözünür. UF 4 için en iyi çözücü dumanlı perklorik asit HC10 4'tür. Oksitleyici asitlerde çözünerek oluşturmak üzere bir uranil tuzu, sıcak bir Al(N03)3 veya AlCl3 çözeltisinin yanı sıra H2S04, HC104 veya HC1 ile asitlendirilmiş bir borik asit çözeltisi içinde hızla çözünür. örneğin Fe3 +, Al3 + veya borik asit de UF 4'ün çözünmesine katkıda bulunur. Diğer metallerin florürleri ile bir dizi zayıf çözünen çift tuz (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7, vb.) oluşturur. NH 4 UF 5 endüstriyel öneme sahiptir.

U(IV) florür preparasyonda bir ara üründür

hem UF6 hem de uranyum metali.

UF 4 reaksiyonlarla elde edilebilir:

veya uranil florürün elektrolitik indirgenmesi yoluyla.

Uranyum hekzaflorür UFe - oda sıcaklığında, yüksek kırılma indeksine sahip fildişi renkli kristaller. Yoğunluk

5,09 g/cm2, sıvı UFe'nin yoğunluğu - 3,63 g/cm2. Uçucu bileşik. Tvoag = 5^>5°> Gil=b4,5° (basınç altında). Doymuş buhar basıncı atmosfere 560°'de ulaşır. Oluşum entalpisi AH° 29 8 = -211b kJ/mol. Kristal yapısı ortorombiktir (uzay grubu. Rpt; 0=0,999 nm; fe= 0,8962 nm; c=o.5207 nm; D 5.060 nm (25 0). MPC - 0,015 mg/m3. UF6, katı halden geniş bir basınç aralığında sıvı fazı atlayarak bir gaza süblimleşebilir (süblimleşebilir). 50 0 50 kJ/mg'de süblimleşme ısısı. Molekülün dipol momenti yoktur, dolayısıyla UF6 birleşmez. UFr buharı ideal bir gazdır.

Florun U bileşiği üzerindeki etkisi ile elde edilir:

Gaz fazı reaksiyonlarının yanı sıra sıvı faz reaksiyonları da vardır.

örneğin haloflorürler kullanarak UF6 üretmek

UF6'yı flor kullanmadan elde etmenin bir yolu vardır - UF4'ün oksidasyonu ile:

UFe kuru hava, oksijen, nitrojen ve C0 2 ile reaksiyona girmez, ancak su ile temas ettiğinde, hatta izleri bile hidrolize uğrar:

Çoğu metalle etkileşime girerek florürlerini oluşturur ve bu da depolama yöntemlerini zorlaştırır. UF6 ile çalışmak için uygun kap malzemeleri şunlardır: ısıtıldığında Ni, Monel ve Pt, soğukta - ayrıca Teflon, tamamen kuru kuvars ve cam, bakır ve alüminyum. 25-0°C sıcaklıklarda alkali metallerin florürleri ve 3NaFUFr>, 3KF2UF6 tipi gümüş ile kompleks bileşikler oluşturur.

Çeşitli organik sıvılarda, inorganik asitlerde ve tüm haloflorürlerde iyi çözünür. Kurumaya karşı inert 0 2, N 2, C0 2, C1 2, Br 2. UFr, çoğu saf metalle indirgeme reaksiyonları ile karakterize edilir. UF6, hidrokarbonlar ve diğer organik maddelerle güçlü bir şekilde reaksiyona girer, bu nedenle UFe içeren kapalı kaplar patlayabilir. 25 -r100° aralığındaki UF6, alkali ve diğer metallerin florürleri ile kompleks tuzlar oluşturur. Bu özellik, UF'nin seçici ekstraksiyonu teknolojisinde kullanılır.

Uranyum hidritler UH2 ve UH3, tuz benzeri hidritler ile metaldeki katı hidrojen çözeltileri tipindeki hidritler arasında bir ara pozisyonda bulunur.

Uranyum nitrojenle reaksiyona girdiğinde nitrürler oluşur. U-N sisteminde bilinen dört faz vardır: UN (uranyum nitrür), a-U 2 N 3 (seskuinitrid), p- U 2 N 3 ve BM If90. UN 2 (dinitrid) bileşimine ulaşmak mümkün değildir. Uranyum mononitrür UN sentezleri güvenilirdir ve iyi kontrol edilir; bunlar en iyi şekilde doğrudan elementlerden gerçekleştirilir. Uranyum nitrürler, rengi koyu griden griye değişen toz halindeki maddelerdir; metale benziyor. UN, NaCl (0 = 4,8892 A) gibi kübik yüzey merkezli bir kristal yapıya sahiptir; (/=14.324, 7^=2855°, vakumda 1700 0'a kadar stabildir. U veya U hidrürün N2 ile reaksiyona sokulmasıyla hazırlanır. veya NH3, daha yüksek U nitrürlerin 1300°'de ayrışması veya bunların uranyum metali ile indirgenmesi. U2N3'ün iki polimorfik modifikasyonu bilinmektedir: kübik a ve altıgen p (0 = 0,3688 nm, 6 = 0,5839 nm), 800°'nin üzerindeki bir vakumda N2'yi serbest bırakır. UN 2'nin hidrojen ile indirgenmesiyle elde edilir. UN2 dinitrid, U'nun yüksek N2 basıncı altında N2 ile reaksiyona sokulmasıyla sentezlenir. Uranyum nitrürler asitlerde ve alkali çözeltilerde kolayca çözünür, ancak erimiş alkaliler tarafından ayrıştırılır.

Uranyum nitrür, uranyum oksidin iki aşamalı karbotermik indirgenmesiyle elde edilir:

Argonda 7M450 0'da 10*20 saat ısıtma

Dinitride yakın bir bileşime sahip olan Uranyum nitrür, UN 2, UF 4'ün yüksek sıcaklık ve basınçta amonyağa maruz bırakılmasıyla elde edilebilir.

Uranyum dinitrür ısıtıldığında ayrışır:

2 35 U'da zenginleştirilmiş uranyum nitrür, modern güç reaktörlerinin geleneksel yakıtı olan uranyum oksitlerden daha yüksek bir fisyon yoğunluğuna, termal iletkenliğe ve erime noktasına sahiptir. Aynı zamanda geleneksel yakıtlara göre üstün mekanik özelliklere ve stabiliteye sahiptir. Bu nedenle, bu bileşiğin hızlı nötron reaktörlerinde (IV. nesil nükleer reaktörler) nükleer yakıt için umut verici bir temel olduğu düşünülmektedir.

Yorum. BM’yi ‘5N’ ile zenginleştirmek çok faydalı çünkü .4 N, (n,p) reaksiyonu yoluyla radyoaktif izotop 14 C'yi üreterek nötronları yakalama eğilimindedir.

Uranyum karbür UC 2 (?-fazı), metalik parlaklığa sahip açık gri kristalli bir maddedir. U-C sisteminde (uranyum karbürler), UC2 (?-fazı), UC2 (b 2-fazı), U2C3 (e-fazı), UC (b 2-fazı) - uranyum karbürleri vardır. Uranyum dikarbür UC 2 aşağıdaki reaksiyonlarla elde edilebilir:

U + 2C^UC 2 (54v)

Uranyum karbürler nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanılıyor; uzay roketi motorları için de umut verici yakıt olarak kullanılıyorlar.

Uranil nitrat, uranil nitrat, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Bu tuzdaki metalin rolü, uranil 2+ katyonu tarafından oynanır. Yeşilimsi bir renk tonuna sahip sarı kristaller, suda kolayca çözünür. Sulu bir çözelti asidiktir. Etanol, aseton ve eterde çözünür, benzen, toluen ve kloroformda çözünmez. Isıtıldığında kristaller erir ve HN03 ve H20 açığa çıkar. Kristalin hidrat havada kolayca buharlaşır. Karakteristik bir reaksiyon, NH3'ün etkisi altında sarı bir amonyum uranyum çökeltisinin oluşmasıdır.

Uranyum metal-organik bileşikler oluşturma yeteneğine sahiptir. Örnekler U(C5H5)4 bileşiminin siklopentadienil türevleri ve bunların halojenle ikame edilmiş u(C5H5)3G veya u(C5H5)2G2'dir.

Sulu çözeltilerde uranyum, U0 2 2+ uranil iyonu formundaki U(VI)'nın oksidasyon durumunda en kararlıdır. Daha az bir ölçüde U(IV) durumuyla karakterize edilir, ancak U(III) formunda da oluşabilir. U(V)'nin oksidasyon durumu IO2+ iyonu olarak mevcut olabilir, ancak bu durum orantısızlığa ve hidrolize eğilimi nedeniyle nadiren gözlemlenir.

Nötr ve asidik çözeltilerde U(VI), sarı bir uranil iyonu olan U0 2 2+ formunda bulunur. İyi çözünür uranil tuzları arasında nitrat U0 2 (N0 3) 2, sülfat U0 2 S0 4, klorür U0 2 C1 2, florür U0 2 F2, asetat U0 2 (CH3 C00) 2 bulunur. Bu tuzlar, farklı sayıda su molekülüne sahip kristalin hidratlar formundaki çözeltilerden salınır. Hafifçe çözünür uranil tuzları şunlardır: oksalat U0 2 C 2 0 4, fosfatlar U0 2 HP0 ve UO2P2O4, amonyum uranil fosfat UO2NH4PO4, sodyum uranil vanadat NaU0 2 V0 4, ferrosiyanür (U0 2) 2. Uranil iyonu, karmaşık bileşikler oluşturma eğilimi ile karakterize edilir. Böylece -, 4- tipi flor iyonlarına sahip kompleksler bilinmektedir; nitrat kompleksleri ' ve 2 *; sülfürik asit kompleksleri 2 " ve 4-; karbonat kompleksleri 4 " ve 2 ", vb. Alkaliler, uranil tuzlarının çözeltileri üzerinde etkili olduğunda, Me 2 U 2 0 7 tipi diuranatların az çözünür çökeltileri açığa çıkar (monouranatlar Me 2 U0 4 çözeltilerden izole edilmezler, uranyum oksitlerin alkalilerle füzyonu yoluyla elde edilirler. Me 2 U n 0 3 n+i poliuranatlar bilinmektedir (örneğin, Na 2 U60i 9).

U(VI), asidik çözeltilerde demir, çinko, alüminyum, sodyum hidrosülfit ve sodyum amalgam ile U(IV)'e indirgenir. Çözümler yeşil renktedir. Alkaliler bunlardan çökelir: hidroksit U0 2 (0H) 2, hidroflorik asit - florür UF 4 -2.5H 2 0, oksalik asit - oksalat U(C 2 0 4) 2 -6H 2 0. U 4+ iyonunun eğilimi vardır: uranil iyonlarından daha az kompleks oluşturur.

Çözeltideki Uranyum (IV), yüksek oranda hidrolize ve hidratlanmış U 4+ iyonları formundadır:

Asidik çözeltilerde hidroliz baskılanır.

Çözeltideki Uranyum (VI), uranil oksokasyonu oluşturur - U0 2 2+ Çok sayıda uranil bileşiği bilinmektedir; bunların örnekleri şunlardır: U0 3, U0 2 (C 2 H 3 0 2) 2, U0 2 C0 3 -2(NH4) ) 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, vb.

Uranil iyonunun hidrolizi üzerine bir dizi çok çekirdekli kompleks oluşur:

Daha fazla hidroliz ile U3 0s(0H)2 ve ardından U3 0 8 (0H)4 2 - ortaya çıkar.

Uranyumun niteliksel tespiti için kimyasal, ışıldayan, radyometrik ve spektral analiz yöntemleri kullanılır. Kimyasal yöntemler ağırlıklı olarak renkli bileşiklerin oluşumuna dayanmaktadır (örneğin, ferrosiyanürlü bir bileşiğin kırmızı-kahverengi rengi, hidrojen peroksitli sarı, arsenazo reaktifi ile mavi). Lüminesans yöntemi, birçok uranyum bileşiğinin UV ışınlarına maruz kaldığında sarımsı-yeşilimsi bir parıltı üretme yeteneğine dayanmaktadır.

Uranyumun kantitatif tespiti çeşitli yöntemlerle gerçekleştirilir. Bunlardan en önemlileri şunlardır: U(VI)'nın U(IV)'e indirgenmesini ve ardından oksitleyici ajanların çözeltileriyle titrasyonunu içeren hacimsel yöntemler; gravimetrik yöntemler - uranatların, peroksitin, U(IV) cupferranatların, hidroksikinolat, oksalatın vb. çökeltilmesi. ardından oooo°'de kalsinasyon yapılır ve U 3 0s tartılır; nitrat çözeltisindeki polarografik yöntemler, 10*7-g10-9 g uranyumun belirlenmesini mümkün kılar; çok sayıda kolorimetrik yöntem (örneğin, bir alkalin ortamda H202 ile, EDTA varlığında arsenazo reaktifi ile, dibenzoilmetan ile, bir tiyosiyanat kompleksi formunda vb.); NaF ile ne zaman kaynaştığını belirlemeyi mümkün kılan ışıldayan yöntem Yu 11 g uranyum.

235U, radyasyon tehlikesi grubu A'ya aittir, minimum önemli aktivite MZA = 3,7-10 4 Bq, 2 3 8'dir ve - grup D'ye göre MZA = 3,7-6 Bq (300 g).

Makalenin içeriği

URANÜS, U (uranyum), Ac, Th, Pa, U ve transuranyum elementlerini (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr) içeren aktinit ailesinden bir metal kimyasal element. Uranyum, nükleer silahlarda ve nükleer enerjide kullanılması nedeniyle önem kazanmıştır. Uranyum oksitler ayrıca cam ve seramiklerin renklendirilmesinde de kullanılır.

Doğada olmak.

Yerkabuğundaki uranyum içeriği %0,003 olup, yer kabuğunda dört tip çökelti halinde bulunur. Birincisi, bunlar uranyum açısından çok zengin, ancak nadir olan uraninit veya uranyum zifti (uranyum dioksit UO 2) damarlarıdır. Radyum, uranyumun izotopik bozunmasının doğrudan bir ürünü olduğundan, bunlara radyum birikintileri eşlik eder. Bu tür damarlar Zaire, Kanada (Büyük Ayı Gölü), Çek Cumhuriyeti ve Fransa'da bulunur. Uranyumun ikinci kaynağı toryum ve uranyum cevherleri ile diğer önemli minerallerin cevherlerinden oluşan konglomeralardır. Konglomeralar genellikle geri kazanılacak yeterli miktarda altın ve gümüş içerir; uranyum ve toryum da ilişkili elementlerdir. Bu cevherlerin büyük yatakları Kanada, Güney Afrika, Rusya ve Avustralya'da bulunmaktadır. Uranyumun üçüncü kaynağı, uranyumun yanı sıra önemli miktarda vanadyum ve diğer elementleri içeren karnotit (potasyum uranil vanadat) minerali bakımından zengin tortul kayaçlar ve kumtaşlarıdır. Bu tür cevherler Amerika Birleşik Devletleri'nin batı eyaletlerinde bulunur. Demir-uranyum şistleri ve fosfat cevherleri dördüncü tortu kaynağını oluşturur. İsveç şeyllerinde zengin yataklar bulunur. Fas ve ABD'deki bazı fosfat cevherleri önemli miktarda uranyum içeriyor; Angola ve Orta Afrika Cumhuriyeti'ndeki fosfat yatakları ise uranyum açısından daha da zengin. Çoğu linyit ve bazı kömürler genellikle uranyum safsızlıkları içerir. Uranyum açısından zengin linyit yatakları Kuzey ve Güney Dakota'da (ABD) ve bitümlü kömürler İspanya ve Çek Cumhuriyeti'nde bulunmuştur.

Açılış.

Uranüs, 1789 yılında, elemente 8 yıl önce Uranüs gezegeninin keşfinin onuruna isim veren Alman kimyager M. Klaproth tarafından keşfedildi. (Klaproth zamanının önde gelen kimyacısıydı; ayrıca Ce, Ti ve Zr gibi diğer elementleri de keşfetti.) Aslında Klaproth'un elde ettiği madde elementel uranyum değil, onun oksitlenmiş haliydi ve elemental uranyum ilk kez Fransız kimyager E. .Peligo, 1841'de. Keşfedildiği andan 20. yüzyıla kadar. Uranyumun birçok fiziksel özelliğinin yanı sıra atomik kütlesi ve yoğunluğu belirlenmiş olmasına rağmen, bugün sahip olduğu öneme sahip değildi. 1896 yılında A. Becquerel, uranyum tuzlarının karanlıkta bir fotoğraf plakasını aydınlatan radyasyona sahip olduğunu tespit etti. Bu keşif kimyagerleri radyoaktivite alanında araştırmaya yöneltti ve 1898'de Fransız fizikçilerin eşleri P. Curie ve M. Sklodowska-Curie radyoaktif elementler polonyum ve radyumun tuzlarını izole ettiler ve E. Rutherford, F. Soddy, K. Fayans ve diğer bilim adamları, modern nükleer kimyanın ve nükleer enerjinin temellerini atan radyoaktif bozunma teorisini geliştirdiler.

Uranyumun ilk kullanımları.

Uranyum tuzlarının radyoaktivitesi bilinmesine rağmen, bu yüzyılın ilk üçte birindeki cevherleri yalnızca beraberindeki radyumu elde etmek için kullanıldı ve uranyum, istenmeyen bir yan ürün olarak kabul edildi. Kullanımı esas olarak seramik teknolojisi ve metalurjide yoğunlaşmıştı; Uranyum oksitler camları soluk sarıdan koyu yeşile kadar renklendirmek için yaygın olarak kullanıldı ve bu da ucuz cam üretiminin geliştirilmesine katkıda bulundu. Günümüzde bu endüstrilerden elde edilen ürünlerin ultraviyole ışınlar altında floresan olduğu tanımlanmaktadır. Birinci Dünya Savaşı sırasında ve kısa bir süre sonra, Mo ve W'ye benzer takım çeliklerinin üretiminde karbür formundaki uranyum kullanıldı; O zamanlar üretimi sınırlı olan tungstenin yerini %4-8 oranında uranyum aldı. 1914-1926'da takım çelikleri elde etmek için yılda %30'a kadar (kütle) U içeren birkaç ton ferroranyum üretildi, ancak uranyumun bu kullanımı uzun sürmedi.

Uranyumun modern kullanımları.

Uranyum endüstrisi, 1939 yılında uranyum izotopu 235 U'nun fisyonunun gerçekleştirilmesiyle şekillenmeye başladı ve bu, Aralık 1942'de uranyum fisyonunun kontrollü zincirleme reaksiyonlarının teknik olarak uygulanmasına yol açtı. Bu, atom çağının doğuşuydu. Uranyumun önemsiz bir elementten yaşam toplumundaki en önemli unsurlardan birine dönüştüğü zaman. Uranyumun atom bombasının üretimindeki askeri önemi ve nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanılması, uranyuma olan talebin astronomik düzeyde artmasına neden oldu. Büyük Ayı Gölü'ndeki (Kanada) çökeltilerin geçmişine dayanan uranyum talebindeki artışın kronolojisi ilginçtir. 1930 yılında bu gölde uranyum oksit karışımı olan reçine blende keşfedilmiş ve 1932 yılında bu alanda radyum saflaştırma teknolojisi kurulmuştur. Her ton cevherden (reçine blende) 1 g radyum ve yaklaşık yarım ton yan ürün olan uranyum konsantresi elde edildi. Ancak çok az radyum vardı ve madenciliği durduruldu. 1940'tan 1942'ye kadar geliştirme yeniden başlatıldı ve uranyum cevheri Amerika Birleşik Devletleri'ne gönderilmeye başlandı. 1949'da, bazı iyileştirmelerle birlikte benzer uranyum saflaştırması, saf UO2 üretmek için kullanıldı. Bu üretim büyümüş ve şu anda en büyük uranyum üretim tesislerinden biri haline gelmiştir.

Özellikler.

Uranyum doğada bulunan en ağır elementlerden biridir. Saf metal çok yoğun, sünek, elektropozitif, düşük elektrik iletkenliğine sahip ve oldukça reaktiftir.

Uranyumun üç allotropik modifikasyonu vardır: A-uranyum (ortorombik kristal kafes), oda sıcaklığı ile 668 ° C arasında bulunur; B-uranyum (tetragonal tipte karmaşık kristal kafes), 668–774° C aralığında kararlı; G-uranyum (cisim merkezli kübik kristal kafes), 774°C'den erime noktasına (1132°C) kadar stabildir. Uranyumun tüm izotopları kararsız olduğundan tüm bileşikleri radyoaktivite gösterir.

Uranyum izotopları

238 U, 235 U, 234 U doğada 99.3:0.7:0.0058 oranında, 236 U ise eser miktarda bulunur. Uranyumun 226 U'dan 242 U'ya kadar diğer tüm izotopları yapay olarak elde edilir. İzotop 235 U özellikle önemlidir. Yavaş (termal) nötronların etkisi altında bölünerek muazzam bir enerji açığa çıkarır. 235 U'nun tam bölünmesi, 2H 10 7 kWh h/kg'lık bir “termal enerji eşdeğeri”nin açığa çıkmasıyla sonuçlanır. 235 U'nun bölünmesi yalnızca büyük miktarlarda enerji üretmek için değil aynı zamanda diğer önemli aktinit elementlerini sentezlemek için de kullanılabilir. Doğal izotop uranyum, nükleer reaktörlerde 235 U'luk fisyonla üretilen nötronları üretmek için kullanılabilirken, zincir reaksiyonunun gerektirmediği fazla nötronlar başka bir doğal izotop tarafından yakalanarak plütonyum üretimiyle sonuçlanabilir:

238 U hızlı nötronlarla bombardıman edildiğinde aşağıdaki reaksiyonlar meydana gelir:

Bu şemaya göre, en yaygın izotop 238 U, 235 U gibi yavaş nötronların etkisi altında da fisyon yapabilen plütonyum-239'a dönüştürülebilir.

Şu anda çok sayıda yapay uranyum izotopu elde edilmiştir. Bunların arasında 233 U özellikle dikkat çekicidir çünkü yavaş nötronlarla etkileşime girdiğinde de fisyona uğrar.

Uranyumun diğer bazı yapay izotopları, kimyasal ve fiziksel araştırmalarda sıklıkla radyoaktif izleyiciler olarak kullanılır; bu her şeyden önce B- verici 237 U ve A- verici 232 U.

Bağlantılar.

Oldukça reaktif bir metal olan Uranyum, +3'ten +6'ya kadar oksidasyon durumlarına sahiptir, aktivite serisinde berilyuma yakındır, tüm metal olmayanlarla etkileşime girer ve Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg ile intermetalik bileşikler oluşturur , Mg, Ni, Pb, Sn ve Zn. İnce ezilmiş uranyum özellikle reaktiftir ve 500 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda sıklıkla uranyum hidrürün karakteristik reaksiyonlarına girer. Parça uranyum veya talaşlar 700–1000° C'de parlak bir şekilde yanar ve uranyum buharı zaten 150–250° C'de yanar; uranyum 200–400° C'de HF ile reaksiyona girerek UF4 ve H2 oluşturur. Uranyum, konsantre HF veya H2S04 ve %85 H3P04'te 90 ° C'de bile yavaş yavaş çözünür, ancak konsantre ile kolayca reaksiyona girer. HCl ve HBr veya HI ile daha az aktif. Uranyumun seyreltik ve konsantre HNO3 ile en aktif ve hızlı reaksiyonları uranil nitratın oluşumuyla meydana gelir ( aşağıya bakınız). HCl varlığında uranyum organik asitlerde hızla çözünür ve organik U4+ tuzları oluşturur. Oksidasyon derecesine bağlı olarak uranyum birkaç tür tuz oluşturur (bunlardan en önemlileri U 4+'dır, bunlardan biri UCl 4 kolayca oksitlenen yeşil tuzdur); UO 2 (NO 3) 2 tipindeki uranil tuzları (radikal UO 2 2+) sarı renkte ve floresan yeşildir. Uranil tuzları, amfoterik oksit UO3'ün (sarı renkli) asidik bir ortamda çözülmesiyle oluşturulur. Alkali bir ortamda UO3, Na2UO4 veya Na2U207 gibi uranatlar oluşturur. İkinci bileşik (“sarı uranil”) porselen sırların ve floresan camların üretiminde kullanılır.

Uranyum halojenürler, atom bombası veya nükleer reaktör için uranyum izotoplarını ayırmaya yönelik yöntemler geliştirmek için kullanıldıkları için 1940-1950'de geniş çapta araştırıldı. Uranyum triflorür UF3, UF4'ün hidrojen ile indirgenmesiyle elde edildi ve uranyum tetraflorür UF4, HF'nin UO3 veya U308 gibi oksitlerle reaksiyona sokulması veya uranil bileşiklerinin elektrolitik indirgenmesi yoluyla çeşitli yollarla elde edildi. Uranyum hekzaflorür UF6, U veya UF4'ün elementel flor ile florlanması veya oksijenin UF4 üzerindeki etkisi yoluyla elde edilir. Heksaflorür, 64 ° C'de (1137 mm Hg) yüksek kırılma indeksine sahip şeffaf kristaller oluşturur; bileşik uçucudur (normal basınç altında 56.54 ° C'de süblimleşir). Uranyum oksohalojenürler, örneğin oksoflorürler, UO2F2 (uranil florür), UOF2 (uranyum oksit diflorür) bileşimine sahiptir.

Ve Satürn), her şeyden önce Güneş etrafındaki alışılmadık hareketi nedeniyle dikkat çekicidir, yani diğer tüm gezegenlerin aksine Uranüs "geriye doğru" döner. Bu ne anlama geliyor? Ve gerçek şu ki, eğer Dünyamız da dahil olmak üzere diğer gezegenler hareketli topaçlar gibiyse (burulma nedeniyle gündüz ve gece değişimi meydana gelir), o zaman Uranüs yuvarlanan bir top gibidir ve bunun sonucunda gündüz/gün değişimi olur. gece ve mevsimler bu gezegenlerde önemli ölçüde farklıdır.

Uranüs'ü kim keşfetti

Ancak bu sıradışı gezegen hakkındaki hikayemize keşif tarihiyle başlayalım. Uranüs gezegeni, 1781 yılında İngiliz gökbilimci William Herschel tarafından keşfedildi. İlginç bir şekilde, gökbilimci onun olağandışı hareketini gözlemleyerek önce onu yanlış anladı ve ancak birkaç yıllık gözlemlerden sonra gezegen statüsünü aldı. Herschel ona "Georg'un Yıldızı" adını vermek istedi ancak bilim topluluğu, gökyüzünün kişileşmesi olan antik tanrı Uranüs'ün onuruna Johann Bode - Uranüs tarafından önerilen adı tercih etti.

Antik mitolojide tanrı Uranüs, tanrıların en eskisi, her şeyin ve herkesin (diğer tanrılar dahil) yaratıcısı ve aynı zamanda yüce tanrı Zeus'un (Jüpiter) büyükbabasıdır.

Uranüs gezegeninin özellikleri

Uranyum Dünyamızdan 14,5 kat daha ağırdır. Bununla birlikte komşu gezegeni Uranüs'ten daha küçük olmasına rağmen kütlesinin daha büyük olması nedeniyle dev gezegenler arasında en hafif gezegendir. Bu gezegenin göreceli hafifliği, önemli bir kısmı buz olan bileşiminden kaynaklanmaktadır ve Uranüs'teki buz en çeşitlidir: amonyak, su ve metan buzu vardır. Uranüs'ün yoğunluğu 1,27 g/cm3'tür.

Uranüs'ün Sıcaklığı

Uranüs'te sıcaklık nedir? Güneş'e olan uzaklığı nedeniyle elbette çok soğuktur ve burada önemli olan sadece uzaklığı değil, aynı zamanda Uranüs'ün iç sıcaklığının diğer gezegenlerden birkaç kat daha az olmasıdır. Gezegenin ısı akışı son derece küçüktür; Dünya'nınkinden daha azdır. Sonuç olarak, güneş sistemindeki en düşük sıcaklıklardan biri, Güneş'ten daha uzakta bulunan Neptün'ünkinden bile daha düşük olan Uranüs - 224 C'de kaydedildi.

Uranüs'te hayat var mı

Yukarıdaki paragrafta anlatılan sıcaklıkta Uranüs'te yaşamın ortaya çıkmasının mümkün olmadığı açıktır.

Uranüs'ün Atmosferi

Uranüs'te atmosfer nasıl? Bu gezegenin atmosferi sıcaklık ve yüzey tarafından belirlenen katmanlara bölünmüştür. Atmosferin dış katmanı, gezegenin geleneksel yüzeyinden 300 km uzaklıkta başlar ve atmosferik korona olarak adlandırılır; burası atmosferin en soğuk kısmıdır. Yüzeye daha yakın olan stratosfer ve troposfer vardır. İkincisi, gezegenin atmosferinin en alçak ve en yoğun kısmıdır. Uranüs'ün troposferi karmaşık bir yapıya sahiptir: kaotik bir şekilde birbirine karışmış su bulutları, amonyak bulutları ve metan bulutlarından oluşur.

Uranüs'ün atmosferinin bileşimi, yüksek helyum ve moleküler helyum içeriği nedeniyle diğer gezegenlerin atmosferlerinden farklıdır. Ayrıca Uranüs'ün atmosferinin büyük bir kısmı, atmosferdeki tüm moleküllerin %2,3'ünü oluşturan kimyasal bir bileşik olan metana aittir.

Uranüs gezegeninin fotoğrafı

Uranüs'ün yüzeyi

Uranüs'ün yüzeyi üç katmandan oluşur: kayalık bir çekirdek, buzlu bir manto ve gaz halindeki hidrojen ve helyumdan oluşan bir dış kabuk. Ayrıca, Uranüs'ün yüzeyinin bir parçası olan ve gezegenin imzası olan mavi rengini yaratan metan buzunun bir parçası olan bir başka önemli unsuru da belirtmekte fayda var.

Bilim adamları ayrıca atmosferin üst katmanlarındaki karbon monoksit ve karbondioksiti tespit etmek için spektroskopiyi kullandılar.

Evet, Uranüs'ün de halkaları var (diğer dev gezegenlerde olduğu gibi), ancak meslektaşı kadar büyük ve güzel değil. Aksine, Uranüs'ün halkaları, çapları bir mikrometreden birkaç metreye kadar değişen çok sayıda çok koyu ve küçük parçacıktan oluştuğu için sönük ve neredeyse görünmezdir. İlginç bir şekilde, Uranüs'ün halkaları Satürn dışındaki diğer gezegenlerin halkalarından daha önce keşfedildi; hatta W. gezegeninin kaşifi Herschel, Uranüs'te halkalar gördüğünü iddia etti, ancak daha sonra Uranüs'ün teleskopları nedeniyle ona inanmadılar. o zaman diğer gökbilimcilerin Herschel'in gördüklerini doğrulaması için yeterli güce sahip değildi. Sadece iki yüzyıl sonra, 1977'de Amerikalı gökbilimciler Jameson Eliot, Douglas Mincom ve Edward Dunham, Kuiper Gözlemevi'ni kullanarak Uranüs'ün halkalarını kendi gözleriyle gözlemleyebildiler. Üstelik bu tesadüfen oldu, çünkü bilim adamları sadece gezegenin atmosferini gözlemleyeceklerdi ve hiç beklemeden halkaların varlığını keşfettiler.

Şu anda Uranüs'ün bilinen 13 halkası vardır ve bunların en parlakı epsilon halkasıdır. Bu gezegenin halkaları nispeten genç; doğumundan sonra oluşmuşlar. Uranüs'ün halkalarının gezegenin tahrip olmuş bazı uydularının kalıntılarından oluştuğuna dair bir hipotez var.

Uranüs'ün uyduları

Aylardan bahsetmişken, sizce Uranüs'ün kaç ayı var? Ve bunlardan 27 kadarı var (en azından şu anda bilinenler). En büyükleri: Miranda, Ariel, Umbriel, Oberon ve Titania. Tamamen buzdan oluşan Miranda hariç, Uranüs'ün tüm uyduları kaya ve buz karışımıdır.

Uranüs'ün uyduları gezegenin kendisiyle karşılaştırıldığında böyle görünüyor.

Pek çok uydunun atmosferi yoktur ve bazıları gezegenin iç uydular olarak da adlandırılan halkalarının içinde hareket eder ve hepsinin Uranüs'ün halka sistemi ile güçlü bir bağlantısı vardır. Bilim adamları birçok uydunun Uranüs tarafından ele geçirildiğine inanıyor.

Uranüs'ün dönüşü

Uranüs'ün Güneş etrafında dönmesi belki de bu gezegenin en ilginç özelliğidir. Yukarıda da yazdığımıza göre Uranüs, tıpkı dünya üzerinde yuvarlanan bir top gibi, diğer tüm gezegenlerden farklı yani “geri harekette” dönüyor. Bunun bir sonucu olarak Uranüs'te gündüz ve gece değişimi (her zamanki anlayışımızda), yaklaşık olarak kutup enlemlerinde olduğu gibi ufkun çok altında yer almasına rağmen gezegenin sadece ekvatorunun yakınında meydana gelir. Yeryüzünde. Gezegenin kutuplarına gelince, “kutup günü” ve “kutup gecesi” her 42 Dünya yılında bir birbirinin yerini alır.

Uranüs'te ise bizim 84 dünya yılımıza denk gelen bir yıl vardır ve bu süre zarfında gezegen Güneş etrafındaki yörüngesinde döner.

Uranüs'e uçmak ne kadar sürer?

Dünya'dan Uranüs'e uçuş ne kadar sürüyor? Modern teknolojilerle en yakın komşularımız Venüs ve Mars'a uçuş birkaç yıl sürüyorsa, Uranüs gibi uzak gezegenlere uçuş onlarca yıl sürebilir. Bugüne kadar sadece bir uzay aracı böyle bir yolculuk yaptı: 1977 yılında NASA tarafından fırlatılan Voyager 2, 1986 yılında Uranüs'e ulaştı, gördüğünüz gibi tek yön uçuş neredeyse on yıl sürdü.

Ayrıca Satürn'ü incelemekle görevli Cassini aparatının Uranüs'e gönderilmesi de planlandı, ancak daha sonra Cassini'nin yakın zamanda öldüğü Satürn'ün yakınında - geçen Eylül 2017'de bırakılmasına karar verildi.

• Uranüs gezegeni, keşfinden üç yıl sonra hicivli bir kitapçığa sahne oldu. Bilim kurgu yazarları bilim kurgu eserlerinde sıklıkla bu gezegenden bahseder.
• Uranüs gece gökyüzünde çıplak gözle görülebilir, sadece nereye bakmanız gerektiğini bilmeniz ve gökyüzünün tamamen karanlık olması gerekir (bu ne yazık ki modern şehirlerde mümkün değildir).
• Uranüs gezegeninde su var. Ancak Uranüs'teki su buz gibi donmuş.
• Uranüs gezegeni, güneş sistemindeki "en soğuk gezegen" unvanını güvenle alabilir.

Uranüs Gezegeni, video

Ve sonuç olarak Uranüs gezegeni hakkında ilginç bir video.

Bu makale İngilizce olarak mevcuttur - .