Уран элемент как выглядит. Радиоактивные элементы. Как добывают урановую руду

В нормальных условиях радиоактивный элемент уран – это металл, имеющий большую атомную (молекулярную) массу – 238,02891 г/моль. По этому показателю он занимает второе место, т.к. тяжелее него только плутоний. Получение урана связано с последовательным выполнением целого ряда технологических операций:

• концентрирование породы, её дробление и осаждение тяжелых фракций в воде
• выщелачивание концентрата или кислородная продувка
• перевод урана в твёрдое состояние (оксид либо тетрафторид UF 4)
• получение уранилнитрата UO 2 (NO 3) 2 путем растворения сырья в азотной кислоте
• кристаллизация и прокаливание до получения оксида UO 3
• восстановление водородом до получения UO 2
• получение тетрафторида UF 4 путем добавления газообразного фтористого водорода
• восстановление металлического урана при помощи магния или кальция

Минералы урана

Наиболее распространенные минералы U:

• Настуран (уранинит) – самый известный оксид, который называют «тяжелой водой»
• Карнотит
• Тюямунит
• Торбернит
• Самарскит
• Браннерит
• Казолит
• Клевеит

Производство урана

По данным российской компании Росатом, входящей в число мировых лидеров глобального уранового рынка, всего на планете в 2014 году было добыто свыше 3 тысяч тонн урана. При этом, по словам представителей горнорудного дивизиона данной госкорпорации, объем российских запасов этого металла составляет 727,2 тысяч тонн (3-е место в мире), что гарантирует бесперебойную поставку необходимого сырья в течение многих десятилетий.

Основные химические свойства урана представлены в таблице:

Элемент U, подобно кюрию и плутонию, является искусственно получаемым элементом семейства актиноидов. Его химические свойства во многом схожи с характеристиками фольфрама, молибдена и хрома. Для урана характерна переменная валентность, а также склонность к образованию (UO 2)+2 – уранила, являющегося комплексным ионом.

Методы обогащение урана

Как известно, природный U содержит 3 изотопа:

• 238U (99,2745%)
• 235U (0,72%)
• 234U (0,0055%)

Под обогащением урана понимается увеличение в металле доли изотопа 235U – единственного, который способен на самостоятельную цепную ядерную реакцию.

Чтобы понять, как обогащают уран, необходимо учитывать степень его обогащения:

• содержание 0,72% – может использоваться в некоторых энергетических реакторах
• 2-5% – применяется в большинстве энергетических реакторов
• до 20% (низкообогащенный) – для экспериментальных реакторов
• более 20% (высокообогащенный или оружейный) – ядерные реакторы, оружие.

Как обогащают уран? Существует множество методов обогащения урана, но наиболее применимыми являются следующие:

• электромагнитный – разгон элементарных частиц в специальном ускорителе и их закручивание в магнитном поле
• аэродинамический – продувка газообразного урана через специальные сопла
• газовое центрифугирование – находящийся в центрифуге урановый газ движется и по инерции отталкивает тяжелые молекулы к стенкам центрифуги
• газодиффузионный метод обогащения урана – «просеивание» легких изотопов урана через мелкие поры специальных мембран

Основная сфера применения урана – топливо для ядерных реакторов, реакторов атомных электростанций, ядерных силовых установок. Кроме этого, изотоп 235U используется в ядерном оружии, в то время как необогащенный металл с высокой долей 238U позволяет получать вторичное ядерное топливо – плутоний.

Уран (U) — элемент с атомным номером 92 и атомным весом 238,029. Является радиоактивным химическим элементом III группы периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева, относится к семейству актиноидов. Уран — очень тяжёлый (в 2,5 раза тяжелее железа, более чем в 1,5 раза тяжелее свинца), серебристо-белый глянцевитый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами.

Природный уран состоит из смеси трех изотопов: 238U (99,274 %) с периодом полураспада 4,51∙109 лет; 235U (0,702 %) с периодом полураспада 7,13∙108 лет; 234U (0,006 %) с периодом полураспада 2,48∙105 лет. Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда 238U. Изотопы урана 238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов. Конечными элементами этих рядов являются изотопы свинца 206Pb и 207Pb.

В настоящее время известно 23 искусственных радиоактивных изотопов урана с массовыми числами от 217 до 242. «Долгожителем» среди них является 233U с периодом полураспада 1,62∙105 лет. Он получается в результате нейтронного облучения тория, способен к делению под воздействием тепловых нейтронов.

Уран открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом в результате его опытов с минералом настуран — «урановая смолка». Название новый элемент получил в честь недавно открытой (1781) Уильямом Гершелем планеты — Уран. Последующие полвека полученное Клапротом вещество считалось металлом, однако в 1841 году это опроверг французский химик Эжен Мелькиор Пелиго, который доказал окисную природу урана (UO2), полученного немецким химиком. Самому Пелиго удалось получить металлический уран при восстановлении UCl4 металлическим калием, а так же определить атомный вес нового элемента. Следующим в развитии знаний об уране и его свойствах был Д. И. Менделеев — в 1874 году, опираясь на разработанную им теорию о периодизации химических элементов, он поместил уран в самой дальней клетке своей таблицы. Определенный ранее Пелиго атомный вес урана (120) русский химик удвоил, верность таких предположений была подтверждена через двенадцать лет опытами немецкого химика Циммермана.

На протяжении многих десятилетий уран представлял интерес лишь для узкого круга химиков и естествоиспытателей, применение его также было ограничено — производство стекла и красок. Только с открытием радиоактивности этого металла (в 1896 году Анри Беккерелем) началась промышленная переработка урановых руд с 1898 года. Гораздо позже (1939 год) было открыто явление деления ядер, и с 1942 года уран стал основным ядерным топливом.

Важнейшее свойство урана состоит в том, что ядра некоторых его изотопов способны к делению при захвате нейтронов, в результате такого процесса выделяется громадное количество энергии. Это свойство элемента № 92 используется в ядерных реакторах, служащих источниками энергии, а также лежит в основе действия атомной бомбы. Уран используют в геологии для определения возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов (геохронология). В связи с тем, что горные породы содержат различные концентрации урана, они обладают различной радиоактивностью. Это свойство используется при выделении горных пород геофизическими методами. Наиболее широко этот метод применяется в нефтяной геологии при геофизических исследованиях скважин. Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления), например уранат натрия Na2U2O7 использовался как жёлтый пигмент в живописи.

Биологические свойства

Уран довольно распространенный элемент в биологической среде, концентраторами этого металла считаются некоторые виды грибов и водорослей, которые входят в цепочку биологического круговорота урана в природе по схеме: вода — водные растения - рыба - человек. Таким образом, с пищей и водой уран попадает в организм человека и животных, а точнее в желудочно-кишечный тракт, где всасывается около процента от поступивших легкорастворимых соединений и не более 0,1 % труднорастворимых. В дыхательные пути и легкие, а также в слизистые оболочки и кожные покровы этот элемент попадает с воздухом. В дыхательных путях, а особенно легких усвоение происходит гораздо интенсивнее: легкорастворимые соединения всасываются на 50 %, а труднорастворимые на 20 %. Таким образом, уран обнаруживается в небольших количествах (10-5 - 10-8 %) в тканях животных и человека. В растениях (в сухом остатке) концентрация урана зависит от его содержания в почве, так при почвенной концентрации 10-4 % в растении содержится 1,5∙10-5 % и менее. Распределение урана по тканям и органам неравномерно, основные места скопления - это костные ткани (скелет), печень, селезенка, почки, а также легкие и бронхо-легочные лимфатические узлы (при попадании в легкие труднорастворимых соединений). Из крови уран (карбонаты и комплексы с белками) довольно быстро выводится. В среднем содержание 92-го элемента в органах и тканях животных и человека составляет 10-7 %. К примеру, в крови крупнорогатого скота содержится 1∙10-8 г/мл урана, в человеческой крови 4∙10-10 г/г. Печень КРС содержит 8∙10-8 г/г, у человека в том же органе 6∙10-9 г/г; селезенка КРС содержит 9∙10-8 г/г, у человека - 4,7∙10-7 г/г. В мышечных тканях крупнорогатого скота накапливается до 4∙10-11 г/г. Кроме того, в человеческом организме уран содержится в легких в пределах 6∙10-9 - 9∙10-9 г/г; в почках 5,3∙10-9 г/г (корковый слой) и 1,3∙10-8 г/г (мозговой слой); в костной ткани 1∙10-9 г/г; в костном мозге 1∙10-8 г/г; в волосах 1,3∙10-7 г/г. Находящийся в костях уран обуславливает постоянное облучение костной ткани (период полного выведения урана из скелета 600 суток). Менее всего этого металла в головном мозге и сердце (около 10-10 г/г). Как говорилось ранее основные пути поступления урана в организм - вода, пища и воздух. Суточная доза поступающего в организм металла с пищей и жидкостями составляет 1,9∙10-6 г, с воздухом - 7∙10-9 г. Однако, каждые сутки уран выводится из организма: с мочой от 0,5∙10-7 г до 5∙10-7 г; с калом от 1,4∙10-6 г до 1,8∙10-6 г. Потери с волосами, ногтями и отмершими чешуйками кожи - 2∙10-8 г.

Ученые предполагают, что уран в мизерных количествах необходим для нормального функционирования организма человека, животных и растений. Однако его роль в физиологии до сих пор не выяснена. Установлено, что среднее содержание 92-го элемента в организме человека составляет порядка 9∙10-5 г (Международная комиссия по радиационной защите). Правда, эта цифра несколько колеблется для различных районов и территорий.

Несмотря на свою пока еще не известную, но определенную биологическую роль в живых организмах, уран остается одним из опаснейших элементов. В первую очередь это проявляется в токсическом действии данного металла, что обусловлено его химическими свойствами, в частности от растворимости соединений. Так, например, более токсичны растворимые соединения (уранил и другие). Чаще всего отравления ураном и его соединениями происходят на обогатительных фабриках, предприятиях по добыче и переработке уранового сырья и других производственных объектах, где уран участвует в технологических процессах.

Проникая в организм, уран поражает абсолютно все органы и их ткани, ведь действие происходит на уровне клетки: он подавляет активность ферментов. Первично поражаются почки, что проявляется в резком увеличении сахара и белка в моче, впоследствии развивается олигурия. Поражению подвергается ЖКТ и печень. Отравления ураном подразделяются на острые и хронические, причем последние развиваются постепенно и могут протекать бессимптомно или со слабо выраженными проявлениями. Однако в последствии хронические отравления приводят к нарушениям кроветворения, нервной системы и прочим серьезным нарушениям здоровья.

В тонне гранитной породы содержится примерно 25 грамм урана. Энергия, способная выделиться при сгорании в реакторе этих 25 грамм, сравнима с энергией, которая выделяется при сгорании 125 тонн каменного угля в топках мощных тепловых котлов! Исходя из этих данных, можно предположить, что в недалеком будущем гранит станут считать одним из видов минерального топлива. Всего же в относительно тонком двадцатикилометровом поверхностном слое земной коры содержится примерно 1014 тонн урана, при переводе в энергетический эквивалент получается просто колоссальная цифра — 2,36.1024 киловатт-часов. Даже все вместе взятые разрабатываемые, разведанные и предполагаемые месторождения горючих ископаемых не способны дать и миллионной доли этой энергии!

Известно, что урановые сплавы, подвергнутые термической обработке, отличаются большими пределами текучести, ползучести и повышенной коррозионной стойкостью, меньшей склонностью к формоизменению изделий при колебаниях температуры и под воздействием облучения. Исходя из этих принципов, в начале XX века и вплоть до тридцатых годов уран в виде карбида применяли в производстве инструментальных сталей. Кроме того, он шел на замену вольфрама в некоторых сплавах, что было дешевле и доступнее. В производстве ферроурана доля U составляла до 30 %. Правда во второй трети XX века такое применение урана сошло на нет.

Как известно в недрах нашей Земли идет постоянный процесс распада изотопов урна. Так вот, учеными было подсчитано, что мгновенное высвобождении энергии всей массы этого металла, заключенного в земную оболочку, разогрело бы нашу планету до температуры в несколько тысяч градусов! Однако такое явление, к счастью, невозможно - ведь выделение тепла идет постепенно - по мере того, как ядра урана и его производных проходят ряд радиоактивных длительных превращений. О продолжительности таких преобразований можно судить по периодам полураспадов природных изотопов урана, например, для 235U он равен 7 108 лет, а для 238U - 4,51 109 лет. Тем не менее, урановое тепло значительно подогревает Землю. Если бы во всей массе Земли было бы столько же урана, как в верхнем двадцатикилометровом слое, то температура на планете была бы значительно выше, чем сейчас. Однако при продвижении к центру Земли концентрация урана снижается.

В ядерных реакторах отрабатывается лишь незначительная часть загруженного урана, связано это с зашлаковыванием топлива продуктами деления: 235U выгорает, цепная реакция постепенно затухает. Однако ТВЭЛы по-прежнему заполнены ядерным горючим, которое необходимо снова употребить. Для этого старые тепловыделяющие элементы демонтируют и отправляют на переработку - их растворяют в кислотах, а уран извлекают из получившегося раствора методом экстракции, осколки деления, от которых нужно избавиться, остаются в растворе. Таким образом, получается, что урановая промышленность практически безотходное химическое производство!

Заводы по разделению изотопов урана занимают территорию в несколько десятков гектаров, примерно такого же порядка и площадь пористых перегородок в разделительных каскадах завода. Это связано со сложностью диффузионного метода разделения изотопов урана - ведь для того чтобы повысить концентрацию 235U от 0,72 до 99 % необходимо несколько тысяч диффузионных ступеней!

Ураново-свинцовым методом геологам удалось узнать возраст самых древних минералов, при исследовании метеоритных пород удалось определить примерную дату зарождения нашей планеты. Благодаря «урановым часам» определили возраст лунного грунта. Что интересно, оказалось, что уже в течение 3 млрд лет на Луне нет вулканической деятельности и естественный спутник Земли остается пассивным телом. Ведь даже самые молодые куски лунного вещества прожили срок больше возраста древнейших земных минералов.

История

Использование урана началось очень давно — еще в I веке до нашей эры природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури, использовавшейся при окраске керамики.

В новое время изучение урана происходило постепенно - несколькими этапами, с непрерывным нарастанием. Началом послужило открытие этого элемента в 1789 году немецким натурфилософом и химиком Мартином Генрихом Клапротом, который восстановил добытую из саксонской смоляной руды («урановая смолка») золотисто-жёлтую «землю» до чёрного металлоподобного вещества (оксид урана - UO2). Название было дано в честь самой далёкой из известных в те времена планет - Урана, которую в свою очередь открыл в 1781 году Уильям Гершель. На этом первый этап в изучении нового элемента (Клапрот был уверен в том, что он открыл новый металл) заканчивается, наступает перерыв более чем на пятьдесят лет.

1840 год можно считать началом новой вехи в истории изучения урана. Именно с этого года проблемой получения металлического урана занялся молодой химик из Франции Эжен Мелькиор Пелиго (1811-1890), вскоре (1841) ему это удалось - металлический уран был получен при восстановлении UCl4 металлическим калием. Кроме того, он доказал, что открытый Клапротом уран на самом деле всего лишь его оксид. Также француз определил предположительный атомный вес нового элемента - 120. Затем вновь наступает длительный перерыв в изучении свойств урана.

Лишь в 1874 году появляются новые предположения о природе урана: Дмитрий Иванович Менделеев, следуя разработанной им теории о периодизации химических элементов, находит место новому металлу в своей таблице, размещая уран в последней клетке. Кроме того, Менделеев увеличивает ранее предполагаемый атомный вес урана в двое, не ошибившись и в этом, что подтвердили опыты немецкого химика Циммермана 12 лет спустя.

С 1896 года открытия в области изучения свойств урана «посыпались» одно за другим: в упомянутом выше году совершенно случайно (при исследовании фосфоресценции кристаллов уранилсульфата калия) 43-летний профессор физики Антуан Анри Беккерель открывает «Лучи Беккереля», впоследствии переименованные в радиоактивность Марией Кюри. В том же году Анри Муассан (вновь химик из Франции) разрабатывает способ получения чистого металлического урана.

В 1899 году Эрнестом Резерфордом была обнаружена неоднородность излучения урановых препаратов. Выяснилось, что есть два вида излучения - альфа- и бета-лучи, различные по своим свойствам: они несут различный электрический заряд, имеют различную длину пробега в веществе и ионизирующая способность их также различна. Годом позже были обнаружены и гамма-лучи Полем Вийаром.

Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди совместно разработали теорию радиоактивности урана. На основе этой теории в 1907 году Резерфорд предпринял первые опыты по определению возраста минералов при изучении радиоактивных урана и тория. В 1913 году Ф. Содди ввёл понятие об изотопах (от древне-греческого изо - «равный», «одинаковый», и топос - «место»). В 1920 году этот же ученый предположил, что изотопы можно использовать для определения геологического возраста горных пород. Его предположения оказались верны: в 1939 г. Aльфред Oтто Карл Нир оздал первые уравнения для расчёта возраста и применил масс-спектрометр для разделения изотопов.

В 1934 году Энрико Ферми провел ряд опытов по бомбардировке химических элементов нейтронами - частицами, открытыми Дж. Чедвиком в 1932 году. В результате этой операции в уране появлялись неизвестные прежде радиоактивные вещества. Ферми и другие ученые, участвовавшие в его опытах, предположили, что им удалось открыть трансурановые элементы. В течение четырех лет предпринимались попытки обнаружения трансурановых элементов среди продуктов нейтронного обстрела. Закончилось все в 1938 году, когда немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман установили, что, захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа урана 235U делится, при этом выделяется (в расчете на одно ядро урана) достаточно большая энергия, в основном, за счёт кинетической энергии осколков и излучения. Продвинутся дальше, немецким химикам не удалось. Обосновать их теорию смогли Лиза Мейтнер и Отто Фриш. Это открытие было истоком использования внутриатомной энергии, как в мирных, так и в военных целях.

Нахождение в природе

Среднее содержание урана в земной коре (кларк) 3∙10-4 % по массе, это означает, что его больше в недрах земли, чем серебра, ртути, висмута. Уран характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Так, в тонне гранита — около 25 грамм элемента № 92. Всего в относительно тонком, двадцатикилометровом, верхнем слое Земли заключено более 1000 тонн урана. В кислых изверженных породах 3,5∙10-4 %, в глинах и сланцах 3,2∙10-4 %, особенно обогащённых органикой, в основных породах 5∙10-5 %, в ультраосновных породах мантии 3∙10-7 %.

Уран энергично мигрирует в холодных и горячих, нейтральных и щелочных водах в виде простых и комплексных ионов, особенно в форме карбонатных комплексов. Немаловажную роль в геохимии урана играют окислительно-восстановительные реакции, все потому, что соединения урана, как правило, хорошо растворимы в водах с окислительной средой и плохо растворимы в водах с восстановительной средой (сероводородах).

Известно более сотни минеральных руд урана, они различны по химическому составу, происхождению, концентрации урана, из всего многообразия лишь дюжина представляет практический интерес. Основными представителями урана, имеющими наибольшее промышленное значение, в природе можно считать окислы - уранинит и его разновидности (настуран и урановая чернь), а также силикаты - коффинит, титанаты - давидит и браннерит; водные фосфаты и арсенаты уранила - урановые слюдки.

Уранинит - UO2 присутствует преимущественно в древних - докембрийских породах в виде четких кристаллических форм. Уранинит образует изоморфные ряды с торианитом ThO2 и иттро-церианитом (Y,Ce)O2. Кроме того, все ураниниты содержат продукты радиогенного распада урана и тория: K, Po, He, Ac, Pb, а также Ca и Zn. Собственно уранинит - высокотемпературный минерал, характерен для гранитных и сиенитовых пегматитов в ассоциации со сложными ниобо-тантало-титанатами урана (колумбит, пирохлор, самарскит и другие), цирконом, монацитом. Кроме того, уранинит встречается в гидротермальных, скарновых и осадочных породах. Крупные месторождения уранинита известны в Канаде, Африке, Соединенных Штатах Америки, Франции и Австралии.

Настуран (U3O8), он же урановая смолка или смоляная обманка, образующий скрытокристаллические колломорфные агрегаты - вулканогенный и гидротермальный минерал, представлен в палеозойских и более молодых высоко- и среднетемпературных образованиях. Постоянные спутники настурана – сульфиды, арсениды, самородные висмут, мышьяк и серебро, карбонаты и некоторые другие элементы. Эти руды очень богаты ураном, но крайне редко встречаются, зачастую в сопровождении радия, это легко объяснимо: радий является прямым продуктом изотопного распада урана.

Урановые черни (рыхлые землистые агрегаты) представлены в основном в молодых - кайнозойских и моложе образованиях, характерны для гидротермальных сульфидно-урановых и осадочных месторождений.

Также уран извлекается в виде побочного продукта из руд, содержащих менее 0,1 %, например, из золотоносных конгломератов.

Основные месторождения урановых руд расположены в США (Колорадо, Северная и Южная Дакота), Канаде (провинции Онтарио и Саскачеван), ЮАР (Витватерсранд), Франции (Центральный массив), Австралии (Северная территория) и многих других странах. В России основным урановорудным регионом является Забайкалье. На месторождении в Читинской области (около города Краснокаменск) добывается около 93 % российского урана.

Применение

Современная атомная энергетика просто немыслима без элемента № 92 и его свойств. Хотя еще не так давно — до пуска первого ядерного реактора урановые руды добывались в основном для извлечения из них радия. Небольшие количества урановых соединений использовали в некоторых красителях и катализаторах. По сути дела, уран считался элементом, который не имеет почти никакого промышленного значения, и как кардинально изменилась ситуация после открытия способности изотопов урана к делению! Этот металл мгновенно получил статус стратегического сырья № 1.

В наше время основная область применения металлического урана, так же как и его соединений - топливо для ядерных реакторов. Так в стационарных реакторах АЭС применяется малообогащенная (природная) смесь изотопов урана, а в силовых ядерных установках и в реакторах на быстрых нейтронах используется уран высокой степени обогащения.

Наибольшее применение имеет изотоп урана 235U, ведь в нем возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция, что не характерно для других изотопов урана. Благодаря именно этому свойству 235U используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Однако выделение изотопа 235U из природного урана - сложная и дорогостоящая технологическая проблема.

Самый распространенный в природе изотоп урана 238U может делиться, если его бомбардируют высокоэнергетическими нейтронами. Такое свойство данного изотопа используют для увеличения мощности термоядерного оружия - используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией. Кроме того, из изотопа 238U получают изотоп плутония 239Pu, который в свою очередь также может использоваться в ядерных реакторах и в атомной бомбе.

В последнее время большое применение находит искусственно получаемый в реакторах из тория изотоп урана 233U, его получают, облучая в нейтронном потоке ядерного реактора торий:

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

233U делится тепловыми нейтронами, кроме того, в реакторах с 233U может происходить расширенное воспроизводство ядерного горючего. Так при выгорании в ториевом реакторе килограмма 233U в нем же должно накопиться 1,1 кг нового 233U (в результате захвата нейтронов ядрами тория). В ближайшем будущем уран-ториевый цикл в реакторах на тепловых нейтронах - главный конкурент уран-плутониевого цикла воспроизводства ядерного горючего в реакторах на быстрых нейтронах. Уже сейчас существуют и работают реакторы, использующие этот нуклид в качестве топлива (KAMINI в Индии). 233U также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Другие искусственные изотопы урана не играют заметной роли.

После того, как из природного урана извлекают «нужные» изотопы 234U и 235U, оставшееся сырье (238U) носит название «обеднённый уран», он в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него 234U. Так как основное использование урана - производство энергии, по этой причине обедненный уран - малополезный продукт с низкой экономической ценностью. Однако из-за своей низкой цены, а также большой плотности и чрезвычайно высокого сечения захвата он используется для радиационной защиты, и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. Кроме того, обедненный уран применяется как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах; в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, при бурении нефтяных скважин.

Однако самое известное применение обедненного урана - это использование его в военных целях - в качестве сердечников для бронебойных снарядов и современной танковой броне, например, танка M-1 «Абрамс».

Менее известные области применения урана в основном связаны с его соединениями. Так малая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу, некоторые соединения урана светочувствительны, по этой причине уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.

Карбид 235U в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей. Сплавы железа и обеднённого урана (238U) применяются как мощные магнитострикционные материалы. Уранат натрия Na2U2O7 использовался как жёлтый пигмент в живописи, ранее соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).

Производство

Уран получают из урановых руд, которые значительно различаются по ряду признаков (по условиям образования, по «контрастности», по содержанию полезных примесей и др.), основным из которых является процентное содержание урана. Согласно этому признаку различают пять сортов руд: очень богатые (содержат свыше 1 % урана); богатые (1-0,5 %); средние (0,5-0,25 %); рядовые (0,25-0,1 %) и бедные (менее 0,1 %). Однако даже из руд, содержащих 0,01-0,015 % урана, этот металл извлекается в качестве побочного продукта.

За годы освоения уранового сырья разработано немало способов выделения урана из руд. Это связано и со стратегическим значением урана в некоторых областях, и с разнообразием его природных проявлений. Однако, несмотря на все разнообразие методов, и сырьевой базы, любое урановое производство состоит из трех стадий: предварительное концентрирование урановой руды; выщелачивание урана и получение достаточно чистых соединений урана осаждением, экстракцией или ионным обменом. Далее в зависимости от назначения получаемого урана, следует обогащение продукта изотопом 235U или сразу же восстановление элементарного урана.

Итак, первоначально происходит концентрирование руды — порода измельчается и заливается водой. При этом более тяжелые элементы смеси осаждаются быстрее. В породах, содержащих первичные минералы урана, происходит их быстрое осаждение, так как они весьма тяжелы. При концентрировании руд, содержащих вторичные минералы урана, происходит осаждение пустой породы, которая гораздо тяжелее вторичных минералов, но может содержать весьма полезные элементы.

Урановые руды почти не обогащаются, исключением является органический способ радиометрической сортировки, основанной на γ-излучении радия, всегда сопутствующего урану.

Следующая стадия в урановом производстве - это выщелачивание, таким образом, происходит переход урана в раствор. В основном руды выщелачивают растворами серной, иногда азотной кислот или растворами соды с переводом урана в кислый раствор в виде UO2SO4 или комплексных анионов , а в содовый раствор - в виде 4- комплексного аниона. Метод, при котором применяется серная кислота - дешевле, однако, он не всегда применим - если сырье содержит четырехвалентный уран (урановая смолка), который не растворяется в серной кислоте. В таких случаях используют щелочное выщелачивание или окисляют четырехвалентный уран до шестивалентного состояния. Использование каустической соды (едкого натра) целесообразно при выщелачивании руды, содержащей магнезит или доломит, на растворение которых требуется слишком много кислоты.

После стадии выщелачивания раствор содержит не только уран, но и другие элементы, которые так же, как и уран экстрагируются теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. В такой ситуации для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, дабы на разных стадиях исключать нежелательный элемент. Одно из преимуществ методов ионного обмена и экстракции - достаточно полно извлекается уран из бедных растворов.

После всех перечисленных операций уран переводят в твердое состояние - в один из окислов или в тетрафторид UF4. Такой уран содержит примеси с большим сечением захвата тепловых нейтронов - литий, бор, кадмий, редкоземельные металлы. В конечном продукте их содержание не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента! Для этого снова уран растворяется, в этот раз уже в азотной кислоте. Уранилнитрат UO2(NO3)2 при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций. Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трехокись урана UO3, которую восстанавливают водородом до UO2. При температуре от 430 до 600° C окись урана реагирует с сухим фтористым водородом и превращается в тетрафторид UF4. Уже из этого соединения обычно получают металлический уран с помощью кальция или магния обычным восстановлением.

Физические свойства

Металлический уран — очень тяжелый, он тяжелее железа в два с половиной раза, а свинца - в полтора! Это один из самых тяжелых элементов, которые хранятся в недрах Земли. Своим серебристо-белым цветом и блеском уран напоминает сталь. Чистый металл пластичен, мягок, имеет высокую плотность, но в тоже время легко поддается обработке. Уран электроположителен, обладает незначительными парамагнитными свойствами - удельная магнитная восприимчивость при комнатной температуре 1,72·10 -6 , имеет малую электропроводность, но высокую реакционную способность. Этот элемент имеет три аллотропических модификации: α, β и γ. α-форма имеет ромбическую кристаллическую решетку со следующими параметрами: a = 2,8538 Å, b = 5,8662 Å, с = 4б9557 Å. Эта форма стабильна в температурном коридоре от комнатных температур до 667,7° C. Плотность урана в α-форме при температуре 25° C составляет 19,05 ±0,2 г/см 3 . β-форма имеет тетрагональную кристаллическую решетку, стабильна в интервале температур от 667,7° C до 774,8° C. Параметры четырехугольной решетки: a = 10,759 Å, b = 5,656 Å. γ-форма с объемно-центрированной кубической структурой, стабильна от 774,8° C до точки плавления (1132° C).

Увидеть все три фазы можно в процессе восстановления урана. Для этого используется специальный аппарат, который представляет собой стальную бесшовную трубу, которая футеруется оксидом кальция, это необходимо, чтобы сталь трубы не взаимодействовала с ураном. В аппарат загружают смесь тетрафторида урана и магния (или кальция), после чего нагревают до 600° C. При достижении этой температуры включают электрический запал, мгновенно протекает экзотермическая реакция восстановления, при этом загруженная смесь полностью плавится. Жидкий уран (температура 1132° C) за счет своего веса полностью опускается на дно. После полного осаждения урана на дно аппарата начинается охлаждение, уран кристаллизуется, его атомы выстраиваются в строгом порядке, образуя кубическую решетку - это и есть γ-фаза. Следующий переход происходит при 774° C - кристаллическая решетка остывающего металла становится тетрагональной, что соответствует β-фазе. Когда температура слитка падает до 668° C, атомы вновь перестраивают свои ряды, располагаясь волнами в параллельных слоях - α-фаза. Далее никаких изменений уже не происходит.

Основные параметры урана всегда относятся к α-фазе. Температура плавления (tпл) 1132° С, температура кипения урана (tкип) 3818° С. Удельная теплоемкость при комнатной температуре 27,67 кдж/(кг·К) или 6,612 кал/(г·° С). Удельное электрическое сопротивление при температуре 25° С примерно 3·10 -7 ом·см, а уже при 600° С 5,5·10 -7 ом·см. Теплопроводность урана также меняется в зависимости от температуры: так в интервале 100-200° С она равна 28,05 вт/(м·К) или 0,067 кал/(см·сек·° С), а при повышении до 400° С увеличивается до 29,72 вт/(м·К) 0,071 кал/(см·сек·° С). Уран обладает сверхпроводимостью при при 0,68 К. Средняя твердость по Бринеллю 19,6 - 21,6·10 2 Мн/м 2 или 200-220 кгс/мм 2 .

Многие механические свойства 92-го элемента зависят от его чистоты, от режимов термической и механической обработки. Так для литого урана предел прочности при растяжении при комнатной температуре 372-470 Мн/м 2 или 38-48 кгс/мм 2 , среднее значение модуля упругости 20,5·10 -2 Мн/м2 или 20,9·10 -3 кгс/мм 2 . Прочность урана повышается после закалки из β- и γ-фаз.

Облучение урана потоком нейтронов, взаимодействие с водой, охлаждающей топливные элементы из металлического урана, другие факторы работы в мощных реакторах на тепловых нейтронах - все это приводит к изменениям физико-механических свойства урана: металл становится хрупким, развивается ползучесть, происходит деформация изделий из металлического урана. По этой причине в ядерных реакторах используются урановые сплавы, например с молибденом, такой сплав устойчив к действию воды, упрочняет металл, сохраняя высокотемпературную кубическую решетку.

Химические свойства

В химическом отношении уран весьма активный металл. На воздухе он окисляется с образованием на поверхности радужной пленки двуокиси UO2, которая не предохраняет металл от дальнейшего окисления, как это происходит с титаном, цирконием и рядом других металлов. С кислородом уран образует двуокись UO2, трехокись UO3 и большое количество промежуточных окислов, важнейшим из которых является U3O8, по свойствам эти окислы сходны с UO2 и UO3. В порошкообразном состоянии уран пирофорен и может воспламениться при незначительном нагреве (150 °C и выше), горение сопровождается ярким пламенем, в итоге образуется U3O8. При температуре 500-600 °C уран взаимодействует с фтором с образованием малорастворимых в воде и кислотах игольчатой формы кристаллов зеленого цвета — тетрафторида урана UF4, а также UF6 - гексафторида (белые кристаллы, возгоняемые без плавления при температуре 56,4 °C). UF4, UF6 - примеры взаимодействия урана с галогенами с образованием галогенидов урана. Уран легко соединяется с серой, образуя ряд соединений, из которых наибольшее значение имеет US - ядерное горючее. С водородом уран взаимодействует при 220 °C с образованием гидрида UH3, который химически очень активен. При дальнейшем нагреве UH3 разлагается на водород и порошкообразный уран. Взаимодействие с азотом происходит при более высоких температурах - от 450 до 700 °C и атмосферном давлении получается нитрид U4N7, с повышением давления азота при тех же температурах можно получить UN, U2N3 и UN2. При более высоких температурах (750-800 °C) уран взаимодействует с углеродом с образованием монокарбида UC, дикарбида UC2, а также U2C3. Уран взаимодействует с водой с образованием UO2 и H2, причем с холодной водой медленнее, а с горячей активнее. Кроме того, реакция протекает и с водяным паром при температурах от 150 до 250 °C. Этот металл растворяется в соляной HCl и азотной HNO3 кислотах, менее активно в сильно концентрированной плавиковой кислоте, медленно реагирует с серной H2SO4 и ортофосфорной H3PO4 кислотами. Продуктами реакций с кислотами являются четырехвалентные соли урана. Из неорганических кислот и солей некоторых металлов (золото, платина, медь, серебро, олово и ртуть) уран способен вытеснять водород. Со щелочами уран не взаимодействует.

В соединениях уран способен проявлять следующие степени окисления: +3, +4, +5, +6, иногда +2. U3+ в природных условиях не существует и может быть получен только в лаборатории. Соединения пятивалентного урана по большей части не устойчивы и довольно легко разлагаются на соединения четырех и шестивалентного урана, которые являются наиболее устойчивыми. Для шестивалентного урана характерно образование иона уранила UO22+, соли которого окрашены в желтый цвет и хорошо растворимы в воде и минеральных кислотах. Примером соединений шестивалентного урана может послужить триоксид урана или урановый ангидрид UO3 (оранжевый порошок), имеющий характер амфотерного оксида. При растворении которого в кислотах образуются соли, например уранилхлорид урана UO2Cl2. При действии щелочей на растворы солей уранила получаются соли урановой кислоты H2UO4 - уранаты и двуурановой кислоты H2U2O7 - диуранаты, например, уранат натрия Na2UO4 и диуранат натрия Na2U2O7. Соли четырехвалентного урана (тетрахлорид урана UCl4) окрашены в зеленый цвет и менее растворимы. При длительном нахождении на воздухе соединения, содержащие четырехвалентный уран обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные. Ураниловые соли, такие как уранилхлорид распадаются в присутствии яркого света или органики.

Ядерные технологии в значительной степени основаны на использовании методов радиохимии, которые в свою очередь базируются на ядерно-физических, физических, химических и токсических свойствах ра- диоактиных элементов.

В данной главе мы ограничимся кратким описанием свойств основных делящихся изотопов - урана и плутония.

Уран

Уран (uranium ) U - элемент группы актинидов, 7-0Й период периодической системы, Z=92, атомная масса 238,029; самый тяжёлый из встречающихся в природе.

Известно 25 изотопов урана, все они радиоактивны. Самый лёгкий 217U (Tj/ 2 =26 мс), самый тяжелый 2 4 2 U (7 T J / 2 =i6,8 мин). Имеется 6 ядерных изомеров. В природном уране три радиоактивных изотопа: 2 з 8 и (99, 2 739%, Ti/ 2 =4,47109 л), 2 35U (0.7205%, Г,/2=7,04-109 лет) и 2 34U (0.0056%, Ti/ 2=2,48-юз л). Удельная радиоактивность природного урана 2,48104 Бк, разделяется практически пополам между 2 34U и 288 U; 2 35U вносит малый вклад (удельная активность изотопа 2 ззи в природном уране в 21 раз меньше активности 2 3 8 U). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 46, 98 и 2,7 барн для 2 ззи, 2 35U и 2 3 8 U, соответственно; сечение деления 527 и 584 барн для 2 ззи и 2 з 8 и, соответственно; природной смеси изотопов (0,7% 235U) 4,2 барн.

Табл. 1. Ядерно-физические свойства 2 з9Ри и 2 35Ц.

Табл. 2. Захват нейтронов 2 35Ц и 2 з 8 Ц.

Шесть изотопов урана способны к спонтанному делению: 282 U, 2 ззи, 234U, 235U, 2 з 6 и и 2 з 8 и. Природные изотопы 2 ззи и 2 35U делятся под действием как тепловых, так и быстрых нейтронов, а ядра 2 з 8 и способны к делению только при захвате нейтронов с энергией более 1,1 МэВ. При захвате нейтронов с меньшей энергией ядра 288 U превращаются сначала в ядра 2 -i9U, которые далее испытывают p-распад и переходят сначала в 2 -"*9Np, а затем - в 2 39Pu. Эффективные сечения захвата тепловых нейтронов ядер 2 34U, 2 35U и 2 з 8 и равны 98, 683 и 2,7-барн соответственно. Полное деление 2 35U приводит к «тепловому энергетическому эквиваленту» 2-107 кВтч/кг. В качестве ядерного топлива используют изотопы 2 35U и 2 ззи, способные поддерживать цепную реакцию деления.

В атомных реакторах нарабатываются п искусственных изотопов урана с массовыми числами 227-^240, из которых самый долгоживущий - 233U (7V 2 =i,62*io 5 лет); он получается при нейтронном облучении тория. В сверхмощных нейтронных потоках термоядерного взрыва рождаются изотопы урана с массовыми числами 239^257.

Уран-232 - техногенный нуклид, а-излучатель, Т х / 2=68,9 лет, материнские изотопы 2 з 6 Ри(а), 23 2 Np(p*) и 23 2 Ра(р), дочерний нуклид 228 Th. Интенсивность спонтанного деления 0,47 дел./с кг.

Уран-232 образуется в результате следующих распадов:

Р + -распад нуклида *3 a Np (Ti/ 2 =14,7 мин):

В ядерной промышленности 2 3 2 U нарабатывается как побочный продукт при синтезе делящегося (оружейного) нуклида 2 ззи в ториевом топливном цикле. При облучении 2 3 2 Th нейтронами происходит основная реакция:

и побочная двухстадийная реакция:

Наработка 232 U из тория идёт только на быстрых нейтронах (Е „>6 МэВ). Если в исходном веществе находится 2 з°ТЬ, то образование 2 3 2 U дополняется реакцией: 2 з°ТЬ+и-> 2 3‘ТЬ. Эта реакция идёт на тепловых нейтронах. Генерация 2 3 2 U по ряду причин нежелательна. Её подавляют путём использования тория с минимальной концентрацией 2 з°ТЬ.

Распад 2 з 2 и происходит по следующим направлениям:

А-распад в 228 Th (вероятность юо%, энергия распада 5,414 МэВ):

энергия испускаемых а-частиц 5,263 МэВ (в 31,6% случаев) и 5,320 МэВ (в 68,2% случаев).

• - спонтанное деление (вероятность менее мо~ 12 %);
• - кластерный распад с образованием нуклида 28 Mg (вероятность распада менее 5*10" 12 %):

Кластерный распад с образованием нуклида 2

Уран-232 является родоначальником длинной цепочки распада, в которую входят нуклиды - излучатели жёстких у-квантов:

^U-(3,64 дн, a,y)-> 220 Rn-> (55,6 с, а)-> 21б Ро->(0,155 с, а)-> 212 РЬ->(10,64 ч, р, y)-> 212 Bi ->(60,6 м, р, у)-> 212 Ро а, у)->208x1, 212 Ро->(3"Ю‘ 7 с, а)-> 2о8 РЬ (стаб), 2о8 Т1->(3,06 м, р, у-> 2о8 РЬ.

Накопление 2 3 2 U неизбежно при производстве 2 ззи в ториевом энергетическом цикле. Интенсивное у-излучение, возникающее при распаде 2 3 2 U сдерживает развитие ториевой энергетики. Необычным является то, что чётный изотоп 2 з 2 11 имеет высокое сечение деления под действием нейтронов (для тепловых нейтронов 75 барн), а также высокое сечение захвата нейтронов - 73 барна. 2 3 2 U применяется в методе радиоактивных индикаторов в химических исследованиях.

2 з 2 и является родоначальником длинной цепочки распада (по схеме 2 з 2 ТЬ), в которую входят нуклиды-излучатели жёстких у-квантов. Накопление 2 3 2 U неизбежно при производстве 2 ззи в ториевом энергетическом цикле. Интенсивное у-излучение, возникающее при распаде 232 U сдерживает развитие ториевой энергетики. Необычным является то, что чётный изотоп 2 3 2 U имеет высокое сечение деления под действием нейтронов (для тепловых нейтронов 75 барн), а также высокое сечение захвата нейтронов - 73 барна. 2 3 2 U часто применяется в методе радиоактивных индикаторов в химических и физических исследованиях.

Уран-233 - техногенный радионуклид, а-излучатель (энергии 4,824 (82,7%) и 4,783 МэВ (14,9%),), Tvi= 1,585105 лет, материнские нуклиды 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +)-> 2 ззРа(р), дочерний нуклид 22 9Th. 2 ззи получается в атомных реакторах из тория: 2 з 2 ТЬ захватывает нейтрон и превращается в 2 ззТЬ, который распадается на 2 ззРа, а затем в 2 ззи. Ядра 2 ззи (нечётный изотоп) способны как к спонтанному делению, так и к делению под действием нейтронов любых энергий, что делает его пригодным к производству как атомного оружия, так и реакторного топлива. Эффективное сечение деления 533 барн, сечение захвата - 52 барн, выход нейтронов: на один акт деления - 2,54, на один поглощенный нейтрон - 2,31. Критическая масса 2 ззи в три раза меньше критической массы 2 35U (-16 кг). Интенсивность спонтанного деления 720 дел./с кг.

Уран-233 образуется в результате следующих распадов:

- (3 + -распад нуклида 2 33Np (7^=36,2 мин):

В промышленных масштабах 2 ззи получают из 2 32Th, облучением нейтронами:

При поглощении нейтрона, ядро 2 ззи обычно делится, но изредка захватывает нейтрон, переходя в 2 34U. Хотя 2 ззи, поглотив нейтрон, обычно делится, всё же он иногда сохраняет нейтрон, переходя в 2 34U. Наработку 2 ззи проводят как в быстрых, так и в тепловых реакторах.

С оружейной точки зрения 2 ззи, сравним с 2 39Ри: его радиоактивность - 1/7 от активности 2 39Pu (Ti/ 2 =159200 л против 24100 л у Ри), критическая масса 2 ззи на 6о% выше, чем у ^Ри (16 кг против ю кг), а скорость спонтанного деления выше в 20 раз (б-ю - ’ против 310 10). Нейтронный поток от 2 ззи в з раза выше, чем у 2 39Ри. Создание ядериого заряда на основе 2 ззи требует больших усилий, чем на ^Ри. Основное препятствие - наличие в 2ззи примеси 232 U, у-излучение проектов распада которого затрудняет работы с 2 ззи и позволяет легко обнаружить готовое оружие. К тому же, короткий период полураспада у 2 3 2 U делает его активным источником а- частиц. 2 ззи с 1% 232 и имеет в з раза более сильную a-активность, чем оружейный плутоний и, соответственно, большую радиотоксичность. Эта а- активность вызывает рождение нейтронов в лёгких элементах оружейного заряда. Для минимизации этой проблемы присутствие таких элементов как Be, В, F, Li должно быть минимальным. Наличие нейтронного фона не влияет на работу" имплозионные системы, но для пушечных схемы требуется высокий уровень чистоты по лёгким элементам. Содержание 23 2 U в оружейном 2 ззи не должно превышать 5 частей на миллион (0.0005%). В топливе энергетических тепловых реакторов наличие 2 зги не вредно, а даже желательно, т.к. снижает возможность применения урана для оружейных целей. После переработки ОЯТ и повторного использования топлива содержание 232U достигает о, 1+0,2%.

Распад 2 ззи происходит по следующим направлениям:

А-распад в 22 9Th (вероятность юо%, энергия распада 4,909 МэВ):

энергия испускаемых яг-частиц 4,729 МэВ (в 1,61% случаев), 4,784 МэВ (в 13,2% случаев) и 4,824 МэВ (в 84,4% случаев).

• - спонтанное деление (вероятность
• - кластерный распад с образованием нуклида 28 Mg (вероятность распада менее 1,з*10 _1 з%):

Кластерный распад с образованием нуклида 24 Ne (вероятность распада 7,3-10-“%):

Цепочка распада 2 ззи относится к нептуниевому ряду.

Удельная радиоактивность 2 ззи 3,57-ю 8 Бк/г, что соответствует a-активности (и радиотоксичиости) -15% от плутония. Всего 1% 2 3 2 U увеличивает радиоактивность до 212 мКи/г.

Уран-234 (уран II, UII) входит в состав природного урана (0,0055%), 2,445105 лет, а-излучатель (энергия а-частиц 4,777 (72%) и

4,723 (28 %) МэВ), материнские радионуклиды: 2 з 8 Ри(а), 234 Pa(P), 234 Np(p +),

дочерний изотоп в 2 з»ть.

Обычно 234 U находится в равновесии с 2 з 8 и, распадаясь и образуясь с одинаковой скоростью. Примерно половину радиоактивности природного урана составляет вклад 234U. Обычно 234U получают ионно-обменной хроматографией старых препаратов чистого 2 з 8 Ри. При а-распаде *звРи поддается 2 34U, поэтому старые препараты 2 з 8 Ри представляют собой хорошие источники 2 34U. юо г 2з8Ри содержат через год 776 мг 2 34U, через 3 года

2,2 г 2 34U. Концентрация 2 34U в высокообогащённом уране довольно высока из-за предпочтительного обогащения лёгкими изотопами. Поскольку 2 34и - сильный у-излучатель, имеются ограничения на его концентрацию в уране, предназначенном для переработки в топливо. Повышенный уровень 234и приемлем для реакторов, но переработанное ОЯТ содержит уже неприемлемые уровни этого изотопа.

Распад 234и происходит по следующим направлениям:

А-распад в 2 з°ТЬ (вероятность 100%, энергия распада 4,857 МэВ):

энергия испускаемых а-частиц 4,722 МэВ (в 28,4% случаев) и 4,775 МэВ (в 71,4% случаев).

• - спонтанное деление (вероятность 1,73-10-9%).
• - кластерный распад с образованием нуклида 28 Mg (вероятность распада 1,4-10" п %, по другим данным 3,9-10-“%):

• - кластерный распад с образованием нуклидов 2 4Ne и 26 Ne (вероятность распада 9-10" ,2 %, по другим данным 2,з-10 _11 %):

Известен единственный изомер 2 34ти (Тх/ 2 = 33,5 мкс).

Сечение поглощения 2 34U тепловых нейтронов юо барн, а для резонансного интеграла, усреднённого по различным промежуточным нейтронам 700 барн. Поэтому в реакторах на тепловых нейтронах он конвертируется в делящийся 235U с большей скоростью, чем намного большее количество 238U (с поперечным сечением 2,7 барн) конвертируется в 2 з9Ри. В результате, ОЯТ содержит меньше 2 34U, чем свежее топливо.

Уран-235 относится к семейству 4П+3, способен давать цепную реакцию деления. Это - первый изотоп, на котором была открыта реакция вынужденного деления ядер под действием нейтронов. Поглощая нейтрон, 235U переходит в 2 зби, который делится на две части, выделяя энергию и испуская несколько нейтронов. Делящийся нейтронами любых энергий, способный к самопроизвольному делению, изотоп 2 35U входит в состав природного уфана (0,72%), а-излучатель (энергии 4,397 (57%) и 4,367 (18%) МэВ), Ti/j=7,038-ю 8 лет, материнские нуклиды 2 35Ра, 2 35Np и 2 39Ри, дочерний - 23«Th. Интенсивность спонтанного деления 2 3su 0,16 делений/с кг. При делении одного ядра 2 35U выделяется 200 МэВ энергии=з,2Ю п Дж, т.е. 18 ТДж/моль=77 ТДж/кг. Поперечное сечение деления тепловыми нейтронами составляет 545 барн, а быстрыми нейтронами - 1,22 барна, выход нейтронов: на один акт деления - 2,5, на один поглощенный нейтрон - 2,08.

Замечание. Поперечное сечение захвата медленных нейтронов с образованием изотопа 2 зи (юо барн), так что общее поперечное сечение поглощения медленных нейтронов составляет 645 барн.

• - спонтанное деление (вероятность 7*10~9%);
• - кластерный распад с образованием нуклидов 2 °Ne, 2 5Ne и 28 Mg (вероятности соответственно составляют 8-io _10 %, 8-кг 10 %, 8*Ю" ,0 %):

Рис. 1.

Известен единственный изомер 2 35n»u (7/ 2 =2б мин).

Удельная активность 2 35Ц 7,77-ю 4 Бк/г. Критическая масса оружейного урана (93,5% 2 35U) для шара с отражателем - 15-7-23 кг.

Деление 2 »5U используется в атомном оружии, для производства энергии и для синтеза важных актинидов. Цепная реакция поддерживается благодаря избытку нейтронов, образующихся при делении 2 35Ц.

Уран-236 встречается на Земле природе в следовых количествах (на Луне его больше), а-излучатель (?

Рис. 2. Радиоактивное семейство 4/7+2 (включая -з 8 и).

В атомном реакторе 2 ззи поглощает тепловой нейтрон, после чего он с вероятностью 82% делится, а с вероятностью 18% испускает у-квант и превращается в 2 з б и (на юо разделившихся ядер 2 35U приходится 22 образовавшихся ядер 2 3 6 U). В незначительных количествах входит в состав свежего топлива; накапливается при облучении урана нейтронами в реакторе, и потому используется как «сигнализатор» ОЯТ. 2 з б и образуется как побочный продукт при сепарации изотопов методом газовой диффузии при регенерации использованного ядерного горючего. Образующийся в энергетическом реакторе 236 U - нейтронный яд, его присутствие в ядерном топливе компенсируют высоким уровнем обогащения 2 35U.

2 з б и используется как трассер смешения океанических вод.

Уран-237, Т&= 6,75 дн, бета- и гамма-излучатель, может быть получен по ядерным реакциям:

Детектрирование 287 и проводят по линиям с Еу= о,об МэВ (36%), 0,114 МэВ (0,06%), 0,165 МэВ (2,0%), 0,208 МэВ (23%)

237U применяется в методе радиоактивных индикаторов в химических исследованиях. Измерение концентрации (2 4°Am) в осадках, выпадающих после испытания атомного оружия, даёт ценную информацию о типе заряда и использованной аппаратуре.

Уран-238 - относится к семейству 4П+2, делится нейтронами высоких энергий (более 1,1 МэВ), способен к самопроизвольному делению, составляет основу природного урана (99,27%), а-излучатель, 7’ ; /2=4>4б8-109 лет, непосредственно распадается на 2 34Th, образует ряд генетически связанных радионуклидов, и через 18 продуктов превращается в 20б РЬ. Чистый 2 3 8 U имеет удельную радиоактивность 1,22-104 Бк. Период полураспада очень большой - порядка ю 16 лет, так что вероятность деления по отношению к основному процессу - испусканию а-частицы - составляет всего Ю" 7 . Один килограмм урана даёт всего ю спонтанных делений в секунду, а за это же время а-частицы излучают 20 миллионов ядер. Материнские нуклиды: 2 4 2 Ри(а), *з8ра(р-) 234Th, дочерний T,/ 2 = 2 :i 4 Th.

Уран-238 образуется в результате следующих распадов:

2 (V0 4) 2 ] 8Н 2 0. Из вторичных минералов распространён гидратированный уранилфосфат кальция Ca(U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0. Часто урану в минералах сопутствуют другие полезные элементы - титан, тантал, редкие земли. Поэтому естественно стремление к комплексной переработке ураисодержащих руд.

Основные физические свойства урана: атомная масса 238,0289 а.е.м. (г/моль); радиус атома 138 пм (1 пм=ю 12 м); энергия ионизации (первый электрон 7,11 эВ; электронная конфигурация -5f36d‘7s 2 ; степени окисления 6, 5, 4, 3; Г П л=113 2 , 2 °; Т т ,1=3818°; плотность 19,05; удельная теплоёмкость 0,115 ДжДКмоль); прочность на разрыв 450 МПа, Теплота плавления 12,6 кДж/моль, теплота испарения 417 кДж/моль, удельная теплоёмкость 0,115 Дж/(моль-К); молярный объём 12,5 смз/моль; характеристическая температура Дебая © Д =200К, температура перехода в сверхпроводящее состояние о,68К.

Уран - тяжёлый, серебристо-белый глянцевитый металл. Он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами, в порошкообразном состоянии пирофорен. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (ромбическая, a-U, параметры решётки 0=285, Ь= 587, с=49б пм, стабильна до 667,7°), бета (тетрагональная, p-U, стабильна от 667,7 до 774,8°), гамма (с кубической объёмно центрированной решёткой, y-U, существующей от 774,8° до точки плавления, frm=ii34 0), в которых уран наиболее податлив и удобен для обработки.

При комнатной температуре устойчива ромбическая a-фаза, призматическая структура состоит из волнистых атомных слоёв, параллельных плоскости abc, в чрезвычайно асимметричной призматической решётке. В пределах слоёв, атомы тесно связаны, в то время как прочность связей между атомами смежных слоёв намного слабее (рис. 4). Такая анизотропная структура затрудняет сплавление урана с другими металлами. Только молибден и ниобий создают с ураном твёрдофазные сплавы. Всё же металлический уран может вступать во взаимодействие со многими сплавами, образуя интерметаллические соединения.

В интервале 668^775° существует (3-уран. Тетрагонального типа решётка имеет слоистую структуру со слоями, параллельными плоскости ab в позициях 1/4С, 1/2с и 3/4С элементарной ячейки. При температуре выше 775° образуется у-уран с объёмноцентрированной кубической решёткой. Добавление молибдена позволяет иметь у-фазу при комнатной температуре. Молибден образует обширный ряд твёрдых растворов с у-ураном и стабилизирует у-фазу при комнатной температуре. у-Уран намного мягче и более ковкий, чем хрупкие а- и (3-фазы.

Существенное влияние на физико-механические свойства урана оказывает облучение нейтронами, вызывающее увеличение размеров образца, изменение формы, а также резкое ухудшение механических свойств (ползучесть, охрупчивание) урановых блоков в процессе работы ядерного реактора. Увеличение объёма обусловлено накоплением в уране при делении примесей элементов с меньшей плотностью (перевод 1% урана в осколочные элементы увеличивает объём на 3,4%).

Рис. 4. Некоторые кристаллические структуры урана: а - а-уран, б - р-уран.

Наиболее распространенными методами получения урана в металлическом состоянии является восстановление их фторидов щёлочными или щелочноземельными металлами или электролиз расплавов их солей. Уран может быть получен также металлотермическим восстановлением из карбидов вольфрамом или танталом.

Способность легко отдавать электроны определяет восстановительные свойства урана и его большую химическую активность. Уран может взаимодействовать почти со всеми элементами, кроме благородных газов, приобретая при этом степени окисления +2, +3, +4, +5, +6. В растворе основная валентность 6+.

Быстро окисляясь на воздухе, металлический уран покрывается радужной плёнкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе (при температурах 1504-175°), образуя и;} Ов. При 1000° уран соединяется с азотом, образуя жёлтый нитрид урана. Вода способна реагировать с металлом, медленно при низкой температуре и быстро при высокой. Уран бурно реагирует с кипящей водой и водяным паром с выделением водорода, который с ураном образует гидрид

Эта реакция проходит более энергично, чем горение урана в кислороде. Такая химическая активность урана заставляет защищать уран в ядерных реакторах от контакта с водой.

Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя соли U(IV), зато не взаимодействует со щелочами. Уран вытесняет водород из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.

Особенности структуры электронных оболочек атома урана (наличие ^/-электронов) и некоторые его физико-химические свойства служат основанием для отнесения урана к ряду актинидов. Однако есть химическая аналогия урана с Сг, Мо и W. Уран отличается высокой химической активностью и реагирует со всеми элементами за исключением благородных газов. В твёрдой фазе примерами U(VI) являются триоксид уранила U0 3 и уранилхлорид U0 2 C1 2 . Тетрахлорид урана UC1 4 и диоксид урана U0 2

Примеры U(IV). Вещества, содержащие U(IV) обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные при длительном пребывании на воздухе.

В системе уран-кислород установлены шесть оксидов: UO, U0 2 , U 4 0 9 , и 3 Ов, U0 3 . Для них характерна широкая область гомогенности. U0 2 - основной оксид, тогда как U0 3 - амфотерна. U0 3 - взаимодействует с водой с образованием ряда гидратов, из них важнейшие - диурановая кислота H 2 U 2 0 7 и урановая кислота Н 2 1Ю 4 . Со щелочами U0 3 образует соли этих кислот - уранаты. При растворении U0 3 в кислотах образуются соли двухзарядного катиона уранила U0 2 a+ .

Диоксид урана, U0 2 , стехиометрического состава имеет коричневый цвет. При увеличении содержания кислорода в оксиде цвет изменяется от темнокоричневого до чёрного. Кристаллическая структура типа CaF 2 , а = 0,547 нм; плотность 10,96 г/см"* (самая большая плотность среди оксидов урана). Т , пл =2875 0 , Т кн „ = 3450°, Д#°298 =-1084,5 кДж/моль. Диоксид урана является полупроводником с дырочной проводимостью, сильный парамагнетик. ПДК = о,015мг/мз. Не растворим в воде. При температуре -200° присоединяет кислород, достигая состава U0 2>25 .

Оксид урана (IV) можно полущить по реакциям:

Диоксид урана проявляет только основные свойства, ему соответствует основной гидроксид U(OH) 4 , который далее превращается в гидратированный гидроксид U0 2 Н 2 0. Диоксид урана медленно растворяется в сильных кислотах-неокислителях в отсутствие кислорода воздуха с образованием ионов Ш + :

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

Он растворим в концентрированных кислотах, причём скорость растворения можно значительно увеличить добавлением фтор-иона.

При растворении в азотной кислоте происходит образование ура- нил-иона 1Ю 2 2+ :

Триурана октаоксид U 3 0s (закись-окись урана) - порошок, окраска которого меняется от чёрной до темно-зелёной; при сильном измельчении - оливково-зелёного цвета. Крупные кристаллы чёрного цвета, оставляют на фарфоре зеленые штрихи. Известны три кристаллические модификации U 3 0h: a-U 3 C>8 - кристаллическая структура ромбическая (пр. гр. С222; 0=0,671 нм; 6=1,197 нм; с=о,8з нм; d =0,839 нм); p-U 3 0e - кристаллическая структура ромбическая (пространственная группа Стст; 0=0,705 нм; 6=1,172 нм; 0=0,829 нм. Начало разложения юоо° (переходит в 1Ю 2), ПДК= 0,075 мг/мз.

U 3 C>8 можно получить по реакции:

Прокаливанием U0 2 , U0 2 (N0 3) 2 , U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 или (NH 4) 2 U 2 0 7 при 750 0 на воздухе или в атмосфере кислорода (р=150+750 мм рт. ст.) полущают стехиометрически чистый U 3 08.

При прокаливании U 3 0s при Т>юоо° идёт восстановление до 1Ю 2 , однако при остывании на воздухе происходит возврат в U 3 0s. U 3 0e растворяется только в концентрированных сильных кислотах. В соляной и серной кислотах образуется смесь U(IV) и U(VI), а в азотной кислоте - нитрат ура- нила. Разбавленная серная и соляная кислоты очень слабо реагируют с U 3 Os даже при нагревании, добавка окислителей (азотной кислоты, пиролюзита) резко увеличивает скорость растворения. Концентрированная H 2 S0 4 растворяет U 3 Os с образованием U(S0 4) 2 и U0 2 S0 4 . Азотная кислота растворяет U 3 Oe с образованием уранилнитрата.

Триоксид урана, U0 3 - кристаллическое или аморфное вещество ярко жёлтого цвета. Реагирует с водой. ПДК = 0,075 мг/м 3 .

Получается при прокаливании полиуранатов аммония, пероксида урана, оксалата уранила при 300-^-500° и шестиводного уранилнитрата. При этом образуется оранжевый порошок аморфной структуры с плотностью

6,8 г/смз. Кристаллическая форма 1Ю 3 может быть получена окислением U 3 0 8 при температурах 450°ч-750° в токе кислорода. Существуют шесть кристаллических модификаций U0 3 (а, (3, у> §> ?, п)- U0 3 гигроскопичен и во влажном воздухе превращается в гидроксид уранила. Его нагрев при 520°-^6оо° даёт соединение состава 1Ю 2>9 , дальнейшее нагревание до 6оо° позволяет получить U 3 Os.

Водород, аммиак, углерод, щелочные и щёлочноземельные металлы восстанавливают U0 3 до U0 2 . При пропускании смеси газов HF и NH 3 образуется UF 4 . В высшей валентности уран проявляет амфотерные свойства. При действии кислот U0 3 или на его гидраты образуются соли уранила (U0 2 2+), окрашенные в жёлто-зелёный цвет:

Большинство солей уранила хорошо растворимы в воде.

Со щелочами при сплавлении U0 3 образует соли урановой кислоты - уранаты МДКХ,:

Со щелочными растворами триоксид урана образует соли полиура- новых кислот - полиуранаты дгМ 2 0у1Ю 3 пН^О.

Соли урановой кислоты практически нерастворимы в воде.

Кислотные свойства U(VI) выражены более слабо, чем основные.

С фтором уран реагирует при комнатной температуре. Стабильность высших галогенидов падает от фторидов к иодидам. Фториды UF 3 , U4F17, U2F9 и UF 4 нелетучи, a UFe летучь. Важнейшими из фторидов являются UF 4 и UFe.

Фтппиппиянир окгиля т»яня ппптркярт по прякттии:

Реакция в кипящем слое осуществляется по уравнению:

Возможно использование фторирующих агентов: BrF 3 , CC1 3 F (фреон-11) или CC1 2 F 2 (фреон-12):

Фторид урана(1У) UF 4 («зелёная соль») - порошок от голубоватозеленоватого до изумрудного цвета. Г 11Л =юз6°; Г к,«,.=-1730°. ДЯ° 29 8= 1856 кДж/моль. Кристаллическая структура моноклинная (пр. гп. С2/с; 0=1,273 нм; 5=1,075 нм; 0=0,843 нм; d= 6,7 нм; р=12б°20"; плотность 6,72 г/смз. UF 4 - устойчивое, неактивное, нелетучее соединение плохо растворимое в воде. Лучший растворитель для UF 4 - дымящая хлорная кислота НС10 4 . В кислотах-окислителях растворяется с образованием соли уранила; быстро растворяется в горячем растворе Al(N0 3) 3 или А1С1 3 , а также в растворе борной кислоты, подкисленной H 2 S0 4 , НС10 4 или НС1. Комплексооб- разователи, связывающие фторид-ионы, например, Fe3 + , А1з + или борная кислота, также способствуют растворению UF 4 . С фторидами других металлов образует ряд малорастворимых двойных солей (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7 и др.). Промышленное значение имеет NH 4 UF 5 .

Фторид U(IV) является промежуточным продуктом при получении

как UF6, так и металлического урана.

UF 4 можно полущить по реакциям:

или путём электролитического восстановления фторида уранила.

Гексафторид урана UFe - при комнатной температуре кристаллы цвета слоновой кости с высоким коэффициентом преломления. Плотность

5,09 г/смз, плотность жидкого UFe - 3,63 г/смз. Летучее соединение. Твоаг = 5^>5°> Гил=б4,5° (под давлением). Давление насыщенных паров достигает атмосферы при 560°. Энтальпия образования АЯ° 29 8=-211б кДж/моль. Кристаллическая структура ромбическая (пр. гр. Рпта; 0=0,999 нм; fe= 0,8962 нм; с=о,5207 нм; d 5,060 нм (25 0). ПДК - 0,015 мг/мз. Из твердого состояния UF6 может возгоняться из твёрдой фазы (сублимировать) в газ, минуя жидкую фазу при широком диапазоне давлений. Теплота сублимации при 50 0 50 кДж/мг. Молекула не имеет дипольного момента, поэтому UF6 не ассоциирует. Пары UFr, - идеальный газ.

Получается при действии фтора на U его соединения:

Помимо газофазных реакций существуют и жидкофазные реакции

получения UF6 с помощью галогенфторидов, например

Существует способ получения UF6 без использования фтора - окислением UF 4:

UFe не реагирует с сухим воздухом, кислородом, азотом и С0 2 , но при контакте с водой, даже с её следами, подвергается гидролизу:

Взаимодействует он с большинством металлов, образуя их фториды, что осложняет способы его хранения. В качестве материалов сосудов для работы с UF6 пригодны: при нагревании Ni, монель и Pt, на холоду - ещё и тефлон, абсолютно сухие кварц и стекло, медь и алюминий. При температурах 25-ьюо 0 образует комплексные соединения с фторидами щелочных металлов и серебра типа 3NaFUFr>, 3KF2UF6.

Хорошо растворяется в различных органических жидкостях, в неорганических кислотах и во всех галогеифторидах. Инертен к сухим 0 2 , N 2 , С0 2 , С1 2 , Вг 2 . Для UFr, характерны реакции восстановления с большинством чистых металлов. С углеводородами и другими органическими веществами UF6 энергично реагирует, поэтому закрытые сосуды с UFe могут взрываться. UF6 в интервале 25 -гЮО° образует комплексные соли с фторидами щелочных и других металлов. Это свойство используют в технологии для избирательного извлечения UF

Гидриды урана UH 2 и UH 3 занимают промежуточное положение между солеподобными гидридами и гидридами типа твердых растворов водорода в металле.

При взаимодействии урана с азотом образуются нитриды. В системе U-N известны четыре фазы: UN (нитрид урана), a-U 2 N 3 (сесквинитрид), р- U 2 N 3 и UN If90 . Достичь состава UN 2 (динитрид) не удаётся. Надёжными и хорошо управляемыми являются синтезы мононитрида урана UN, которые лучше осуществлять непосредственно из элементов. Нитриды урана - порошкообразные вещества, окраска которых меняется от темно-серой до серой; похожи на металл. UN обладает кубической гранецентрированной кристаллической структурой, типа NaCl (0=4,8892 А); (/=14,324, 7^=2855°, устойчив в вакууме до 1700 0 . Его получают взаимодействием U или гидрида U с N 2 или NH 3 , разложением высших нитридов U при 1300° или их восстановлением металлическим ураном. U 2 N 3 известен в двух полиморфных модификациях: кубической а и гексагональной р (0=0,3688 нм, 6=0,5839 нм), выделяет N 2 в вакууме выше 8оо°. Его получают восстановлением UN 2 водородом. Динитрид UN 2 синтезируют реакцией U с N 2 при высоком давлении N 2 . Нитриды урана легко растворимы в кислотах и в растворах щелочей, но разлаются расплавленными щелочами.

Нитрид урана получают двустадийным карботермическим восстановлением оксида урана:

Нагрев в аргоне при 7М450 0 в течение 10*20 час

Получить нитрид урана состава, близкого к динитриду, UN 2 , можно воздействием аммиаком на UF 4 при высокой температуре и давлении.

Динитрид урана при нагреве разлагается:

Нитрид урана, обогащённый по 2 35U, обладает более высокой плотностью деления, теплопроводностью и температурой плавления, чем оксиды урана - традиционное топливо современных энергетических реакторов. Он также обладает хорошей механической и стабильностью, превышающей традиционное топливо. Поэтому это соединение рассматривается как перспективная основа для ядерное горючего реакторов на быстрых нейтронах (поколение IV ядерных реакторов).

Замечание. UN весьма полезно обогатить по ‘5N, т.к. ,4 N склонен захватывать нейтроны, генерируя по реакции (п,р) радиоактивный изотоп 14 С.

Карбид урана UC 2 (?-фаза) - светло-серое с металлическим блеском кристаллическое вещество. В системе U-C (карбиды урана) существуют UC 2 (?-фаза), UC 2 (б 2 -фаза), U 2 C 3 (е-фаза), UC (б 2 -фаза) - карбиды урана. Дикарбид урана UC 2 может быть получен по реакциям:

U + 2C^UC 2 (54в)

Карбиды урана используются как топливо атомных реакторов, они перспективны как топливо для космических ракетных двигателей.

Нитрат уранила, уранил азотнокислый, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Роль металла в этой соли исполняет катион уранила 2+ . Кристаллы жёлтого цвета с зеленоватым отблеском, легко растворимые в воде. Водный раствор имеет кислую реакцию. Растворим в этаноле, ацетоне и эфире, нерастворим в бензоле, толуоле и хлороформе. При нагревании кристаллы плавятся и выделяют HN0 3 и Н 2 0. Кристаллогидрат легко выветриваются на воздухе. Характерная реакция - при действии NH 3 образуется жёлтый осадок урановокислого аммония.

Уран способен образовывать металл органические соединения. Примерами являются циклопен-тадиенильные производные состава U(C 5 H 5) 4 и их галогензамещенные и(С 5 Н 5) 3 Г или и(С 5 Н 5) 2 Г 2 .

В водных растворах уран наиболее устойчив в состоянии окисления U(VI) в виде иона уранила U0 2 2+ . В меньшей степени для него характерно состояние U(IV), но он может находиться даже в виде U(III). Состояние окисления U(V) может существовать как ион 1Ю 2 + , но это состояние редко наблюдается из-за склонности к диспропорционированию и гидролизу.

В нейтральных и кислых растворах U(VI) существует в виде U0 2 2+ - иона уранила, окрашенного в жёлтый цвет. К хорошо растворимым солям уранила относятся нитрат U0 2 (N0 3) 2 , сульфат U0 2 S0 4 , хлорид U0 2 C1 2 , фторид U0 2 F 2 , ацетат U0 2 (CH 3 C00) 2 . Эти соли выделяются из растворов в виде кристаллогидратов с различным числом молекул воды. Малорастворимыми солями уранила являются: оксалат U0 2 C 2 0 4 , фосфаты U0 2 HP0., и UO2P2O4, уранилфосфат аммония UO2NH4PO4, уранилванадат натрия NaU0 2 V0 4 , ферроцианид (U0 2) 2 . Для иона уранила характерна склонность к образованию комплексных соединений. Так известны комплексы с ионами фтора типа -, 4- ; нитратные комплексы ‘ и 2 *; сернокислые комплексы 2 " и 4-; карбонатные комплексы 4 " и 2 " и др. При действии щелочей на растворы солей уранила выделяются труднорастворимые осадки диуранатов типа Me 2 U 2 0 7 (моноуранаты Me 2 U0 4 не выделяются из растворов, они получаются сплавлением оксидов урана с щелочами). Известны полиуранаты Me 2 U n 0 3 n+i (например, Na 2 U60i 9).

U(VI) восстанавливается в кислых растворах до U(IV) железом, цинком, алюминием, гидросульфитом натрия, амальгамой натрия. Растворы окрашены в зелёный цвет. Щёлочи осаждают из них гидроокись и0 2 (0Н) 2 , плавиковая кислота - фторид UF 4 -2,5H 2 0, щавелевая кислота - оксалат U(C 2 0 4) 2 -6H 2 0. Склонность к комплексообразованию у иона U 4+ меньше, чем у ионов уранила.

Уран (IV) в растворе находится в виде ионов U 4+ , которые сильно гидролизованы и гидратированы:

В кислых растворах гидролиз подавляется.

Уран (VI) в растворе образует оксокатион уранил - U0 2 2+ Известны многочисленные уранил-соединения, примерами которых являются: U0 3 , U0 2 (C 2 H 3 0 2) 2 , U0 2 C0 3 -2(NH 4) 2 C0 3 U0 2 C0 3 , U0 2 C1 2 , U0 2 (0H) 2 , U0 2 (N0 3) 2 , UO0SO4, ZnU0 2 (CH 3 C00) 4 и др.

При гидролизе уранил-иона образуется ряд многоядерных комплексов:

При дальнейшем гидролизе возникает U 3 0s(0H) 2 и затем U 3 0 8 (0H) 4 2 -.

Для качественного обнаружения урана применяют методы химического, люминисцентного, радиометрического и спектрального анализов. Химические методы преимущественно основаны на образовании окрашенных соединений (например, красно-бурая окраска соединения с ферроцианидом, жёлтая - с перекисью водорода, голубая - реактивом арсеназо). Люминисцентный метод основан на способности многих соединений урана под действием УФ-лучей давать желтовато-зеленоватое свечение.

Количественное определение урана производится различными методами. Важнейшие из них: объёмные методы, состоящие в восстановлении U(VI) до U(IV) с последующим титрованием растворами окислителей; весовые методы - осаждение уранатов, пероксида, купферранатов U(IV), оксихинолята, оксалата и т.п. с последующей их прокалкой при юоо° и взвешиванием U 3 0s; полярографические методы в растворе нитрата позволяют определить 10*7-гЮ-9 г урана; многочисленные колориметрические методы (например, с Н 2 0 2 в щелочной среде, с реактивом арсеназо в присутствии ЭДТА, с дибензоилметаном, в виде роданидного комплекса и др.); люминесцентный метод, позволяющий определить при сплавлении с NaF до ю 11 г урана.

235U относится к группе А радиационной опасности, минимально значимая активность МЗА=3,7-Ю 4 Бк, 2 з 8 и - к группе Г, МЗА=3,7-ю 6 Бк (300 г).

Уран не очень типичный актиноид, известно пять его валентных состояний - от 2+ до 6+ . Некоторые соединения урана имеют характерную окраску. Так, растворы трехвалентного урана - красного цвета, четырехвалентного - зеленого, а шестивалентный уран - он существует в форме уранил-иона (UO 2) 2+ - окрашивает растворы в желтый цвет... Тот факт, что шестивалентный уран образует соединения со многими органическими комплексообразователями, оказался очень важным для технологии извлечения элемента № 92.

Характерно, что внешняя электронная оболочка ионов урана всегда заполнена целиком; валентные электроны находятся в предыдущем электронном слое, в подоболочке 5f. Если сравнивать уран с другими элементами, то очевидно, что больше всего на него похож плутоний. Основное различие между ними - большой ионный радиус урана. Кроме того, плутоний наиболее устойчив в четырехвалентном состоянии, а уран - в шестивалентном. Это помогает разделить их, что очень важно: ядерное горючее плутоний-239 получают исключительно из урана, балластного с точки зрения энергетики урана-238. Плутоний образуется в массе урана, и их надо разделить!

Впрочем, раньше нужно получить эту самую массу урана, пройдя длинную технологическую цепочку, начинающуюся с руды. Как правило, многокомпонентной, бедной ураном руды.

Легкий изотоп тяжелого элемента

Рассказывая о получении элемента № 92, мы умышленно опустили одну важную стадию. Как известно, не всякий уран способен поддерживать цепную ядерную реакцию. Уран-238, на долю которого в природной смеси изотопов приходится 99,28%, на это не способен. Из-за того и превращают в плутоний уран-238, а природную смесь изотопов урана стремятся либо разделить, либо обогатить изотопом уран-235, способным делиться тепловыми нейтронами.

Способов разделения урана-235 и урана-238 разработано немало. Чаще всего пользуются методом газовой диффузии. Суть его в том, что если через пористую перегородку пропускать смесь двух газов, то легкий будет проходить быстрее. Еще в 1913 г. Ф. Астон таким путем частично разделил изотопы неона .

Большинство соединений урана при нормальных условиях - твердые тела и в газообразное состояние могут быть переведены только при очень высоких температурах, когда ни о каких тонких процессах разделения изотопов не может идти и речи. Однако бесцветное соединение урана с фтором - гексафторид UF 6 возгоняется уже при 56,5°С (при атмосферном давлении). UF 6 - самое летучее соединение урана, и оно лучше всего подходит для разделения его изотопов методом газовой диффузии.

Гексафториду урана свойственна большая химическая активность. Коррозия труб, насосов, емкостей, взаимодействие со смазкой механизмов - небольшой, но внушительный перечень неприятностей, которые пришлось преодолеть создателям диффузионных заводов. Встретились трудности и посерьезнее.

Гексафторид урана, получаемый фторированием естественной смеси изотопов урана, с «диффузионной» точки зрения можно рассматривать как смесь двух газов с очень близкими молекулярными массами - 349 (235+19*6) и 352 (238+19*6). Максимальный теоретический коэффициент разделения на одной диффузионной ступени для газов, столь незначительно отличающихся по молекулярной массе, равен всего 1,0043. В реальных условиях эта величина еще меньше. Получается, что повысить концентрацию урана-235 от 0,72 до 99% можно только с помощью нескольких тысяч диффузионных ступеней. Поэтому заводы по разделению изотопов урана занимают территорию в несколько десятков гектаров. Площадь пористых перегородок в разделительных каскадах заводов - величина примерно того же порядка.

Коротко о других изотопах урана

В естественный уран, кроме урана-235 и урана-238, входит уран-234. Содержание этого редкого изотопа выражается числом с четырьмя нулями после запятой. Гораздо доступнее искусственный изотоп - уран-233. Его получают, облучая в нейтронном потоке ядерного реактора торий:

232 90 Th + 10n → 233 90 Th -β-→ 233 91 Pa -β-→ 233 92 U
По всем правилам ядерной физики уран-233, как изотоп нечетный, делится тепловыми нейтронами. И самое главное, в реакторах с ураном-233 может происходить (и происходит) расширенное воспроизводство ядерного горючего. В обычном реакторе на тепловых нейтронах! Расчеты показывают, что при выгорании в ториевом реакторе килограмма урана-233 в нем же должно накопиться 1,1 кг нового урана-233. Чудо, да и только! Сожгли килограмм горючего, а горючего-то не убавилось.

Впрочем, подобные чудеса возможны лишь с ядерным горючим.

Уран-ториевый цикл в реакторах на тепловых нейтронах - главный конкурент уран-плутониевого цикла воспроизводства ядерного горючего в реакторах на быстрых нейтронах... Собственно, только из-за этого отнесли к числу стратегических материалов элемент № 90 - торий.

Другие искусственные изотопы урана не играют заметной роли. Стоит упомянуть еще лишь об уране-239 - первом изотопе в цепи превращений уран-238 плутоний-239. Его период полураспада всего 23 минуты.

Изотопы урана с массовым числом больше 240 в современных реакторах не успевают образоваться. Слишком мало время жизни урана-240, и он распадается, не успев захватить нейтрон.

В сверхмощных нейтронных потоках термоядерного взрыва ядро урана за миллионную долю секунды успевает захватить до 19 нейтронов. При этом рождаются изотопы урана с массовыми числами от 239 до 257. Об их существовании узнали по появлению в продуктах термоядерного взрыва далеких трансурановых элементов - потомков тяжелых изотопов урана. Сами «основатели рода» слишком неустойчивы к бета-распаду и переходят в высшие элементы задолго до извлечения продуктов ядерных реакций из перемешанной взрывом породы.

В современных тепловых реакторах сгорает уран-235. В уже существующих реакторах на быстрых нейтронах освобождается энергия ядер распространенного изотопа - урана-238, и если энергия - подлинное богатство, то урановые ядра уже в недалеком будущем облагодетельствуют человечество: энергия элемента N° 92 станет основой нашего существования.

Жизненно важно сделать так, чтобы уран и его производные сгорали только в атомных реакторах мирных энергетических установок, сгорали медленно, без дыма и пламени.

ЕЩЕ ОДИН ИСТОЧНИК УРАНА. В наши дни им стала морская вода. Уже действуют опытно-промышленные установки для извлечения урана из воды специальными сорбентами: окисью титана или акриловым волокном, обработанным определенными реактивами.

КТО СКОЛЬКО. В начале 80-х годов производство урана в капиталистических странах составляло около 50 000 г в год (в пересчете на U3Os). Примерно треть этого количества давала промышленность США. На втором месте - Канада, далее ЮАР. Нигор, Габон, Намибия. Из европейских стран больше всего урана и его соединений производит Франция, однако ее доля была почти в семь раз меньше, чем США.

НЕТРАДИЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Хотя не лишено оснований утверждение о том, что в наши дни химия урана и плутония изучена лучше, чем химия таких традиционных элементов, как железо, однако и в наши дни химики получают новые урановые соединения. Так, в 1977 г. журнал «Радиохимия» т. XIX, вып. 6 сообщил о двух новых соединениях уранила. Их состав - MU02(S04)2-SH20, где М - ион двухвалентного марганца или кобальта. О том, что новые соединения - именно двойные соли, а не смесь двух похожих солей, свидетельствовали рентгенограммы.

Уран - химический элемент семейства актиноидов с атомным номером 92. Является важнейшим ядерным топливом. Его концентрация в земной коре составляет около 2 частей на миллион. К важным урановым минералам относятся окись урана (U 3 O 8), уранинит (UO 2), карнотит (уранил-ванадат калия), отенит (уранил-фосфат калия) и торбернит (водный фосфат меди и уранила). Эти и другие урановые руды являются источниками ядерного топлива и содержат во много раз больше энергии, чем все известные извлекаемые месторождения ископаемого топлива. 1 кг урана 92 U дает столько же энергии, сколько 3 млн кг угля.

История открытия

Химический элемент уран - плотный, твердый металл серебристо-белого цвета. Он пластичный, ковкий и поддается полировке. В воздухе метал окисляется и в измельченном состоянии загорается. Относительно плохо проводит электричество. Электронная формула урана - 7s2 6d1 5f3.

Хотя элемент был обнаружен в 1789 г. немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом, который назвал его в честь недавно открытой планеты Уран, сам металл был изолирован в 1841 г. французским химиком Эженом-Мельхиором Пелиго путем восстановления из тетрахлорида урана (UCl 4) калием.

Радиоактивность

Создание периодической системы российским химиком Дмитрием Менделеевым в 1869 году сосредоточило внимание на уране как на самом тяжелом из известных элементов, которым он оставался до открытия нептуния в 1940 г. В 1896-м французский физик Анри Беккерель обнаружил в нем явление радиоактивности. Это свойство позже было найдено во многих других веществах. Теперь известно, что радиоактивный во всех его изотопах уран состоит из смеси 238 U (99,27 %, период полураспада - 4 510 000 000 лет), 235 U (0,72 %, период полураспада - 713 000 000 лет) и 234 U (0,006 %, период полураспада - 247 000 лет). Это позволяет, например, определять возраст горных пород и минералов для изучения геологических процессов и возраста Земли. Для этого в них измеряется количество свинца, который является конечным продуктом радиоактивного распада урана. При этом 238 U является исходным элементом, а 234 U - один из продуктов. 235 U порождает ряд распада актиния.

Открытие цепной реакции

Химический элемент уран стал предметом широкого интереса и интенсивного изучения после того, как немецкие химики Отто Хан и Фриц Штрассман в конце 1938 г. при его бомбардировке медленными нейтронами обнаружили в нем ядерное деление. В начале 1939 г. американский физик итальянского происхождения Энрико Ферми предположил, что среди продуктов расщепления атома могут быть элементарные частицы, способные породить цепную реакцию. В 1939 г. американские физики Лео Сциллард и Герберт Андерсон, а также французский химик Фредерик Жолио-Кюри и их коллеги подтвердили это предсказание. Последующие исследования показали, что в среднем при делении атома высвобождается 2,5 нейтрона. Эти открытия привели к первой самоподдерживающейся цепной ядерной реакции (02.12.1942), первой атомной бомбе (16.07.1945), первому ее использованию в ходе военных действий (06.08.1945), первой атомной подводной лодке (1955) и первой полномасштабной атомной электростанции (1957).

Состояния окисления

Химический элемент уран, являясь сильным электроположительным металлом, реагирует с водой. Он растворяется в кислотах, но не в щелочах. Важными состояниями окисления являются +4 (как в оксиде UO 2 , тетрагалогенидах, таких как UCl 4 , и зеленом водном ионе U 4+) и +6 (как в оксиде UO 3 , гексафториде UF 6 и ионе уранила UO 2 2+). В водном растворе уран наиболее устойчив в составе иона уранила, обладающего линейной структурой [О = U = О] 2+ . Элемент также имеет состояния +3 и +5, но они неустойчивы. Красный U 3+ медленно окисляется в воде, которая не содержит кислорода. Цвет иона UO 2 + неизвестен, поскольку он претерпевает диспропорционирование (UO 2 + одновременно сводится к U 4+ и окисляется до UO 2 2+) даже в очень разбавленных растворах.

Ядерное топливо

При воздействии медленных нейтронов деление атома урана происходит в относительно редком изотопе 235 U. Это единственный природный расщепляющийся материал, и он должен быть отделен от изотопа 238 U. Вместе с тем после поглощения и отрицательного бета-распада уран-238 превращается в синтетический элемент плутоний, который расщепляется под действием медленных нейтронов. Поэтому природный уран можно использовать в реакторах-преобразователях и размножителях, в которых деление поддерживается редким 235 U и одновременно с трансмутацией 238 U производится плутоний. Из широко распространенного в природе изотопа тория-232 может быть синтезирован делящийся 233 U для использования в качестве ядерного топлива. Уран также важен как первичный материал, из которого получают синтетические трансурановые элементы.

Другие применения урана

Соединения химического элемента ранее использовались в качестве красителей для керамики. Гексафторид (UF 6) представляет собой твердое вещество с необычно высоким давлением паров (0,15 атм = 15 300 Па) при 25 °C. UF 6 химически очень реактивный, но, несмотря на его коррозионную природу в парообразном состоянии, UF 6 широко используется в газодиффузионных и газоцентрифужных методах получения обогащенного урана.

Металлоорганические соединения представляют собой интересную и важную группу соединений, в которых связи металл-углерод соединяют металл с органическими группами. Ураноцен является органоураническим соединением U(С 8 Н 8) 2 , в котором атом урана зажат между двумя слоями органических колец, связанными с циклооктатетраеном C 8 H 8 . Его открытие в 1968 г. открыло новую область металлоорганической химии.

Обедненный природный уран применяется в качестве средства радиационной защиты, балласта, в бронебойных снарядах и танковой броне.

Переработка

Химический элемент, хотя и очень плотный (19,1 г/см 3), является относительно слабым, невоспламеняющимся веществом. Действительно, металлические свойства урана, по-видимому, позиционируют его где-то между серебром и другими истинными металлами и неметаллами, поэтому его не используют в качестве конструкционного материала. Основная ценность урана заключается в радиоактивных свойствах его изотопов и их способности делиться. В природе почти весь (99,27 %) металл состоит из 238 U. Остальную часть составляют 235 U (0,72 %) и 234 U (0,006 %). Из этих естественных изотопов только 235 U непосредственно расщепляется нейтронным облучением. Однако при его поглощении 238 U образует 239 U, который в конечном итоге распадается на 239 Pu - делящийся материал, имеющий большое значение для атомной энергетики и ядерного оружия. Другой делящийся изотоп, 233 U, может образоваться нейтронным облучением 232 Th.

Кристаллические формы

Характеристики урана обусловливают его реакцию с кислородом и азотом даже в нормальных условиях. При более высоких температурах он вступает в реакцию с широким спектром легирующих металлов, образуя интерметаллические соединения. Образование твердых растворов с другими металлами происходит редко из-за особых кристаллических структур, образованных атомами элемента. Между комнатной температурой и температурой плавления 1132 °C металлический уран существует в 3 кристаллических формах, известных как альфа (α), бета (β) и гамма (γ). Трансформация из α- в β-состояние происходит при 668 °C и от β до γ - при 775 °C. γ-уран имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую структуру, а β - тетрагональную. α-фаза состоит из слоев атомов в высокосимметричной орторомбической структуре. Эта анизотропная искаженная структура препятствует атомам легирующих металлов заменять атомы урана или занимать пространство между ними в кристаллической решетке. Обнаружено, что твердые растворы образуют только молибден и ниобий.

Руды

Земная кора содержит около 2 частей урана на миллион, что говорит о его широком распространении в природе. По оценкам, океаны содержат 4,5 × 10 9 т этого химического элемента. Уран является важной составляющей более чем 150 различных минералов и второстепенным компонентом еще 50. Первичные минералы, обнаруженные в магматических гидротермальных жилах и в пегматитах, включают уранинит и его разновидность настуран. В этих рудах элемент встречается в форме диоксида, который вследствие окисления может варьироваться от UO 2 до UO 2,67 . Другой экономически значимой продукцией урановых рудников являются аутунит (гидратированный уранилфосфат кальция), тобернит (гидратированный уранилфосфат меди), коффинит (черный гидратированный силикат урана) и карнотит (гидратированный уранил-ванадат калия).

По оценкам, более 90 % известных недорогих запасов урана приходится на Австралию, Казахстан, Канаду, Россию, Южную Африку, Нигер, Намибию, Бразилию, КНР, Монголию и Узбекистан. Большие месторождения находятся в конгломератных скальных образованиях озера Эллиот, расположенного к северу от озера Гурон в Онтарио, Канада, и в южноафриканском золотом прииске Витватерсранде. Песчаные образования на плато Колорадо и в Вайомингском бассейне западной части США также содержатся значительные запасы урана.

Добыча

Урановые руды встречаются как в приповерхностных, так и глубоких (300-1200 м) отложениях. Под землей мощность пласта достигает 30 м. Как и в случае с рудами других металлов, добыча урана на поверхности производится крупным землеройным оборудованием, а разработка глубоких отложений - традиционными методами вертикальных и наклонных шахт. Мировое производство уранового концентрата в 2013 г. составило 70 тыс. т. Наиболее продуктивные урановые рудники расположены в Казахстане (32 % всей добычи), Канаде, Австралии, Нигере, Намибии, Узбекистане и России.

Урановые руды обычно включают лишь небольшое количество ураносодержащих минералов, и они не поддаются плавке прямыми пирометаллургическими методами. Вместо этого для извлечения и очистки урана должны использоваться гидрометаллургические процедуры. Повышение концентрации значительно снижает нагрузку на контуры обработки, но ни один из обычных способов обогащения, обычно используемых для переработки полезных ископаемых, например гравитационный, флотация, электростатический и даже ручная сортировка, неприменимы. За немногими исключениями эти методы приводят к значительной потере урана.

Обжиг

Гидрометаллургической обработке урановых руд часто предшествует высокотемпературная стадия кальцинирования. Обжиг обезвоживает глину, удаляет углеродистые материалы, окисляет соединения серы до безобидных сульфатов и окисляет любые другие восстановители, которые могут мешать последующей обработке.

Выщелачивание

Из обожженных руд уран извлекается как кислотными, так и щелочными водными растворами. Для успешного функционирования всех систем выщелачивания химический элемент должен либо первоначально присутствовать в более стабильной 6-валентной форме, либо окисляться до этого состояния в процессе обработки.

Кислотное выщелачивание обычно проводят путем перемешивания смеси руды и выщелачивателя в течение 4-48 ч при температуре окружающей среды. За исключением особых обстоятельств используется серная кислота. Ее подают в количествах, достаточных для получения конечного щелока при рН 1,5. Схемы выщелачивания серной кислоты обычно используют либо диоксид марганца, либо хлорат для окисления четырехвалентного U 4+ до 6-валентного уранила (UO 2 2+). Как правило, для окисления U 4+ достаточно примерно 5 кг двуокиси марганца или 1,5 кг хлората натрия на тонну. В любом случае окисленный уран реагирует с серной кислотой с образованием уранилсульфатного комплексного аниона 4- .

Руда, содержащая значительное количество основных минералов, таких как кальцит или доломит, выщелачивается 0,5-1-молярным раствором карбоната натрия. Хотя были изучены и протестированы различные реагенты, основным окислителем урана является кислород. Обычно руда выщелачиваются на воздухе при атмосферном давлении и при температуре 75-80 °C в течение периода времени, который зависит от конкретного химического состава. Щелочь реагирует с ураном с образованием легкорастворимого комплексного иона 4- .

Перед дальнейшей обработкой растворы, образующиеся в результате кислотного или карбонатного выщелачивания, должны быть осветлены. Крупномасштабное разделение глин и других рудных шламов осуществляется за счет использования эффективных хлопьеобразующих агентов, в том числе полиакриламидов, гуаровой смолы и животного клея.

Экстракция

Сложные ионы 4- и 4- могут быть сорбированы из их соответствующих выщелачивающих растворов ионообменных смол. Эти специальные смолы, характеризующиеся кинетикой их сорбции и элюирования, размером частиц, стабильностью и гидравлическими свойствами, могут использоваться в различных технологиях обработки, например в неподвижном и подвижном слое, методом ионообменной смолы в пульпе корзинного и непрерывного типа. Обычно для элюирования сорбированного урана используют растворы хлорида натрия и аммиака или нитратов.

Уран можно выделить из кислых рудных щелоков путем экстракции растворителем. В промышленности используются алкилфосфорные кислоты, а также вторичные и третичные алкиламины. Как правило, экстракция растворителем предпочтительна по сравнению с ионообменными методами для кислотных фильтратов, содержащих более 1 г/л урана. Однако этот метод не применяется при карбонатном выщелачивании.

Затем уран очищают, растворяя в азотной кислоте с образованием уранилнитрата, экстрагируют, кристаллизуют и прокаливают с образованием трехокиси UO 3 . Восстановленный диоксид UO2 реагирует с фтористым водородом с образованием тетафторида UF4, из которого металлический уран восстанавливается магнием или кальцием при температуре 1300 °C.

Тетрафторид можно фторировать при температуре 350 °C до образования гексафторида UF 6 , используемого для отделения обогащенного урана-235 методом газовой диффузии, газового центрифугирования или жидкой термодиффузии.