Ces dernières années, le thème de l’énergie nucléaire est devenu de plus en plus d’actualité. Pour produire de l'énergie nucléaire, il est courant d'utiliser un matériau tel que l'uranium. C'est un élément chimique appartenant à la famille des actinides.

L'activité chimique de cet élément détermine le fait qu'il n'est pas contenu sous forme libre. Pour sa production, des formations minérales appelées minerais d'uranium sont utilisées. Ils concentrent une telle quantité de carburant que l'extraction de cet élément chimique peut être considérée comme économiquement rationnelle et rentable. À l'heure actuelle, dans les entrailles de notre planète, le contenu de ce métal dépasse les réserves d'or de 1000 fois(cm. ). De manière générale, les dépôts de cet élément chimique dans le sol, Environnement aquatique et le rock sont évalués à plus de 5 millions de tonnes.

A l'état libre, l'uranium est un métal gris-blanc, caractérisé par 3 modifications allotropiques : réseaux cristallins rhombiques, tétragonaux et cubiques centrés sur le corps. Le point d'ébullition de cet élément chimique est 4200 °C.

L'uranium est une matière chimiquement active. Dans l'air, cet élément s'oxyde lentement, se dissout facilement dans les acides, réagit avec l'eau, mais n'interagit pas avec les alcalis.

Les minerais d'uranium en Russie sont généralement classés selon divers critères. Le plus souvent, ils diffèrent en termes d'éducation. Oui il y en a minerais endogènes, exogènes et métamorphogènes. Dans le premier cas, il s'agit de formations minérales formées sous l'influence de températures élevées, d'humidité et de fonte de pegmatites. Des formations minérales d'uranium exogènes se produisent en surface. Ils peuvent se former directement à la surface de la terre. Cela est dû à la circulation des eaux souterraines et à l’accumulation de sédiments. Des formations minérales métamorphogènes apparaissent à la suite de la redistribution de l'uranium initialement dispersé.

Selon le niveau de teneur en uranium, ces formations naturelles peuvent être :

• super riche (plus de 0,3 %) ;
• riche (de 0,1 à 0,3%) ;
• privés (de 0,05 à 0,1%) ;
• pauvre (de 0,03 à 0,05%) ;
• hors bilan (de 0,01 à 0,03%).

Utilisations modernes de l'uranium

Aujourd'hui, l'uranium est le plus souvent utilisé comme combustible pour moteurs de fusée et les réacteurs nucléaires. Compte tenu des propriétés de ce matériau, il est également destiné à augmenter la puissance d’une arme nucléaire. Cet élément chimique a également trouvé son utilisation en peinture. Il est activement utilisé comme pigments jaunes, verts, bruns et noirs. L'uranium est également utilisé pour fabriquer des noyaux de projectiles perforants.

Extraction du minerai d'uranium en Russie : que faut-il pour cela ?

L'extraction des minerais radioactifs s'effectue à l'aide de trois technologies principales. Si les gisements de minerai sont concentrés le plus près possible de la surface de la terre, il est alors d'usage d'utiliser la technologie à ciel ouvert pour leur extraction. Cela implique l'utilisation de bulldozers et d'excavatrices, qui creusent de grands trous et chargent les minéraux obtenus dans des camions à benne. Ensuite, il est envoyé au complexe de traitement.

Lorsque cette formation minérale est située en profondeur, il est d'usage d'utiliser la technologie d'exploitation minière souterraine, qui consiste à créer une mine jusqu'à 2 kilomètres de profondeur. La troisième technologie diffère sensiblement des précédentes. La lixiviation souterraine pour le développement de gisements d'uranium implique le forage de puits à travers lesquels l'uranium est pompé dans les gisements. acide sulfurique. Ensuite, un autre puits est foré, ce qui est nécessaire pour pomper la solution résultante à la surface de la terre. Il subit ensuite un processus de sorption, qui permet aux sels de ce métal d'être collectés sur une résine spéciale. La dernière étape de la technologie SPV est le traitement cyclique de la résine avec de l'acide sulfurique. Grâce à cette technologie, la concentration de ce métal devient maximale.

Gisements de minerai d'uranium en Russie

La Russie est considérée comme l'un des leaders mondiaux dans l'extraction de minerais d'uranium. Au cours des dernières décennies, la Russie s'est régulièrement classée parmi les 7 premiers pays pour cet indicateur.

Les plus grands gisements de ces formations minérales naturelles sont :

Les plus grands gisements miniers d'uranium au monde - principaux pays

L'Australie est considérée comme le leader mondial de l'exploitation minière de l'uranium. Plus de 30 % de toutes les réserves mondiales sont concentrées dans cet État. Les plus grands gisements australiens sont Olympic Dam, Beverly, Ranger et Honemoon.

Le principal concurrent de l'Australie est le Kazakhstan, qui détient près de 12 % des réserves mondiales de carburant. Le Canada et l'Afrique du Sud possèdent chacun 11 % des réserves mondiales d'uranium, la Namibie 8 % et le Brésil 7 %. La Russie ferme le top sept avec 5 %. La liste des dirigeants comprend également des pays comme la Namibie, l’Ukraine et la Chine.

Les plus grands gisements d'uranium au monde sont :

Champ	Un pays	Démarrer le traitement
Barrage olympique	Australie	1988
Rossing	Namibie	1976
Rivière McArthur	Canada	1999
Inkaï	Kazakhstan	2007
Domination	Afrique du Sud	2007
Ranger	Australie	1980
Kharasan	Kazakhstan	2008

Réserves et volumes de production de minerai d'uranium en Russie

Les réserves explorées d'uranium dans notre pays sont estimées à plus de 400 000 tonnes. Dans le même temps, les ressources prévues s'élèvent à plus de 830 000 tonnes. En 2017, il existe 16 gisements d'uranium en Russie. De plus, 15 d'entre eux sont concentrés en Transbaïkalie. Le dépôt principal minerai d'uranium Le gisement de minerai Streltsovskoe est pris en compte. Dans la plupart des gisements nationaux, la production est réalisée selon la méthode du puits.

• L'uranium a été découvert au XVIIIe siècle. En 1789, le scientifique allemand Martin Klaproth réussit à produire de l'uranium métallique à partir de minerai. Fait intéressant, ce scientifique est également le découvreur du titane et du zirconium.
• Les composés d'uranium sont activement utilisés dans le domaine de la photographie. Cet élément est utilisé pour colorer les positifs et rehausser les négatifs.
• La principale différence entre l'uranium et les autres éléments chimiques réside dans sa radioactivité naturelle. Les atomes d'uranium ont tendance à changer indépendamment au fil du temps. En même temps, ils émettent des rayons invisibles à l’œil humain. Ces rayons sont divisés en 3 types - gamma, rayonnement bêta alpha(cm. ).

L'uranium (U) est un élément de numéro atomique 92 et de poids atomique 238,029. Est un élément chimique radioactif du groupe III tableau périodique Dmitri Ivanovitch Mendeleïev appartient à la famille des actinides. L'uranium est un métal très lourd (2,5 fois plus lourd que le fer, plus de 1,5 fois plus lourd que le plomb), blanc argenté et brillant. Dans sa forme pure, il est légèrement plus doux que l’acier, malléable, flexible et possède de légères propriétés paramagnétiques.

L'uranium naturel est constitué d'un mélange de trois isotopes : 238U (99,274 %) avec une demi-vie de 4,51∙109 ans ; 235U (0,702 %) avec une demi-vie de 7,13∙108 ans ; 234U (0,006 %) avec une demi-vie de 2,48∙105 ans. Ce dernier isotope n'est pas primaire, mais radiogénique ; il fait partie de la série radioactive 238U. Les isotopes de l'uranium 238U et 235U sont les ancêtres de deux séries radioactives. Les derniers éléments de ces séries sont les isotopes du plomb 206Pb et 207Pb.

Actuellement, 23 isotopes radioactifs artificiels de l'uranium sont connus avec des nombres de masse compris entre 217 et 242. Le plus « à vie longue » parmi eux est le 233U avec une demi-vie de 1,62∙105 ans. Il est obtenu à la suite de l'irradiation neutronique du thorium et est capable de fission sous l'influence de neutrons thermiques.

L'uranium a été découvert en 1789 par le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth à la suite de ses expériences avec le minéral pitchblende - « brai d'uranium ». Le nouvel élément a été nommé en l'honneur de la planète Uranus, récemment découverte (1781) par William Herschel. Pendant le demi-siècle suivant, la substance obtenue par Klaproth fut considérée comme un métal, mais en 1841 cela fut réfuté par le chimiste français Eugène Melchior Peligo, qui prouva la nature oxyde de l'uranium (UO2), obtenu par le chimiste allemand. Peligo lui-même a réussi à obtenir de l'uranium métallique en réduisant UCl4 avec du potassium métallique et a également déterminé poids atomique nouvel élément. Le prochain développement des connaissances sur l'uranium et ses propriétés fut D.I. Mendeleev - en 1874, sur la base de la théorie qu'il a développée sur la périodisation des éléments chimiques, il a placé l'uranium dans la cellule la plus éloignée de son tableau. Le chimiste russe a doublé le poids atomique de l'uranium (120), précédemment déterminé par Peligo ; l'exactitude de ces hypothèses a été confirmée douze ans plus tard par les expériences du chimiste allemand Zimmermann.

Pendant de nombreuses décennies, l'uranium n'intéressait qu'un cercle restreint de chimistes et de naturalistes ; son utilisation était également limitée - la production de verre et de peintures. Ce n'est qu'avec la découverte de la radioactivité de ce métal (en 1896 par Henri Becquerel) que le traitement industriel des minerais d'uranium commença en 1898. Bien plus tard (1939), le phénomène de fission nucléaire a été découvert et depuis 1942, l'uranium est devenu le principal combustible nucléaire.

La propriété la plus importante de l'uranium est que les noyaux de certains de ses isotopes sont capables de se diviser lors de la capture des neutrons ; à la suite de ce processus, une énorme quantité d'énergie est libérée. Cette propriété de l'élément n°92 est utilisée dans les réacteurs nucléaires, qui servent de sources d'énergie, et est également à la base du fonctionnement de la bombe atomique. L'uranium est utilisé en géologie pour déterminer l'âge des minéraux et des roches afin de déterminer la séquence des processus géologiques (géochronologie). Étant donné que les roches contiennent différentes concentrations d'uranium, elles ont une radioactivité différente. Cette propriété est utilisée lors de l'identification des roches à l'aide de méthodes géophysiques. Cette méthode est la plus largement utilisée en géologie pétrolière lors des levés géophysiques de puits. Les composés d'uranium étaient utilisés comme peintures pour la peinture sur porcelaine et pour les émaux et émaux céramiques (peints en couleurs : jaune, marron, vert et noir, selon le degré d'oxydation), par exemple, l'uranate de sodium Na2U2O7 était utilisé comme pigment jaune dans peinture.

Propriétés biologiques

L'uranium est un élément assez courant dans l'environnement biologique; les concentrateurs de ce métal sont considérés comme certains types de champignons et d'algues, qui sont inclus dans la chaîne du cycle biologique de l'uranium dans la nature selon le schéma : eau - plantes aquatiques - poissons - humains. Ainsi, avec la nourriture et l'eau, l'uranium pénètre dans le corps des humains et des animaux, ou plutôt dans le tractus gastro-intestinal, où environ un pour cent des composés facilement solubles entrants et pas plus de 0,1 % des composés peu solubles sont absorbés. Cet élément pénètre dans les voies respiratoires et les poumons, ainsi que dans les muqueuses et la peau avec de l'air. Dans les voies respiratoires, et notamment les poumons, l'absorption se fait beaucoup plus intensément : les composés facilement solubles sont absorbés à 50 %, et les composés peu solubles à 20 %. Ainsi, l'uranium se trouve en petites quantités (10-5 - 10-8 %) dans les tissus animaux et humains. Dans les plantes (dans les résidus secs), la concentration d'uranium dépend de sa teneur dans le sol, donc avec une concentration dans le sol de 10 à 4 %, la plante en contient 1,5∙10-5 % ou moins. La répartition de l'uranium entre les tissus et les organes est inégale ; les principaux lieux d'accumulation sont les tissus osseux (squelette), le foie, la rate, les reins, ainsi que les poumons et les ganglions lymphatiques broncho-pulmonaires (si des composés peu solubles pénètrent dans les poumons). L'uranium (carbonates et complexes avec des protéines) est éliminé assez rapidement du sang. En moyenne, la teneur en 92e élément dans les organes et tissus des animaux et des humains est de 10 à 7 %. Par exemple, le sang du bétail contient 1∙10-8 g/ml d’uranium et le sang humain en contient 4∙10-10 g/g. Le foie de bovin en contient 8∙10-8 g/g, chez l'homme dans le même organe 6∙10-9 g/g ; la rate des bovins en contient 9∙10-8 g/g, chez l'homme - 4,7∙10-7 g/g. Dans les tissus musculaires des bovins, il s'accumule jusqu'à 4∙10-11 g/g. De plus, dans le corps humain, l'uranium est contenu dans les poumons à raison de 6∙10-9 - 9∙10-9 g/g ; dans les reins 5,3∙10-9 g/g (couche corticale) et 1,3∙10-8 g/g (couche médullaire) ; dans le tissu osseux 1∙10-9 g/g ; dans la moelle osseuse 1∙10-8 g/g ; dans les cheveux 1,3∙10-7 g/g. L'uranium présent dans les os provoque une irradiation constante du tissu osseux (la période d'élimination complète de l'uranium du squelette est de 600 jours). La plus petite quantité de ce métal se trouve dans le cerveau et le cœur (environ 10 à 10 g/g). Comme mentionné précédemment, les principales voies par lesquelles l’uranium pénètre dans l’organisme sont l’eau, la nourriture et l’air. La dose quotidienne de métal entrant dans le corps avec de la nourriture et des liquides est de 1,9∙10-6 g, avec de l'air - 7∙10-9 g. Cependant, chaque jour, l'uranium est excrété par le corps : avec l'urine de 0,5∙10-7 g jusqu'à 5∙10-7 g ; avec des matières fécales de 1,4∙10-6 g à 1,8∙10-6 g. Pertes de cheveux, d'ongles et de peaux mortes - 2∙10-8 g.

Les scientifiques suggèrent que l'uranium, en quantités infimes, est nécessaire au fonctionnement normal du corps humain, des animaux et des plantes. Cependant, son rôle en physiologie n’a pas encore été clarifié. Il a été établi que la teneur moyenne en élément 92 dans le corps humain est d'environ 9∙10-5 g (Commission internationale de protection contre les radiations). Certes, ce chiffre fluctue quelque peu selon les régions et les territoires.

Bien qu'il soit encore inconnu, mais certain rôle biologique dans les organismes vivants, l’uranium reste l’un des éléments les plus dangereux. Tout d'abord, cela se manifeste par l'effet toxique de ce métal, qui est dû à ses propriétés chimiques, notamment la solubilité des composés. Par exemple, les composés solubles (uranyle et autres) sont plus toxiques. Le plus souvent, l'empoisonnement à l'uranium et à ses composés se produit dans les usines d'enrichissement, les entreprises d'extraction et de traitement des matières premières d'uranium et d'autres installations de production où l'uranium est impliqué dans des processus technologiques.

En pénétrant dans l'organisme, l'uranium affecte absolument tous les organes et leurs tissus, car l'action se produit au niveau cellulaire : il supprime l'activité des enzymes. Les reins sont principalement touchés, ce qui se manifeste par une forte augmentation du sucre et des protéines dans les urines, développant par la suite une oligurie. Le tractus gastro-intestinal et le foie sont touchés. L'intoxication à l'uranium est divisée en aiguë et chronique, cette dernière se développant progressivement et pouvant être asymptomatique ou présenter des symptômes légers. Cependant, les intoxications chroniques ultérieures entraînent des troubles hématopoïétiques, système nerveux et d'autres problèmes de santé graves.

Une tonne de roche granitique contient environ 25 grammes d'uranium. L'énergie qui peut être dégagée lors de la combustion de ces 25 grammes dans un réacteur est comparable à l'énergie qui peut être dégagée lors de la combustion de 125 tonnes de charbon dans les fours de puissantes chaudières thermiques ! Sur la base de ces données, on peut supposer que dans un avenir proche, le granit sera considéré comme l'un des types de combustible minéral. Au total, la couche superficielle relativement mince de vingt kilomètres de la croûte terrestre contient environ 1 014 tonnes d'uranium ; une fois converti en équivalent énergétique, le résultat est tout simplement un chiffre colossal : 2 36 1024 kilowattheures. Même l’ensemble des gisements de combustibles fossiles développés, explorés et proposés ne sont pas capables de fournir ne serait-ce qu’un millionième de cette énergie !

On sait que les alliages d'uranium soumis à un traitement thermique se distinguent par des limites d'élasticité plus élevées, une résistance au fluage et à la corrosion accrue, ainsi qu'une moindre tendance à modifier la forme des produits sous l'effet des fluctuations de température et sous l'influence de l'irradiation. Sur la base de ces principes, au début du XXe siècle et jusque dans les années trente, l'uranium sous forme de carbure était utilisé dans la production d'aciers à outils. De plus, il était utilisé pour remplacer le tungstène dans certains alliages, ce qui était moins cher et plus accessible. Dans la production de ferrouranium, la part de l'U atteignait 30 %. Il est vrai que dans le deuxième tiers du XXe siècle, une telle utilisation de l’uranium a échoué.

Comme on le sait, dans les profondeurs de notre Terre, il existe un processus constant de désintégration des isotopes de l'urne. Ainsi, les scientifiques ont calculé que la libération instantanée d’énergie de la masse entière de ce métal enfermé dans la coque terrestre réchaufferait notre planète à une température de plusieurs milliers de degrés ! Cependant, un tel phénomène est heureusement impossible : après tout, le dégagement de chaleur se produit progressivement, à mesure que les noyaux d'uranium et ses dérivés subissent une série de transformations radioactives à long terme. La durée de ces transformations peut être jugée par les demi-vies des isotopes naturels de l'uranium, par exemple, pour le 235U, elle est de 7 108 ans et pour le 238U, de 4,51 109 ans. Cependant, la chaleur de l’uranium réchauffe considérablement la Terre. Si la masse entière de la Terre contenait la même quantité d'uranium que dans la couche supérieure de vingt kilomètres, la température sur la planète serait alors beaucoup plus élevée qu'elle ne l'est actuellement. Cependant, à mesure que l’on se rapproche du centre de la Terre, la concentration d’uranium diminue.

Dans les réacteurs nucléaires, seule une petite partie de l'uranium chargé est traitée, cela est dû à la scorification du combustible avec les produits de fission : l'235U brûle, la réaction en chaîne s'éteint progressivement. Cependant, les barres de combustible sont toujours remplies de combustible nucléaire, qui doit être à nouveau consommé. Pour ce faire, les anciens éléments combustibles sont démantelés et envoyés au recyclage - ils sont dissous dans des acides et l'uranium est extrait de la solution résultante par extraction ; les fragments de fission qui doivent être éliminés restent dans la solution. Il s’avère ainsi que l’industrie de l’uranium est pratiquement une production chimique sans déchets !

Les usines de séparation des isotopes de l'uranium occupent une superficie de plusieurs dizaines d'hectares, et la superficie des cloisons poreuses dans les cascades de séparation de l'usine est à peu près la même. Cela est dû à la complexité de la méthode de diffusion pour séparer les isotopes de l'uranium : après tout, pour augmenter la concentration de 235U de 0,72 à 99 %, plusieurs milliers d'étapes de diffusion sont nécessaires !

Grâce à la méthode uranium-plomb, les géologues ont pu connaître l'âge des minéraux les plus anciens et, en étudiant les roches météorites, ils ont pu déterminer la date approximative de la naissance de notre planète. Grâce à « l'horloge à uranium », l'âge du sol lunaire a été déterminé. Fait intéressant, il s'est avéré que depuis 3 milliards d'années, il n'y a eu aucune activité volcanique sur la Lune et satellite naturel La Terre reste un corps passif. Après tout, même les plus jeunes morceaux de matière lunaire ont vécu plus longtemps que les minéraux terrestres les plus anciens.

Histoire

L'utilisation de l'uranium remonte à très longtemps : dès le 1er siècle avant JC, l'oxyde d'uranium naturel était utilisé pour fabriquer une glaçure jaune utilisée pour colorer les céramiques.

À l’époque moderne, l’étude de l’uranium s’est déroulée progressivement, en plusieurs étapes, avec une croissance continue. Le début fut la découverte de cet élément en 1789 par le philosophe naturel et chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth, qui réduisit la « terre » jaune d'or extraite du minerai de brai saxon (« brai d'uranium ») à une substance semblable à un métal noir (uranium oxyde - UO2). Le nom a été donné en l'honneur de la planète la plus lointaine connue à cette époque - Uranus, qui à son tour a été découverte en 1781 par William Herschel. À ce stade, la première étape de l'étude du nouvel élément (Klaproth était sûr d'avoir découvert un nouveau métal) se termine, et il y a une pause de plus de cinquante ans.

L’année 1840 peut être considérée comme le début d’une nouvelle étape dans l’histoire de la recherche sur l’uranium. C'est à partir de cette année qu'un jeune chimiste français, Eugène Melchior Peligo (1811-1890), s'attaque au problème de l'obtention de l'uranium métallique ; bientôt (1841) il y parvient - l'uranium métallique est obtenu en réduisant UCl4 avec du potassium métallique. De plus, il a prouvé que l’uranium découvert par Klaproth n’est en réalité que son oxyde. Le Français a également déterminé le poids atomique estimé du nouvel élément - 120. Là encore, il y a eu une longue interruption dans l'étude des propriétés de l'uranium.

Ce n'est qu'en 1874 que de nouvelles hypothèses sur la nature de l'uranium apparaissent : Dmitri Ivanovitch Mendeleïev, suivant la théorie qu'il a développée sur la périodisation des éléments chimiques, trouve une place pour un nouveau métal dans sa table, plaçant l'uranium dans la dernière cellule. De plus, Mendeleev a doublé le poids atomique de l'uranium précédemment supposé, sans se tromper non plus, ce qui a été confirmé par les expériences du chimiste allemand Zimmermann 12 ans plus tard.

Depuis 1896, les découvertes dans le domaine de l'étude des propriétés de l'uranium se sont « effondrées » les unes après les autres : cette année-là, tout à fait par hasard (en étudiant la phosphorescence des cristaux de sulfate d'uranyle de potassium), un physicien de 43 ans le professeur Antoine Henri Becquerel ouvre « Les Rayons de Becquerel », rebaptisés plus tard radioactivité par Marie Curie. La même année, Henri Moissan (à nouveau chimiste français) développe une méthode de production d'uranium métal pur.

En 1899, Ernest Rutherford découvre l'hétérogénéité du rayonnement provenant des préparations d'uranium. Il s'est avéré qu'il existe deux types de rayonnements - les rayons alpha et bêta, qui diffèrent par leurs propriétés : ils transportent des rayons différents charge électrique, ont des longueurs de trajet différentes dans la substance et leur capacité ionisante est également différente. Un an plus tard, les rayons gamma sont également découverts par Paul Villar.

Ernest Rutherford et Frederick Soddy ont développé conjointement la théorie de la radioactivité de l'uranium. Sur la base de cette théorie, Rutherford entreprit en 1907 les premières expériences pour déterminer l'âge des minéraux lors de l'étude uranium radioactif et du thorium. En 1913, F. Soddy a introduit le concept d'isotopes (du grec ancien iso - « égal », « identique » et topos - « lieu »). En 1920, le même scientifique suggérait que les isotopes pourraient être utilisés pour déterminer l’âge géologique des roches. Ses hypothèses se sont avérées correctes : en 1939, Alfred Otto Karl Nier a créé les premières équations pour calculer les âges et a utilisé un spectromètre de masse pour séparer les isotopes.

En 1934, Enrico Fermi mena une série d'expériences sur le bombardement d'éléments chimiques avec des neutrons - particules découvertes par J. Chadwick en 1932. À la suite de cette opération, des substances radioactives jusque-là inconnues sont apparues dans l'uranium. Fermi et d'autres scientifiques qui ont participé à ses expériences ont suggéré qu'ils avaient découvert des éléments transuraniens. Pendant quatre ans, des tentatives ont été faites pour détecter des éléments transuraniens parmi les produits des bombardements neutroniques. Tout s'est terminé en 1938, lorsque les chimistes allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann ont établi qu'en capturant un neutron libre, le noyau de l'isotope de l'uranium 235U se divise, libérant (pour un noyau d'uranium) une assez grande quantité d'énergie, principalement due à l'effet cinétique. fragments d'énergie et rayonnement. Les chimistes allemands ne parvinrent pas à avancer davantage. Lise Meitner et Otto Frisch ont pu étayer leur théorie. Cette découverte fut à l’origine de l’utilisation de l’énergie intra-atomique à des fins tant pacifiques que militaires.

Être dans la nature

Teneur moyenne en uranium la croûte terrestre(clark) 3∙10-4% en masse, cela veut dire qu'il y en a plus dans les entrailles de la terre que l'argent, le mercure, le bismuth. L'uranium est un élément caractéristique de la couche granitique et de l'enveloppe sédimentaire de la croûte terrestre. Ainsi, dans une tonne de granit il y a environ 25 grammes d'élément n°92. Au total, sur une vingtaine de kilomètres relativement mince, couche supérieure La Terre contient plus de 1 000 tonnes d'uranium. Dans les roches ignées acides 3,5∙10-4%, dans les argiles et schistes 3,2∙10-4%, particulièrement enrichis en matière organique, dans les roches basiques 5∙10-5%, dans les roches ultramafiques du manteau 3∙10-7% .

L'uranium migre vigoureusement dans les eaux froides et chaudes, neutres et alcalines sous forme d'ions simples et complexes, notamment sous forme de complexes carbonatés. Les réactions redox jouent un rôle important dans la géochimie de l'uranium, tout cela parce que les composés de l'uranium sont généralement très solubles dans les eaux avec environnement oxydant et sont peu solubles dans les eaux à milieu réducteur (sulfure d'hydrogène).

Plus d'une centaine de minerais d'uranium sont connus ; ils diffèrent par leur composition chimique, leur origine et leur concentration en uranium ; sur toute la variété, une douzaine seulement présentent un intérêt pratique. Les principaux représentants de l'uranium, qui ont la plus grande importance industrielle, dans la nature, peuvent être considérés comme des oxydes - l'uraninite et ses variétés (brai brai et noir d'uranium), ainsi que des silicates - coffinit, titanates - davidite et brannerite ; phosphates hydratés et arséniates d'uranyle - micas d'uranium.

L'uraninite - UO2 est présente principalement dans les roches anciennes du Précambrien sous forme de formes cristallines claires. L'uraninite forme des séries isomorphes avec la thorianite ThO2 et l'yttrocérianite (Y,Ce)O2. De plus, toutes les uraninites contiennent des produits de désintégration radiogéniques de l'uranium et du thorium : K, Po, He, Ac, Pb, ainsi que Ca et Zn. L'uraninite elle-même est un minéral à haute température, caractéristique des pegmatites de granit et de syénite en association avec des complexes niobate-tantale-titanates d'uranium (columbite, pyrochlore, samarskite et autres), zircon, monazite. De plus, l'uraninite est présente dans les roches hydrothermales, skarniques et sédimentaires. De grands gisements d'uraninite sont connus au Canada, en Afrique, aux États-Unis d'Amérique, en France et en Australie.

La pitchblende (U3O8), également connue sous le nom de goudron d'uranium ou de mélange de résine, qui forme des agrégats collomorphes cryptocristallins - un minéral volcanique et hydrothermal, est représentée dans les formations paléozoïques et plus jeunes à haute et moyenne température. Les satellites constants de la pitchblende sont les sulfures, les arséniures, le bismuth natif, l'arsenic et l'argent, les carbonates et quelques autres éléments. Ces minerais sont très riches en uranium, mais sont extrêmement rares, souvent accompagnés de radium, cela s'explique facilement : le radium est un produit direct de la désintégration isotopique de l'uranium.

Les noirs d'uranium (agrégats terreux lâches) se présentent principalement dans des formations jeunes - Cénozoïques et plus jeunes, caractéristiques des gisements hydrothermaux de sulfure d'uranium et de sédiments.

L'uranium est également extrait comme sous-produit de minerais contenant moins de 0,1 %, par exemple de conglomérats aurifères.

Les principaux gisements de minerais d'uranium se situent aux États-Unis (Colorado, Dakota du Nord et du Sud), au Canada (provinces de l'Ontario et de la Saskatchewan), en Afrique du Sud (Witwatersrand), en France (Massif Central), en Australie (Territoire du Nord) et dans de nombreux autres pays. . En Russie, la principale région productrice de minerai d'uranium est la Transbaïkalie. Environ 93 % de l'uranium russe est extrait du gisement de la région de Chita (près de la ville de Krasnokamensk).

Application

L'énergie nucléaire moderne est tout simplement impensable sans l'élément n°92 et ses propriétés. Bien qu'il n'y ait pas si longtemps - avant le lancement du premier réacteur nucléaire, les minerais d'uranium étaient extraits principalement pour en extraire le radium. De petites quantités de composés d'uranium ont été utilisées dans certains colorants et catalyseurs. En fait, l'uranium était considéré comme un élément qui n'avait quasiment aucune importance industrielle, et comme la situation a radicalement changé après la découverte de la capacité des isotopes de l'uranium à se fission ! Ce métal reçut instantanément le statut de matière première stratégique n°1.

De nos jours, le principal domaine d'application de l'uranium métal, ainsi que de ses composés, est le combustible des réacteurs nucléaires. Ainsi, dans les réacteurs fixes des centrales nucléaires, un mélange (naturel) faiblement enrichi d'isotopes de l'uranium est utilisé, et dans les installations nucléaires de puissance et dans les réacteurs à neutrons rapides, l'uranium est utilisé haut degré enrichissement.

L'isotope de l'uranium 235U est le plus largement utilisé, car une réaction nucléaire en chaîne auto-entretenue y est possible, ce qui n'est pas typique des autres isotopes de l'uranium. Grâce à cette propriété, l'235U est utilisé comme combustible dans les réacteurs nucléaires, ainsi que dans les armes nucléaires. Cependant, la séparation de l’isotope 235U de l’uranium naturel constitue un problème technologique complexe et coûteux.

L’isotope de l’uranium le plus courant dans la nature, l’238U, peut fission lorsqu’il est bombardé de neutrons de haute énergie. Cette propriété de cet isotope est utilisée pour augmenter la puissance des armes thermonucléaires - neutrons générés réaction thermonucléaire. De plus, l’isotope du plutonium 239Pu est obtenu à partir de l’isotope 238U, qui à son tour peut également être utilisé dans les réacteurs nucléaires et dans une bombe atomique.

DANS Dernièrement L'isotope de l'uranium 233U, produit artificiellement dans des réacteurs à partir du thorium, est largement utilisé ; il est obtenu en irradiant le thorium dans le flux neutronique d'un réacteur nucléaire :

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

Neutrons thermiques fissiles 233U ; de plus, dans les réacteurs contenant du 233U, une reproduction étendue du combustible nucléaire peut se produire. Ainsi, lorsqu'un kilogramme d'233U brûle dans un réacteur au thorium, 1,1 kg d'233U nouveau devrait s'y accumuler (suite à la capture des neutrons par les noyaux de thorium). Dans un avenir proche, le cycle uranium-thorium dans les réacteurs à neutrons thermiques sera le principal concurrent du cycle uranium-plutonium pour la reproduction du combustible nucléaire dans les réacteurs à neutrons rapides. Des réacteurs utilisant ce nucléide comme combustible existent déjà et fonctionnent (KAMINI en Inde). L’233U est également le combustible le plus prometteur pour les moteurs de fusée nucléaire en phase gazeuse.

Les autres isotopes artificiels de l'uranium ne jouent pas un rôle significatif.

Une fois les isotopes « nécessaires » 234U et 235U extraits de l’uranium naturel, la matière première restante (238U) est appelée « uranium appauvri », elle est deux fois moins radioactive que l’uranium naturel, principalement en raison de l’élimination de l’234U. Étant donné que la principale utilisation de l’uranium est la production d’énergie, l’uranium appauvri est un produit peu utilisé et de faible valeur économique. Cependant, en raison de son faible prix, ainsi que de sa densité élevée et de sa section de préhension extrêmement élevée, il est utilisé pour protection contre les radiations, et comme masse de ballast dans les applications aérospatiales telles que les surfaces de contrôle avion. En outre, l'uranium appauvri est utilisé comme ballast dans les atterrisseurs spatiaux et les yachts de course ; dans les rotors de gyroscope à grande vitesse, les grands volants d'inertie et lors du forage de puits de pétrole.

Cependant, l'utilisation la plus connue de l'uranium appauvri concerne les applications militaires - comme noyaux pour les obus perforants et les blindages de chars modernes, tels que le char M-1 Abrams.

Les utilisations moins connues de l’uranium concernent principalement ses composés. Ainsi, un petit ajout d'uranium donne une belle fluorescence jaune-vert au verre, certains composés d'uranium sont photosensibles, pour cette raison le nitrate d'uranyle était largement utilisé pour rehausser les négatifs et colorer (teinter) les positifs (tirages photographiques) en brun.

Le carbure 235U allié au carbure de niobium et au carbure de zirconium est utilisé comme carburant pour les moteurs à réaction nucléaires. Les alliages de fer et d'uranium appauvri (238U) sont utilisés comme matériaux magnétostrictifs puissants. L'uranate de sodium Na2U2O7 était utilisé comme pigment jaune dans la peinture ; auparavant, les composés d'uranium étaient utilisés comme peintures pour la peinture sur porcelaine et pour les émaux et émaux céramiques (peints en couleurs : jaune, marron, vert et noir, selon le degré d'oxydation). .

Production

L'uranium est obtenu à partir de minerais d'uranium qui diffèrent sensiblement par un certain nombre de caractéristiques (conditions de formation, « contraste », teneur en impuretés utiles, etc.), dont la principale est le pourcentage d'uranium. Selon ce critère, on distingue cinq types de minerais : très riches (contiennent plus de 1 % d'uranium) ; riche (1-0,5%) ; moyenne (0,5-0,25 %) ; ordinaire (0,25-0,1%) et pauvre (moins de 0,1%). Cependant, même à partir de minerais contenant 0,01 à 0,015 % d’uranium, ce métal est extrait comme sous-produit.

Au fil des années de développement des matières premières uranifères, de nombreuses méthodes de séparation de l'uranium des minerais ont été développées. Cela s'explique à la fois par l'importance stratégique de l'uranium dans certaines régions et par la diversité de ses manifestations naturelles. Cependant, malgré toute la variété des méthodes et des matières premières, toute production d'uranium comprend trois étapes : la concentration préalable du minerai d'uranium ; lixiviation de l'uranium et obtention de composés d'uranium suffisamment purs par précipitation, extraction ou échange d'ion. Ensuite, selon la destination de l'uranium obtenu, le produit est enrichi en isotope 235U ou immédiatement réduit en uranium élémentaire.

Ainsi, le minerai est initialement concentré - la roche est concassée et remplie d'eau. Dans ce cas, les éléments les plus lourds du mélange se déposent plus rapidement. Dans les roches contenant des minéraux d'uranium primaires, leur précipitation est rapide, car elles sont très lourdes. Lorsque les minerais contenant des minéraux d'uranium secondaires sont concentrés, des stériles se déposent, qui sont beaucoup plus lourds que les minéraux secondaires, mais peuvent contenir des éléments très utiles.

Les minerais d'uranium ne sont quasiment jamais enrichis, à l'exception de la méthode organique de tri radiométrique, basée sur le rayonnement γ du radium, qui accompagne toujours l'uranium.

La prochaine étape de la production d’uranium est la lixiviation, mettant ainsi l’uranium en solution. Fondamentalement, les minerais sont lixiviés avec des solutions d'acide sulfurique, parfois nitrique ou des solutions de soude avec transfert d'uranium dans une solution acide sous forme d'UO2SO4 ou d'anions complexes, et dans une solution de soude sous forme d'anion 4-complexe. La méthode utilisant l'acide sulfurique est moins chère, mais elle n'est pas toujours applicable si la matière première contient de l'uranium tétravalent (résine d'uranium), qui n'est pas soluble dans l'acide sulfurique. Dans de tels cas, une lixiviation alcaline est utilisée ou l'uranium tétravalent est oxydé en un état hexavalent. L'utilisation de soude caustique (soude caustique) est conseillée lors de la lixiviation de minerais contenant de la magnésite ou de la dolomite, qui nécessitent trop d'acide pour se dissoudre.

Après l'étape de lixiviation, la solution contient non seulement de l'uranium, mais aussi d'autres éléments qui, comme l'uranium, sont extraits avec les mêmes solvants organiques, déposés sur les mêmes résines échangeuses d'ions et précipitent dans les mêmes conditions. Dans une telle situation, pour isoler sélectivement l’uranium, il est nécessaire de recourir à de nombreuses réactions redox afin d’éliminer l’élément indésirable à différentes étapes. L’un des avantages des méthodes d’échange et d’extraction d’ions est que l’uranium est quasiment entièrement extrait des solutions pauvres.

Après toutes les opérations ci-dessus, l'uranium est converti à l'état solide - en l'un des oxydes ou en tétrafluorure UF4. Cet uranium contient des impuretés avec une grande section efficace de capture des neutrons thermiques - lithium, bore, cadmium et métaux des terres rares. Dans le produit final, leur contenu ne doit pas dépasser les cent millièmes et millionièmes de pour cent ! Pour ce faire, l'uranium est à nouveau dissous, cette fois dans l'acide nitrique. Le nitrate d'uranyle UO2(NO3)2 lors de l'extraction avec du phosphate de tributyle et certaines autres substances est en outre purifié selon les normes requises. Cette substance est ensuite cristallisée (ou précipitée) et soigneusement calcinée. À la suite de cette opération, il se forme du trioxyde d'uranium UO3, qui est réduit avec de l'hydrogène en UO2. À des températures comprises entre 430 et 600°C, l'oxyde d'uranium réagit avec le fluorure d'hydrogène sec et se transforme en tétrafluorure d'UF4. Déjà à partir de ce composé, l'uranium métal est généralement obtenu à l'aide de calcium ou de magnésium par réduction ordinaire.

Propriétés physiques

L'uranium métal est très lourd, il est deux fois et demie plus lourd que le fer, et une fois et demie plus lourd que le plomb ! C'est l'un des plus éléments lourds, qui sont stockés dans les entrailles de la Terre. Avec sa couleur blanc argenté et son éclat, l’uranium ressemble à l’acier. Metal pur Il est en plastique, souple, a une densité élevée, mais en même temps il est facile à traiter. L'uranium est électropositif et possède des propriétés paramagnétiques mineures - la susceptibilité magnétique spécifique à température ambiante est de 1,72·10 -6, a une faible conductivité électrique mais une réactivité élevée. Cet élément a trois modifications allotropiques : α, β et γ. La forme α a un réseau cristallin orthorhombique avec les paramètres suivants : a = 2,8538 Å, b = 5,8662 Å, c = 469557 Å. Cette forme est stable dans la plage de température allant de la température ambiante à 667,7° C. La densité de l'uranium sous forme α à une température de 25° C est de 19,05 ± 0,2 g/cm 3 . La forme β a un réseau cristallin tétragonal, stable dans la plage de température de 667,7° C à 774,8° C. Paramètres du réseau tétragonal : a = 10,759 Å, b = 5,656 Å. Forme γ avec une structure cubique centrée sur le corps, stable de 774,8°C au point de fusion (1132°C).

Les trois phases peuvent être observées au cours du processus de récupération de l'uranium. Pour cela, on utilise un appareil spécial, qui est un tube en acier sans soudure, doublé d'oxyde de calcium, ce qui est nécessaire pour que l'acier du tube n'interagisse pas avec l'uranium. Un mélange de tétrafluorure d'uranium et de magnésium (ou calcium) est chargé dans l'appareil, après quoi il est chauffé à 600°C. Lorsque cette température est atteinte, l'allumeur électrique est allumé, et le une réaction de réduction exothermique, dans laquelle le mélange chargé fond complètement. L'uranium liquide (température 1132°C) en raison de son poids coule complètement au fond. Après le dépôt complet de l'uranium au fond de l'appareil, le refroidissement commence, l'uranium cristallise, ses atomes sont disposés dans un ordre strict, formant un réseau cubique - c'est la phase γ. La transition suivante se produit à 774°C - cellule de cristal le métal en refroidissant devient tétragonal, ce qui correspond à la phase β. Lorsque la température du lingot descend à 668°C, les atomes réorganisent à nouveau leurs rangées, disposées en vagues en couches parallèles - la phase α. De plus, aucun changement ne se produit.

Les principaux paramètres de l'uranium se réfèrent toujours à la phase α. Point de fusion (tfusion) 1132° C, point d'ébullition de l'uranium (tébullition) 3818° C. Capacité thermique spécifique à température ambiante 27,67 kJ/(kg·K) ou 6,612 cal/(g·°С). Spécifique résistance électriqueà une température de 25°C environ 3,10 -7 ohm·cm, et déjà à 600°С 5,5·10 -7 ohm·cm. La conductivité thermique de l'uranium change également en fonction de la température : dans la plage de 100 à 200 °C, elle est égale à 28,05 W/(m K) ou 0,067 cal/(cm sec °C), et lorsqu'elle est augmentée à 400 °C, elle augmente jusqu'à 29,72 W/(m K) 0,071 cal/(cm sec ° C). L'uranium a une supraconductivité à 0,68 K. La dureté Brinell moyenne est de 19,6 - 21,6·10 2 Mn/m 2 ou 200-220 kgf/mm 2.

De nombreuses propriétés mécaniques du 92ème élément dépendent de sa pureté et des modes de traitement thermique et mécanique. Donc pour l'uranium coulé la résistance à la traction à température ambiante est de 372-470 MN/m2 ou 38-48 kgf/mm2, le module d'élasticité moyen est de 20,5·10 -2 MN/m2 ou 20,9·10 -3 kgf/mm2. La résistance de l'uranium augmente après la trempe des phases β et γ.

Irradiation de l'uranium par un flux de neutrons, interaction avec des éléments combustibles refroidis par eau en uranium métallique et d'autres facteurs de fonctionnement dans de puissants réacteurs à neutrons thermiques - tout cela entraîne des modifications des propriétés physiques et mécaniques de l'uranium : le métal devient fragile, flue se développe et les produits à base d'uranium métallique se déforment. Pour cette raison, des alliages d'uranium, par exemple avec du molybdène, sont utilisés dans les réacteurs nucléaires : un tel alliage résiste à l'eau, renforce le métal et maintient un réseau cubique à haute température.

Propriétés chimiques

Chimiquement, l'uranium est un métal très actif. Dans l'air, il s'oxyde avec formation d'un film irisé de dioxyde d'UO2 à la surface, qui ne protège pas le métal d'une oxydation ultérieure, comme c'est le cas avec le titane, le zirconium et un certain nombre d'autres métaux. Avec l'oxygène, l'uranium forme du dioxyde UO2, du trioxyde UO3 et un grand nombre d'oxydes intermédiaires dont le plus important est U3O8 ; les propriétés de ces oxydes sont similaires à celles de UO2 et UO3. À l’état de poudre, l’uranium est pyrophorique et peut s’enflammer sous un léger chauffage (150 °C et plus), la combustion s’accompagnant d’une flamme vive, formant finalement U3O8. À une température de 500-600 °C, l'uranium interagit avec le fluor pour former des cristaux verts en forme d'aiguilles, légèrement solubles dans l'eau et les acides - tétrafluorure d'uranium UF4, ainsi que UF6 - hexafluorure (cristaux blancs qui se subliment sans fondre à une température de 56,4 °C). UF4, UF6 sont des exemples de l'interaction de l'uranium avec des halogènes pour former des halogénures d'uranium. L'uranium se combine facilement avec le soufre pour former un certain nombre de composés, dont valeur la plus élevée a les États-Unis - le combustible nucléaire. L'uranium réagit avec l'hydrogène à 220 °C pour former l'hydrure UH3, chimiquement très actif. Avec un chauffage supplémentaire, l'UH3 se décompose en hydrogène et en uranium en poudre. L'interaction avec l'azote se produit à des températures plus élevées - de 450 à 700 °C et pression atmosphérique on obtient le nitrure U4N7 ; en augmentant la pression d'azote aux mêmes températures, on peut obtenir UN, U2N3 et UN2. À des températures plus élevées (750-800 °C), l'uranium réagit avec le carbone pour former du monocarbure UC, du dicarbure UC2 et également de l'U2C3. L'uranium réagit avec l'eau pour former UO2 et H2, et avec eau froide plus lent, mais plus actif à chaud. De plus, la réaction se produit également avec la vapeur d'eau à des températures de 150 à 250 °C. Ce métal se dissout dans l'acide chlorhydrique HCl et les acides nitriques HNO3, moins activement dans l'acide fluorhydrique hautement concentré, et réagit lentement avec l'acide sulfurique H2SO4 et les acides orthophosphoriques H3PO4. Les produits des réactions avec les acides sont des sels d'uranium tétravalent. A partir d'acides inorganiques et de sels de certains métaux (or, platine, cuivre, argent, étain et mercure), l'uranium est capable de déplacer l'hydrogène. L'uranium n'interagit pas avec les alcalis.

Dans les composés, l'uranium est capable de présenter les états d'oxydation suivants : +3, +4, +5, +6, parfois +2. U3+ dans conditions naturelles n’existe pas et ne peut être obtenu qu’en laboratoire. Les composés de l'uranium pentavalent sont pour la plupart instables et se décomposent assez facilement en composés de l'uranium tétravalent et hexavalent, qui sont les plus stables. L'uranium hexavalent est caractérisé par la formation de l'ion uranyle UO22+ dont les sels sont colorés jaune et sont hautement solubles dans l’eau et les acides minéraux. Un exemple de composés d'uranium hexavalents est le trioxyde d'uranium ou l'anhydride d'uranium UO3 (poudre orange), qui est un oxyde amphotère. Lorsqu'ils sont dissous dans des acides, des sels se forment, par exemple du chlorure d'uranium UO2Cl2. Lorsque les alcalis agissent sur des solutions de sels d'uranyle, on obtient des sels d'acide uranique H2UO4 - uranates et d'acide diuranique H2U2O7 - diuranates, par exemple l'uranate de sodium Na2UO4 et le diuranate de sodium Na2U2O7. Les sels d'uranium tétravalent (tétrachlorure d'uranium UCl4) sont verts et moins solubles. À long séjour Dans l'air, les composés contenant de l'uranium tétravalent sont généralement instables et se transforment en composés hexavalents. Les sels d'uranyle tels que le chlorure d'uranyle se décomposent en présence de lumière brillante ou des produits biologiques.

Le contenu de l'article

URANUS, U (uranium), élément chimique métallique de la famille des actinides, qui comprend Ac, Th, Pa, U et des éléments transuraniens (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). L'uranium a gagné en importance en raison de son utilisation dans les armes nucléaires et l'énergie nucléaire. Les oxydes d'uranium sont également utilisés pour colorer le verre et la céramique.

Être dans la nature.

La teneur en uranium de la croûte terrestre est de 0,003 % et on le trouve dans la couche superficielle de la terre sous la forme de quatre types de gisements. Il s'agit d'abord de filons d'uraninite, ou brai d'uranium (dioxyde d'uranium UO 2), très riche en uranium, mais rare. Ils sont accompagnés de gisements de radium, puisque le radium est un produit direct de la désintégration isotopique de l'uranium. De telles veines se trouvent au Zaïre, au Canada (Grand Lac de l'Ours), en République tchèque et en France. La deuxième source d'uranium est constituée de conglomérats de minerais de thorium et d'uranium ainsi que de minerais d'autres minéraux importants. Les conglomérats contiennent généralement des quantités suffisantes d'or et d'argent pour être récupérés, l'uranium et le thorium étant des éléments associés. De grands gisements de ces minerais se trouvent au Canada, en Afrique du Sud, en Russie et en Australie. La troisième source d'uranium est constituée de roches sédimentaires et de grès riches en carnotite minérale (uranyle vanadate de potassium), qui contient, en plus de l'uranium, une quantité importante de vanadium et d'autres éléments. De tels minerais se trouvent dans les États occidentaux des États-Unis. Les schistes fer-uranifères et les minerais de phosphate constituent une quatrième source de sédiments. De riches gisements se trouvent dans les schistes de Suède. Certains minerais de phosphate au Maroc et aux États-Unis contiennent des quantités importantes d'uranium, et les gisements de phosphate en Angola et en République centrafricaine sont encore plus riches en uranium. La plupart des lignites et certains charbons contiennent généralement des impuretés d'uranium. Des gisements de lignite riches en uranium ont été découverts dans le Dakota du Nord et du Sud (États-Unis) et des charbons bitumineux en Espagne et en République tchèque.

Ouverture.

Uranus a été découvert en 1789 par le chimiste allemand M. Klaproth, qui a nommé cet élément en l'honneur de la découverte de la planète Uranus 8 ans plus tôt. (Klaproth était le principal chimiste de son époque ; il a également découvert d'autres éléments, notamment Ce, Ti et Zr.) En fait, la substance obtenue par Klaproth n'était pas de l'uranium élémentaire, mais une forme oxydée de celui-ci, et l'uranium élémentaire a été obtenu pour la première fois par le chimiste français E. .Peligo en 1841. Du moment de la découverte jusqu'au 20e siècle. l'uranium n'avait pas la signification qu'il a aujourd'hui, même si une grande partie de celui-ci propriétés physiques, et masse atomique et la densité ont été déterminées. En 1896, A. Becquerel établit que les sels d'uranium possèdent un rayonnement qui éclaire une plaque photographique dans l'obscurité. Cette découverte a incité les chimistes à rechercher dans le domaine de la radioactivité et en 1898, les physiciens français époux P. Curie et M. Sklodowska-Curie ont isolé des sels des éléments radioactifs polonium et radium, et E. Rutherford, F. Soddy, K. Fayans. et d'autres scientifiques ont développé la théorie de la désintégration radioactive, qui a jeté les bases de la chimie nucléaire et de l'énergie nucléaire modernes.

Premières utilisations de l'uranium.

Bien que la radioactivité des sels d'uranium soit connue, leurs minerais dans le premier tiers de ce siècle n'étaient utilisés que pour obtenir le radium qui les accompagnait, et l'uranium était considéré comme un sous-produit indésirable. Son utilisation se concentrait principalement dans la technologie céramique et la métallurgie ; Les oxydes d'uranium étaient largement utilisés pour colorer le verre dans des couleurs allant du jaune pâle au vert foncé, ce qui a contribué au développement d'une production de verre peu coûteuse. Aujourd’hui, les produits issus de ces industries sont identifiés comme fluorescents sous les rayons ultraviolets. Pendant la Première Guerre mondiale et peu de temps après, l'uranium sous forme de carbure a été utilisé dans la production d'aciers à outils, similaires au Mo et au W ​​; 4 à 8 % d’uranium ont remplacé le tungstène, dont la production était alors limitée. Pour obtenir des aciers à outils, plusieurs tonnes de ferrouranium contenant jusqu'à 30 % (en masse) d'U ont été produites chaque année entre 1914 et 1926. Cependant, cette utilisation de l'uranium n'a pas duré longtemps.

Utilisations modernes de l'uranium.

L'industrie de l'uranium a commencé à prendre forme en 1939, lorsque la fission de l'isotope de l'uranium 235 U a été réalisée, ce qui a conduit à mise en œuvre technique réactions en chaîne contrôlées de fission de l'uranium en décembre 1942. C'est la naissance de l'ère atomique, lorsque l'uranium est passé d'un élément insignifiant à l'un des éléments les plus importants de la société. L’importance militaire de l’uranium pour la production de la bombe atomique et son utilisation comme combustible dans les réacteurs nucléaires a provoqué une augmentation astronomique de la demande d’uranium. La chronologie de la croissance de la demande en uranium basée sur l'histoire des sédiments du Grand Lac de l'Ours (Canada) est intéressante. En 1930, de la résine blende, un mélange d'oxydes d'uranium, a été découverte dans ce lac, et en 1932, une technologie de purification du radium a été mise en place dans cette zone. De chaque tonne de minerai (mélange de résine), on a obtenu 1 g de radium et environ une demi-tonne de sous-produit, du concentré d'uranium. Cependant, il y avait peu de radium et son extraction fut arrêtée. De 1940 à 1942, le développement reprit et le minerai d'uranium commença à être expédié vers les États-Unis. En 1949, une purification similaire de l'uranium, avec quelques améliorations, a été utilisée pour produire de l'UO 2 pur. Cette production s'est développée et constitue aujourd'hui l'une des plus grandes installations de production d'uranium.

Propriétés.

L'uranium est l'un des éléments les plus lourds présents dans la nature. Le métal pur est très dense, ductile, électropositif avec une faible conductivité électrique et hautement réactif.

L'uranium a trois modifications allotropiques : un-l'uranium (réseau cristallin orthorhombique), existe dans la plage allant de la température ambiante à 668°C ; b-l'uranium (réseau cristallin complexe de type tétragonal), stable entre 668 et 774°C ; g-uranium (réseau cristallin cubique centré), stable de 774°C jusqu'au point de fusion (1132°C). Puisque tous les isotopes de l’uranium sont instables, tous ses composés présentent une radioactivité.

Isotopes de l'uranium

238 U, 235 U, 234 U sont présents dans la nature dans un rapport de 99,3 : 0,7 : 0,0058, et le 236 U est présent à l'état de traces. Tous les autres isotopes de l'uranium de 226 U à 242 U sont obtenus artificiellement. L'isotope 235 U a un effet particulièrement important. Sous l'influence de neutrons lents (thermiques), il se divise, libérant une énergie énorme. La fission complète de 235 U entraîne la libération d'un « équivalent d'énergie thermique » de 2H 10 7 kWh/kg. La fission de 235 U peut être utilisée non seulement pour produire de grandes quantités d’énergie, mais également pour synthétiser d’autres éléments actinides importants. L'isotope naturel de l'uranium peut être utilisé dans les réacteurs nucléaires pour produire des neutrons produits par la fission de 235 U, tandis que les neutrons en excès non requis par la réaction en chaîne peuvent être capturés par un autre isotope naturel, entraînant la production de plutonium :

Lorsque le 238 U est bombardé de neutrons rapides, les réactions suivantes se produisent :

Selon ce schéma, l'isotope le plus courant 238 U peut être converti en plutonium 239, qui, comme le 235 U, est également capable de fission sous l'influence de neutrons lents.

Actuellement reçu grand nombre isotopes artificiels de l'uranium. Parmi eux, l’233 U est particulièrement remarquable car il fissile également lorsqu’il interagit avec des neutrons lents.

Certains autres isotopes artificiels de l'uranium sont souvent utilisés comme traceurs radioactifs dans la recherche chimique et physique ; c'est avant tout b- émetteur 237 U et un- émetteur 232 U.

Connexions.

L'uranium, un métal hautement réactif, a des états d'oxydation de +3 à +6, est proche du béryllium dans la série d'activités, interagit avec tous les non-métaux et forme des composés intermétalliques avec Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn et Zn. L'uranium finement broyé est particulièrement réactif et à des températures supérieures à 500°C, il entre souvent dans des réactions caractéristiques de l'hydrure d'uranium. L'uranium en morceaux ou en copeaux brûle vivement entre 700 et 1 000 °C, et les vapeurs d'uranium brûlent déjà entre 150 et 250 °C ; l'uranium réagit avec l'HF entre 200 et 400 °C, formant de l'UF 4 et du H 2 . L'uranium se dissout lentement dans HF ou H 2 SO 4 concentré et 85 % H 3 PO 4 même à 90°C, mais réagit facilement avec la concentration. HCl et moins actif avec HBr ou HI. Les réactions les plus actives et les plus rapides de l'uranium avec le HNO 3 dilué et concentré se produisent avec la formation de nitrate d'uranyle ( voir ci-dessous). En présence de HCl, l’uranium se dissout rapidement dans les acides organiques, formant des sels organiques U4+. Selon le degré d'oxydation, l'uranium forme plusieurs types de sels (les plus importants d'entre eux sont ceux de l'U 4+, l'un d'eux UCl 4 est un sel vert facilement oxydable) ; les sels d'uranyle (radical UO 2 2+) du type UO 2 (NO 3) 2 sont de couleur jaune et fluorescents en vert. Les sels d'uranyle se forment en dissolvant l'oxyde amphotère UO 3 (couleur jaune) dans un milieu acide. En milieu alcalin, UO 3 forme des uranates tels que Na 2 UO 4 ou Na 2 U 2 O 7. Ce dernier composé (« uranyle jaune ») est utilisé pour la fabrication d'émaux de porcelaine et dans la production de verres fluorescents.

Les halogénures d'uranium ont été largement étudiés dans les années 1940-1950, car ils ont été utilisés pour développer des méthodes de séparation des isotopes de l'uranium pour la bombe atomique ou le réacteur nucléaire. Le trifluorure d'uranium UF 3 a été obtenu par réduction de UF 4 avec de l'hydrogène, et le tétrafluorure d'uranium UF 4 est obtenu de diverses manières par des réactions de HF avec des oxydes tels que UO 3 ou U 3 O 8 ou par réduction électrolytique de composés d'uranyle. L'hexafluorure d'uranium UF 6 est obtenu par fluoration de l'U ou de l'UF 4 avec du fluor élémentaire ou par action de l'oxygène sur UF 4 . L'hexafluorure forme des cristaux transparents à indice de réfraction élevé à 64°C (1137 mm Hg) ; le composé est volatil (sous pression normale il se sublime à 56,54°C). Les oxohalogénures d'uranium, par exemple les oxofluorures, ont la composition UO 2 F 2 (fluorure d'uranyle), UOF 2 (difluorure d'oxyde d'uranium).

Dans des conditions normales, l'élément radioactif uranium est un métal avec une masse atomique (moléculaire) élevée - 238,02891 g/mol. Selon cet indicateur, il occupe la deuxième place, car La seule chose plus lourde que lui est le plutonium. La production d'uranium est associée à la mise en œuvre séquentielle d'un certain nombre d'opérations technologiques :

• concentration de la roche, son concassage et la sédimentation des fractions lourdes dans l'eau
• lixiviation de concentré ou purge d’oxygène
• conversion de l'uranium à l'état solide (oxyde ou tétrafluorure UF 4)
• obtention du nitrate d'uranyle UO 2 (NO 3) 2 en dissolvant la matière première dans l'acide nitrique
• cristallisation et calcination pour obtenir l'oxyde UO 3
• réduction avec de l'hydrogène pour obtenir UO 2
• obtention du tétrafluorure d'UF 4 en ajoutant du fluorure d'hydrogène gazeux
• réduction de l'uranium métal à l'aide de magnésium ou de calcium

Minéraux d'uranium

Les minéraux U les plus courants sont :

• La pitchblende (uraninite) est l'oxyde le plus connu, appelé « eau lourde ».
• Carnotite
• Tyuyamunit
• Torburnite
• Samarcite
• Brannérite
• Kasolite
• Calomnie

Production d'uranium

Selon la société russe Rosatom, l'un des leaders mondiaux sur le marché mondial de l'uranium, plus de 3 000 tonnes d'uranium ont été extraites sur la planète en 2014. Dans le même temps, selon les représentants de la division minière de cette société d'État, le volume des réserves russes de ce métal est de 727,2 milliers de tonnes (3ème place mondiale), ce qui garantit un approvisionnement ininterrompu en matières premières nécessaires pendant de nombreuses décennies. .

Les principales propriétés chimiques de l'uranium sont présentées dans le tableau :

L'élément U, comme le curium et le plutonium, est un élément produit artificiellement de la famille des actinides. Ses propriétés chimiques sont à bien des égards similaires à celles du tungstène, du molybdène et du chrome. L'uranium se caractérise par une valence variable, ainsi qu'une tendance à former (UO 2) + 2 - uranyle, qui est un ion complexe.

Méthodes d'enrichissement de l'uranium

Comme on le sait, l’U naturel contient 3 isotopes :

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

L'enrichissement de l'uranium signifie une augmentation de la part de l'isotope 235U dans le métal, le seul capable d'une réaction nucléaire en chaîne indépendante.

Pour comprendre comment l'uranium s'enrichit, il faut prendre en compte le degré de son enrichissement :

• teneur 0,72% - peut être utilisé dans certains réacteurs de puissance
• 2 à 5 % – utilisé dans la plupart des réacteurs de puissance
• jusqu'à 20 % (faiblement enrichi) – pour les réacteurs expérimentaux
• plus de 20 % (très enrichis ou de qualité militaire) – réacteurs nucléaires, armes.

Comment l’uranium est-il enrichi ? Il existe de nombreuses méthodes pour enrichir l’uranium, mais les plus applicables sont les suivantes :

• électromagnétique – accélération particules élémentaires dans un accélérateur spécial et leur torsion dans un champ magnétique
• aérodynamique – souffler du gaz d'uranium à travers des buses spéciales
• centrifugation gazeuse - l'uranium gazeux dans la centrifugeuse se déplace et, par inertie, pousse les molécules lourdes vers les parois de la centrifugeuse
• méthode de diffusion gazeuse pour l'enrichissement de l'uranium - « tamisage » des isotopes légers de l'uranium à travers de petits pores de membranes spéciales

La principale application de l'uranium est le combustible pour les réacteurs nucléaires, les réacteurs centrales nucléaires, centrales nucléaires. De plus, l'isotope 235U est utilisé dans les armes nucléaires, tandis que le métal non enrichi avec une forte proportion de 238U permet d'obtenir du combustible nucléaire secondaire - le plutonium.

D'où vient l'uranium ? Très probablement, il apparaît lors d’explosions de supernova. Le fait est que pour la nucléosynthèse d'éléments plus lourds que le fer, il doit y avoir un puissant flux de neutrons, ce qui se produit précisément lors d'une explosion de supernova. Il semblerait qu'alors, lors de la condensation du nuage de nouveaux systèmes stellaires qu'il forme, l'uranium, s'étant accumulé dans un nuage protoplanétaire et étant très lourd, devrait s'enfoncer dans les profondeurs des planètes. Mais ce n'est pas vrai. L'uranium est un élément radioactif et lorsqu'il se désintègre, il libère de la chaleur. Les calculs montrent que si l'uranium était réparti uniformément sur toute l'épaisseur de la planète, au moins avec la même concentration qu'à la surface, il émettrait trop de chaleur. De plus, son flux devrait s'affaiblir à mesure que l'uranium est consommé. Comme rien de tel n’a été observé, les géologues estiment qu’au moins un tiers de l’uranium, voire la totalité, est concentré dans la croûte terrestre, où sa teneur est de 2,5∙10 –4 %. La raison pour laquelle cela s'est produit n'est pas discutée.

Où est extrait l’uranium ? Il n'y a pas si peu d'uranium sur Terre - il occupe la 38ème place en termes d'abondance. Et la majeure partie de cet élément se trouve dans les roches sédimentaires - schistes carbonés et phosphorites : jusqu'à 8∙10 –3 et 2,5∙10 –2 %, respectivement. Au total, la croûte terrestre contient 10 à 14 tonnes d'uranium, mais le principal problème est qu'elle est très dispersée et ne forme pas de gisements puissants. Environ 15 minéraux d'uranium ont une importance industrielle. Il s'agit du goudron d'uranium - sa base est de l'oxyde d'uranium tétravalent, du mica d'uranium - divers silicates, phosphates et composés plus complexes avec du vanadium ou du titane à base d'uranium hexavalent.

Que sont les rayons de Becquerel ? Après la découverte des rayons X par Wolfgang Roentgen, le physicien français Antoine-Henri Becquerel s'est intéressé à la lueur des sels d'uranium, qui se produit sous l'influence de la lumière solaire. Il voulait comprendre s'il y avait des rayons X ici aussi. En effet, ils étaient présents : le sel éclairait la plaque photographique à travers le papier noir. Cependant, dans l'une des expériences, le sel n'était pas éclairé, mais la plaque photographique restait sombre. Lorsqu'un objet métallique était placé entre le sel et la plaque photographique, l'assombrissement en dessous était moindre. Par conséquent, de nouveaux rayons ne sont pas apparus en raison de l'excitation de l'uranium par la lumière et n'ont pas traversé partiellement le métal. On les appelait initialement « rayons de Becquerel ». Il a été découvert par la suite qu'il s'agit principalement de rayons alpha avec un petit ajout de rayons bêta : le fait est que les principaux isotopes de l'uranium émettent une particule alpha lors de la désintégration, et les produits filles subissent également une désintégration bêta.

À quel point l’uranium est-il radioactif ? L'uranium ne possède pas d'isotopes stables ; ils sont tous radioactifs. L'uranium 238 dont la durée de vie est la plus longue est de 4,4 milliards d'années. Vient ensuite l'uranium 235 - 0,7 milliard d'années. Ils subissent tous deux une désintégration alpha et deviennent les isotopes correspondants du thorium. L'uranium 238 représente plus de 99 % de tout l'uranium naturel. En raison de sa demi-vie énorme, la radioactivité de cet élément est faible et, de plus, les particules alpha ne sont pas capables de pénétrer dans la couche cornée à la surface du corps humain. On dit qu'après avoir travaillé avec l'uranium, I.V. Kurchatov s'est simplement essuyé les mains avec un mouchoir et n'a souffert d'aucune maladie associée à la radioactivité.

Les chercheurs se sont tournés à plusieurs reprises vers les statistiques sur les maladies des travailleurs des mines et des usines de traitement d'uranium. Voici, par exemple, un article récent de spécialistes canadiens et américains qui ont analysé les données de santé de plus de 17 000 travailleurs de la mine Eldorado, dans la province canadienne de la Saskatchewan, pour les années 1950-1999 ( Recherche environnementale, 2014, 130, 43-50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Ils sont partis du fait que les rayonnements ont l'effet le plus puissant sur les cellules sanguines à multiplication rapide, conduisant aux types de cancer correspondants. Les statistiques ont démontré que les travailleurs miniers ont une incidence plus faible de divers types de cancer du sang que la population canadienne moyenne. Dans ce cas, la principale source de rayonnement n’est pas l’uranium lui-même, mais le radon gazeux qu’il génère et ses produits de désintégration, qui peuvent pénétrer dans l’organisme par les poumons.

Pourquoi l'uranium est-il nocif ?? Comme d’autres métaux lourds, il est hautement toxique et peut provoquer une insuffisance rénale et hépatique. En revanche, l'uranium, étant un élément dispersé, est inévitablement présent dans l'eau, le sol et, se concentrant dans chaîne alimentaire, pénètre dans le corps humain. Il est raisonnable de supposer qu'au cours du processus d'évolution, les êtres vivants ont appris à neutraliser l'uranium dans des concentrations naturelles. L'uranium étant le produit le plus dangereux présent dans l'eau, l'OMS a fixé une limite : initialement, elle était de 15 µg/l, mais en 2011, la norme a été augmentée à 30 µg/g. En règle générale, il y a beaucoup moins d'uranium dans l'eau : aux États-Unis en moyenne 6,7 µg/l, en Chine et en France - 2,2 µg/l. Mais il y a aussi de fortes déviations. Ainsi, dans certaines régions de Californie, elle est cent fois supérieure à la norme - 2,5 mg/l, et dans le sud de la Finlande, elle atteint 7,8 mg/l. Les chercheurs tentent de comprendre si la norme de l'OMS est trop stricte en étudiant l'effet de l'uranium sur les animaux. Voici un travail typique ( BioMed Recherche Internationale, 2014, ID 181989 ; DOI : 10.1155/2014/181989). Des scientifiques français ont nourri des rats avec de l'eau pendant neuf mois avec des additifs à base d'uranium appauvri, et à des concentrations relativement élevées - de 0,2 à 120 mg/l. La valeur inférieure correspond à l'eau proche de la mine, tandis que la valeur supérieure ne se trouve nulle part : la concentration maximale d'uranium, mesurée en Finlande, est de 20 mg/l. À la surprise des auteurs - l'article s'intitule : « L'absence inattendue d'un effet notable de l'uranium sur les systèmes physiologiques… » - l'uranium n'a pratiquement aucun effet sur la santé des rats. Les animaux ont bien mangé, pris du poids correctement, ne se sont pas plaints de maladie et ne sont pas morts d'un cancer. L'uranium, comme il se doit, s'est déposé principalement dans les reins et les os et en quantités cent fois inférieures dans le foie, et son accumulation dépendait vraisemblablement de sa teneur dans l'eau. Cependant, cela n’a pas conduit à une insuffisance rénale ni même à l’apparition notable de marqueurs moléculaires de l’inflammation. Les auteurs ont suggéré qu'une révision des directives strictes de l'OMS devrait commencer. Il y a cependant une mise en garde : l’effet sur le cerveau. Il y avait moins d'uranium dans le cerveau des rats que dans le foie, mais sa teneur ne dépendait pas de la quantité présente dans l'eau. Mais l’uranium a affecté le fonctionnement du système antioxydant du cerveau : l’activité de la catalase a augmenté de 20 %, celle de la glutathion peroxydase de 68 à 90 % et celle de la superoxyde dismutase a diminué de 50 %, quelle que soit la dose. Cela signifie que l’uranium a clairement provoqué un stress oxydatif dans le cerveau et que le corps y a répondu. Cet effet - le fort effet de l'uranium sur le cerveau en l'absence de son accumulation dans celui-ci, ainsi que dans les organes génitaux - a déjà été remarqué. De plus, de l'eau contenant de l'uranium à une concentration de 75 à 150 mg/l, que des chercheurs de l'Université du Nebraska ont nourrie des rats pendant six mois ( Neurotoxicologie et Tératologie, 2005, 27, 1, 135-144 ; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), a affecté le comportement des animaux, principalement des mâles, relâchés dans le champ : ils franchissaient les lignes, se dressaient sur leurs pattes postérieures et lissaient leur fourrure différemment des animaux témoins. Il existe des preuves que l'uranium entraîne également des troubles de la mémoire chez les animaux. Les changements comportementaux étaient corrélés aux niveaux d’oxydation des lipides dans le cerveau. Il s'avère que l'eau d'uranium a rendu les rats en bonne santé, mais plutôt stupides. Ces données nous seront utiles dans l’analyse de ce qu’on appelle le syndrome de la guerre du Golfe.

L’uranium contamine-t-il les sites d’exploitation du gaz de schiste ? Cela dépend de la quantité d’uranium contenue dans les roches gazeuses et de la manière dont il y est associé. Par exemple, le professeur agrégé Tracy Bank de l'Université de Buffalo a étudié les schistes de Marcellus, qui s'étendent de l'ouest de l'État de New York à la Virginie occidentale en passant par la Pennsylvanie et l'Ohio. Il s'est avéré que l'uranium est chimiquement lié précisément à la source d'hydrocarbures (rappelez-vous que les schistes carbonés associés ont la teneur en uranium la plus élevée). Des expériences ont montré que la solution utilisée lors de la fracturation dissout parfaitement l'uranium. « Lorsque l’uranium contenu dans ces eaux atteint la surface, il peut provoquer une contamination des zones environnantes. Cela ne pose pas de risque radiologique, mais l’uranium est un élément toxique », note Tracy Bank dans un communiqué universitaire daté du 25 octobre 2010. Aucun article détaillé n'a encore été rédigé sur le risque de contamination de l'environnement par l'uranium ou le thorium lors de la production de gaz de schiste.

Pourquoi l’uranium est-il nécessaire ? Auparavant, il était utilisé comme pigment pour fabriquer des céramiques et du verre coloré. Aujourd’hui, l’uranium constitue la base de l’énergie nucléaire et des armes atomiques. Dans ce cas, on utilise propriété unique- la capacité du noyau à se diviser.

Qu’est-ce que la fission nucléaire ? Désintégration d'un noyau en deux gros morceaux inégaux. C'est à cause de cette propriété que lors de la nucléosynthèse due à l'irradiation neutronique, des noyaux plus lourds que l'uranium se forment avec beaucoup de difficulté. L'essence du phénomène est la suivante. Si le rapport entre le nombre de neutrons et de protons dans le noyau n’est pas optimal, celui-ci devient instable. Typiquement, un tel noyau émet soit une particule alpha - deux protons et deux neutrons, soit une particule bêta - un positron, qui s'accompagne de la transformation de l'un des neutrons en proton. Dans le premier cas, on obtient un élément du tableau périodique, espacé de deux cellules en arrière, dans le second - une cellule en avant. Cependant, en plus d'émettre des particules alpha et bêta, le noyau d'uranium est capable de fission - se désintégrant en noyaux de deux éléments du milieu du tableau périodique, par exemple le baryum et le krypton, ce qu'il fait après avoir reçu un nouveau neutron. Ce phénomène a été découvert peu de temps après la découverte de la radioactivité, lorsque les physiciens ont exposé le rayonnement nouvellement découvert à tout ce qu'ils pouvaient. C'est ainsi qu'en parle Otto Frisch, un participant aux événements (« Succès sciences physiques ", 1968, 96, 4). Après la découverte des rayons du béryllium - les neutrons - Enrico Fermi a irradié de l'uranium avec eux, notamment pour provoquer la désintégration bêta - il espérait l'utiliser pour obtenir le 93ème élément suivant, aujourd'hui appelé neptunium. C'est lui qui découvre un nouveau type de radioactivité dans l'uranium irradié, qu'il associe à l'apparition d'éléments transuraniens. Dans le même temps, le ralentissement des neutrons, pour lequel la source de béryllium était recouverte d'une couche de paraffine, augmentait cette radioactivité induite. Le radiochimiste américain Aristide von Grosse a suggéré que l'un de ces éléments était le protactinium, mais il avait tort. Mais Otto Hahn, qui travaillait alors à l'Université de Vienne et considérait le protactinium découvert en 1917 comme son idée originale, a décidé qu'il était obligé de découvrir quels éléments avaient été obtenus. Avec Lise Meitner, au début de 1938, Hahn a suggéré, sur la base de résultats expérimentaux, que des chaînes entières d'éléments radioactifs se formaient en raison de multiples désintégrations bêta des noyaux absorbant les neutrons de l'uranium 238 et de ses éléments filles. Bientôt, Lise Meitner fut contrainte de fuir vers la Suède, craignant d'éventuelles représailles de la part des nazis après l'Anschluss de l'Autriche. Hahn, après avoir poursuivi ses expériences avec Fritz Strassmann, découvrit que parmi les produits il y avait aussi du baryum, élément numéro 56, qui ne pouvait en aucun cas être obtenu à partir de l'uranium : toutes les chaînes de désintégrations alpha de l'uranium se terminent par du plomb beaucoup plus lourd. Les chercheurs ont été tellement surpris par le résultat qu'ils ne l'ont pas publié ; ils ont seulement écrit des lettres à des amis, notamment Lise Meitner à Göteborg. Là, à Noël 1938, son neveu Otto Frisch lui rendit visite et, se promenant dans les environs de la ville d'hiver - lui à skis, la tante à pied - ils discutèrent de la possibilité de l'apparition de baryum lors de l'irradiation de l'uranium comme résultat de la fission nucléaire (pour plus d'informations sur Lise Meitner, voir « Chimie et vie », 2013, n° 4). De retour à Copenhague, Frisch a littéralement surpris Niels Bohr sur la passerelle d'un navire en partance pour les États-Unis et lui a parlé de l'idée de la fission. Bohr, se frappant le front, dit : « Oh, quels imbéciles nous avons été ! Nous aurions dû le remarquer plus tôt. » En janvier 1939, Frisch et Meitner publièrent un article sur la fission des noyaux d'uranium sous l'influence des neutrons. À cette époque, Otto Frisch avait déjà réalisé une expérience de contrôle, ainsi que de nombreux groupes américains qui avaient reçu le message de Bohr. On dit que les physiciens ont commencé à se disperser dans leurs laboratoires dès son rapport du 26 janvier 1939 à Washington lors de la conférence annuelle de physique théorique, lorsqu'ils ont compris l'essence de l'idée. Après la découverte de la fission, Hahn et Strassmann ont révisé leurs expériences et ont découvert, tout comme leurs collègues, que la radioactivité de l'uranium irradié n'est pas associée aux transuraniens, mais à la désintégration des éléments radioactifs formés lors de la fission du milieu du tableau périodique.

Comment se produit une réaction en chaîne dans l’uranium ? Peu après que la possibilité d'une fission des noyaux d'uranium et de thorium ait été prouvée expérimentalement (et il n'existe aucun autre élément fissile sur Terre en quantité significative), Niels Bohr et John Wheeler, qui travaillaient à Princeton, ainsi que, indépendamment d'eux, le Le physicien théoricien soviétique Ya. I. Frenkel et les Allemands Siegfried Flügge et Gottfried von Droste ont créé la théorie de la fission nucléaire. Deux mécanismes en découlent. L’un est associé au seuil d’absorption des neutrons rapides. Selon elle, pour initier la fission, un neutron doit avoir une énergie assez élevée, supérieure à 1 MeV pour les noyaux des principaux isotopes - l'uranium 238 et le thorium 232. Aux énergies inférieures, l'absorption des neutrons par l'uranium 238 a un caractère résonnant. Ainsi, un neutron avec une énergie de 25 eV a une section efficace de capture des milliers de fois plus grande qu'avec d'autres énergies. Dans ce cas, il n'y aura pas de fission : l'uranium-238 deviendra de l'uranium-239, qui avec une demi-vie de 23,54 minutes se transformera en neptunium-239, qui avec une demi-vie de 2,33 jours se transformera en uranium à vie longue. plutonium-239. Le thorium-232 deviendra de l'uranium-233.

Le deuxième mécanisme est l'absorption sans seuil d'un neutron, il est suivi du troisième isotope fissile plus ou moins courant - l'uranium-235 (ainsi que le plutonium-239 et l'uranium-233, que l'on ne trouve pas dans la nature) : par absorbant tout neutron, même lent, dit thermique, avec de l'énergie comme dans les molécules impliquées dans mouvement thermique, - 0,025 eV, un tel noyau se divisera. Et c’est très bien : les neutrons thermiques ont une section efficace de capture quatre fois supérieure à celle des neutrons rapides de type mégaélectronvolt. C'est là toute l'importance de l'uranium 235 pour toute l'histoire ultérieure de l'énergie nucléaire : c'est lui qui assure la multiplication des neutrons dans l'uranium naturel. Après avoir été touché par un neutron, le noyau d'uranium 235 devient instable et se divise rapidement en deux parties inégales. En cours de route, plusieurs nouveaux neutrons (en moyenne 2,75) sont émis. S'ils tombent dans les noyaux du même uranium, ils provoqueront une multiplication des neutrons dans progression géométrique- une réaction en chaîne se produira, qui entraînera une explosion due au dégagement rapide d'une énorme quantité de chaleur. Ni l'uranium 238 ni le thorium 232 ne peuvent fonctionner ainsi : après tout, lors de la fission, les neutrons sont émis avec une énergie moyenne de 1 à 3 MeV, c'est-à-dire que s'il existe un seuil d'énergie de 1 MeV, une partie importante du les neutrons ne pourront certainement pas provoquer de réaction et il n'y aura pas de reproduction. Cela signifie qu'il faudra oublier ces isotopes et ralentir les neutrons jusqu'à l'énergie thermique pour qu'ils interagissent le plus efficacement possible avec les noyaux de l'uranium 235. Dans le même temps, leur absorption résonante par l'uranium 238 ne peut être autorisée : après tout, dans l'uranium naturel, cet isotope est légèrement inférieur à 99,3 % et les neutrons entrent plus souvent en collision avec lui, et non avec l'uranium 235 cible. Et en agissant comme modérateur, il est possible de maintenir la multiplication des neutrons à un niveau constant et d'éviter une explosion - contrôler la réaction en chaîne.

Un calcul effectué par Ya. B. Zeldovich et Yu. B. Khariton au cours de la même année fatidique de 1939 a montré que pour cela, il est nécessaire d'utiliser un modérateur de neutrons sous forme d'eau lourde ou de graphite et d'enrichir l'uranium naturel avec de l'uranium. 235 au moins 1,83 fois. Alors cette idée leur parut un pur fantasme : « Il faut noter qu'environ le double de l'enrichissement de ces quantités assez importantes d'uranium nécessaires pour réaliser une explosion en chaîne,<...>est une tâche extrêmement lourde, proche de l’impossibilité pratique. Aujourd'hui, ce problème est résolu et l'industrie nucléaire produit en masse de l'uranium enrichi à l'uranium 235 à 3,5 % pour les centrales électriques.

Qu'est-ce que la fission nucléaire spontanée ? En 1940, G. N. Flerov et K. A. Petrzhak ont ​​découvert que la fission de l'uranium peut se produire spontanément, sans aucune influence extérieure, bien que la demi-vie soit beaucoup plus longue que celle d'une désintégration alpha ordinaire. Étant donné qu’une telle fission produit également des neutrons, s’ils ne peuvent pas s’échapper de la zone de réaction, ils serviront d’initiateurs à la réaction en chaîne. C'est ce phénomène qui est utilisé dans la création de réacteurs nucléaires.

Pourquoi l’énergie nucléaire est-elle nécessaire ? Zeldovich et Khariton furent parmi les premiers à calculer effet économique l'énergie nucléaire (« Uspekhi Fizicheskikh Nauk », 1940, 23, 4). «...À l'heure actuelle, il est encore impossible de tirer des conclusions définitives sur la possibilité ou l'impossibilité de mettre en œuvre des mesures dans le secteur de l'uranium. réaction nucléaire fission avec des chaînes à ramifications infinies. Si une telle réaction est réalisable, alors la vitesse de réaction est automatiquement ajustée pour assurer son bon déroulement, malgré l’énorme quantité d’énergie dont dispose l’expérimentateur. Cette circonstance est extrêmement favorable à la consommation énergétique de la réaction. Présentons donc - bien qu'il s'agisse d'une division de la peau d'un ours non tué - quelques chiffres caractérisant les possibilités d'utilisation énergétique de l'uranium. Si le processus de fission se déroule avec des neutrons rapides, la réaction capture le principal isotope de l'uranium (U238), alors<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>le coût d'une calorie provenant du principal isotope de l'uranium s'avère être environ 4 000 fois moins cher que celui du charbon (à moins, bien sûr, que les processus de « combustion » et d'évacuation de la chaleur ne s'avèrent beaucoup plus coûteux dans le cas de l'uranium que dans le cas du charbon). Dans le cas des neutrons lents, le coût d'une calorie « uranium » (sur la base des chiffres ci-dessus) sera, en tenant compte du fait que l'abondance de l'isotope U235 est de 0,007, déjà seulement 30 fois moins cher qu'une calorie « charbon », toutes choses étant égales par ailleurs.

La première réaction en chaîne contrôlée a été réalisée en 1942 par Enrico Fermi de l'Université de Chicago, et le réacteur était contrôlé manuellement en poussant les tiges de graphite vers l'intérieur et l'extérieur à mesure que le flux de neutrons changeait. La première centrale électrique a été construite à Obninsk en 1954. En plus de produire de l’énergie, les premiers réacteurs fonctionnaient également pour produire du plutonium de qualité militaire.

Comment fonctionne une centrale nucléaire ? De nos jours, la plupart des réacteurs fonctionnent aux neutrons lents. L'uranium enrichi sous forme de métal, d'alliage comme l'aluminium ou d'oxyde est placé dans de longs cylindres appelés éléments combustibles. Ils sont installés d'une certaine manière dans le réacteur, et entre eux sont insérées des tiges de modérateur qui contrôlent la réaction en chaîne. Au fil du temps, les poisons des réacteurs s'accumulent dans l'élément combustible - les produits de fission de l'uranium, qui sont également capables d'absorber les neutrons. Lorsque la concentration d'uranium 235 tombe en dessous d'un niveau critique, l'élément est mis hors service. Cependant, il contient de nombreux fragments de fission à forte radioactivité, qui diminue au fil des années, provoquant l'émission prolongée par les éléments d'une quantité importante de chaleur. Ils sont conservés dans des piscines de refroidissement, puis enterrés ou tentés d'être traités - pour extraire l'uranium 235 non brûlé, le plutonium produit (il a été utilisé pour fabriquer des bombes atomiques) et d'autres isotopes pouvant être utilisés. La partie inutilisée est envoyée aux cimetières.

Dans les réacteurs dits rapides, ou surgénérateurs, des réflecteurs en uranium 238 ou en thorium 232 sont installés autour des éléments. Ils ralentissent et renvoient dans la zone de réaction des neutrons trop rapides. Les neutrons ralentis à des vitesses de résonance absorbent ces isotopes, se transformant respectivement en plutonium-239 ou en uranium-233, qui peuvent servir de combustible pour une centrale nucléaire. Étant donné que les neutrons rapides réagissent mal avec l'uranium 235, sa concentration doit être considérablement augmentée, mais cela s'avère payant par un flux de neutrons plus fort. Bien que les réacteurs surgénérateurs soient considérés comme l'avenir de l'énergie nucléaire, car ils produisent plus de combustible nucléaire qu'ils n'en consomment, des expériences ont montré qu'ils sont difficiles à gérer. Il ne reste aujourd'hui qu'un seul réacteur de ce type dans le monde: celui de la quatrième centrale nucléaire de Beloyarsk.

Comment l’énergie nucléaire est-elle critiquée ? Si nous ne parlons pas d'accidents, le point principal des arguments des opposants à l'énergie nucléaire aujourd'hui est la proposition d'ajouter au calcul de son efficacité les coûts de protection de l'environnement après le déclassement de la centrale et lors du travail avec du combustible. Dans les deux cas, les défis d’une élimination fiable des déchets radioactifs se posent, et ce sont des coûts supportés par l’État. Il existe une opinion selon laquelle si vous les transférez au coût de l'énergie, son attrait économique disparaîtra.

Il existe également une opposition parmi les partisans de l’énergie nucléaire. Ses représentants soulignent le caractère unique de l'uranium 235, qui n'a pas de substitut, car les isotopes alternatifs fissiles aux neutrons thermiques - le plutonium 239 et l'uranium 233 - en raison de leur demi-vie de plusieurs milliers d'années, ne se trouvent pas dans la nature. Et ils sont obtenus précisément grâce à la fission de l'uranium 235. Si ça se termine, la belle disparaîtra source naturelle neutrons pour une réaction nucléaire en chaîne. En raison d'un tel gaspillage, l'humanité perdra à l'avenir la possibilité d'impliquer dans le cycle énergétique le thorium 232, dont les réserves sont plusieurs fois supérieures à celles de l'uranium.

Théoriquement, les accélérateurs de particules peuvent être utilisés pour produire un flux de neutrons rapides avec des énergies mégaélectronvolts. Toutefois, si nous parlons de, par exemple, sur les vols interplanétaires sur un moteur nucléaire, il sera alors très difficile de mettre en œuvre un projet avec un accélérateur volumineux. L'épuisement de l'uranium 235 met fin à de tels projets.

Qu’est-ce que l’uranium de qualité militaire ? Il s’agit d’uranium 235 hautement enrichi. Sa masse critique – elle correspond à la taille d’un morceau de substance dans lequel se produit spontanément une réaction en chaîne – est suffisamment petite pour produire des munitions. Cet uranium peut être utilisé pour fabriquer une bombe atomique, ainsi que comme fusible pour une bombe thermonucléaire.

Quelles catastrophes sont associées à l’utilisation de l’uranium ? L'énergie emmagasinée dans les noyaux des éléments fissiles est énorme. Si elle devient incontrôlable par oubli ou intentionnellement, cette énergie peut causer bien des problèmes. Les deux plus monstrueux catastrophes nucléaires s'est produit les 6 et 8 août 1945, lorsque l'US Air Force a largué bombes atomiques sur Hiroshima et Nagasaki, entraînant la mort et les blessures de centaines de milliers de civils. Les catastrophes à plus petite échelle sont associées à des accidents sur centrales nucléaires et les entreprises du cycle nucléaire. D'abord accident majeur s'est produit en 1949 en URSS à l'usine de Mayak près de Tcheliabinsk, où était produit du plutonium ; liquide déchet radioactif est tombé dans la rivière Techa. En septembre 1957, une explosion s'y produit avec le dégagement de grande quantité substance radioactive. Onze jours plus tard, le réacteur britannique de production de plutonium de Windscale a brûlé et le nuage contenant les produits de l'explosion s'est dispersé sur l'Europe occidentale. En 1979, un réacteur de la centrale nucléaire de Three Mail Island, en Pennsylvanie, a brûlé. Accidents au Centrale nucléaire de Tchernobyl(1986) et la centrale nucléaire de Fukushima (2011), lorsque des millions de personnes ont été exposées aux radiations. Les premiers ont jonché de vastes zones, libérant 8 tonnes de combustible d'uranium et de produits de désintégration à la suite de l'explosion, qui s'est propagée à toute l'Europe. Le second a pollué et, trois ans après l'accident, continue de polluer le plan d'eau. Océan Pacifique dans les zones de pêche. Éliminer les conséquences de ces accidents coûte très cher, et si ces coûts étaient ventilés dans le coût de l'électricité, ils augmenteraient considérablement.

Une autre question concerne les conséquences sur la santé humaine. Selon les statistiques officielles, de nombreuses personnes ayant survécu aux bombardements ou vivant dans des zones contaminées ont bénéficié des radiations : les premières ont une espérance de vie plus élevée, les secondes ont moins de cancers et les experts attribuent une certaine augmentation de la mortalité au stress social. Le nombre de personnes décédées précisément des suites d'accidents ou de leur liquidation s'élève à des centaines de personnes. Les opposants aux centrales nucléaires soulignent que les accidents entraînent plusieurs millions de décès prématurés par an. Continent européen, ils sont tout simplement invisibles dans le contexte statistique.

Soustraire des terres à l'usage humain dans les zones accidentées conduit à un résultat intéressant : elles deviennent une sorte de réserves naturelles où se développe la biodiversité. Il est vrai que certains animaux souffrent de maladies liées aux radiations. La question de savoir à quelle vitesse ils s’adapteront à un contexte toujours plus grand reste ouverte. Il existe également une opinion selon laquelle la conséquence de l'irradiation chronique est une « sélection pour les imbéciles » (voir « Chimie et vie », 2010, n° 5) : même au stade embryonnaire, des organismes plus primitifs survivent. En particulier, par rapport aux humains, cela devrait conduire à une diminution capacités mentales dans la génération née dans les zones contaminées peu après l’accident.

Qu’est-ce que l’uranium appauvri ? Il s'agit de l'uranium 238, restant après la séparation de l'uranium 235. Les volumes de déchets issus de la production d'uranium de qualité militaire et d'éléments combustibles sont importants - rien qu'aux États-Unis, 600 000 tonnes de cet hexafluorure d'uranium se sont accumulées (pour les problèmes liés à celui-ci, voir Chemistry and Life, 2008, n° 5) . La teneur en uranium 235 est de 0,2%. Ces déchets doivent soit être stockés jusqu'à des temps meilleurs, lorsque des réacteurs à neutrons rapides seront créés et il sera possible de transformer l'uranium 238 en plutonium, soit être utilisés d'une manière ou d'une autre.

Ils lui ont trouvé une utilité. L'uranium, comme d'autres éléments de transition, est utilisé comme catalyseur. Par exemple, les auteurs de l'article dans ACS Nano En date du 30 juin 2014, ils écrivent qu'un catalyseur à base d'uranium ou de thorium avec du graphène pour la réduction de l'oxygène et du peroxyde d'hydrogène « présente un énorme potentiel d'utilisation dans le secteur énergétique ». L’uranium ayant une densité élevée, il sert de lest aux navires et de contrepoids aux avions. Ce métal convient également à la radioprotection des dispositifs médicaux comportant des sources de rayonnement.

Quelles armes peut-on fabriquer à partir d’uranium appauvri ? Balles et noyaux pour projectiles perforants. Le calcul ici est le suivant. Plus le projectile est lourd, plus son énergie cinétique est élevée. Mais plus le projectile est gros, moins son impact est concentré. Alors nous avons besoin métaux lourds ayant une haute densité. Les balles sont en plomb (les chasseurs de l'Oural utilisaient autrefois également du platine natif, jusqu'à ce qu'ils réalisent qu'il s'agissait d'un métal précieux), tandis que les noyaux des coquilles sont en alliage de tungstène. Les écologistes soulignent que le plomb contamine le sol dans les lieux d'opérations militaires ou de chasse et qu'il serait préférable de le remplacer par quelque chose de moins nocif, par exemple le tungstène. Mais le tungstène n’est pas bon marché et l’uranium, de densité similaire, est un déchet nocif. Dans le même temps, la contamination admissible du sol et de l'eau par l'uranium est environ deux fois plus élevée que par le plomb. Cela se produit parce que la faible radioactivité de l'uranium appauvri (et elle est également 40 % inférieure à celle de l'uranium naturel) est négligée et qu'un facteur chimique vraiment dangereux est pris en compte : l'uranium, on s'en souvient, est toxique. Dans le même temps, sa densité est 1,7 fois supérieure à celle du plomb, ce qui signifie que la taille des balles d'uranium peut être réduite de moitié ; L'uranium est beaucoup plus réfractaire et dur que le plomb : il s'évapore moins lorsqu'il est tiré et lorsqu'il atteint une cible, il produit moins de microparticules. En général, une balle à l'uranium est moins polluante environnement que le plomb, cependant, une telle utilisation de l'uranium n'est pas connue avec certitude.

Mais on sait que des plaques d'uranium appauvri sont utilisées pour renforcer le blindage des chars américains (ceci est facilité par sa densité et son point de fusion élevés), ainsi qu'à la place de l'alliage de tungstène dans les noyaux des projectiles perforants. Le noyau d'uranium est également bon car l'uranium est pyrophorique : ses petites particules chaudes formées lors de l'impact avec l'armure s'enflamment et mettent le feu à tout ce qui l'entoure. Les deux applications sont considérées comme sans danger pour les radiations. Ainsi, le calcul a montré que même après avoir passé un an dans un char doté d'un blindage à l'uranium chargé de munitions à l'uranium, l'équipage ne recevrait qu'un quart de la dose autorisée. Et pour obtenir la dose annuelle admissible, vous devez visser ces munitions à la surface de la peau pendant 250 heures.

Des obus à noyau d'uranium - pour canons d'avion de 30 mm ou sous-calibres d'artillerie - ont été utilisés par les Américains lors de guerres récentes, à commencer par la campagne en Irak de 1991. Cette année-là, ils ont fait pleuvoir sur les unités blindées irakiennes au Koweït et, lors de leur retraite, 300 tonnes d'uranium appauvri, dont 250 tonnes, soit 780 000 cartouches, ont été tirées sur les canons des avions. En Bosnie-Herzégovine, lors du bombardement de l'armée de la Republika Srpska non reconnue, 2,75 tonnes d'uranium ont été dépensées, et lors du bombardement de l'armée yougoslave dans la région du Kosovo-Metohija, 8,5 tonnes, soit 31 000 cartouches. L'OMS étant alors préoccupée par les conséquences de l'utilisation de l'uranium, une surveillance a été effectuée. Il a montré qu'une salve était composée d'environ 300 cartouches, dont 80 % contenaient de l'uranium appauvri. 10 % ont touché des cibles et 82 % sont tombés à moins de 100 mètres d’elles. Le reste s'est dispersé dans un rayon de 1,85 km. Un obus qui a touché un char a brûlé et s'est transformé en aérosol ; l'obus à l'uranium a percé des cibles légères comme des véhicules blindés de transport de troupes. Ainsi, au maximum une tonne et demie d'obus pourraient se transformer en poussière d'uranium en Irak. Selon les experts du centre de recherche stratégique américain RAND Corporation, entre 10 et 35 % de l'uranium utilisé s'est transformé en aérosol. Asaf Durakovic, militant croate contre les munitions à l'uranium, qui a travaillé dans diverses organisations, depuis l'hôpital King Faisal de Riyad jusqu'au centre de recherche médicale sur l'uranium de Washington, estime que rien que dans le sud de l'Irak, en 1991, 3 à 6 tonnes de particules d'uranium submicroniques se sont formées. qui étaient dispersés sur une vaste zone, c'est-à-dire que la contamination à l'uranium y est comparable à celle de Tchernobyl.