Az utóbbi években az atomenergia témája egyre aktuálisabbá vált. Atomenergia előállításához általánosan elterjedt olyan anyagot használnak, mint az urán. Az aktinidák családjába tartozó kémiai elem.

Ennek az elemnek a kémiai aktivitása határozza meg azt a tényt, hogy nem szabad formában van jelen. Előállításához ásványi képződményeket, úgynevezett uránérceket használnak. Olyan mennyiségű üzemanyagot koncentrálnak, amely lehetővé teszi ennek a kémiai elemnek a kitermelését gazdaságilag ésszerűnek és jövedelmezőnek tekinteni. Jelenleg bolygónk beleiben ennek a fémnek a tartalma meghaladja az aranykészleteket 1000 alkalommal(cm. ). Általában ennek a kémiai elemnek a talajban való lerakódásai, vízi környezet a rockot pedig többre értékelik, mint 5 millió tonna.

Szabad állapotban az urán egy szürke-fehér fém, amelyet 3 allotróp módosulás jellemez: rombusz alakú kristályos, tetragonális és testközpontú köbös rácsok. Ennek a kémiai elemnek a forráspontja az 4200 °C.

Az urán kémiailag aktív anyag. Levegőben ez az elem lassan oxidálódik, könnyen oldódik savakban, reagál vízzel, de nem lép kölcsönhatásba lúgokkal.

Az oroszországi uránérceket általában különféle kritériumok szerint osztályozzák. Leggyakrabban az oktatás tekintetében különböznek egymástól. Igen, vannak endogén, exogén és metamorfogén ércek. Az első esetben ásványi képződményekről van szó, amelyek magas hőmérséklet, páratartalom és pegmatitolvadások hatására alakulnak ki. Exogén urán ásványképződmények felszíni körülmények között fordulnak elő. Közvetlenül a föld felszínén keletkezhetnek. Ez a talajvíz keringésének és az üledékek felhalmozódásának köszönhető. A kezdetben diszpergált urán újraeloszlása ​​következtében metamorfogén ásványképződmények jelennek meg.

Az urántartalom szintje szerint ezek a természetes képződmények lehetnek:

• szupergazdag (több mint 0,3%);
• gazdag (0,1-0,3%);
• magánszemélyek (0,05-0,1%);
• gyenge (0,03-0,05%);
• mérlegen kívüli (0,01-0,03%).

Az urán modern felhasználása

Ma az uránt leggyakrabban üzemanyagként használják rakétamotorokés atomreaktorok. Ennek az anyagnak a tulajdonságait figyelembe véve egy nukleáris fegyver erejét is növelni kívánják. Ezt a kémiai elemet a festészetben is használják. Aktívan használják sárga, zöld, barna és fekete pigmentként. Az uránból páncéltörő lövedékek magját is készítik.

Uránérc bányászata Oroszországban: mi kell ehhez?

A radioaktív ércek kitermelése három fő technológia alkalmazásával történik. Ha az érctelepek a földfelszínhez lehető legközelebb koncentrálódnak, akkor kitermelésükhöz külszíni technológiát szokás alkalmazni. Ez magában foglalja a buldózerek és kotrógépek használatát, amelyek nagy lyukakat ásnak, és a keletkező ásványokat dömperekbe töltik. Ezután elküldik a feldolgozó komplexumba.

Ha ez az ásványképződmény mélyen található, akkor a földalatti bányászati ​​technológiát szokás alkalmazni, amely legfeljebb 2 kilométer mély bányát hoz létre. A harmadik technológia jelentősen eltér az előzőektől. Az uránlelőhelyek fejlesztésére szolgáló talajba történő kilúgozás magában foglalja a kutak fúrását, amelyeken keresztül uránt pumpálnak a lelőhelyekbe. kénsav. Ezután egy másik kutat fúrnak, amely szükséges a kapott oldat szivattyúzásához a föld felszínére. Ezután egy szorpciós folyamaton megy keresztül, amely lehetővé teszi ennek a fémnek a sóit egy speciális gyantán összegyűjteni. Az SPV technológia utolsó szakasza a gyanta kénsavval történő ciklikus kezelése. Ennek a technológiának köszönhetően ennek a fémnek a koncentrációja maximális lesz.

Uránérc lelőhelyek Oroszországban

Oroszországot az uránércek bányászatában a világ egyik vezetőjének tartják. Az elmúlt néhány évtizedben Oroszország folyamatosan az első 7 vezető ország közé került ebben a mutatóban.

E természetes ásványi képződmények legnagyobb lelőhelyei a következők:

A világ legnagyobb uránbányászati ​​lelőhelyei - vezető országok

Ausztrália világelső az uránbányászat terén. A világ összes tartalékának több mint 30%-a koncentrálódik ebben az állapotban. A legnagyobb ausztrál lelőhelyek az Olympic Dam, a Beverly, a Ranger és a Honemoon.

Ausztrália fő versenytársa Kazahsztán, amely a világ üzemanyagtartalékának csaknem 12%-át tartalmazza. Kanada és Dél-Afrika a világ uránkészletének 11%-át tartalmazza, Namíbia - 8%, Brazília - 7%. Az első hetet Oroszország zárja 5%-kal. A vezetők listáján olyan országok is szerepelnek, mint Namíbia, Ukrajna és Kína.

A világ legnagyobb uránlelőhelyei a következők:

Terület	Egy ország	Indítsa el a feldolgozást
Olimpiai gát	Ausztrália	1988
Rossing	Namíbia	1976
McArthur folyó	Kanada	1999
Inkai	Kazahsztán	2007
Uralom	Dél-Afrika	2007
Vadőr	Ausztrália	1980
Kharasan	Kazahsztán	2008

Az uránérc készletei és termelési mennyiségei Oroszországban

Hazánkban a feltárt uránkészleteket több mint 400 ezer tonnára becsülik. Ugyanakkor az előre jelzett erőforrások több mint 830 ezer tonna. 2017-ben 16 uránlelőhely található Oroszországban. Sőt, 15 közülük Transbajkáliában koncentrálódik. A fő betét uránérc A Streltsovskoe ércmezőt tekintik. A legtöbb hazai lelőhelyen a termelés aknamódszerrel történik.

• Az uránt a 18. században fedezték fel. 1789-ben Martin Klaproth német tudósnak sikerült fémszerű uránt előállítania ércből. Érdekes módon ez a tudós a titán és a cirkónium felfedezője is.
• Az uránvegyületeket aktívan használják a fényképezés területén. Ezt az elemet a pozitívumok színezésére és a negatívok kiemelésére használják.
• A fő különbség az urán és más kémiai elemek között a természetes radioaktivitása. Az uránatomok hajlamosak egymástól függetlenül változni az idő múlásával. Ugyanakkor az emberi szem számára láthatatlan sugarakat bocsátanak ki. Ezeket a sugarakat 3 típusra osztják - gamma, béta alfa sugárzás(cm. ).

Az urán (U) egy 92-es rendszámú és 238,029 atomtömegű elem. A III. csoport radioaktív kémiai eleme periódusos táblázat Dmitrij Ivanovics Mengyelejev, az aktinidák családjába tartozik. Az urán nagyon nehéz (2,5-szer nehezebb a vasnál, több mint 1,5-szer nehezebb az ólomnál), ezüstös-fehér, fényes fém. Tiszta formájában valamivel puhább, mint az acél, képlékeny, rugalmas, enyhe paramágneses tulajdonságokkal rendelkezik.

A természetes urán három izotóp keverékéből áll: 238U (99,274%), felezési ideje 4,51∙109 év; 235U (0,702%), felezési ideje 7,13∙108 év; 234U (0,006%), felezési ideje 2,48∙105 év. Ez utóbbi izotóp nem elsődleges, hanem radiogén, a radioaktív 238U sorozat része. A 238U és 235U uránizotópok két radioaktív sorozat ősei. A sorozat utolsó elemei a 206Pb és 207Pb ólomizotópok.

Jelenleg az urán 23 mesterséges radioaktív izotópja ismert, tömegszámuk 217 és 242 között van. A „hosszú élettartamú” közülük a 233U, felezési ideje 1,62∙105 év. A tórium neutronos besugárzása eredményeként nyerik, és termikus neutronok hatására képes hasadni.

Az uránt 1789-ben fedezte fel Martin Heinrich Klaproth német kémikus ásványi szurokkeverékkel – „uránszurokkal” végzett kísérletei eredményeként. Az új elemet az Uránusz bolygó tiszteletére nevezték el, amelyet William Herschel nemrég fedezett fel (1781). A következő fél évszázadban a Klaproth által nyert anyagot fémnek tekintették, de 1841-ben ezt cáfolta Eugene Melchior Peligo francia kémikus, aki bebizonyította a német kémikus által nyert urán (UO2) oxidos természetét. Peligonak sikerült fémes uránt nyernie az UCl4 fémes káliummal való redukálásával, és meghatározta is atomtömegúj elem. Az uránnal és tulajdonságaival kapcsolatos ismeretek fejlesztésében a következő D. I. Mengyelejev volt - 1874-ben a kémiai elemek periodizációjáról általa kidolgozott elmélet alapján az uránt táblázata legtávolabbi cellájába helyezte. Az orosz vegyész megduplázta az urán korábban Peligo által meghatározott atomsúlyát (120), e feltételezések helyességét tizenkét évvel később Zimmermann német kémikus kísérletei is megerősítették.

Az urán évtizedekig csak a kémikusok és a természettudósok szűk körét érdekelte, felhasználása is korlátozott volt - üveg- és festékgyártás. Csak e fém radioaktivitásának felfedezésével (Henri Becquerel 1896-ban) kezdődött meg az uránércek ipari feldolgozása 1898-ban. Jóval később (1939) fedezték fel az atommaghasadás jelenségét, és 1942 óta az urán a fő nukleáris fűtőanyag.

Az urán legfontosabb tulajdonsága, hogy egyes izotópjainak magjai a neutronok befogásakor képesek hasadni, ennek eredményeként hatalmas energia szabadul fel. A 92-es számú elemnek ezt a tulajdonságát használják fel az energiaforrásként szolgáló atomreaktorokban, és az atombomba működésének alapja is. Az uránt a geológiában az ásványok és kőzetek korának meghatározására használják, a geológiai folyamatok sorrendjének meghatározására (geokronológia). Tekintettel arra, hogy a kőzetek különböző koncentrációjú uránt tartalmaznak, eltérő radioaktivitásúak. Ezt a tulajdonságot a kőzetek geofizikai módszerekkel történő azonosításakor használják. Ezt a módszert legszélesebb körben alkalmazzák a kőolajgeológiában a kutak geofizikai felmérései során. Az uránvegyületeket festékként használták porcelánfestéshez, valamint kerámia mázhoz és zománchoz (az oxidáció mértékétől függően sárga, barna, zöld és fekete színben festették), például a nátrium-uránát Na2U2O7 sárga pigmentként festmény.

Biológiai tulajdonságok

Az urán meglehetősen gyakori elem a biológiai környezetben; ennek a fémnek a koncentrátorait bizonyos típusú gombáknak és algáknak tekintik, amelyek a természetben az urán biológiai ciklusának láncába tartoznak a következő séma szerint: víz - vízi növények - halak - emberek. Így élelmiszerrel és vízzel az urán bejut az emberek és állatok szervezetébe, vagy inkább a gyomor-bél traktusba, ahol a bejutó könnyen oldódó vegyületek körülbelül egy százaléka, a nehezen oldódó vegyületeknek legfeljebb 0,1 százaléka szívódik fel. Ez az elem levegővel bejut a légzőrendszerbe és a tüdőbe, valamint a nyálkahártyákba és a bőrbe. A légutakban, és különösen a tüdőben a felszívódás sokkal intenzívebben megy végbe: a könnyen oldódó vegyületek 50%-ban, a nehezen oldódóak 20%-ban szívódnak fel. Így az urán kis mennyiségben (10-5 - 10-8%) található az állati és emberi szövetekben. A növényekben (száraz maradványban) az urán koncentrációja a talaj tartalmától függ, így 10-4%-os talajkoncentráció mellett a növény 1,5∙10-5%-ot vagy kevesebbet tartalmaz. Az urán eloszlása ​​a szövetek és szervek között egyenetlen, a felhalmozódás fő helyei a csontszövet (csontváz), a máj, a lép, a vesék, valamint a tüdő és a bronchopulmonalis nyirokcsomók (ha rosszul oldódó vegyületek kerülnek a tüdőbe). Az urán (karbonátok és fehérjékkel alkotott komplexek) meglehetősen gyorsan távozik a vérből. Az állatok és az emberek szerveiben és szöveteiben a 92. elem tartalma átlagosan 10-7%. Például a szarvasmarha vére 1∙10-8 g/ml uránt, az emberi vér pedig 4∙10-10 g/g uránt tartalmaz. A szarvasmarha mája 8∙10-8 g/g, emberben ugyanabban a szervben 6∙10-9 g/g; a szarvasmarha lépe 9∙10-8 g/g, emberben 4,7∙10-7 g/g. A szarvasmarhák izomszöveteiben 4∙10-11 g/g-ig halmozódik fel. Ezenkívül az emberi szervezetben a tüdőben 6,10-9-9,10-9 g/g urán található; a vesékben 5,3∙10-9 g/g (kérgi réteg) és 1,3∙10-8 g/g (medulláris réteg); csontszövetben 1∙10-9 g/g; csontvelőben 1∙10-8 g/g; hajban 1,3∙10-7 g/g. A csontokban található urán a csontszövet állandó besugárzását okozza (az urán csontvázból való teljes eltávolításának időtartama 600 nap). Ennek a fémnek a legkevesebb mennyisége az agyban és a szívben található (kb. 10-10 g/g). Mint korábban említettük, az urán fő módja a víz, az élelmiszer és a levegő bejutása a szervezetbe. A szervezetbe étellel és folyadékkal bejutó fém napi adagja 1,9∙10-6 g, levegővel - 7∙10-9 g. Az urán azonban minden nap kiürül a szervezetből: vizelettel 0,5∙10-7 g 5∙10-7 g-ig; ürülékkel 1,4∙10-6 g-tól 1,8∙10-6 g-ig. Hajhullás, köröm és elhalt hámréteg - 2∙10-8 g.

A tudósok szerint az urán kis mennyiségben szükséges az emberi test, az állatok és a növények normális működéséhez. A fiziológiában betöltött szerepe azonban még nem tisztázott. Megállapítást nyert, hogy a 92-es elem átlagos tartalma az emberi szervezetben körülbelül 9∙10-5 g (Nemzetközi Sugárvédelmi Bizottság). Igaz, ez a szám némileg ingadozik a különböző régiókban és területeken.

Annak ellenére, hogy egyelőre ismeretlen, de határozott biológiai szerepe az élő szervezetekben az urán továbbra is az egyik legveszélyesebb elem. Ez mindenekelőtt ennek a fémnek a toxikus hatásában nyilvánul meg, amely kémiai tulajdonságainak, különösen a vegyületek oldhatóságának köszönhető. Például az oldható vegyületek (uranil és mások) mérgezőbbek. Az uránnal és vegyületeivel való mérgezés leggyakrabban dúsító gyárakban, urán nyersanyagok kitermelésével és feldolgozásával foglalkozó vállalkozásokban és más olyan termelő létesítményekben történik, ahol az uránt technológiai folyamatokban vesznek részt.

A szervezetbe behatolva az urán abszolút minden szervre és szöveteikre hatással van, mivel a hatás sejtszinten történik: elnyomja az enzimek aktivitását. Elsősorban a vesék érintettek, ami a vizelet cukor- és fehérjeszintjének éles növekedésében, majd oliguria kialakulásában nyilvánul meg. A gyomor-bél traktus és a máj érintett. Az uránmérgezést akutra és krónikusra osztják, az utóbbi fokozatosan alakul ki, és lehet tünetmentes vagy enyhe tünetekkel. A későbbi krónikus mérgezés azonban vérképzőszervi rendellenességekhez vezet, idegrendszerés egyéb súlyos egészségügyi problémák.

Egy tonna gránitkő körülbelül 25 gramm uránt tartalmaz. Ennek a 25 grammnak a reaktorban történő elégetése során felszabaduló energia összemérhető azzal az energiával, amely 125 tonna szén elégetésekor nagy teljesítményű hőkazánok kemencéiben szabadul fel! Ezen adatok alapján feltételezhető, hogy a közeljövőben a gránit az ásványi tüzelőanyagok egyik fajtája lesz. Összességében a földkéreg viszonylag vékony, húsz kilométeres felületi rétege hozzávetőleg 1014 tonna uránt tartalmaz; energiaegyenértékre átszámítva az eredmény egyszerűen kolosszális adat - 2,36,1024 kilowattóra. Még az összes kifejlesztett, feltárt és javasolt fosszilis tüzelőanyag-lelőhely együtt sem képes ennek az energiának a milliomod részét sem biztosítani!

Ismeretes, hogy a hőkezelésnek alávetett uránötvözetek nagyobb hozamhatárral, kúszással és megnövekedett korrózióállósággal, valamint kevésbé hajlamosak a termékek alakjának megváltoztatására hőmérséklet-ingadozások és besugárzás hatására. Ezen elvek alapján a 20. század elején és egészen a harmincas évekig az uránt keményfém formájában használták a szerszámacélok előállításához. Ezenkívül egyes ötvözetekben a volfrám helyettesítésére használták, ami olcsóbb és hozzáférhetőbb volt. A ferrourán gyártásában az U részaránya elérte a 30%-ot. Igaz, a 20. század második harmadában az urán ilyen jellegű felhasználása semmivé vált.

Mint ismeretes, Földünk mélyén az urnaizotópok állandó bomlási folyamata zajlik. Tehát a tudósok kiszámították, hogy ennek a fémnek a földhéjba zárt teljes tömegéből való azonnali energiafelszabadulása több ezer fokos hőmérsékletre melegítené bolygónkat! Egy ilyen jelenség azonban szerencsére lehetetlen - elvégre a hő felszabadulása fokozatosan történik, amikor az urán és származékai magjai egy sor hosszú távú radioaktív átalakuláson mennek keresztül. Az ilyen átalakulások időtartamát az urán természetes izotópjainak felezési ideje alapján lehet megítélni, például 235U esetében 7108 év, 238U esetében pedig 4,51109 év. Az uránhő azonban jelentősen felmelegíti a Földet. Ha a Föld teljes tömege ugyanannyi uránt tartalmazna, mint a felső húsz kilométeres rétegben, akkor a bolygó hőmérséklete sokkal magasabb lenne, mint most. A Föld közepe felé haladva azonban az urán koncentrációja csökken.

Az atomreaktorokban a betöltött uránnak csak kis részét dolgozzák fel, ennek oka az üzemanyag hasadási termékekkel való salakosodása: 235U kiég, a láncreakció fokozatosan kialszik. Az üzemanyagrudak azonban továbbra is tele vannak nukleáris üzemanyaggal, amelyet újra el kell fogyasztani. Ehhez a régi fűtőelemeket szétszerelik és újrahasznosításra küldik - savakban feloldják, és a kapott oldatból extrakcióval vonják ki az uránt; az ártalmatlanítandó hasadási töredékek az oldatban maradnak. Így kiderül, hogy az uránipar gyakorlatilag hulladékmentes vegyipari termelés!

Az uránizotópok leválasztására szolgáló üzemek több tíz hektáros területet foglalnak el, és a porózus válaszfalak területe az üzem elválasztó kaszkádjaiban megközelítőleg azonos. Ennek oka az uránizotópok szétválasztására szolgáló diffúziós módszer bonyolultsága - elvégre ahhoz, hogy a 235U koncentrációját 0,72-ről 99%-ra emeljük, több ezer diffúziós lépésre van szükség!

Az urán-ólom módszerrel a geológusok megtudhatták a legősibb ásványok korát, a meteoritkőzetek tanulmányozása során meg tudták határozni bolygónk születésének hozzávetőleges időpontját. Az „uránórának” köszönhetően meghatározták a holdtalaj korát. Érdekes módon kiderült, hogy 3 milliárd éve nem volt vulkáni tevékenység a Holdon és természetes műhold A Föld passzív test marad. Hiszen a holdanyag legfiatalabb darabjai is tovább éltek, mint a legrégebbi szárazföldi ásványok kora.

Sztori

Az urán felhasználása nagyon régre nyúlik vissza – már a Kr.e. 1. században a természetes urán-oxidból kerámiák színezésére használt sárga mázt készítettek.

A modern időkben az urán tanulmányozása fokozatosan történt - több szakaszban, folyamatos növekedéssel. A kezdet az volt, hogy 1789-ben Martin Heinrich Klaproth német természetfilozófus és kémikus fedezte fel ezt az elemet, aki a szász szurokércből ("uránszurok") bányászott aranysárga „földet” fekete fémszerű anyaggá (urán) redukálta. oxid - UO2). A nevet az akkoriban ismert legtávolabbi bolygó - az Uránusz - tiszteletére adták, amelyet William Herschel fedezett fel 1781-ben. Ezen a ponton véget ér az új elem tanulmányozásának első szakasza (Klaproth biztos volt abban, hogy új fémet fedezett fel), és több mint ötven éves szünet következik.

Az 1840-es év egy új mérföldkő kezdetének tekinthető az uránkutatás történetében. Ettől az évtől fogva egy fiatal francia vegyész, Eugene Melchior Peligo (1811-1890) foglalkozott a fémurán megszerzésével; hamarosan (1841) sikerült is neki - a fémuránt az UCl4 fémes káliummal való redukálásával nyerték. Ezenkívül bebizonyította, hogy a Klaproth által felfedezett urán valójában csak annak oxidja. A francia meghatározta az új elem becsült atomsúlyát is - 120. Ezután ismét hosszú szünet következett az urán tulajdonságainak vizsgálatában.

Csak 1874-ben jelentek meg új feltevések az urán természetéről: Dmitrij Ivanovics Mengyelejev a kémiai elemek periodizációjáról általa kidolgozott elméletet követve egy új fémnek talál helyet a táblázatában, az uránt az utolsó cellába helyezve. Ráadásul Mengyelejev megduplázta az urán korábban feltételezett atomsúlyát, anélkül, hogy ebben is hibázott volna, amit Zimmermann német kémikus 12 évvel későbbi kísérletei is megerősítettek.

1896 óta egymás után „hullottak le” a felfedezések az urán tulajdonságainak vizsgálata terén: a fent említett évben egészen véletlenül (a kálium-uranil-szulfát kristályok foszforeszcenciáját vizsgálva) 43 éves fizika. Antoine Henri Becquerel professzor megnyitja a „Becquerel sugarait”, amelyet később Marie Curie radioaktivitásnak nevez el. Ugyanebben az évben Henri Moissan (ismét francia vegyész) módszert dolgoz ki tiszta uránfém előállítására.

Ernest Rutherford 1899-ben fedezte fel az uránkészítményekből származó sugárzás heterogenitását. Kiderült, hogy kétféle sugárzás létezik - alfa- és béta-sugarak, amelyek tulajdonságaikban különböznek: mást hordoznak elektromos töltés, eltérő úthosszúak az anyagban, és eltérő az ionizáló képességük is. Egy évvel később Paul Villar is felfedezte a gamma-sugarakat.

Ernest Rutherford és Frederick Soddy közösen dolgozták ki az urán radioaktivitásának elméletét. Ezen elmélet alapján 1907-ben Rutherford végezte el az első kísérleteket az ásványok korának meghatározására. radioaktív uránés tórium. 1913-ban F. Soddy bevezette az izotópok fogalmát (az ókori görög szóból: iso – „egyenlő”, „azonos” és topos – „hely”). 1920-ban ugyanez a tudós felvetette, hogy az izotópok segítségével meghatározható a kőzetek geológiai kora. Feltételezései helyesnek bizonyultak: 1939-ben Alfred Otto Karl Nier megalkotta az első korszámítási egyenleteket, és tömegspektrométert használt az izotópok szétválasztására.

1934-ben Enrico Fermi kísérletsorozatot hajtott végre a kémiai elemek neutronokkal történő bombázására – J. Chadwick által 1932-ben felfedezett részecskékkel. A művelet eredményeként az uránban korábban ismeretlen radioaktív anyagok jelentek meg. Fermi és más tudósok, akik részt vettek a kísérleteiben, azt javasolták, hogy felfedezték a transzurán elemeket. Négy éven keresztül próbálkoztak transzurán elemek kimutatására a neutronbombázás termékei között. Minden 1938-ban ért véget, amikor Otto Hahn és Fritz Strassmann német kémikusok megállapították, hogy egy szabad neutron befogásával a 235U uránizotóp magja felhasad, és (egy uránmagra vonatkoztatva) meglehetősen nagy mennyiségű energia szabadul fel, főleg kinetikai okokból. energiatöredékek és sugárzás. A német vegyészeknek nem sikerült továbblépniük. Lise Meitner és Otto Frisch alá tudták támasztani elméletüket. Ebből a felfedezésből indult ki az atomon belüli energia békés és katonai célú felhasználása.

A természetben lenni

Átlagos urántartalom földkéreg(clark) 3∙10-4 tömeg%, ez azt jelenti, hogy több van belőle a föld belsejében, mint ezüstből, higanyból, bizmutból. Az urán a földkéreg gránitrétegének és üledékes héjának jellegzetes eleme. Tehát egy tonna gránitban körülbelül 25 gramm 92-es elem van. Összesen egy viszonylag vékony, húsz kilométeres, felső réteg A Föld több mint 1000 tonna uránt tartalmaz. Savas magmás kőzetekben 3,5∙10-4%, agyagban és palában 3,2∙10-4%, különösen szerves anyagban dúsított, bázikus kőzetekben 5∙10-5%, a köpeny ultramafikus kőzeteiben 3∙10-7%. .

Az urán erőteljesen vándorol hideg és meleg, semleges és lúgos vizekben egyszerű és összetett ionok, különösen karbonátkomplexek formájában. A redoxreakciók fontos szerepet játszanak az urán geokémiájában, mindezt azért, mert az uránvegyületek általában jól oldódnak vízben, oxidáló környezetés redukáló környezetű vizekben (hidrogén-szulfid) rosszul oldódnak.

Több mint száz ásványi uránérc ismeretes, amelyek kémiai összetételükben, eredetükben és uránkoncentrációjukban különböznek egymástól, a teljes fajta közül csak egy tucatnyi gyakorlati érdekesség. A természetben a legnagyobb ipari jelentőségű urán fő képviselői az oxidok - uraninit és fajtái (szurok és uránfekete), valamint szilikátok - koffinit, titanátok - davidit és brannerit; víztartalmú foszfátok és uranil-arzenátok – uráncsillámok.

Az uraninit - UO2 túlnyomórészt az ősi - prekambriumi kőzetekben van jelen tiszta kristályos formák formájában. Az uraninit izomorf sorozatot képez a torianit ThO2-val és itttrocerianittal (Y,Ce)O2. Ezenkívül minden uraninit tartalmaz urán és tórium radiogén bomlástermékeit: K, Po, He, Ac, Pb, valamint Ca és Zn. Maga az uraninit egy magas hőmérsékletű ásvány, amely a gránit és szienit pegmatitokra jellemző, urán komplex niobát-tantál-titanátjaival (kolumbit, piroklór, szamarszkit és mások), cirkon és monacit társulva. Ezenkívül az uraninit hidrotermális, szkarn és üledékes kőzetekben fordul elő. Nagy uraninitlelőhelyek ismertek Kanadában, Afrikában, az Amerikai Egyesült Államokban, Franciaországban és Ausztráliában.

A szurokkeverék (U3O8), más néven uránkátrány vagy gyantakeverék, amely kriptokristályos kollomorf aggregátumokat képez - vulkáni és hidrotermikus ásvány, a paleozoikum és a fiatalabb, magas és közepes hőmérsékletű képződményekben van jelen. A szurokkeverék állandó műholdai a szulfidok, arzenidek, natív bizmut, arzén és ezüst, karbonátok és néhány más elem. Ezek az ércek nagyon gazdagok uránban, de rendkívül ritkák, gyakran rádium kíséri, ez könnyen megmagyarázható: a rádium az urán izotópos bomlásának közvetlen terméke.

Az uránfeketék (laza földes aggregátumok) főleg fiatal - kainozoikum és fiatalabb képződményekben jelennek meg, amelyek a hidrotermális szulfid-urán és üledékes lerakódásokra jellemzőek.

Az uránt melléktermékként 0,1%-nál kevesebbet tartalmazó ércekből is kivonják, például aranytartalmú konglomerátumokból.

Az uránércek fő lelőhelyei az USA-ban (Colorado, Észak- és Dél-Dakota), Kanadában (Ontario és Saskatchewan tartományok), Dél-Afrikában (Witwatersrand), Franciaországban (Közép-hegység), Ausztráliában (Északi Terület) és sok más országban találhatók. . Oroszországban az uránérc fő régiója Transbaikalia. Az orosz urán körülbelül 93%-át a Chita régióban (Krasnokamensk város közelében) található lelőhelyen bányászják.

Alkalmazás

A modern atomenergia egyszerűen elképzelhetetlen a 92-es számú elem és tulajdonságai nélkül. Bár nem is olyan régen - az első atomreaktor beindítása előtt - uránérceket bányásztak elsősorban azért, hogy kivonják belőlük a rádiumot. Kis mennyiségű uránvegyületet használtak egyes színezékekben és katalizátorokban. Valójában az uránt olyan elemnek tekintették, amelynek szinte semmi ipari jelentősége nem volt, és milyen gyökeresen megváltozott a helyzet az uránizotópok hasadási képességének felfedezése után! Ez a fém azonnal megkapta az 1. számú stratégiai nyersanyag státuszt.

Napjainkban az uránfém, valamint vegyületeinek fő alkalmazási területe az atomreaktorok üzemanyaga. Így az atomerőművek helyhez kötött reaktoraiban az uránizotópok alacsony dúsítású (természetes) keverékét, az erősáramú nukleáris létesítményekben és a gyorsneutronreaktorokban pedig uránt használnak. magas fokozat dúsítás.

A legszélesebb körben a 235U uránizotópot alkalmazzák, mert abban önfenntartó nukleáris láncreakció lehetséges, ami más uránizotópokra nem jellemző. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően a 235U-t nukleáris reaktorokban, valamint nukleáris fegyverekben üzemanyagként használják. A 235U izotóp elválasztása a természetes urántól azonban összetett és költséges technológiai probléma.

Az urán természetben legelterjedtebb izotópja, a 238U nagy energiájú neutronokkal bombázva hasadhat. Ennek az izotópnak ezt a tulajdonságát a termonukleáris fegyverek - a keletkező neutronok - erejének növelésére használják termonukleáris reakció. Ezenkívül a 239Pu plutónium izotópot a 238U izotópból nyerik, amely viszont atomreaktorokban és atombombában is használható.

BAN BEN Utóbbi időben Széles körben használják a reaktorokban tóriumból mesterségesen előállított 233U uránizotópot, amelyet egy atomreaktor neutronáramában lévő tórium besugárzásával nyernek:

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

233U hasadó termikus neutronok, ezenkívül a 233U reaktorokban a nukleáris üzemanyag kiterjesztett szaporodása is előfordulhat. Tehát amikor egy kilogramm 233U kiég egy tóriumreaktorban, 1,1 kg új 233U-nak kell felhalmozódnia benne (a tóriummagok neutronjainak befogása következtében). A közeljövőben a termikus neutronreaktorokban az urán-tórium ciklus lesz az urán-plutónium ciklus fő versenytársa a nukleáris üzemanyag gyorsneutronreaktorokban történő reprodukálásakor. Már léteznek és működnek az ezt a nuklidot üzemanyagként használó reaktorok (KAMINI Indiában). A 233U a gázfázisú nukleáris rakétahajtóművek legígéretesebb üzemanyaga is.

Az urán egyéb mesterséges izotópjai nem játszanak jelentős szerepet.

A „szükséges” 234U és 235U izotópok természetes uránból való kinyerése után a megmaradt nyersanyagot (238U) „szegényített uránnak” nevezik, fele olyan radioaktív, mint a természetes urán, elsősorban a 234U eltávolítása miatt. Mivel az urán fő felhasználása az energiatermelés, ezért a szegényített urán alacsony gazdasági értékű, kis felhasználású termék. Alacsony ára, valamint nagy sűrűsége és rendkívül nagy megfogási keresztmetszete miatt azonban a sugárvédelemés ballaszttömegként repülési alkalmazásokban, például vezérlőfelületeken repülőgép. Ezenkívül a szegényített uránt ballasztként használják űrhajókban és versenyjachtokban; nagy sebességű giroszkóp rotoroknál, nagy lendkerekeknél és olajkutak fúrásakor.

A szegényített uránt azonban a leghíresebb katonai alkalmazásokban használják – páncéltörő lövedékek magjaként és modern harckocsipáncélzatként, mint például az M-1 Abrams tank.

Az urán kevésbé ismert felhasználásai főként vegyületeiből állnak. Tehát kis mennyiségű urán hozzáadása gyönyörű sárgászöld fluoreszcenciát ad az üvegnek, egyes uránvegyületek fényérzékenyek, ezért az uranil-nitrátot széles körben használták a negatívok kiemelésére és a pozitívok (fényképnyomatok) barnára színezésére.

A nióbium-karbiddal és cirkónium-karbiddal ötvözött 235U karbidot nukleáris sugárhajtóművek üzemanyagaként használják. A vas és a szegényített urán ötvözeteit (238U) erős magnetostrikciós anyagként használják. A nátrium-uránát Na2U2O7 sárga pigmentként használták a festészetben, korábban uránvegyületeket használtak festékként porcelánra, valamint kerámia mázhoz és zománchoz (az oxidáció mértékétől függően sárga, barna, zöld és fekete színben festve) .

Termelés

Az uránt uránércekből nyerik, amelyek számos jellemzőben (képződési feltételek, „kontraszt”, hasznos szennyeződések tartalma stb.) jelentősen eltérnek egymástól, amelyek közül a legfontosabb az urán százalékos aránya. E kritérium szerint ötféle érctípust különböztetnek meg: nagyon gazdag (több mint 1% uránt tartalmaz); gazdag (1-0,5%); átlagos (0,5-0,25%); közönséges (0,25-0,1%) és szegényes (kevesebb, mint 0,1%). Ezt a fémet azonban még a 0,01-0,015% uránt tartalmazó ércekből is kivonják melléktermékként.

Az urán nyersanyagok fejlesztésének évei során számos módszert fejlesztettek ki az urán és az ércek elválasztására. Ez egyrészt az urán egyes területeken betöltött stratégiai fontosságából, másrészt a természetes megjelenési formáinak sokféleségéből adódik. A módszerek és nyersanyagok sokfélesége ellenére azonban minden urántermelés három szakaszból áll: az uránérc előzetes sűrítése; az urán kilúgozása és kellően tiszta uránvegyületek előállítása kicsapással, extrakcióval vagy ioncsere. Ezután a kapott urán céljától függően a terméket 235U izotóppal dúsítják, vagy azonnal elemi uránná redukálják.

Tehát az érc kezdetben koncentrálódik - a sziklát összezúzzák és vízzel töltik. Ebben az esetben a keverék nehezebb elemei gyorsabban ülepednek. Az elsődleges urán ásványokat tartalmazó kőzetekben ezek gyors kiválása következik be, mivel nagyon nehézek. A másodlagos uránásványokat tartalmazó ércek koncentrálásakor hulladékkőzet rakódik le, amely sokkal nehezebb, mint a másodlagos ásványok, de nagyon hasznos elemeket tartalmazhat.

Az uránérceket szinte soha nem dúsítják, kivéve a radiometrikus válogatás szerves módszerét, amely a rádium γ-sugárzásán alapul, amely mindig az uránt kíséri.

Az urántermelés következő szakasza a kilúgozás, így az urán oldatba kerül. Alapvetően az érceket kénsavas, néha salétromsav- vagy szódaoldatokkal kilúgozzák, az uránt savas oldattá UO2SO4 vagy komplex anionok formájában, és szódaoldattá 4-komplex anion formájában. A kénsavat használó módszer olcsóbb, azonban nem mindig alkalmazható, ha az alapanyag négy vegyértékű uránt (urángyantát) tartalmaz, amely kénsavban nem oldódik. Ilyen esetekben lúgos kilúgozást alkalmaznak, vagy a négyértékű uránt hat vegyértékű állapotba oxidálják. Magnezitet vagy dolomitot tartalmazó ércek kilúgozása során, amelyek feloldásához túl sok sav szükséges, nátronlúg használata javasolt.

A kilúgozási szakasz után az oldat nem csak uránt tartalmaz, hanem más elemeket is, amelyeket az uránhoz hasonlóan ugyanazokkal a szerves oldószerekkel vonnak ki, ugyanazokra az ioncserélő gyantákra rakják le, és azonos körülmények között kicsapódnak. Ilyen helyzetben az urán szelektív izolálásához sok redoxreakciót kell alkalmazni a nem kívánt elem különböző szakaszokban történő eltávolítása érdekében. Az ioncserélő és extrakciós módszerek egyik előnye, hogy az uránt eléggé teljesen kivonják a rossz oldatokból.

Az összes fenti művelet után az uránt szilárd halmazállapotúvá alakítják át - az egyik oxiddá vagy UF4-tetrafluoriddá. Az ilyen urán nagy termikus neutronbefogási keresztmetszetű szennyeződéseket tartalmaz - lítium, bór, kadmium és ritkaföldfémek. A végtermékben ezek tartalmuk nem haladhatja meg a százalék százezred és milliomod részét! Ehhez ismét feloldják az uránt, ezúttal salétromsavban. A tributil-foszfáttal és néhány más anyaggal végzett extrakció során az UO2(NO3)2 uranil-nitrátot az előírt szabványoknak megfelelően megtisztítják. Ezt az anyagot ezután kristályosítják (vagy kicsapják), és óvatosan kalcinálják. A művelet eredményeként UO3 urán-trioxid képződik, amely hidrogénnel redukálódik UO2-vé. 430 és 600 °C közötti hőmérsékleten az urán-oxid reakcióba lép száraz hidrogén-fluoriddal, és UF4-tetrafluoriddá alakul. Már ebből a vegyületből uránfémet általában kalcium vagy magnézium segítségével közönséges redukcióval nyernek.

Fizikai tulajdonságok

Az urán fém nagyon nehéz, két és félszer nehezebb a vasnál, és másfélszer nehezebb az ólomnál! Ez az egyik legtöbb nehéz elemek, amelyek a Föld beleiben raktározódnak. Ezüstfehér színével és fényével az urán az acélhoz hasonlít. Tiszta fém Műanyag, puha, nagy sűrűségű, ugyanakkor könnyen feldolgozható. Az urán elektropozitív és csekély paramágneses tulajdonságokkal rendelkezik - a fajlagos mágneses szuszceptibilitás szobahőmérsékleten 1,72·10 -6, alacsony az elektromos vezetőképessége, de nagy a reakcióképessége. Ennek az elemnek három allotróp módosulata van: α, β és γ. Az α-formának van egy ortorombikus kristályrácsa a következő paraméterekkel: a = 2,8538 Å, b = 5,8662 Å, c = 469557 Å. Ez a forma stabil a szobahőmérséklettől 667,7 °C-ig terjedő hőmérséklet-tartományban. Az urán α-formájú sűrűsége 25 °C-on 19,05 ± 0,2 g/cm 3 . A β-formának tetragonális kristályrácsa van, stabil a 667,7 °C és 774,8 °C közötti hőmérséklet-tartományban. A tetragonális rács paraméterei: a = 10,759 Å, b = 5,656 Å. Testközpontú köbös szerkezetű γ-forma, 774,8°C-tól olvadáspontig (1132°C) stabil.

Mindhárom fázis látható az urán visszanyerési folyamata során. Ehhez egy speciális berendezést használnak, amely egy varrat nélküli acélcső, amely kalcium-oxiddal van bélelve, ez azért szükséges, hogy a cső acélja ne lépjen kölcsönhatásba az uránnal. A készülékbe urán-tetrafluorid és magnézium (vagy kalcium) keverékét töltjük, majd 600 °C-ra melegítjük. Amikor ezt a hőmérsékletet elérjük, bekapcsoljuk az elektromos gyújtót, és a exoterm redukciós reakció, amelyben a betöltött keverék teljesen megolvad. A folyékony urán (hőmérséklet 1132 °C) súlya miatt teljesen lesüllyed az aljára. Az urán teljes lerakódása után a berendezés alján megkezdődik a hűtés, az urán kristályosodik, atomjai szigorú sorrendben helyezkednek el, köbös rácsot képezve - ez a γ-fázis. A következő átmenet 774 °C-on történik - kristálysejt a lehűlő fém tetragonálissá válik, ami a β-fázisnak felel meg. Amikor a tömb hőmérséklete 668 °C-ra csökken, az atomok ismét átrendezik soraikat, párhuzamos rétegekben hullámokban rendeződnek el - az α fázis. Továbbá nem történik változás.

Az urán fő paraméterei mindig az α fázisra vonatkoznak. Olvadáspont (olvadáspont) 1132°C, az urán forráspontja (tboiling) 3818°C. Fajlagos hőkapacitás szobahőmérsékleten 27,67 kJ/(kg·K) vagy 6,612 cal/(g·°С). Különleges elektromos ellenállás 25°C hőmérsékleten kb. 3·10 -7 ohm·cm, és már 600°С-on 5,5·10 -7 ohm·cm. Az urán hővezető képessége a hőmérséklet függvényében is változik: 100-200 °C tartományban 28,05 W/(m K) vagy 0,067 cal/(cm s °C), 400 °C-ra növelve pedig 29,72 W/(m K) 0,071 cal/(cm s °C) értékre nő. Az urán szupravezető képessége 0,68 K. Az átlagos Brinell-keménység 19,6-21,6·10 2 Mn/m 2 vagy 200-220 kgf/mm 2.

A 92. elem számos mechanikai tulajdonsága a tisztaságától, valamint a termikus és mechanikai kezelés módjától függ. Tehát az öntött uránhoz A szakítószilárdság szobahőmérsékleten 372-470 MN/m2 vagy 38-48 kgf/mm2, az átlagos rugalmassági modulus 20,5·10 -2 MN/m2 vagy 20,9·10 -3 kgf/mm2. Az urán erőssége a β- és γ-fázisból történő kioltás után növekszik.

Az urán besugárzása neutronfluxussal, kölcsönhatás fémes uránból készült vízhűtő fűtőelemekkel és egyéb működési tényezők nagy teljesítményű termikus neutronreaktorokban - mindez az urán fizikai és mechanikai tulajdonságainak megváltozásához vezet: a fém törékennyé válik, kúszik. fejlődik, és a fémuránból készült termékek deformálódnak. Emiatt uránötvözeteket, például molibdént használnak az atomreaktorokban; az ilyen ötvözet vízálló, megerősíti a fémet, fenntartva a magas hőmérsékletű köbös rácsot.

Kémiai tulajdonságok

Kémiailag az urán nagyon aktív fém. Levegőben oxidálódik, és a felületen egy irizáló UO2-dioxid film képződik, amely nem védi meg a fémet a további oxidációtól, ahogyan ez a titán, cirkónium és számos más fém esetében történik. Az urán oxigénnel UO2-dioxidot, UO3-trioxidot és nagyszámú köztes oxidot képez, amelyek közül a legfontosabb az U3O8, amelyek tulajdonságai hasonlóak az UO2-hoz és UO3-hoz. Porított állapotban az urán piroforos, és enyhe hevítésre (150 °C felett) meggyulladhat, az égést erős láng kíséri, végül U3O8 képződik. 500-600 °C hőmérsékleten az urán kölcsönhatásba lép a fluorral, vízben és savakban enyhén oldódó zöld tű alakú kristályokat képezve - urán-tetrafluorid UF4, valamint UF6 - hexafluorid (fehér kristályok, amelyek olvadás nélkül szublimálódnak a hőmérsékleten 56,4 °C). Az UF4 és az UF6 példák az urán és a halogének közötti kölcsönhatásra, amely uránhalogenideket képez. Az urán könnyen egyesül a kénnel, és számos vegyületet képez, amelyek közül legmagasabb érték USA - nukleáris üzemanyaggal rendelkezik. Az urán 220 °C-on hidrogénnel reagál, és az UH3 hidridet képezi, amely kémiailag nagyon aktív. További melegítés hatására az UH3 hidrogénre és porított uránra bomlik. A nitrogénnel való kölcsönhatás magasabb hőmérsékleten - 450-700 °C és légköri nyomás U4N7 nitridet kapunk, növekvő nitrogénnyomás mellett ugyanazon a hőmérsékleten UN, U2N3 és UN2 nyerhető. Magasabb hőmérsékleten (750-800 °C) az urán szénnel reagál, UC-monokarbidot, UC2-dikarbidot és U2C3-at képezve. Az urán vízzel reagál, UO2-t és H2-t képezve, valamint az hideg víz lassabb, de melegben aktívabb. Ezenkívül a reakció vízgőzzel is végbemegy 150-250 °C hőmérsékleten. Ez a fém sósavban és salétromsavban (HNO3) oldódik, erősen tömény hidrogén-fluoridban kevésbé aktívan, és lassan reagál a kénsavval H2SO4 és ortofoszforsavakkal H3PO4. A savakkal való reakciók termékei négy vegyértékű uránsók. Szervetlen savakból és egyes fémek sóiból (arany, platina, réz, ezüst, ón és higany) az urán képes kiszorítani a hidrogént. Az urán nem lép kölcsönhatásba lúgokkal.

A vegyületekben az urán a következő oxidációs állapotokat képes felmutatni: +3, +4, +5, +6, néha +2. U3+ be természeti viszonyok nem létezik, és csak laboratóriumban szerezhető be. Az ötvegyértékű urán vegyületei többnyire instabilak, és meglehetősen könnyen bomlanak négy- és hat vegyértékű uránvegyületekre, amelyek a legstabilabbak. A hat vegyértékű uránra jellemző az UO22+ uranilion képződése, amelynek sói elszíneződnek. sárgaés jól oldódnak vízben és ásványi savakban. A hat vegyértékű uránvegyületekre példa az urán-trioxid vagy az urán-anhidrid UO3 (narancssárga por), amely amfoter oxid. Savakban oldva sók keletkeznek, például urán-urán-klorid UO2Cl2. Amikor lúgok hatnak az uranil-sók oldataira, a H2UO4 uránsav-uránátok és a diuránsav H2U2O7-diuranátok sói, például nátrium-uránát Na2UO4 és nátrium-diuránát Na2U2O7 keletkeznek. A négyértékű urán sói (urán-tetraklorid UCl4) zöldek és kevésbé oldódnak. Nál nél hosszú tartózkodás A levegőben a négy vegyértékű uránt tartalmazó vegyületek általában instabilak, és hat vegyértékűekké alakulnak. Az uranil-sók, például az uranil-klorid lebomlanak jelenlétében erős fény vagy organikus.

A cikk tartalma

URÁNUSZ, U (urán), az aktinidák családjába tartozó fémkémiai elem, amely magában foglalja az Ac, Th, Pa, U és transzurán elemeket (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Az urán jelentőségre tett szert az atomfegyverekben és az atomenergiában való felhasználása miatt. Az urán-oxidokat üveg és kerámia színezésére is használják.

A természetben lenni.

A földkéreg urántartalma 0,003%, a föld felszíni rétegében négyféle lerakódás formájában található meg. Először is, ezek uraninit vagy uránszurok (urán-dioxid UO 2) erek, amelyek uránban nagyon gazdagok, de ritkák. Rádiumlerakódások kísérik őket, mivel a rádium az urán izotópos bomlásának közvetlen terméke. Ilyen erek találhatók Zaire-ben, Kanadában (Nagy Medve-tó), Csehországban és Franciaországban. A második uránforrás a tórium és uránércek konglomerátumai, valamint más fontos ásványok ércek. A konglomerátumok általában elegendő mennyiségű aranyat és ezüstöt tartalmaznak a kinyeréshez, az urán és a tórium társított elemei. Ezen ércek nagy lelőhelyei Kanadában, Dél-Afrikában, Oroszországban és Ausztráliában találhatók. A harmadik uránforrás a karnotitban (kálium-uranil-vanadát) gazdag üledékes kőzetek és homokkövek, amelyek az uránon kívül jelentős mennyiségű vanádiumot és egyéb elemeket is tartalmaznak. Ilyen ércek az Egyesült Államok nyugati államaiban találhatók. A vas-urán palák és foszfátércek alkotják a negyedik üledékforrást. Gazdag lelőhelyek találhatók Svédország palában. Néhány foszfátérc Marokkóban és az Egyesült Államokban jelentős mennyiségű uránt tartalmaz, az angolai és a közép-afrikai köztársasági foszfátlelőhelyek pedig még gazdagabbak uránban. A legtöbb lignit és néhány szén általában uránszennyeződést tartalmaz. Uránban gazdag lignitlelőhelyeket találtak Észak- és Dél-Dakotában (USA), bitumenes szenet pedig Spanyolországban és Csehországban.

Nyítás.

Az Uránuszt 1789-ben fedezte fel M. Klaproth német kémikus, aki az Uránusz bolygó nyolc évvel korábbi felfedezésének tiszteletére nevezte el az elemet. (Klaproth korának vezető kémikusa volt; más elemeket is felfedezett, köztük Ce-t, Tit-t és Zr-t.) Valójában a Klaproth által nyert anyag nem elemi urán volt, hanem annak oxidált formája, és az elemi uránt először a francia kémikus E. .Peligo 1841-ben. A felfedezés pillanatától egészen a XX. Az uránnak nem volt olyan jelentése, mint most, bár sok benne van fizikai tulajdonságok, és atomtömegés a sűrűséget határozták meg. 1896-ban A. Becquerel megállapította, hogy az uránsók olyan sugárzással rendelkeznek, amely megvilágítja a fényképezőlapot a sötétben. Ez a felfedezés késztette a vegyészeket a radioaktivitás kutatására, és 1898-ban a francia fizikusok házastársai, P. Curie és M. Sklodowska-Curie izolálták a radioaktív elemek polónium és rádium sóit, valamint E. Rutherford, F. Soddy, K. Fayans. és más tudósok kidolgozták a radioaktív bomlás elméletét, amely lefektette a modern nukleáris kémia és nukleáris energia alapjait.

Az urán első felhasználásai.

Bár az uránsók radioaktivitása ismert volt, érceit a század első harmadában csak a rádium kísérőanyagának előállítására használták, és az uránt nemkívánatos mellékterméknek tekintették. Felhasználása elsősorban a kerámiatechnológiában és a kohászatban összpontosult; Az urán-oxidokat széles körben használták az üveg színezésére a halványsárgától a sötétzöldig, ami hozzájárult az olcsó üveggyártás fejlődéséhez. Napjainkban ezen iparágak termékeit ultraibolya sugárzás hatására fluoreszkálóként azonosítják. Az első világháború alatt és röviddel azután az uránt keményfém formájában használták szerszámacélok előállításához, hasonlóan a Mo-hoz és W-hez; 4–8%-os uránium váltotta fel a volfrámot, amelynek előállítása akkoriban korlátozott volt. A szerszámacélok előállításához 1914–1926-ban évente több tonna ferrouránt állítottak elő, amely legfeljebb 30 tömegszázalék U-t tartalmazott, azonban ez az uránhasználat nem tartott sokáig.

Az urán modern felhasználása.

Az uránipar 1939-ben kezdett formát ölteni, amikor a 235 U uránizotóp hasadását végrehajtották, ami műszaki megvalósítás 1942 decemberében szabályozta az uránhasadás láncreakcióit. Ekkor született meg az atomkorszak, amikor az urán jelentéktelen elemből a társadalom egyik legfontosabb elemévé nőtte ki magát. Az urán katonai jelentősége az atombomba előállításában és az atomreaktorokban való üzemanyagként való felhasználása miatt csillagászatilag megnőtt az urán iránti kereslet. Érdekes az uránigény növekedésének kronológiája a Great Bear Lake (Kanada) üledéktörténete alapján. 1930-ban ebben a tóban fedezték fel a gyanta keveréket, az urán-oxidok keverékét, 1932-ben pedig rádiumtisztítási technológiát alakítottak ki ezen a területen. Minden tonna ércből (gyantakeverékből) 1 g rádiumot és körülbelül fél tonna mellékterméket, az uránkoncentrátumot kaptak. A rádium azonban kevés volt, bányászatát leállították. 1940 és 1942 között a fejlesztés újraindult, és megkezdték az uránérc szállítását az Egyesült Államokba. 1949-ben hasonló urántisztítást alkalmaztak, némi továbbfejlesztéssel tiszta UO 2 előállítására. Ez a termelés nőtt, és mára az egyik legnagyobb urángyártó létesítmény.

Tulajdonságok.

Az urán az egyik legnehezebb elem a természetben. A tiszta fém nagyon sűrű, képlékeny, elektropozitív, alacsony elektromos vezetőképességgel és nagyon reaktív.

Az uránnak három allotróp módosulata van: a-urán (ortorombikus kristályrács), szobahőmérséklettől 668 ° C-ig terjedő tartományban létezik; b-urán (tetragonális típusú összetett kristályrács), 668-774°C tartományban stabil; g-urán (testközpontú köbös kristályrács), 774°C-tól olvadáspontig (1132°C) stabil. Mivel az urán minden izotópja instabil, minden vegyülete radioaktivitást mutat.

Az urán izotópjai

A 238 U, 235 U, 234 U 99,3:0,7:0,0058 arányban fordul elő a természetben, a 236 U pedig nyomokban. Az összes többi uránizotóp 226 U-tól 242 U-ig mesterségesen nyerhető. A 235 U izotópnak van egy különösen fontos. Lassú (termikus) neutronok hatására osztódik, hatalmas energiát szabadít fel. 235 U teljes hasadása 2H 10 7 kWh h/kg „hőenergia-egyenérték” felszabadulását eredményezi. A 235 U hasadása nem csak nagy mennyiségű energia előállítására használható, hanem más fontos aktinid elemek szintetizálására is. Az urán természetes izotópja felhasználható atomreaktorokban 235 U hasadásakor keletkező neutronok előállítására, míg a láncreakcióhoz nem szükséges neutronfeleslegeket egy másik természetes izotóp fogja be, ami plutónium termelést eredményez:

Amikor 238 U-t gyors neutronokkal bombázzák, a következő reakciók lépnek fel:

E séma szerint a legelterjedtebb 238 U izotóp plutónium-239-é alakítható, amely a 235 U-hoz hasonlóan szintén képes a lassú neutronok hatására hasadni.

Jelenleg érkezett nagy szám az urán mesterséges izotópjai. Közülük a 233 U különösen figyelemre méltó, mert a lassú neutronokkal való kölcsönhatás során is hasad.

Az urán néhány más mesterséges izotópját gyakran használják radioaktív nyomjelzőként a kémiai és fizikai kutatásokban; ez mindenekelőtt b- emitter 237 U és a- emitter 232 U.

Kapcsolatok.

Az urán, egy nagyon reaktív fém, oxidációs állapota +3 és +6 között van, az aktivitási sorozatban közel áll a berilliumhoz, kölcsönhatásba lép minden nemfémmel és intermetallikus vegyületeket képez Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn és Zn. A finomra zúzott urán különösen reaktív, és 500 °C feletti hőmérsékleten gyakran az urán-hidridre jellemző reakciókba lép. A darabos urán vagy forgács 700-1000°C-on fényesen ég, az urángőz pedig már 150-250°C-on ég; az urán 200-400°C-on reagál a HF-el, UF 4 és H 2 képződve. Az urán tömény HF-ben vagy H 2 SO 4-ben és 85% H 3 PO 4-ben lassan oldódik még 90 °C-on is, de könnyen reagál tömény hidrogénnel. HCl és kevésbé aktív HBr vagy HI esetén. Az urán legaktívabb és leggyorsabb reakciója a híg és tömény HNO 3-mal az uranil-nitrát képződésével megy végbe. lásd alább). HCl jelenlétében az urán gyorsan feloldódik szerves savakban, szerves U4+ sókat képezve. Az urán az oxidáció mértékétől függően többféle sót képez (közülük a legfontosabbak az U 4+ sók, az egyik az UCl 4 egy könnyen oxidálódó zöldsó); Az UO 2 (NO 3) 2 típusú uranil-sók (UO 2 2+ gyök) sárga színűek és zölden fluoreszkálnak. Az uranil-sók az UO 3 (sárga színű) amfoter-oxid savas közegben való feloldásával képződnek. Lúgos környezetben az UO 3 uránátokat képez, például Na 2 UO 4 vagy Na 2 U 2 O 7. Ez utóbbi vegyületet („sárga uranil”) porcelánmázak és fluoreszkáló üvegek gyártására használják.

Az urán-halogenideket széles körben tanulmányozták 1940–1950-ben, mivel azokat az uránizotópok elválasztására szolgáló módszerek kidolgozására használták atombomba vagy atomreaktor számára. Az UF 3 urán-trifluoridot UF 4 hidrogénnel történő redukciójával, az UF 4 urán-tetrafluoridot pedig különféle módokon HF oxidokkal, például UO 3 vagy U 3 O 8 reakciójával vagy uranilvegyületek elektrolitikus redukciójával nyerik. Az UF 6 urán-hexafluoridot U vagy UF 4 elemi fluorral történő fluorozásával vagy oxigén UF 4 -re gyakorolt ​​hatására állítják elő. A hexafluorid 64 °C-on (1137 Hgmm) magas törésmutatójú átlátszó kristályokat képez; a vegyület illékony (normál nyomáson 56,54 °C-on szublimál). Az urán-oxohalogenidek, például az oxofluoridok összetétele UO 2 F 2 (uranil-fluorid), UOF 2 (urán-oxid-difluorid).

Normál körülmények között az urán radioaktív elem egy nagy atomi (molekula) tömegű fém - 238,02891 g/mol. E mutató szerint a második helyen áll, mert Az egyetlen, ami nehezebb nála, az a plutónium. Az urántermelés számos technológiai művelet egymás utáni végrehajtásához kapcsolódik:

• a kőzet koncentrációja, aprítása és a nehéz frakciók vízben való ülepedése
• koncentrátum kilúgozás vagy oxigén öblítés
• urán átalakítása szilárd halmazállapotúvá (oxid vagy tetrafluorid UF 4)
• uranil-nitrát UO 2 (NO 3) 2 előállítása a nyersanyag salétromsavban való feloldásával
• kristályosítás és kalcinálás UO 3 -oxid előállítására
• hidrogénnel redukálva UO 2-t kapunk
• UF 4 tetrafluorid előállítása hidrogén-fluorid gáz hozzáadásával
• az urán fém redukciója magnézium vagy kalcium alkalmazásával

Urán ásványok

A leggyakoribb U-ásványok:

• A szurokkeverék (uraninit) a leghíresebb oxid, amelyet „nehézvíznek” neveznek.
• karnotit
• Tyuyamunit
• Torburnit
• Samarskit
• Brannerit
• Kasolite
• Rágalom

Urántermelés

A világ uránpiacának egyik vezető szerepet betöltő orosz Rosatom vállalata szerint 2014-ben több mint 3 ezer tonna uránt bányásztak a bolygón. Ugyanakkor ennek az állami vállalatnak a bányászati ​​részlegének képviselői szerint ennek a fémnek az oroszországi készleteinek mennyisége 727,2 ezer tonna (3. hely a világon), ami hosszú évtizedekig garantálja a szükséges nyersanyagok megszakítás nélküli ellátását. .

Az urán fő kémiai tulajdonságait a táblázat tartalmazza:

Az U elem a kúriumhoz és a plutóniumhoz hasonlóan az aktinidák családjába tartozó mesterségesen előállított elem. Kémiai tulajdonságai sok tekintetben hasonlóak a wolfram, molibdén és króm tulajdonságaihoz. Az uránt változó vegyérték jellemzi, valamint hajlamos (UO 2) + 2 - uranil képződésére, amely összetett ion.

Urándúsítási módszerek

Mint ismeretes, a természetes U 3 izotópot tartalmaz:

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

Az urándúsítás a 235U izotóp arányának növekedését jelenti a fémben - az egyetlen, amely képes önálló nukleáris láncreakcióra.

Az urán dúsításának megértéséhez figyelembe kell venni a dúsítás mértékét:

• tartalom 0,72% - egyes teljesítményreaktorokban használható
• 2-5% – a legtöbb teljesítményreaktorban használják
• 20%-ig (alacsony dúsítású) – kísérleti reaktorokhoz
• több mint 20% (nagyon dúsított vagy fegyveres minőségű) – atomreaktorok, fegyverek.

Hogyan dúsítják az uránt? Számos módszer létezik az urándúsításra, de a legalkalmasabbak a következők:

• elektromágneses – gyorsulás elemi részecskék speciális gyorsítóban és csavarásukat mágneses térben
• aerodinamikai – urángáz fújása speciális fúvókákon keresztül
• gázcentrifugálás - a centrifugában lévő urángáz elmozdul, és tehetetlenségből a nehéz molekulákat a centrifuga falai felé tolja
• urándúsítás gázdiffúziós módszere - könnyű uránizotópok „szitálása” speciális membránok kis pórusain keresztül

Az urán fő alkalmazása az atomreaktorok, reaktorok üzemanyaga atomerőművek, atomerőművek. Ezenkívül a 235U izotópot nukleáris fegyverekben használják, míg a dúsítatlan fém nagy arányban 238U lehetővé teszi a másodlagos nukleáris üzemanyag - plutónium - előállítását.

Honnan származott az urán? Valószínűleg szupernóva-robbanások során jelenik meg. A helyzet az, hogy a vasnál nehezebb elemek nukleoszintéziséhez erőteljes neutronáramlásnak kell lennie, ami pontosan egy szupernóva-robbanás során következik be. Úgy tűnik, hogy az általa alkotott új csillagrendszerek felhőjéből való kondenzáció során a protoplanetáris felhőben összegyűlt és nagyon nehéz uránnak a bolygók mélyére kell süllyednie. De ez nem igaz. Az urán radioaktív elem, és ha bomlik, hőt bocsát ki. A számítások azt mutatják, hogy ha az urán egyenletesen oszlik el a bolygó teljes vastagságában, legalább olyan koncentrációban, mint a felszínen, akkor túl sok hőt bocsátana ki. Ezen túlmenően, áramlásának gyengülnie kell az urán fogyasztásával. Mivel semmi ilyesmit nem figyeltek meg, a geológusok úgy vélik, hogy az uránnak legalább egyharmada, és talán az egésze a földkéregben koncentrálódik, ahol a tartalma 2,5∙10-4%. Hogy ez miért történt, arról nem esik szó.

Hol bányásznak uránt? Nem is olyan kevés az urán a Földön – bőségét tekintve a 38. helyen áll. És ennek az elemnek a nagy része üledékes kőzetekben található - széntartalmú palákban és foszforitokban: 8∙10 –3 és 2,5∙10 –2%-ig. Összességében a földkéreg 10 14 tonna uránt tartalmaz, de a fő probléma az, hogy nagyon szétszórt és nem képez erőteljes lerakódásokat. Körülbelül 15 urán ásványnak van ipari jelentősége. Ez az uránkátrány - alapja négy vegyértékű urán-oxid, uráncsillám - különféle szilikátok, foszfátok és összetettebb vegyületek vanádiummal vagy titánnal hat vegyértékű urán alapú.

Mik a Becquerel-sugarak? Miután Wolfgang Roentgen felfedezte a röntgensugárzást, Antoine-Henri Becquerel francia fizikus érdeklődni kezdett az uránsók izzása iránt, amely a napfény hatására jön létre. Meg akarta érteni, hogy itt is vannak-e röntgensugarak. Valóban jelen voltak – a só megvilágította a fényképezőlapot a fekete papíron keresztül. Az egyik kísérletben azonban a sót nem világították meg, de a fényképezőlap így is elsötétült. Amikor egy fémtárgyat helyeztek a só és a fényképezőlap közé, kisebb volt alatta a sötétedés. Ezért az urán fény általi gerjesztése miatt nem keletkeztek új sugarak, és részben nem haladtak át a fémen. Eredetileg Becquerel sugarainak hívták őket. Később kiderült, hogy ezek főként alfa-sugarak, kis mennyiségű béta-sugarak hozzáadásával: tény, hogy az urán fő izotópjai a bomlás során alfa-részecskét bocsátanak ki, és a leánytermékek is béta-bomlást tapasztalnak.

Mennyire radioaktív az urán? Az uránnak nincsenek stabil izotópjai, mindegyik radioaktív. A leghosszabb életű az urán-238, felezési ideje 4,4 milliárd év. Ezután következik az urán-235 - 0,7 milliárd év. Mindketten alfa-bomláson mennek keresztül, és a tórium megfelelő izotópjává válnak. Az urán-238 az összes természetes urán több mint 99%-át teszi ki. Hatalmas felezési ideje miatt ennek az elemnek a radioaktivitása alacsony, ráadásul az alfa-részecskék nem képesek áthatolni az emberi test felszínén található stratum corneum-on. Azt mondják, hogy miután uránnal dolgozott, I. V. Kurchatov egyszerűen megtörölte a kezét egy zsebkendővel, és nem szenvedett semmilyen radioaktivitással kapcsolatos betegségben.

A kutatók többször fordultak az uránbányákban és -feldolgozó üzemekben dolgozók betegségeinek statisztikájához. Itt van például egy nemrégiben megjelent kanadai és amerikai szakemberek cikke, akik több mint 17 ezer dolgozó egészségügyi adatait elemezték a kanadai Saskatchewan tartományban található Eldorado bányában az 1950–1999. Környezetkutatás, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Abból indultak ki, hogy a sugárzásnak van a legerősebb hatása a gyorsan szaporodó vérsejtekre, ami a megfelelő típusú rák kialakulásához vezet. A statisztikák azt mutatják, hogy a bányamunkásoknál ritkábban fordulnak elő különböző típusú vérrákok, mint az átlagos kanadai lakosság körében. Ebben az esetben a fő sugárforrásnak nem magát az uránt tekintjük, hanem az általa generált gáznemű radont és annak bomlástermékeit, amelyek a tüdőn keresztül juthatnak a szervezetbe.

Miért káros az urán?? Más nehézfémekhez hasonlóan erősen mérgező, vese- és májelégtelenséget okozhat. Másrészt az urán, mint diszpergált elem, elkerülhetetlenül jelen van a vízben, a talajban és koncentrálódva tápláléklánc, bejut az emberi szervezetbe. Joggal feltételezhető, hogy az evolúció során az élőlények megtanulták semlegesíteni az uránt természetes koncentrációban. A vízben az urán a legveszélyesebb, ezért a WHO határt szabott: kezdetben 15 µg/l volt, de 2011-ben a normát 30 µg/g-ra emelték. Általában sokkal kevesebb urán van a vízben: az USA-ban átlagosan 6,7 µg/l, Kínában és Franciaországban 2,2 µg/l. De vannak erős eltérések is. Kalifornia egyes területein tehát százszorosa a szabványnak - 2,5 mg/l, Dél-Finnországban pedig eléri a 7,8 mg/l-t. A kutatók az urán állatokra gyakorolt ​​hatásának vizsgálatával próbálják megérteni, hogy a WHO-szabvány túl szigorú-e. Itt van egy tipikus munka ( BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Francia tudósok a patkányokat kilenc hónapig szegényített urán adalékanyagokkal etették vízzel, és viszonylag magas koncentrációban - 0,2-120 mg/l. Az alsó érték a bánya közelében lévő víz, míg a felső érték sehol sem található - az urán maximális koncentrációja Finnországban mérve 20 mg/l. A szerzők meglepetésére - a cikk neve: "Az urán észrevehető hatásának váratlan hiánya a fiziológiai rendszerekre ..." - az uránnak gyakorlatilag nem volt hatása a patkányok egészségére. Az állatok jól ettek, rendesen híztak, nem panaszkodtak betegségekre és nem haltak meg rákban. Az urán – ahogy kell – elsősorban a vesében és a csontokban, százszor kisebb mennyiségben a májban rakódott le, felhalmozódása pedig várhatóan a víz tartalmától függött. Ez azonban nem vezetett veseelégtelenséghez, vagy még csak a gyulladás molekuláris markereinek észrevehető megjelenéséhez sem. A szerzők azt javasolták, hogy kezdjék meg a WHO szigorú irányelveinek felülvizsgálatát. Van azonban egy figyelmeztetés: az agyra gyakorolt ​​hatás. A patkányok agyában kevesebb urán volt, mint a májban, de tartalma nem függött a víz mennyiségétől. Az urán azonban befolyásolta az agy antioxidáns rendszerének működését: a kataláz aktivitása 20%-kal, a glutation-peroxidáz aktivitása 68-90%-kal, a szuperoxid-diszmutáz aktivitása pedig 50%-kal csökkent dózistól függetlenül. Ez azt jelenti, hogy az urán egyértelműen oxidatív stresszt okozott az agyban, és a szervezet reagált rá. Ezt a hatást - egyébként az urán erős hatását az agyra, annak felhalmozódása hiányában, valamint a nemi szervekben - korábban is észlelték. Sőt, 75-150 mg/l koncentrációjú urános víz, amellyel a Nebraska Egyetem kutatói hat hónapig etettek patkányokat ( Neurotoxikológia és teratológia, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001) hatással volt a pályára engedett állatok, főleg hímek viselkedésére: átlépték a vonalakat, felálltak a hátsó lábukra, és másképp ápolta a bundájukat, mint a kontroll állatok. Bizonyíték van arra, hogy az urán az állatok memóriazavarához is vezet. A viselkedésbeli változások összefüggést mutattak az agy lipidoxidációjának szintjével. Kiderült, hogy az uránvíz egészségessé tette a patkányokat, de inkább butává. Ezek az adatok hasznosak lesznek számunkra az úgynevezett Öbölháború-szindróma elemzésében.

Beszennyezi-e az urán a palagáz-fejlesztő helyeket? Ez attól függ, hogy mennyi urán van a gáztartalmú kőzetekben, és hogyan kapcsolódik hozzájuk. Például Tracy Bank, a Buffalo Egyetem docense tanulmányozta a Marcellus Shale-t, amely New York nyugati részétől Pennsylvanián és Ohión át Nyugat-Virginiáig terjed. Kiderült, hogy az urán kémiailag pontosan a szénhidrogén-forráshoz kapcsolódik (ne felejtsük el, hogy a rokon széntartalmú palák rendelkeznek a legmagasabb urántartalommal). Kísérletek kimutatták, hogy a repesztés során használt oldat tökéletesen oldja az uránt. „Amikor ezekben a vizekben az urán eléri a felszínt, szennyezheti a környező területet. Ez nem jelent sugárzási kockázatot, de az urán mérgező elem” – jegyzi meg Tracy Bank egy 2010. október 25-i egyetemi sajtóközleményben. A palagáz kitermelése során uránnal vagy tóriummal történő környezetszennyezés kockázatáról még nem készült részletes cikk.

Miért van szükség uránra? Korábban pigmentként használták kerámiák és színes üvegek készítéséhez. Ma az urán az atomenergia és az atomfegyverek alapja. Ebben az esetben azt használják egyedi ingatlan- az atommag osztódási képessége.

Mi az atommaghasadás? Az atommag bomlása két egyenlőtlen nagy darabra. Ennek a tulajdonságának köszönhető, hogy a neutronbesugárzás hatására a nukleoszintézis során nagy nehézségek árán keletkeznek az uránnál nehezebb atommagok. A jelenség lényege a következő. Ha az atommagban a neutronok és a protonok számának aránya nem optimális, az instabillá válik. Általában egy ilyen atommag egy alfa-részecskét - két protont és két neutront, vagy egy béta-részecskét - egy pozitront bocsát ki, amelyet az egyik neutron protonná történő átalakulása kísér. Az első esetben a periódusos rendszer egy elemét kapjuk, két cellával hátrafelé, a másodikban egy cellával előre. Az alfa- és béta-részecskék kibocsátása mellett azonban az uránmag hasadásra is képes - a periódusos rendszer közepén lévő két elem, például a bárium és a kripton magjaira bomlik, amit új neutron fogadása után meg is tesz. Ezt a jelenséget nem sokkal a radioaktivitás felfedezése után fedezték fel, amikor a fizikusok mindennek kitették az újonnan felfedezett sugárzást. Így ír erről Otto Frisch, az események egyik résztvevője („Sikerek fizikai tudományok ", 1968, 96, 4). A berillium sugarak - neutronok - felfedezése után Enrico Fermi uránt sugárzott be velük, különösen béta-bomlás előidézésére - remélte, hogy felhasználhatja a következő, 93. elemet, amelyet ma neptuniumnak hívnak. Ő volt az, aki felfedezett egy új típusú radioaktivitást a besugárzott uránban, amit a transzurán elemek megjelenésével társított. Ugyanakkor a neutronok lassítása, amelyeknél a berilliumforrást paraffinréteg borította, növelte ezt az indukált radioaktivitást. Aristide von Grosse amerikai rádiókémikus azt javasolta, hogy ezen elemek egyike a protactinium, de tévedett. Otto Hahn azonban, aki akkor a Bécsi Egyetemen dolgozott, és az 1917-ben felfedezett protactiniumot az ötletének tartotta, úgy döntött, hogy köteles kideríteni, milyen elemeket kaptak. Lise Meitnerrel együtt 1938 elején Hahn kísérleti eredmények alapján azt javasolta, hogy az urán-238 és leányelemei neutronelnyelő magjainak többszörös béta-bomlása következtében radioaktív elemek teljes láncai jönnek létre. Hamarosan Lise Meitner kénytelen volt Svédországba menekülni, félve a nácik esetleges megtorlásától az osztrák anschluss után. Hahn, folytatva Fritz Strassmann-nal végzett kísérleteit, felfedezte, hogy a termékek között van bárium, az 56-os elem is, amely uránból semmiképpen sem nyerhető: az urán alfa-bomlási láncai sokkal nehezebb ólommal végződnek. A kutatókat annyira meglepte az eredmény, hogy nem tették közzé, csak leveleket írtak barátoknak, különösen Lise Meitnernek Göteborgban. Ott 1938 karácsonyán meglátogatta unokaöccse, Otto Frisch, és a téli város környékén sétálva - ő sílécen, a néni gyalogosan - megbeszélték a bárium megjelenésének lehetőségét az uránbesugárzás során. maghasadás eredménye (további információért Lise Meitnerről lásd: „Kémia és élet”, 2013, 4. szám). Visszatérve Koppenhágába, Frisch szó szerint elkapta Niels Bohrt az Egyesült Államokba induló hajó folyosóján, és elmondta neki a hasadás gondolatát. Bohr homlokon csapva azt mondta: „Ó, micsoda bolondok voltunk! Ezt korábban észre kellett volna vennünk." 1939 januárjában Frisch és Meitner cikket publikált az uránmagok neutronok hatására történő hasadásáról. Otto Frisch addigra már végzett egy kontrollkísérletet, valamint sok amerikai csoport, akik megkapták az üzenetet Bohrtól. Azt mondják, hogy a fizikusok rögtön az 1939. január 26-i washingtoni, az elméleti fizika éves konferenciáján tartott jelentése alatt kezdtek szétszóródni laboratóriumaikba, amikor felfogták az ötlet lényegét. A hasadás felfedezése után Hahn és Strassmann felülvizsgálták kísérleteiket, és kollégáikhoz hasonlóan megállapították, hogy a besugárzott urán radioaktivitása nem a transzuránokhoz, hanem a hasadás során keletkező radioaktív elemek bomlásához kapcsolódik a periódusos rendszer közepéről.

Hogyan megy végbe a láncreakció az uránban? Nem sokkal azután, hogy kísérletileg bebizonyosodott az urán- és tóriummagok hasadásának lehetősége (és nincs más hasadó elem a Földön jelentős mennyiségben), a Princetonban dolgozó Niels Bohr és John Wheeler, valamint tőlük függetlenül a Ya. I. Frenkel szovjet elméleti fizikus, valamint a németek Siegfried Flügge és Gottfried von Droste alkották meg az atommaghasadás elméletét. Ebből két mechanizmus következett. Az egyik a gyors neutronok abszorpciós küszöbértékével kapcsolatos. Eszerint a hasadás megindításához egy neutronnak meglehetősen nagy energiával kell rendelkeznie, több mint 1 MeV a fő izotópok - az urán-238 és a tórium-232 - magjaihoz. Kisebb energiáknál az urán-238 neutronabszorpciója rezonáns jellegű. Így egy 25 eV energiájú neutron befogási keresztmetszete több ezerszer nagyobb, mint más energiáké. Ebben az esetben nem lesz hasadás: az urán-238-ból urán-239 lesz, amely 23,54 perces felezési idejével neptunium-239-gé alakul, amely 2,33 napos felezési idejével hosszú élettartamúvá válik. plutónium-239. A tórium-232 urán-233 lesz.

A második mechanizmus egy neutron küszöbérték nélküli abszorpciója, ezt követi a harmadik többé-kevésbé elterjedt hasadó izotóp - az urán-235 (valamint a plutónium-239 és urán-233, amelyek nem találhatók meg a természetben): elnyel minden neutront, még a lassút is, az úgynevezett termikus energiával, mint az érintett molekulákban hőmozgás, - 0,025 eV, egy ilyen mag felhasad. És ez nagyon jó: a termikus neutronok befogási keresztmetszete négyszer nagyobb, mint a gyors, megaelektronvoltos neutronoké. Ez az urán-235 jelentősége az atomenergia egész későbbi történetében: ez biztosítja a neutronok szaporodását a természetes uránban. Miután egy neutron eltalálta, az urán-235 atommag instabillá válik, és gyorsan két egyenlőtlen részre szakad. Útközben több (átlagosan 2,75) új neutront bocsátanak ki. Ha ugyanazon urán atommagjaiba esnek, neutronszaporodást okoznak geometriai progresszió- láncreakció lép fel, amely robbanáshoz vezet a hatalmas mennyiségű hő gyors felszabadulása miatt. Sem az urán-238, sem a tórium-232 nem tud így működni: a hasadás során ugyanis a neutronok átlagosan 1-3 MeV energiával bocsátódnak ki, vagyis ha van 1 MeV-os energiaküszöb, akkor a maghasadás jelentős része a neutronok biztosan nem tudnak reakciót kiváltani, és nem lesz szaporodás. Ez azt jelenti, hogy ezeket az izotópokat el kell felejteni, és a neutronokat hőenergiává kell lassítani, hogy a lehető leghatékonyabban kölcsönhatásba lépjenek az urán-235 atommagjaival. Ugyanakkor nem engedhető meg az urán-238 általi rezonáns abszorpciójuk: a természetes uránban ez az izotóp valamivel kevesebb, mint 99,3%, és a neutronok gyakrabban ütköznek vele, és nem a cél urán-235-tel. A moderátor szerepével pedig állandó szinten tartható a neutronszaporodás, és megelőzhető a robbanás – szabályozható a láncreakció.

Ya. B. Zeldovich és Yu. B. Khariton ugyanabban a végzetes 1939-es évben végzett számítása azt mutatta, hogy ehhez nehézvíz vagy grafit formájában neutronmoderátort kell használni, és a természetes uránt uránnal dúsítani kell. 235 legalább 1,83-szor. Aztán ez az ötlet tiszta fantáziának tűnt számukra: „Meg kell jegyezni, hogy a láncrobbanáshoz szükséges jelentős mennyiségű urán dúsítása körülbelül kétszerese,<...>rendkívül nehézkes feladat, közel a gyakorlati lehetetlenséghez.” Mára ez a probléma megoldódott, és a nukleáris ipar tömegesen állít elő urán-235-tel 3,5%-ra dúsított uránt erőművek számára.

Mi az a spontán maghasadás? 1940-ben G. N. Flerov és K. A. Petrzhak felfedezte, hogy az urán hasadása spontán módon, külső hatás nélkül is megtörténhet, bár a felezési idő sokkal hosszabb, mint a hagyományos alfa-bomlásnál. Mivel az ilyen hasadás során neutronok is keletkeznek, ha nem engedik kiszabadulni a reakciózónából, akkor a láncreakció elindítói lesznek. Ezt a jelenséget használják az atomreaktorok létrehozása során.

Miért van szükség atomenergiára? Zeldovich és Khariton az elsők között számolt gazdasági hatás atomenergia („Uspekhi Fizicheskikh Nauk”, 1940, 23, 4). „...Jelenleg még lehetetlen végleges következtetéseket levonni az uránban történő alkalmazás lehetőségéről vagy lehetetlenségéről nukleáris reakció hasadás végtelenül elágazó láncokkal. Ha egy ilyen reakció megvalósítható, akkor a reakciósebességet automatikusan beállítja, hogy biztosítsa annak zökkenőmentes lefolyását, annak ellenére, hogy a kísérletező hatalmas energiamennyiség áll rendelkezésére. Ez a körülmény rendkívül kedvező a reakció energiafelhasználása szempontjából. Mutassunk tehát be - bár ez egy el nem ejtett medve bőrének felosztása - néhány számot, amelyek az urán energiafelhasználásának lehetőségeit jellemzik. Ha a hasadási folyamat gyors neutronokkal megy végbe, ezért a reakció befogja az urán fő izotópját (U238), akkor<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>az urán fő izotópjából származó kalória költsége hozzávetőleg 4000-szer olcsóbb, mint a széné (kivéve persze, ha az „égetés” és a hőelvonás folyamata az urán esetében sokkal drágábbnak bizonyul, mint szén esetében). A lassú neutronok esetében az „urán” kalória költsége (a fenti adatok alapján) az U235 izotóp mennyisége 0,007, már csak 30-szor olcsóbb, mint egy „szén” kalória, minden más egyenlőség mellett."

Az első szabályozott láncreakciót 1942-ben Enrico Fermi hajtotta végre a Chicagói Egyetemen, és a reaktort manuálisan vezérelték – grafitrudakat tolva ki és be, ahogy a neutronfluxus változott. Az első erőművet 1954-ben építették Obnyinszkban. Az energiatermelés mellett az első reaktorok fegyveres plutónium előállításán is dolgoztak.

Hogyan működik egy atomerőmű? Manapság a legtöbb reaktor lassú neutronon működik. A dúsított uránt fém, ötvözet, például alumínium vagy oxid formájában hosszú hengerekbe, úgynevezett fűtőelemekbe helyezik. A reaktorban meghatározott módon vannak beépítve, és közéjük moderátorrudakat helyeznek, amelyek szabályozzák a láncreakciót. Idővel a reaktormérgek felhalmozódnak a fűtőelemben - urán hasadási termékek, amelyek szintén képesek elnyelni a neutronokat. Amikor az urán-235 koncentrációja a kritikus szint alá csökken, az elemet kivonják a forgalomból. Ugyanakkor sok erős radioaktivitású hasadási töredéket tartalmaz, amely az évek során csökken, így az elemek hosszú ideig jelentős mennyiségű hőt bocsátanak ki. Hűtőmedencékben tartják őket, majd vagy elássák, vagy megpróbálják feldolgozni - kivonják az el nem égett urán-235-öt, plutóniumot (ezt használták atombombák gyártásához) és más felhasználható izotópokat. A fel nem használt részt a temetőkbe küldik.

Az úgynevezett gyorsreaktorokban vagy tenyészreaktorokban az elemek köré urán-238-ból vagy tórium-232-ből készült reflektorokat helyeznek el. Lelassulnak, és a túl gyors neutronokat visszaküldik a reakciózónába. A rezonanciasebességre lelassult neutronok elnyelik ezeket az izotópokat, plutónium-239-vé, illetve urán-233-má alakulnak, amelyek üzemanyagként szolgálhatnak egy atomerőműben. Mivel a gyors neutronok rosszul reagálnak az urán-235-tel, koncentrációját jelentősen növelni kell, de ez erősebb neutronfluxussal megtérül. Annak ellenére, hogy a nemesítő reaktorokat tekintik az atomenergia jövőjének, mivel több nukleáris üzemanyagot termelnek, mint amennyit elfogyasztanak, a kísérletek azt mutatták, hogy nehéz kezelni őket. Most már csak egy ilyen reaktor maradt a világon - a Belojarski Atomerőmű negyedik erőművében.

Hogyan kritizálják az atomenergiát? Ha nem beszélünk balesetekről, akkor az atomenergia ellenzőinek érvelésének fő pontja ma az a javaslat, hogy az atomenergia hatékonyságának kiszámításához adják hozzá a környezet védelmének költségeit az állomás leszerelése után és az üzemanyaggal való munka során. Mindkét esetben a radioaktív hulladékok megbízható elhelyezésének kihívásai merülnek fel, és ezek az államot terhelő költségek. Van egy vélemény, hogy ha átviszi őket az energiaköltségre, akkor a gazdasági vonzereje eltűnik.

Az atomenergia támogatói között is ellenkezés van. Képviselői az urán-235 egyediségére hívják fel a figyelmet, amelynek nincs pótlása, mert a termikus neutronokkal hasadó alternatív izotópok - plutónium-239 és urán-233 - több ezer éves felezési idejük miatt nem találhatók meg a természetben. És pontosan az urán-235 hasadása eredményeként nyerik őket. Ha véget ér, a szép eltűnik természetes tavasz neutronok a nukleáris láncreakcióhoz. Az ilyen pazarlás következtében az emberiség elveszíti a jövőben annak lehetőségét, hogy az uránnál többszörösen készletezett tórium-232-t bevonja az energiakörforgásba.

Elméletileg a részecskegyorsítók segítségével megaelektronvoltos energiájú gyors neutronok fluxusát lehet előállítani. Ha azonban arról beszélünk Például egy nukleáris hajtóművel végzett bolygóközi repülésekről, akkor egy terjedelmes gyorsítóval ellátott rendszer megvalósítása nagyon nehéz lesz. Az urán-235 kimerülése véget vet az ilyen projekteknek.

Mi az a fegyverminőségű urán? Ez erősen dúsított urán-235. Kritikus tömege – egy darab anyag méretének felel meg, amelyben spontán láncreakció megy végbe – elég kicsi ahhoz, hogy lőszert gyártson. Az ilyen uránból atombombát lehet készíteni, de termonukleáris bombák biztosítékaként is használható.

Milyen katasztrófák kapcsolódnak az urán használatához? A hasadó elemek magjaiban tárolt energia óriási. Ha figyelmen kívül hagyásból vagy szándékosan kikerül az irányítás alól, ez az energia sok bajt okozhat. A két legszörnyűbb nukleáris katasztrófák 1945. augusztus 6-án és 8-án történt, amikor az Egyesült Államok légiereje kiesett atombombák Hirosimán és Nagaszakiban, ami több százezer civil halálát és sérülését okozta. A kisebb méretű katasztrófák balesetekkel járnak atomerőművekés nukleáris ciklusú vállalkozások. Első súlyos baleset 1949-ben történt a Szovjetunióban a Cseljabinszk melletti Majak üzemben, ahol plutóniumot gyártottak; folyékony rádioaktív hulladék a Techa folyóba esett. 1957 szeptemberében robbanás történt rajta, amikor kiengedték nagy mennyiség radioaktív anyag. Tizenegy nappal később a Windscale brit plutóniumtermelő reaktora leégett, és a felhő a robbanástermékekkel szétszóródott Nyugat-Európa felett. 1979-ben a Pennsylvania állambeli Three Mail Island atomerőmű reaktora leégett. Balesetek a Csernobili atomerőmű(1986) és a fukusimai atomerőműben (2011), amikor emberek milliói voltak kitéve sugárzásnak. Az első hatalmas területeket szemetezett, a robbanás következtében 8 tonna urán üzemanyag és bomlástermékek szabadultak fel, amelyek Európa-szerte elterjedtek. A második szennyezett, és három évvel a baleset után továbbra is szennyezi a vízterületet. Csendes-óceán horgászterületeken. Ezeknek a baleseteknek a következményeinek felszámolása nagyon költséges volt, és ha ezeket a költségeket lebontanák az áram költségére, az jelentősen megnőne.

Külön kérdés az emberi egészségre gyakorolt ​​következmények. A hivatalos statisztikák szerint a bombázást túlélő vagy szennyezett területeken élők közül sokan részesültek a sugárzásban – előbbieknél magasabb a várható élettartam, utóbbiaknál kevesebb a rákos megbetegedés, a mortalitás némi növekedését pedig a szakértők a társadalmi stressznek tulajdonítják. Több száz főre tehető azoknak a száma, akik éppen a balesetek következményeiben vagy azok felszámolása következtében haltak meg. Az atomerőművek ellenzői rámutatnak, hogy a balesetek évente több millió korai halálesethez vezettek. európai kontinens, egyszerűen láthatatlanok a statisztikai háttér előtt.

A baleseti övezetekben a földterületek emberi használatból való kivonása érdekes eredményhez vezet: egyfajta természetvédelmi területté válnak, ahol nő a biodiverzitás. Igaz, egyes állatok sugárzással összefüggő betegségekben szenvednek. Nyitott marad a kérdés, hogy milyen gyorsan alkalmazkodnak a megnövekedett háttérhez. Van olyan vélemény is, hogy a krónikus besugárzás következménye a „bolondok szelekciója” (lásd „Kémia és Élet”, 2010, 5. sz.): még az embrionális stádiumban is primitívebb élőlények maradnak életben. Ennek különösen az emberekkel kapcsolatban kell csökkennie mentális képességek a nem sokkal a balesetet követően szennyezett területeken született generációban.

Mi az a szegényített urán? Ez az urán-238, amely az urán-235 leválasztása után marad meg. A fegyveres minőségű urán és fűtőelemek gyártásából származó hulladék mennyisége nagy - csak az Egyesült Államokban 600 ezer tonna ilyen urán-hexafluorid halmozódott fel (a vele kapcsolatos problémákat lásd Chemistry and Life, 2008, 5. szám) . Az urán-235 tartalma 0,2%. Ezt a hulladékot vagy tárolni kell jobb időkig, amikor is gyorsneutronreaktorokat hoznak létre, és lehetővé válik az urán-238 plutóniummá való feldolgozása, vagy valamilyen módon felhasználni kell.

Találtak rá hasznot. Az uránt más átmeneti elemekhez hasonlóan katalizátorként használják. Például a cikk szerzői a ACS Nano 2014. június 30-án azt írják, hogy az oxigén és hidrogén-peroxid redukciójára szolgáló uránból vagy tóriumból és grafénből készült katalizátor „hatalmas potenciállal rendelkezik az energiaszektorban való felhasználásra”. Mivel az urán sűrűsége nagy, ballasztként szolgál a hajók számára és ellensúlyként a repülőgépeken. Ez a fém sugárforrással rendelkező orvostechnikai eszközök sugárvédelmére is alkalmas.

Milyen fegyverek készíthetők szegényített uránból? Golyók és magok páncéltörő lövedékekhez. Itt a számítás a következő. Minél nehezebb a lövedék, annál nagyobb a mozgási energiája. De minél nagyobb a lövedék, annál kevésbé koncentrált a lövedéke. Tehát szükségünk van nehéz fémek nagy sűrűségű. A golyók ólomból készülnek (az uráli vadászok egy időben őshonos platinát is használtak, amíg rá nem jöttek, hogy nemesfém), míg a héjmagok volfrámötvözetből készültek. A környezetvédők felhívják a figyelmet arra, hogy az ólom szennyezi a talajt katonai műveletek vagy vadászat helyszínein, ezért érdemesebb valami kevésbé ártalmassal, például volfrámmal helyettesíteni. De a wolfram nem olcsó, a hasonló sűrűségű urán pedig káros hulladék. Ugyanakkor a talaj és a víz megengedett uránszennyezettsége megközelítőleg kétszerese az ólomnak. Ez azért történik, mert a szegényített urán gyenge radioaktivitását (és ez is 40%-kal kisebb, mint a természetes uráné) figyelmen kívül hagyják, és egy igazán veszélyes kémiai tényezőt vesznek figyelembe: az urán, mint emlékszünk, mérgező. Ugyanakkor a sűrűsége 1,7-szer nagyobb, mint az ólomé, ami azt jelenti, hogy az urángolyók mérete felére csökkenthető; Az urán sokkal tűzállóbb és keményebb, mint az ólom – kevésbé párolog el, amikor kilövik, és amikor célba ér, kevesebb mikrorészecskét termel. Az urángolyó általában kevésbé szennyező környezet mint az ólom, az urán ilyen felhasználása azonban nem ismert bizonyosan.

De köztudott, hogy szegényített uránból készült lemezeket használnak az amerikai tankok páncélzatának megerősítésére (ezt nagy sűrűsége és olvadáspontja is elősegíti), valamint volfrámötvözet helyett a páncéltörő lövedékek magjában. Az uránmag azért is jó, mert az urán piroforos: a páncéllal való ütközéskor keletkező forró apró részecskék fellángolnak, és mindent meggyújtanak körülötte. Mindkét alkalmazás sugárzásbiztosnak minősül. Így a számítás azt mutatta, hogy a legénység még egy év urán lőszerrel megrakott uránpáncélos harckocsiban ülve is csak a megengedett dózis negyedét kapná meg. És az éves megengedett adag eléréséhez az ilyen lőszert 250 órán keresztül a bőr felszínére kell csavarni.

Az uránmaggal ellátott lövedékeket - 30 mm-es repülőgépágyúkhoz vagy tüzérségi alkaliberekhez - az amerikaiak használtak a közelmúlt háborúiban, kezdve az 1991-es iraki hadjárattal. Abban az évben Kuvaitban záporoztak az iraki páncélos egységekre, és visszavonulásuk során 300 tonna szegényített uránt, ebből 250 tonnát, azaz 780 ezer töltényt lőttek ki repülőgépágyúkra. Bosznia-Hercegovinában az el nem ismert Boszniai Szerb Köztársaság hadseregének bombázása során 2,75 tonna uránt, a jugoszláv hadsereg Koszovó és Metóhia térségében végzett ágyúzása során pedig 8,5 tonnát, azaz 31 ezer lövést költöttek el. Mivel a WHO-t ekkorra aggasztották az urán használatának következményei, ellenőrzést végeztek. Megmutatta, hogy egy lövedék körülbelül 300 töltényből állt, amelyek 80%-a szegényített uránt tartalmazott. 10%-a talált el célokat, és 82%-uk esett 100 méteren belülre. A többi 1,85 km-en belül szétszóródott. Egy harckocsit eltaláló lövedék kiégett és aeroszollá változott; az uránhéj páncélozott szállítókocsikhoz hasonló könnyű célpontokon fúródott át. Így legfeljebb másfél tonna kagyló válhat uránporrá Irakban. A RAND Corporation amerikai stratégiai kutatóközpont szakértői szerint a felhasznált urán több, 10-35%-a vált aeroszollá. Asaf Durakovic horvát uránellenes lőszer aktivista, aki számos szervezetben dolgozott a rijádi Faisal király kórháztól a Washingtoni Uráni Orvosi Kutatóközpontig, becslései szerint 1991-ben csak Dél-Irakban 3-6 tonna szubmikron uránrészecskék keletkeztek. amelyek nagy területen voltak szétszórva, vagyis az ottani uránszennyezettség a csernobilihoz hasonlítható.