Уран

Содержание

Уран (химический символ U, атомный номер 92) представляет собой серебристый металлический химический элемент в ряду актинидов периодической таблицы. Самый тяжелый природный элемент, уран почти в два раза плотнее свинца и слабо радиоактивен. Он встречается в естественных условиях в низких концентрациях (несколько частей на миллион) в почве, горных породах и воде и коммерчески извлекается из урансодержащих минералов, таких как уранинит (см. Добычу урана).

В природе атомы урана существуют в виде урана-238 (99,275 процента), урана-235 (0,72 процента) и очень небольшого количества урана-234 (0,0058 процента). Уран медленно распадается, испуская альфа-частицу. Период полураспада урана-238 составляет около 4,5 миллиардов лет, а урана-235 — 700 миллионов лет, что делает их полезными для определения возраста Земли. Наряду с торием и плутонием, это один из трех делящихся элементов, что означает, что он может легко распадаться на более легкие элементы. Это свойство урана-235 и, в меньшей степени, урана-233 генерирует тепло, необходимое для работы ядерных реакторов, и обеспечивает взрывчатый материал для ядерного оружия. Оба использования полагаются на способность урана производить устойчивую цепную ядерную реакцию. Обедненный уран (уран-238) используется в пенетраторах с кинетической энергией и броне.

Помимо использования в ядерной технологии, уран использовался в качестве красителя в урановом стекле, создавая оттенки от оранжево-красного до лимонно-желтого. Его также использовали для колеровки в ранней фотографии.

Элементы: Элемент, повлиявший на ход истории – уран

Дата: 07.08.2019

Уран, один из самых необычных элементов, известен людям с античных времён. Это подтверждается тем, что около Неаполя археологи нашли кусок жёлтого стекла, содержащего 1% оксида урана, датируемый 79 годом н. э. Благодаря его удивительным свойствам, открытым учёными в конце 19 — начале 20 веков, изменился общий ход истории.

Планета Уран была открыта в 1781 году английским астрономом Уильямом Гершелем и названа так в честь бога неба по древнегреческой мифологии. Через восемь лет после этого события немецкий химик Мартин Клапрот открыл новый химический элемент, назвав его также «уран» — в честь самой далёкой из известных тогда планет. Пятьдесят лет уран Клапрота считали металлом. Но в 1840 году французский химик Эжен Пелиго убедительно доказал, что уран Клапрота – оксид урана с формулой UO₂. Пелиго – первый, кому удалось получить простое вещество уран и определить его атомную массу. Очень важный вклад в изучение свойств урана внёс Д. И. Менделеев. Опираясь на разработанную им периодическую систему, он поместил уран в конец своей таблицы, увеличив атомную массу этого элемента со 120 до 240 у.е. (атомная масса урана по современным данным – 238,039). В 1896 году французский химик Анри Беккерель, изучая явление фосфоресценции в солях урана, случайно открыл радиоактивность. С этого момента началась совершенно новая история по изучению свойств этого элемента, когда он перестал быть только красителем для изготовления жёлтого стекла и цветной посуды.

Уже в 1903 году Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом был открыт Закон радиоактивного распада. В 1907 году Эрнест Резерфорд провёл первые опыты по определению возраста минералов, используя естественную радиоактивность урана. Тогда же были заложены основы теории радиоактивности, а дальнейшие исследования этого явления физиками и химиками многих стран привели к открытию искусственной радиоактивности и, наконец, созданию атомной бомбы, изменившей современное мироустройство.

Уран (символ U — от лат. uranium), в Таблице Менделеева имеет атомный номер 92 и относится к семейству актиноидов.

Актиноиды в Таблице Менделеева

В природе уран состоит из смеси трёх изотопов: 238U (99,2745 %); 235U (0,7200 %,) и 234U (0,0055 %). Изотопы урана 238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов с конечными элементами соответственно — 206Pb и 207Pb. Изотоп 234U является радиогенным и входит в состав радиоактивного ряда 238U.

Использование урана для производства атомной бомбы и в качестве топлива в ядерных реакторах различных типов вызвали небывалый спрос на этот элемент в годы после Второй мировой войны.

Настуран, 12 см, Остравский технический университет (Чехия).

Среднее содержание (кларк) урана в земной коре составляет 3 г/т, поэтому промышленными считаются руды с содержанием урана более 0,1% по массе. Важнейшими урановыми рудами являются настуран U₃O₈ (синонимы — урановая смолка, уранинит) и карнотит K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O (водный уранованадат калия).

Карнотит,3х3 см. Тюя-Муюнский радиевый рудник, Киргизия.

По данным Всемирной ядерной ассоциация (WNA) за 2015 год разведанные запасы урана пяти основных стран производителей распределены следующим образом: Австралия – 29%, Казахстан – 13%, Россия – 9%, Канада – 9%, ЮАР – 6%. Остальные страны имеют по 5 и менее процентов. Разведанные запасы урана в России по данным на 2017 год оцениваются в 500 тысяч тонн. Показатель прогнозируемых ресурсов составляет более 800 тысяч тонн. В России 16 действующих урановых месторождений — 15 из них сосредоточены в Забайкалье (Стрельцовское рудное поле).

Проблема происхождения урана на Земле неразрывно связана с проблемой происхождения химических элементов во Вселенной. Большинство учёных считают, что лёгкие элементы до железа (кроме водорода, гелия, лития) образуются в звёздах в результате ядерных реакций, которые называются звёздным нуклеосинтезом. Синтез ядер тяжёлых элементов, включая уран, идёт, возможно, путём последовательных реакций захвата нейтронов в предсверхновых и при взрывах сверхновых звёзд.

Плотность урана

Представлены таблицы значений плотности урана U различной чистоты и способа получения в интервале температуры от -253 до 1227°С.

Уран, в зависимости от температуры, имеет различную кристаллическую структуру:

• α-фаза (до 930 К);
• β-фаза (от 930 до 1045 К);
• γ-фаза (выше 1045 К).

Различие кристаллической структуры оказывает влияние на плотность урана. Например, при 935 К уран α-фазы имеет плотность выше, чем β-фазы; при дальнейшем нагреве до 1045 К плотность урана γ-фазы снижается.

При 25°С плотность урана высокой чистоты, полученного путем направленной кристаллизации, составляет 19070 кг/м3. Деформированный металл имеет плотность от 18700 до 19080 кг/м3. Плотность кованого урана составляет 19050 кг/м3, литого урана — около 18700 кг/м3.

В таблице приведена плотность урана при температурах от 0 до 1100°С. Данные относятся к металлу чистотой 99,99%, вакуумной плавки с последующей протяжкой через фильеру и отжигом в течении одного часа в вакууме при 800 К. По данным таблицы видно, что с ростом температуры плотность урана снижается.

Плотность литого урана чистотой 99,7% несколько ниже плотности высокочистого металла, рассмотренного выше. Данные в следующей таблице относятся к металлу без термообработки и не бывшего в употреблении.

Плотность урана при нагревании снижается, а в расплавленном состоянии он становится еще менее плотным. Например, при 1300 К металл в твердом состоянии имеет плотность 17620 кг/м3, а при температуре 1410 К плотность жидкого урана составляет всего 16630 кг/м3.

Следует отметить, что при температурах более 700 К в процессе длительной выдержки при постоянной температуре металл подвергается старению, и его плотность становится меньше. Например, при 800 К и разряжении 10-3 мм. рт. ст. за время 500 часов плотность урана уменьшается до значения 18380 кг/м3; при этом металл становится хрупким.

Уран в мире

Самые большие запасы урана находятся в Австралии. Затем идут Казахстан, Россия, Канада, ЮАР, Нигер и Бразилия.

Что касается производства электроэнергии с помощью атомных электростанций, то Канада, Казахстан и Австралия занимают лидирующие позиции. Эти три страны вместе производят более чем половину ядерной энергии в мире.

Смотрите таблицу с данными по производству и запасам урана каждой из перечисленных стран.

Стоимость и аффинаж

Горнодобывающие компании поставляют уран в виде закиси-окиси урана U3O8. В 1990-е годы стоимость урана природного изотопного состава колебалась вокруг отметки 20 USD за килограмм. С 2004 года цена начала активно расти и кратковременно достигла пиковых $300 в середине 2007 года, столь же резко обвалившись до $100 к 2009 году. Обновив в 2011 году кратковременный локальный максимум в $140, цена начала снижаться. С 2017 году цена стабилизировалась на отметке около $40 за килограмм закиси-окиси природного урана.

По мнению вице-председателя урановой группы Александра Бойцова, в мире месторождения I категории с себестоимостью добычи до 40 долл./кг уже почти исчерпаны (2010 год). К 2030 году будут исчерпаны известные крупные месторождения II категории, с себестоимостью до 80 долл./кг, и в освоение начнут вовлекаться труднодоступные месторождения III категории с себестоимостью добычи до 130 долл./кг и выше.

На всех этапах переработки урановых руд происходит очистка урана от сопутствующих ему примесей — элементов, обладающих большим сечением захвата нейтронов (гафний, бор, кадмий и т. д.). Наилучшие концентраты содержат 95-96 %, другие всего 60-80 % оксида урана, а остальное более 60 % различных примесей. «В чистом виде» такой уран непригоден в качестве ядерного топлива.

В целом по возможности аффинажа урановые руды делятся на

• I категория — супер богатые содержание свыше 0,3 % аффинаж 95-96 %
• II категория — богатые содержит от 0,1 до 0,3 % аффинаж 60-80 %
• III категория — рядовые от 0,05 до 0,1 % аффинаж менее 60 %
• IV категория — убогие от 0,03 до 0,05 %
• V категория — забалансовые менее 0,03 %.

1жирным

Бомбы и реакторы

Два основных типа атомной бомбы были разработаны в рамках Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны: устройство на основе плутония (см. Тест Тринити и «Толстяк»), плутоний которого был получен из урана-238, и устройство на основе урана (получившее название « Little Boy ‘), делящимся материалом которого был высокообогащенный уран. Устройство Little Boy на основе урана стало первым ядерным оружием, использованным на войне, когда оно было взорвано над японским городом Хиросима 6 августа 1945 года. Взрыв мощностью, эквивалентной 12500 метрическим тоннам в тротиловом эквиваленте, взрыв и тепловая волна бомба разрушила почти 50 000 зданий и убила приблизительно 75 000 человек (см. Атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки). Первоначально считалось, что уран относительно редок и что распространения ядерного оружия можно избежать, просто скупив все известные запасы урана, но в течение десятилетия во многих местах по всему миру были обнаружены его крупные залежи.

Экспериментальный реактор-размножитель I в Национальной инженерной и экологической лаборатории штата Айдахо около Арко, штат Айдахо, стал первым действующим искусственным ядерным реактором 20 декабря 1951 года. Первоначально реактор зажигал только четыре 150-ваттные лампочки, но усовершенствования в конечном итоге позволили ему питать реактор. весь объект (позже весь город Арко стал первым в мире, электричество которого полностью вырабатывается на атомной электростанции). Первая в мире атомная электростанция промышленного масштаба, Колдер-Холл, в Англии, начала вырабатывать 17 октября 1956 года. Еще одним ранним энергетическим реактором был реактор Шиппорт в Пенсильвании, который начал производство электроэнергии в 1957 году. Впервые ядерная энергия была использована для движения подводной лодки USS. Наутилус, в 1954 г.

В 1972 году в трех отдельных рудных месторождениях на руднике Окло в Габоне, Западная Африка, были обнаружены пятнадцать древних и уже не действующих реакторов естественного деления. Обнаруженные французским физиком Фрэнсисом Перреном, они все вместе известны как ископаемые реакторы Окло. Возраст руды, в которой они существуют, составляет 1,7 миллиарда лет; в то время уран-235 составлял около трех процентов всего урана на Земле. Это достаточно много, чтобы допустить ядерное деление, если другие условия верны. Способность окружающих отложений удерживать продукты ядерных отходов в менее чем идеальных условиях была приведена федеральным правительством США в качестве доказательства их заявления о том, что объект в Юкка-Маунтин может безопасно служить хранилищем отходов для ядерной энергетики.

История

Ещё в древнейшие времена (I век до нашей эры) природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики. Исследования урана развивались, подобно порождаемой им цепной реакции. Вначале сведения о его свойствах, как и первые импульсы цепной реакции, поступали с большими перерывами, от случая к случаю. Первая важная дата в истории урана — 1789 год, когда немецкий натурфилософ и химик Мартин Генрих Клапрот восстановил извлечённую из саксонской смоляной руды золотисто-жёлтую «землю» до чёрного металлоподобного вещества. В честь самой далёкой из известных тогда планет (открытой Гершелем восемью годами раньше) Клапрот, считая новое вещество элементом, назвал его ураном (этим он хотел поддержать предложение Иоганна Боде назвать новую планету «Уран» вместо «Звезда Георга», как предложил Гершель). Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом. Только в 1841 г. французский химик Эжен Мелькиор Пелиго (англ.) (1811—1890)) доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а оксид UO₂. В 1840 г. Пелиго удалось получить настоящий уран — тяжёлый металл серо-стального цвета — и определить его атомный вес. Следующий важный шаг в изучении урана сделал в 1874 г. Д. И. Менделеев. Опираясь на разработанную им периодическую систему, он поместил уран в самой дальней клетке своей таблицы. Прежде атомный вес урана считали равным 120. Великий химик удвоил это значение. Через 12 лет предвидение Менделеева было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана.

Изучение урана началось с 1896 г.: французский химик Антуан Анри Беккерель случайно открыл Лучи Беккереля, которые позже Мария Кюри переименовала в радиоактивность. В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ получения чистого металлического урана. В 1899 г. Резерфорд обнаружил, что излучение урановых препаратов неоднородно, что есть два вида излучения — альфа- и бета-лучи. Они несут различный электрический заряд; далеко не одинаковы их пробег в веществе и ионизирующая способность. Чуть позже, в мае 1900 г., Поль Вийар открыл третий вид излучения — гамма-лучи.

Эрнест Резерфорд провёл в 1907 г. первые опыты по определению возраста минералов при изучении радиоактивных урана и тория на основе созданной им совместно с Фредериком Содди (Soddy, Frederick, 1877—1956; Нобелевская премия по химии, 1921) теории радиоактивности. В 1913 г. Ф. Содди ввёл понятие об изотопах (от др.-греч. ἴσος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место»), а в 1920 г. предсказал, что изотопы можно использовать для определения геологического возраста горных пород. В 1928 г. Ниггот реализовал, а в 1939 г. A. O. К. Нир (Nier, Alfred Otto Carl, 1911—1994) создал первые уравнения для расчёта возраста и применил масс-спектрометр для разделения изотопов.

В 1938 немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман открыли непредсказанное явление, происходящее с ядром урана при облучении его нейтронами. Захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа урана 235U делится, при этом выделяется (в расчёте на одно ядро урана) достаточно большая энергия, в основном, за счёт кинетической энергии осколков и излучения. Позднее теория этого явления была обоснована Лизой Мейтнер и Отто Фришем. Данное открытие явилось истоком как мирного, так и военного использования внутриатомной энергии.

В 1939—1940 гг. Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович впервые теоретически показали, что при небольшом обогащении природного урана ураном-235 можно создать условия для непрерывного деления атомных ядер, то есть придать процессу цепной характер.

Получение

Самая первая стадия уранового производства — концентрирование. Породу дробят и смешивают с водой. Тяжёлые компоненты взвеси осаждаются быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они осаждаются быстро: это тяжёлые минералы. Вторичные минералы урана легче, в этом случае раньше оседает тяжёлая пустая порода. (Впрочем, далеко не всегда она действительно пустая; в ней могут быть многие полезные элементы, в том числе и уран).

Следующая стадия — выщелачивание концентратов, перевод урана в раствор. Применяют кислотное и щелочное выщелачивание. Первое — дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырьё, как, например, в урановой смолке, уран находится в четырёхвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырёхвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. В этом случае нужно либо прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Не применяют кислотное выщелачивание и в тех случаях, если урановый концентрат содержит доломит или магнезит, реагирующие с серной кислотой. В этих случаях пользуются едким натром (гидроксидом натрия).

Проблему выщелачивания урана из руд решает кислородная продувка. В нагретую до 150 °C смесь урановой руды с сульфидными минералами подают поток кислорода. При этом из сернистых минералов образуется серная кислота, которая и вымывает уран.

На следующем этапе из полученного раствора нужно избирательно выделить уран. Современные методы — экстракция и ионный обмен — позволяют решить эту проблему.

Раствор содержит не только уран, но и другие катионы. Некоторые из них в определённых условиях ведут себя так же, как уран: экстрагируются теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. Поэтому для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, чтобы на каждой стадии избавляться от того или иного нежелательного попутчика. На современных ионообменных смолах уран выделяется весьма селективно.

Методы ионного обмена и экстракции хороши ещё и тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов (содержание урана — десятые доли грамма на литр).

После этих операций уран переводят в твёрдое состояние — в один из оксидов или в тетрафторид UF4. Но этот уран ещё надо очистить от примесей с большим сечением захвата тепловых нейтронов — бора, кадмия, гафния. Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Для удаления этих примесей технически чистое соединение урана растворяют в азотной кислоте. При этом образуется уранилнитрат UO2(NO3)2, который при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций

Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO4·2H2O) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трёхокись урана UO3, которую восстанавливают водородом до UO2

На диоксид урана UO2 при температуре от 430 до 600 °C воздействуют газообразным фтористым водородом для получения тетрафторида UF4. Из этого соединения восстанавливают металлический уран с помощью кальция или магния.

История открытия:

Среди руд и минералов горняки Богемии (Чехословакия) часто обнаруживали черный тяжелый минерал, так называемую смоляную обманку (Pechblende). Первым исследованием смоляной обманки занялся в 1789 г. немецкий химик-аналитик Мартин Клапрот, которому удалось получить вещество черного цвета с металлическим блеском. Считая его новым элементом Клапрот назвал его ураном (Uranium) в ознаменование того, что исследование этого металла почти совпало по времени с открытием планеты Уран (1781). В 1841 году французский химик Эжен Пелиго (1811-1890) доказал, что уран Клапрота не элемент, а оксид UO₂, впервые получил металлический уран, но ошибся в определении его атомного веса. Наконец, в 1869 г. Д.И. Менделеев установил, что атомная масса урана должна быть в два раза больше, 240, что оказалось близко к ее современному значению. А в 1896 году, исследуя уран, французский учёный Антуан Анри Беккерель, открыл явление радиоактивности, что послужило началом использования ядерных реакций и внутриатомной энергии.

Открытие

Открытие элемента приписывают немецкому фармацевту Мартину Генриху Клапроту, который назвал новый элемент в честь планеты Уран. Работая в своей экспериментальной лаборатории в Берлине в 1789 году, Клапрот смог осаждать желтое соединение (вероятно, диуранат натрия), растворяя настуран в азотной кислоте и нейтрализуя раствор гидроксидом натрия. Клапрот ошибочно предположил, что желтое вещество было оксидом еще не открытого элемента, и нагрел его с древесным углем, чтобы получить черный порошок, который, как он думал, был сам недавно обнаруженным металлом (на самом деле, этот порошок был оксидом урана). Он назвал недавно открытый элемент в честь планеты Уран, которую восемь лет назад открыл Уильям Гершель. В 1841 году Эжен-Мельхиор Пелиго, профессор аналитической химии в Центральной школе искусств и мануфактур в Париже, выделил первый образец металлического урана путем нагревания тетрахлорида урана с калием. На протяжении большей части девятнадцатого века уран не считался особенно опасным, что привело к развитию различных применений этого элемента. Одним из таких применений оксида было окрашивание керамики и стекла.

Антуан Беккерель открыл радиоактивность, используя уран в 1896 году. Беккерель сделал открытие в Париже, оставив образец урана на неэкспонированной фотографической пластинке в ящике и отметив, что пластинка «запотела». Он определил, что пластину обнажила форма невидимого света или лучей, испускаемых ураном.