ennustamine 

puhas uraan. Uraan: faktid ja faktid. Muud rakendused

Artikli sisu

URAAN, U (uraan), metalliline keemiline element aktiniidide perekonnast, mis hõlmab Ac, Th, Pa, U ja transuraani elemente (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr ). Uraan on saanud kuulsaks oma kasutamisega tuumarelvades ja tuumaenergias. Uraanoksiide kasutatakse ka klaasi ja keraamika värvimiseks.

Looduses leidmine.

Uraani sisaldus maakoores on 0,003%, see esineb maapinna kihis nelja tüüpi ladestustena. Esiteks on need uraanipigi ehk uraanipigi veenid (uraanidioksiid UO 2), mis on väga uraanirikkad, kuid haruldased. Nendega kaasnevad raadiumi ladestused, kuna raadium on uraani isotooplagunemise otsene produkt. Selliseid veene leidub Zaire'is, Kanadas (Suur Karujärv), Tšehhis ja Prantsusmaal. Teine uraani allikas on tooriumi ja uraanimaagi konglomeraadid koos teiste oluliste mineraalide maakidega. Tavaliselt sisaldavad konglomeraadid ekstraheerimiseks piisavas koguses kulda ja hõbedat ning uraan ja toorium muutuvad kaasnevateks elementideks. Nende maakide suured maardlad asuvad Kanadas, Lõuna-Aafrikas, Venemaal ja Austraalias. Kolmandaks uraaniallikaks on settekivimid ja liivakivid, mis sisaldavad rohkesti mineraalset karnotiidi (kaaliumuranüülvanadaati), mis sisaldab lisaks uraanile märkimisväärses koguses vanaadiumi ja muid elemente. Selliseid maake leidub Ameerika Ühendriikide lääneosariikides. Neljandaks leiuallikaks on raud-uraani kiltkivid ja fosfaatmaagid. Rootsi kildades leidub rikkalikke maardlaid. Mõned fosfaadimaagid Marokos ja Ameerika Ühendriikides sisaldavad märkimisväärses koguses uraani ning Angola ja Kesk-Aafrika Vabariigi fosfaadimaardlad on veelgi uraanirikkamad. Enamik ligniiti ja mõned kivisüsi sisaldavad tavaliselt uraani lisandeid. Uraanirikkaid pruunsöemaardlaid on leitud Põhja- ja Lõuna-Dakotas (USA) ning bituumensöest Hispaanias ja Tšehhis.

Avamine.

Uraani avastas 1789. aastal saksa keemik M. Klaproth, kes nimetas elemendi planeedi Uraani avastamise auks 8 aastat varem. (Klaproth oli oma aja juhtiv keemik, ta avastas ka teisi elemente, sealhulgas Ce, Ti ja Zr.) Tegelikult ei olnud Klaprothi saadud aine elementaarne uraan, vaid selle oksüdeeritud vorm ja elementaarne uraan oli esimene. mille sai prantsuse keemik E. .Peligot 1841. Avastamise hetkest kuni 20. sajandini. uraan ei olnud nii oluline kui praegu, kuigi paljud selle füüsikalised omadused, samuti aatommass ja tihedus on kindlaks tehtud. 1896. aastal leidis A. Becquerel, et uraanisooladel on kiirgus, mis valgustab pimedas fotoplaati. See avastus innustas keemikuid uurima radioaktiivsuse alast ning 1898. aastal eraldasid prantsuse füüsikud, abikaasad P. Curie ja M. Sklodowska-Curie radioaktiivsete elementide polooniumi ja raadiumi soolad ning E. Rutherford, F. Soddy, C. Faience ja teised teadlased töötasid välja radioaktiivse lagunemise teooria, mis pani aluse kaasaegsele tuumakeemiale ja tuumaenergeetikale.

Esimesed uraani rakendused.

Kuigi uraanisoolade radioaktiivsus oli teada, kasutati selle sajandi esimesel kolmandikul selle maake ainult kaasneva raadiumi saamiseks ja uraani peeti ebasoovitavaks kõrvalsaaduseks. Selle kasutamine oli koondunud peamiselt keraamikatehnoloogiasse ja metallurgias; Uraanioksiide kasutati laialdaselt klaasi värvimiseks kahvatukollasest tumeroheliseks, mis aitas kaasa odava klaasitootmise arengule. Tänapäeval peetakse nende tööstusharude tooteid ultraviolettvalguses fluorestseeruvateks. Esimese maailmasõja ajal ja varsti pärast seda kasutati karbiidi kujul olevat uraani tööriistateraste valmistamisel sarnaselt Mo- ja W-le; 4–8% uraani asendas volframi, mille tootmine oli tol ajal piiratud. Tööriistateraste saamiseks aastatel 1914–1926 toodeti aastas mitu tonni ferrouraani, mis sisaldas kuni 30% (mass) U. Uraani kasutamine ei kestnud aga kaua.

Uraani kaasaegne kasutamine.

Uraanitööstus hakkas ilmet võtma 1939. aastal, mil viidi läbi uraani isotoobi 235 U lõhustamine, mis viis uraani lõhustumise kontrollitud ahelreaktsioonide tehnilise rakendamiseni detsembris 1942. Sellest sai alguse aatomi ajastu, kui uraan muutus vähemtähtsast elemendist eluühiskonna üheks olulisemaks elemendiks. Uraani sõjaline tähtsus aatomipommi tootmiseks ja selle kasutamine tuumareaktorite kütusena tekitas nõudluse uraani järele, mis kasvas astronoomiliselt. Huvitav uraaninõudluse kasvu kronoloogia põhineb Suure Karujärve (Kanada) maardlate ajalool. 1930. aastal avastati selles järves vaigu segu, uraanoksiidide segu ja 1932. aastal loodi selles piirkonnas raadiumi puhastamise tehnoloogia. Igast tonnist maagist (tõrva segust) saadi 1 g raadiumi ja umbes pool tonni kõrvalsaadust - uraani kontsentraati. Raadiumit oli aga vähe ja selle ammutamine lõpetati. Aastatel 1940–1942 jätkati arendustööd ja uraanimaaki saadeti USA-sse. 1949. aastal rakendati samalaadset uraani puhastamist koos mõningate modifikatsioonidega puhta UO 2 tootmiseks. See tootmine on kasvanud ja on nüüd üks suurimaid uraanitootmisi.

Omadused.

Uraan on üks raskemaid looduses leiduvaid elemente. Puhas metall on väga tihe, plastiline, madala elektrijuhtivusega elektropositiivne ja väga reaktsioonivõimeline.

Uraanil on kolm allotroopset modifikatsiooni: a-uraan (ortorombiline kristallvõre), esineb vahemikus toatemperatuurist kuni 668 ° C; b- uraan (tetragonaalset tüüpi kompleksne kristallvõre), stabiilne vahemikus 668–774 ° С; g- uraan (kehakeskne kuupkristallvõre), stabiilne alates 774 °C kuni sulamistemperatuurini (1132 °C). Kuna kõik uraani isotoobid on ebastabiilsed, on kõik selle ühendid radioaktiivsed.

Uraani isotoobid

238 U, 235 U, 234 U leidub looduses vahekorras 99,3:0,7:0,0058 ja 236U mikrokogustes. Kõik muud uraani isotoobid vahemikus 226 U kuni 242 U saadakse kunstlikult. Isotoop 235 U on eriti oluline. Aeglaste (termiliste) neutronite toimel jaguneb see tohutu energia vabanemisega. 235 U täieliku lõhustumise tulemuseks on "soojusenergia ekvivalendi" vabanemine 2h 10 7 kWh/kg. 235 U lõhustumist saab kasutada mitte ainult suurte energiakoguste tootmiseks, vaid ka teiste oluliste aktiniidielementide sünteesimiseks. Looduslikku isotoopi uraani saab kasutada tuumareaktorites 235U lõhustumisel tekkivate neutronite tootmiseks, samas kui ahelreaktsiooni jaoks mittevajalikud üleliigsed neutronid saab kinni püüda mõne teise loodusliku isotoobiga, mille tulemuseks on plutooniumi tootmine:

Kiirete neutronite pommitamisel 238 U-ga tekivad järgmised reaktsioonid:

Selle skeemi järgi saab kõige levinumat isotoopi 238 U muuta plutoonium-239-ks, mis sarnaselt 235 U-ga on samuti võimeline aeglaste neutronite mõjul lõhustuma.

Praeguseks on saadud suur hulk uraani tehisisotoope. Nende hulgas on 233 U eriti tähelepanuväärne selle poolest, et see lõhustub ka aeglaste neutronitega suhtlemisel.

Mõnda muud uraani tehisisotoopi kasutatakse sageli radioaktiivsete märgistena (märgistusainetena) keemilistes ja füüsikalistes uuringutes; see on esiteks b- emitter 237 U ja a- emitter 232 U.

Ühendused.

Uraan, väga reaktiivne metall, on oksüdatsiooniastmetega +3 kuni +6, aktiivsusreas on berülliumi lähedane, interaktsioonis kõigi mittemetallidega ja moodustab intermetallilisi ühendeid Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn ja Zn. Peenjahvatatud uraan on eriti reaktiivne ja temperatuuridel üle 500°C osaleb sageli uraanhüdriidile iseloomulikes reaktsioonides. Tükk uraan või laastud põlevad eredalt temperatuuril 700–1000 °C, uraaniaurud põlevad aga juba 150–250 °C juures; uraan reageerib HF-ga temperatuuril 200–400 °C, moodustades UF 4 ja H 2 . Uraan lahustub aeglaselt kontsentreeritud HF-s või H2SO4-s ja 85% H3PO4-s isegi temperatuuril 90 °C, kuid reageerib kergesti kontsentreeritud ainega. HCl ja vähem aktiivne koos HBr või HIga. Uraani reaktsioonid lahjendatud ja kontsentreeritud HNO 3 -ga kulgevad kõige aktiivsemalt ja kiiremini uranüülnitraadi moodustumisega ( vaata allpool). HCl juuresolekul lahustub uraan kiiresti orgaanilistes hapetes, moodustades orgaanilised soolad U 4+ . Olenevalt oksüdatsiooniastmest moodustab uraan mitut tüüpi sooli (neist olulisim U 4+, üks neist UCl 4 on kergesti oksüdeeruv roheline sool); UO 2 (NO 3) 2 tüüpi uranüülsoolad (UO 2 2+ radikaal) on kollased ja fluorestseeruvad roheliselt. Uranüülsoolad tekivad amfoteerse oksiidi UO 3 (kollase värvusega) lahustamisel happelises keskkonnas. Aluselises keskkonnas moodustab UO 3 Na 2 UO 4 või Na 2 U 2 O 7 tüüpi uranaate. Viimast ühendit ("kollane uranüül") kasutatakse portselanglasuuride ja fluorestseeruvate klaaside valmistamisel.

Uraani halogeniide uuriti laialdaselt 1940.–1950. aastatel, kuna need olid aluseks aatomipommi või tuumareaktori uraani isotoopide eraldamise meetodite väljatöötamisel. Uraantrifluoriid UF 3 saadi UF 4 redutseerimisel vesinikuga ja uraantetrafluoriid UF 4 saadakse erinevatel viisidel HF reaktsioonil oksiididega nagu UO 3 või U 3 O 8 või uranüülühendite elektrolüütilise redutseerimise teel. Uraanheksafluoriid UF 6 saadakse U või UF 4 fluorimisel elementaarse fluoriga või hapniku toimel UF 4 -le. Heksafluoriid moodustab temperatuuril 64°C (1137 mmHg) kõrge murdumisnäitajaga läbipaistvaid kristalle; ühend on lenduv (sublimeerub normaalrõhu tingimustes temperatuuril 56,54 °C). Uraani oksohalogeniidid, näiteks oksofluoriidid, on koostisega UO 2 F 2 (uranüülfluoriid), UOF 2 (uraanoksiiddifluoriid).

Normaalsetes tingimustes on radioaktiivne element uraan metall, millel on suur aatom (molekulaarne) mass - 238,02891 g / mol. Selle näitaja järgi on ta teisel kohal, sest. ainult plutoonium on sellest raskem. Uraani hankimine on seotud mitmete tehnoloogiliste operatsioonide järjestikuse rakendamisega:

  • kivimite kontsentratsioon, selle purustamine ja raskete fraktsioonide sadestumine vees
  • kontsentraadi leostumine või hapnikupuhastus
  • uraani ülekandmine tahkesse olekusse (oksiid või tetrafluoriid UF 4)
  • uranüülnitraadi UO 2 (NO 3) 2 saamine tooraine lahustamisel lämmastikhappes
  • kristalliseerimine ja kaltsineerimine, et saada oksiidi UO 3
  • redutseerimine vesinikuga, et saada UO 2
  • tetrafluoriidi UF 4 saamine gaasilise vesinikfluoriidi lisamise teel
  • uraani metalli redutseerimine magneesiumi või kaltsiumiga

uraani mineraalid

Kõige levinumad U-mineraalid on:

  • Nasturan (uraniniit) - kõige kuulsam oksiid, mida nimetatakse "raskeks veeks"
  • Karnotiit
  • Tuyamunit
  • Torberniit
  • Samarskit
  • branneriit
  • Casolite
  • laim

Uraani tootmine

Maailma uraanituru ühe maailma liidri Venemaa ettevõtte Rosatom andmetel kaevandati planeedil 2014. aastal üle 3000 tonni uraani. Samal ajal on selle riigiettevõtte kaevandusdivisjoni esindajate sõnul selle metalli Venemaa varude maht 727,2 tuhat tonni (3. koht maailmas), mis tagab vajalike toorainete katkematu tarnimise paljudeks aastakümneteks. .

Uraani peamised keemilised omadused on toodud tabelis:

Element U, nagu ka kuurium ja plutoonium, on aktiniidide perekonna kunstlik element. Selle keemilised omadused on paljuski sarnased volframi, molübdeeni ja kroomi omadega. Uraani iseloomustab muutuv valentsus, samuti kalduvus moodustada (UO 2) + 2 - uranüül, mis on kompleksioon.

Uraani rikastamise meetodid

Nagu teate, sisaldab looduslik U 3 isotoopi:

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

Uraani rikastamist mõistetakse kui 235U isotoobi osakaalu suurenemist metallis - ainukesena, mis on võimeline iseseisvaks tuuma ahelreaktsiooniks.

Uraani rikastamise mõistmiseks on vaja arvestada selle rikastamise astet:

  • sisaldus 0,72% - saab kasutada mõnes jõureaktoris
  • 2-5% - kasutatakse enamikus jõureaktorites
  • kuni 20% (madalrikastatud) - katsereaktorite jaoks
  • üle 20% (kõrgelt rikastatud või relvakvaliteediga) - tuumareaktorid, relvad.

Kuidas uraani rikastatakse? Uraani rikastamiseks on palju meetodeid, kuid kõige sobivamad on järgmised:

  • elektromagnetiline - elementaarosakeste kiirendamine spetsiaalses kiirendis ja nende keerdumine magnetväljas
  • aerodünaamiline - gaasilise uraani puhumine läbi spetsiaalsete düüside
  • gaastsentrifuugimine - tsentrifuugis olev uraangaas liigub ja surub inertsi toimel rasked molekulid tsentrifuugi seintele
  • uraani rikastamise gaasi difusioonimeetod - uraani kergete isotoopide "sõelumine" läbi spetsiaalsete membraanide väikeste pooride

Uraani peamine kasutusala on tuumareaktorite, tuumaelektrijaamade reaktorite, tuumaelektrijaamade kütus. Lisaks kasutatakse tuumarelvades isotoopi 235U, samas kui rikastamata metall suure osakaaluga 238U võimaldab saada sekundaarset tuumakütust - plutooniumi.

Uraan on perioodilisuse tabeli üks raskmetallide elemente. Uraani kasutatakse laialdaselt energia- ja sõjatööstuses. Perioodilises tabelis võib selle leida numbriga 92 ja seda tähistatakse ladina tähega U massinumbriga 238.

Kuidas Uraan avastati

Üldiselt on selline keemiline element nagu uraan tuntud väga pikka aega. On teada, et juba enne meie ajastut kasutati looduslikku uraanoksiidi keraamikale kollase glasuuri valmistamiseks. Selle elemendi avastamist võib pidada aastal 1789, mil saksa keemik Martin Heinrich Klaproth leidis maagist musta metallitaolise materjali. Martin otsustas nimetada seda materjali Uraaniks, et toetada uue avastatud samanimelise planeedi nime (samal aastal avastati planeet Uraan). 1840. aastal selgus, et see Klaprothi avastatud materjal osutus vaatamata iseloomulikule metallilisele läikele uraanoksiidiks. Eugene Melchior Peligot sünteesis oksiidist aatomi uraani ja määras selle aatommassiks 120 ühikut ning 1874. aastal kahekordistas Mendelejev selle väärtuse, paigutades selle oma tabeli kaugeimasse lahtrisse. Vaid 12 aastat hiljem kinnitasid Mendelejevi otsust massi kahekordistada Saksa keemiku Zimmermanni katsed.

Kust ja kuidas uraani kaevandatakse


Uraan on üsna tavaline element, kuid see on tavaline uraanimaagi kujul. Et saaksite aru, selle sisaldus maakoores on 0,00027% Maa kogumassist. Uraanimaaki leidub tavaliselt kõrge ränisisaldusega happelistes mineraalkivimites. Uraanimaakide peamised tüübid on pigisegu, karnotiit, kasoliit ja samarskiit. Suurimad uraanimaakide varud, võttes arvesse reservmaardlaid, on sellised riigid nagu Austraalia, Venemaa ja Kasahstan ning kõigist neist on Kasahstanil liider. Uraani kaevandamine on väga keeruline ja kallis protseduur. Kõik riigid ei saa endale lubada puhta uraani kaevandamist ja sünteesimist. Tootmistehnoloogia on järgmine: kaevandustes kaevandatakse maaki või mineraale, mis on võrreldavad kulla või vääriskividega. Ekstraheeritud kivimid purustatakse ja segatakse veega, et eraldada uraanitolm ülejäänud osast. Uraanitolm on väga raske ja seetõttu sadestub see kiiremini kui teised. Järgmine samm on uraanitolmu puhastamine teistest kivimitest happelise või aluselise leostumise teel. Protseduur näeb välja umbes selline: uraani segu kuumutatakse temperatuurini 150 ° C ja puhas hapnik tarnitakse rõhu all. Selle tulemusena moodustub väävelhape, mis puhastab uraani muudest lisanditest. Noh, viimases etapis valitakse juba puhtad uraaniosakesed. Lisaks uraanitolmule on ka teisi kasulikke mineraale.

Uraani radioaktiivse kiirguse oht

Kõik teavad hästi sellist mõistet nagu radioaktiivne kiirgus ja asjaolu, et see põhjustab korvamatut tervisekahjustust, mis viib surma. Uraan on vaid üks neist elementidest, mis teatud tingimustel võib eraldada radioaktiivset kiirgust. Vabal kujul, olenevalt sordist, võib see kiirata alfa- ja beetakiirgust. Alfakiired ei kujuta inimesele suurt ohtu, kui kiirgus on väline, kuna sellel kiirgusel on väike läbitungimisvõime, kuid kehasse sattudes põhjustavad nad korvamatut kahju. Isegi kirjutuspaberi lehest piisab väliste alfakiirte hoidmiseks. Beetakiirgusega on asjad tõsisemad, kuid mitte palju. Beetakiirguse läbitungimisvõime on suurem kui alfakiirgusel, kuid beetakiirguse sisaldamiseks on vaja 3-5 mm kudet. Kuidas sa ütleksid? Uraan on radioaktiivne element, mida kasutatakse tuumarelvades! See on õige, seda kasutatakse tuumarelvades, mis põhjustavad tohutut kahju kõigile elusolenditele. Just tuumalõhkepea lõhkamisel põhjustavad elusorganismidele peamise kahju gammakiirgus ja neutronivoog. Seda tüüpi kiirgus tekib lõhkepea plahvatuse ajal toimuva termotuumareaktsiooni tulemusena, mis eemaldab uraaniosakesed stabiilsest olekust ja hävitab kogu elu maa peal.

Uraani sordid


Nagu eespool mainitud, on uraanil mitut sorti. Sordid viitavad isotoopide olemasolule, nii et saate aru, et isotoobid tähendavad samu elemente, kuid erineva massiarvuga.

Seega on kahte tüüpi:

  1. Looduslik;
  2. Kunstlik;

Nagu arvata võis, on looduslik see, mis on maast kaevandatud ja tehisinimesed loovad ise. Looduslike hulka kuuluvad uraani isotoobid massiarvuga 238, 235 ja 234. Pealegi on U-234 U-238 järeltulija, see tähendab, et esimene saadakse teise lagunemisel looduslikes tingimustes. Teise kunstlikult loodud isotoopide rühma massinumbrid on vahemikus 217 kuni 242. Igal isotoopil on erinevad omadused ja neid iseloomustab erinev käitumine teatud tingimustes. Vastavalt vajadustele püüavad tuumateadlased probleemidele kõikvõimalikke lahendusi leida, sest igal isotoobil on erinev energeetiline väärtus.

Poolväärtusajad

Nagu eespool mainitud, on igal uraani isotoopil erinev energiaväärtus ja erinevad omadused, millest üks on poolestusaeg. Et mõista, mis see on, peate alustama määratlusega. Poolväärtusaeg on aeg, mis kulub radioaktiivsete aatomite arvu poole võrra vähenemiseks. Poolväärtusaeg mõjutab paljusid tegureid, näiteks selle energiaväärtust või täielikku puhastumist. Kui võtame näitena viimase, siis saame arvutada, millise aja jooksul toimub maa täielik puhastamine radioaktiivsest saastumisest. Uraani isotoopide poolestusajad:

Nagu tabelist näha, varieerub isotoopide poolestusaeg minutitest sadade miljonite aastateni. Igaüks neist leiab oma rakenduse inimelu erinevates valdkondades.

Uraani kasutusala on paljudes tegevusvaldkondades väga lai, kuid suurima väärtusega on see energeetikas ja militaarsfääris. Suurimat huvi pakub isotoop U-235. Selle eeliseks on see, et see suudab iseseisvalt säilitada tuuma ahelreaktsiooni, mida kasutatakse laialdaselt sõjaväes tuumarelvade tootmiseks ja kütusena tuumareaktorites. Lisaks kasutatakse uraani laialdaselt geoloogias mineraalide ja kivimite vanuse määramiseks, samuti geoloogiliste protsesside kulgemise määramiseks. Auto- ja lennukitööstuses kasutatakse vaesestatud uraani vastukaalu ja tsentreeriva elemendina. Samuti leiti kasutust maalikunstis, täpsemalt portselanivärvina ning keraamiliste glasuuride ja emailide valmistamisel. Teiseks huvitavaks punktiks võib pidada vaesestatud uraani kasutamist kaitseks radioaktiivse kiirguse eest, nii kummaliselt kui see ka ei kõla.

Uraan (U) on element aatomnumbriga 92 ja aatommassiga 238,029. See on Dmitri Ivanovitš Mendelejevi perioodilise süsteemi III rühma radioaktiivne keemiline element, mis kuulub aktiniidide perekonda. Uraan on väga raske (2,5 korda raskem kui raud, üle 1,5 korra raskem kui plii), hõbevalge läikiv metall. Puhtal kujul on see terasest veidi pehmem, tempermalmist, painduv ja kergete paramagnetiliste omadustega.

Looduslik uraan koosneb kolme isotoobi segust: 238U (99,274%) poolestusajaga 4,51∙109 aastat; 235U (0,702%) poolväärtusajaga 7,13∙108 aastat; 234U (0,006%) poolväärtusajaga 2,48∙105 aastat. Viimane isotoop ei ole primaarne, vaid radiogeenne; see on osa 238U radioaktiivsest seeriast. Uraani isotoobid 238U ja 235U on kahe radioaktiivse seeria eellased. Nende seeriate viimased elemendid on plii isotoobid 206Pb ja 207Pb.

Praegu on teada 23 uraani tehislikku radioaktiivset isotoopi massiarvuga 217 kuni 242. Nende hulgas on pikima elueaga 233U poolestusajaga 1,62∙105 aastat. See saadakse tooriumi neutronkiirguse tulemusena, mis on võimeline termiliste neutronite mõjul lõhustuma.

Uraani avastas 1789. aastal saksa keemik Martin Heinrich Klaproth mineraalse pigiseguga tehtud katsete tulemusena. Uue elemendi nimi oli William Herscheli hiljuti avastatud (1781) planeedi Uraan auks. Järgmised pool sajandit peeti Klaprothi saadud ainet metalliks, kuid 1841. aastal lükkas selle ümber prantsuse keemik Eugene Melchior Peligot, kes tõestas saksa keemiku poolt saadud uraani (UO2) oksiidsust. Peligol endal õnnestus saada metallist uraani, redutseerides UCl4 metallilise kaaliumiga, samuti määrata uue elemendi aatommass. Järgmine uraani ja selle omaduste alaste teadmiste arendamisel oli D. I. Mendelejev - 1874. aastal paigutas ta oma tabeli kõige kaugemasse lahtrisse tema väljatöötatud teooriale tuginedes keemiliste elementide periodiseerimise kohta. Peligo poolt varem määratud uraani aatommassi (120) kahekordistas vene keemik, selliste oletuste õigsust kinnitasid kaksteist aastat hiljem Saksa keemiku Zimmermanni katsed.

Aastakümneid pakkus uraan huvi vaid kitsale keemikute ja loodusteadlaste ringile, piiratud oli ka selle kasutamine – klaasi ja värvide tootmine. Alles selle metalli radioaktiivsuse avastamisega (1896. aastal Henri Becquereli poolt) algas uraanimaakide tööstuslik töötlemine 1898. aastal. Palju hiljem (1939) avastati tuuma lõhustumise fenomen ja alates 1942. aastast on uraanist saanud peamine tuumakütus.

Uraani kõige olulisem omadus on see, et mõnede selle isotoopide tuumad on neutronite hõivamisel võimelised lõhustuma, selle protsessi tulemusena vabaneb tohutul hulgal energiat. Seda elemendi nr 92 omadust kasutatakse tuumareaktorites, mis toimivad energiaallikana, ja see on ka aatomipommi toime aluseks. Uraani kasutatakse geoloogias mineraalide ja kivimite vanuse määramiseks, et määrata kindlaks geoloogiliste protsesside järgnevus (geokronoloogia). Tänu sellele, et kivimid sisaldavad erinevas kontsentratsioonis uraani, on neil erinev radioaktiivsus. Seda omadust kasutatakse kivimite valikul geofüüsikaliste meetoditega. Seda meetodit kasutatakse kõige laialdasemalt naftageoloogias kaevude raiumiseks. Uraaniühendeid kasutati värvidena portselanile maalimisel ning keraamiliste glasuuride ja emailide jaoks (värvides: kollane, pruun, roheline ja must, olenevalt oksüdatsiooniastmest), näiteks kasutati aastal kollase pigmendina naatriumuranaati Na2U2O7. maalimine.

Bioloogilised omadused

Uraan on bioloogilises keskkonnas üsna tavaline element; selle metalli kontsentraatoriteks peetakse teatud tüüpi seeni ja vetikaid, mis sisalduvad looduses uraani bioloogilise tsükli ahelas vastavalt skeemile: vesi - veetaimed - kala - mees. Nii jõuab uraan koos toidu ja veega inimeste ja loomade kehasse, täpsemalt seedetrakti, kus imendub umbes protsent sissetulevatest kergestilahustuvatest ühenditest ja mitte rohkem kui 0,1% vähelahustuvatest. Hingamisteedes ja kopsudes, samuti limaskestades ja nahas siseneb see element õhuga. Hingamisteedes ja eriti kopsudes on imendumine palju intensiivsem: kergesti lahustuvad ühendid imenduvad 50%, halvasti lahustuvad 20%. Seega leidub uraani väikestes kogustes (10-5 - 10-8%) loomade ja inimeste kudedes. Taimedes (kuivas jäägis) sõltub uraani kontsentratsioon selle sisaldusest mullas, seega 10-4% mullakontsentratsiooni korral sisaldab taim 1,5∙10-5% või vähem. Uraani jaotumine kudedes ja elundites on ebaühtlane, peamisteks akumulatsioonikohtadeks on luukoed (skelett), maks, põrn, neerud, aga ka kopsud ja bronho-kopsu lümfisõlmed (kui kopsudesse satuvad vähelahustuvad ühendid). Uraan (karbonaadid ja kompleksid valkudega) eritub kiiresti verest. Keskmiselt on 92. elemendi sisaldus loomade ja inimeste elundites ja kudedes 10-7%. Näiteks veise veri sisaldab uraani 1∙10-8 g/ml, inimese veri aga 4∙10-10 g/g. Veise maks sisaldab 8∙10-8 g/g, inimestel samas elundis 6∙10-9 g/g; veiste põrn sisaldab 9∙10-8 g/g, inimestel - 4,7∙10-7 g/g. Veiste lihaskudedes koguneb seda kuni 4∙10-11 g/g. Lisaks leidub inimkehas uraani kopsudes vahemikus 6∙10-9 – 9∙10-9 g/g; neerudes 5,3∙10-9 g/g (kortikaalne kiht) ja 1,3∙10-8 g/g (medulla); luukoes 1∙10-9 g/g; luuüdis 1∙10-8 g/g; juustes 1,3∙10-7 g/g. Luudes leiduv uraan põhjustab luukoe pidevat kiiritamist (uraani luustikust täieliku eemaldamise periood on 600 päeva). Kõige vähem sellest metallist ajus ja südames (umbes 10-10 g / g). Nagu varem mainitud, on peamised viisid, kuidas uraan kehasse siseneb, vesi, toit ja õhk. Toidu ja vedelikega kehasse siseneva metalli päevane annus on 1,9∙10-6 g, õhuga 7∙10-9 g. Uraani eritub aga organismist iga päev: uriiniga 0,5∙10-7 g. kuni 5∙10-7 g; väljaheitega 1,4∙10-6 g kuni 1,8∙10-6 g. Kaod juuste, küünte ja surnud nahahelvestega - 2∙10-8 g.

Teadlased viitavad sellele, et väheses koguses uraani on inimkeha, loomade ja taimede normaalseks toimimiseks vajalik. Selle rolli füsioloogias pole aga veel selgitatud. On kindlaks tehtud, et 92. elemendi sisaldus inimkehas on keskmiselt umbes 9∙10-5 g (Rahvusvaheline Kiirguskaitsekomisjon). Tõsi, see arv erineb erinevates piirkondades ja territooriumidel mõnevõrra.

Vaatamata oma seni teadmata, kuid kindlale bioloogilisele rollile elusorganismides on uraan endiselt üks ohtlikumaid elemente. Esiteks väljendub see selle metalli toksilises toimes, mis tuleneb selle keemilistest omadustest, eelkõige ühendite lahustuvusest. Nii on näiteks lahustuvad ühendid (uranüül ja teised) mürgisemad. Kõige sagedamini toimub mürgitamine uraani ja selle ühenditega rikastamistehastes, uraani tooraine kaevandamise ja töötlemise ettevõtetes ning muudes tootmisrajatistes, kus uraan on seotud tehnoloogiliste protsessidega.

Kehasse tungides mõjutab uraan absoluutselt kõiki elundeid ja nende kudesid, sest toime toimub rakutasandil: pärsib ensüümide aktiivsust. Mõjutatud on peamiselt neerud, mis väljendub suhkru ja valgu järsu suurenemises uriinis, mille järel areneb oliguuria. Mõjutatud on seedetrakt ja maks. Uraanimürgitus jaguneb ägedaks ja krooniliseks, viimane areneb järk-järgult ja võib olla asümptomaatiline või kergete ilmingutega. Hilisem krooniline mürgistus toob aga kaasa vereloome, närvisüsteemi häireid ja muid tõsiseid terviseprobleeme.

Üks tonn graniitkivi sisaldab ligikaudu 25 grammi uraani. Nende 25 grammi reaktoris põletamisel vabanev energia on võrreldav energiaga, mis vabaneb 125 tonni kivisöe põletamisel võimsate termokatelde ahjudes! Nende andmete põhjal võib eeldada, et lähitulevikus peetakse graniiti üheks mineraalkütuse liigiks. Kokku sisaldab maakoore suhteliselt õhuke kahekümnekilomeetrine pinnakiht ligikaudu 1014 tonni uraani, energiaekvivalendiks ümber arvutades saadakse lihtsalt kolossaalne näitaja - 2,36,1024 kilovatt-tundi. Isegi kõik väljatöötatud, uuritud ja tulevased põlevate mineraalide maardlad kokku ei suuda anda miljondikutki sellest energiast!

Teadaolevalt on kuumtöödeldud uraanisulamitele iseloomulik kõrge voolavuspiir, roome ja suurenenud korrosioonikindlus, väiksem kalduvus muuta tooteid temperatuurikõikumiste ja kiiritamise mõjul. Nendest põhimõtetest lähtuvalt kasutati 20. sajandi alguses ja kuni kolmekümnendateni uraani karbiidi kujul tööriistateraste tootmisel. Lisaks käis ta mõnes sulamis volframit asendamas, mis oli odavam ja kättesaadavam. Ferrouraani tootmisel oli U osakaal kuni 30%. Tõsi, 20. sajandi teisel kolmandikul jäi selline uraani kasutamine olematuks.

Nagu teate, toimub meie Maa soolestikus pidev urni isotoopide lagunemise protsess. Niisiis on teadlased välja arvutanud, et selle metalli kogu massi, mis on ümbritsetud maakera sisse, energia hetkeline vabanemine soojendaks meie planeedi mitme tuhande kraadise temperatuurini! Selline nähtus on aga õnneks võimatu – soojus eraldub ju järk-järgult – kuna uraani ja selle derivaatide tuumad läbivad rea pikaajalisi radioaktiivseid muundumisi. Selliste muundumise kestust saab hinnata looduslike uraani isotoopide poolestusaegade järgi, näiteks 235U puhul on see 7108 aastat ja 238U puhul 4,51109 aastat. Uraanisoojus soojendab aga Maad oluliselt. Kui kogu Maa massis oleks uraani sama palju kui ülemises kahekümnekilomeetrises kihis, oleks temperatuur planeedil palju kõrgem kui praegu. Maa keskpunkti poole liikudes aga uraani kontsentratsioon väheneb.

Tuumareaktorites töödeldakse ainult väikest osa laetud uraanist, see on tingitud kütuse lõhustumisproduktidega räbumisest: 235U põleb läbi, ahelreaktsioon hääbub järk-järgult. Kütusevardad on aga endiselt täidetud tuumakütusega, mida tuleb taaskasutada. Selleks demonteeritakse ja saadetakse töötlemisele vanad kütuseelemendid - need lahustatakse hapetes ning saadud lahusest ekstraheeritakse ekstraheerimise teel uraan, utiliseerimist vajavad lõhustumisfragmendid jäävad lahusesse. Seega selgub, et uraanitööstus on praktiliselt jäätmevaba keemiatootmine!

Uraani isotoopide eraldamise tehased hõivavad mitmekümne hektari suuruse ala, mis on ligikaudu sama suurusjärgu ja poorsete vaheseinte pindala tehase eralduskaskaadides. See on tingitud uraani isotoopide eraldamise difusioonimeetodi keerukusest – 235U kontsentratsiooni tõstmiseks 0,72-lt 99%-ni on ju vaja mitu tuhat difusioonietappi!

Uraani-plii meetodil õnnestus geoloogidel välja selgitada kõige iidsemate mineraalide vanus, meteoriidikivimeid uurides aga meie planeedi ligikaudne sünniaeg. Tänu "uraani kellale" määrati Kuu pinnase vanus. Huvitaval kombel selgus, et 3 miljardit aastat pole Kuul vulkaanilist tegevust toimunud ja Maa looduslik satelliit jääb passiivseks kehaks. Lõppude lõpuks on isegi kõige nooremad Kuu aine tükid elanud kauem kui kõige iidsemate maapealsete mineraalide vanus.

Lugu

Uraani kasutamine algas väga ammu – juba 1. sajandil eKr kasutati looduslikust uraanoksiidist kollase glasuuri valmistamiseks, mida kasutati keraamika värvimisel.

Tänapäeval toimus uraani uurimine järk-järgult - mitmes etapis, pideva suurenemisega. Selle elemendi avastas 1789. aastal saksa loodusfilosoof ja keemik Martin Heinrich Klaproth, kes taastas Saksi vaigumaagist (“uraani pigi”) kaevandatud kuldkollase “maa” mustaks metallitaoliseks aineks (uraan). oksiid - UO2). Nimi anti tol ajal teadaoleva kõige kaugema planeedi – Uraani – auks, mille omakorda avastas 1781. aastal William Herschel. Sellega lõpeb uue elemendi uurimise esimene etapp (Klaproth oli kindel, et avastas uue metalli), tuleb enam kui viiekümneaastane paus.

1840. aastat võib pidada uraani uurimise ajaloos uue verstaposti alguseks. Sellest aastast võttis noor keemik Prantsusmaalt Eugene Melchior Peligot (1811-1890) metallilise uraani saamise probleemi, peagi (1841) see tal ka õnnestus – metallilist uraani saadi UCl4 redutseerimisel metallilise kaaliumiga. Lisaks tõestas ta, et Klaprothi avastatud uraan oli tegelikult vaid selle oksiid. Prantslane määras ka uue elemendi hinnangulise aatommassi – 120. Siis tuleb taas uraani omaduste uurimisse pikk paus.

Alles 1874. aastal ilmuvad uued oletused uraani olemuse kohta: Dmitri Ivanovitš Mendelejev, järgides tema välja töötatud teooriat keemiliste elementide periodiseerimise kohta, leiab oma tabelis koha uuele metallile, asetades uraani viimasesse lahtrisse. Lisaks suurendab Mendelejev uraani varem eeldatud aatommassi kahe võrra, eksimata ka selles, mida kinnitasid Saksa keemiku Zimmermanni katsed 12 aastat hiljem.

Alates 1896. aastast "kukkusid" avastused uraani omaduste uurimise vallas üksteise järel: ülalmainitud aastal täiesti juhuslikult (kaaliumuranüülsulfaadi kristallide fosforestsentsi uurides) 43-aastane füüsikaprofessor Antoine. Henri Becquerel avastab Becquerel Raysi, mille Marie Curie nimetas hiljem ümber radioaktiivsuseks. Samal aastal töötab Henri Moissan (taas keemik Prantsusmaalt) välja meetodi puhta metallilise uraani saamiseks.

1899. aastal avastas Ernest Rutherford uraanipreparaatide kiirguse ebahomogeensuse. Selgus, et kiirgust on kahte tüüpi - alfa- ja beetakiired, mis on oma omadustelt erinevad: nad kannavad erinevat elektrilaengut, on erineva teepikkusega aines ja nende ioniseerimisvõime on samuti erinev. Aasta hiljem avastas gammakiirguse ka Paul Villard.

Ernest Rutherford ja Frederick Soddy töötasid ühiselt välja uraani radioaktiivsuse teooria. Sellele teooriale tuginedes tegi Rutherford 1907. aastal esimesed katsed, et määrata radioaktiivse uraani ja tooriumi uurimisel mineraalide vanust. 1913. aastal võttis F. Soddy kasutusele isotoopide mõiste (vanakreeka keelest iso - "võrdne", "sama" ja topos - "koht"). 1920. aastal tegi sama teadlane ettepaneku, et isotoopide abil saab määrata kivimite geoloogilise vanuse. Tema oletused osutusid õigeks: 1939. aastal lõi Alfred Otto Karl Nier esimesed võrrandid vanuse arvutamiseks ja kasutas isotoopide eraldamiseks massispektromeetrit.

1934. aastal viis Enrico Fermi läbi rea katseid keemiliste elementide pommitamiseks neutronitega – osakestega, mille avastas J. Chadwick 1932. aastal. Selle operatsiooni tulemusena ilmusid uraanis senitundmatud radioaktiivsed ained. Fermi ja teised tema katsetes osalenud teadlased väitsid, et nad avastasid transuraanielemendid. Neli aastat üritati neutronpommitamise saaduste hulgast tuvastada transuraanielemente. Kõik lõppes 1938. aastal, kui Saksa keemikud Otto Hahn ja Fritz Strassmann leidsid, et vaba neutroni hõivamisel jaguneb 235U uraani isotoobi tuum, samas eraldub piisavalt suur energia (ühe uraani tuuma kohta), peamiselt tänu kineetilise energia killud ja kiirgus. Edasiliikumiseks Saksa keemikud ebaõnnestusid. Lisa Meitner ja Otto Frisch suutsid oma teooriat põhjendada. Sellest avastusest sai alguse aatomisisese energia kasutamine nii rahumeelsetel kui ka sõjalistel eesmärkidel.

Looduses olemine

Uraani keskmine sisaldus maakoores (clarke) on 3∙10-4 massiprotsenti, mis tähendab, et seda on maa soolestikus rohkem kui hõbedat, elavhõbedat, vismutit. Uraan on maakoore graniidikihi ja settekihi iseloomulik element. Seega on tonnis graniidis umbes 25 grammi elementi nr 92. Kokku sisaldub Maa suhteliselt õhukeses kahekümnekilomeetrises ülemises kihis üle 1000 tonni uraani. Happelistes tardkivimites 3,5∙10-4%, savides ja kildades 3,2∙10-4%, eriti rikastatud orgaanilise ainega, aluselistes kivimites 5∙10-5%, vahevöö ülialuselistes kivimites 3∙10-7%. .

Uraan rändab jõuliselt külmas ja kuumas, neutraalses ja aluselises vees liht- ja kompleksioonidena, eriti karbonaatkomplekside kujul. Uraani geokeemias mängivad olulist rolli redoksreaktsioonid, seda kõike seetõttu, et uraaniühendid lahustuvad reeglina hästi oksüdeeriva keskkonnaga vetes ja halvasti lahustuvad redutseeriva keskkonnaga (vesiniksulfiid) vees.

Uraani mineraalseid maake on teada üle saja, need erinevad keemilise koostise, päritolu, uraani kontsentratsiooni poolest, kogu sordist pakuvad praktilist huvi vaid kümmekond. Suurima tööstusliku tähtsusega uraani peamisteks esindajateks looduses võib pidada oksiide - uraniniiti ja selle sorte (nasturaan ja uraanimust), aga ka silikaate - koffiniiti, titanate - davidiiti ja branneriiti; fosfaatide vesilahused ja uranüülarsenaadid – uraani vilgukivi.

Uraniniit – UO2 esineb peamiselt iidsetes – eelkambriumi kivimites selgete kristalliliste vormidena. Uraniniit moodustab isomorfsed seeriad torianiidi ThO2 ja ütrotserianiidiga (Y,Ce)O2. Lisaks sisaldavad kõik uraniniidid uraani ja tooriumi radiogeenseid lagunemissaadusi: K, Po, He, Ac, Pb, aga ka Ca ja Zn. Uraniniit ise on kõrge temperatuuriga mineraal, mis on iseloomulik graniidile ja süeniidi pegmatiitidele koos keeruliste uraanniob-tantaal-titanaatide (kolumbiit, pürokloor, samarskiit jt), tsirkooni ja monasiidiga. Lisaks esineb uraniniiti hüdrotermilistes, skarni- ja settekivimites. Suured uraniidimaardlad on teada Kanadas, Aafrikas, Ameerika Ühendriikides, Prantsusmaal ja Austraalias.

Nasturaan (U3O8), tuntud ka kui uraani pigi või pigi segu, mis moodustab krüptokristallilisi kollomorfseid agregaate, on vulkanogeenne ja hüdrotermiline mineraal, mida leidub paleosoikumides ning nooremates kõrge ja keskmise temperatuuriga kihistudes. Pigisegu pidevad kaaslased on sulfiidid, arseniidid, looduslik vismut, arseen ja hõbe, karbonaadid ja mõned muud elemendid. Need maagid on väga uraanirikkad, kuid äärmiselt haruldased, sageli koos raadiumiga, seda on lihtne seletada: raadium on uraani isotooplagunemise otsene produkt.

Uraanimustad (lahtised mullased agregaadid) on peamiselt esindatud noortes - tsenosoikumides ja nooremates moodustistes, mis on iseloomulikud hüdrotermilisele uraansulfiidile ja settemaardlatele.

Uraani ekstraheeritakse ka kõrvalsaadusena alla 0,1% maakidest, näiteks kulda sisaldavatest konglomeraatidest.

Peamised uraanimaakide leiukohad asuvad USA-s (Colorado, Põhja- ja Lõuna-Dakota), Kanadas (Ontario ja Saskatchewani provintsid), Lõuna-Aafrikas (Witwatersrand), Prantsusmaal (Keskmassif), Austraalias (Põhjaterritoorium) ja paljudes teistes riikides. . Venemaal on peamine uraanimaagi piirkond Transbaikalia. Umbes 93% Venemaa uraanist kaevandatakse Tšita oblastis (Krasnokamenski linna lähedal) asuvas leiukohas.

Rakendus

Kaasaegne tuumaenergia on lihtsalt mõeldamatu ilma elemendi nr 92 ja selle omadusteta. Kuigi mitte nii kaua aega tagasi – enne esimese tuumareaktori käivitamist kaevandati uraanimaagid peamiselt selleks, et neist raadiumit ammutada. Mõnedes värvainetes ja katalüsaatorites on kasutatud väikeses koguses uraaniühendeid. Tegelikult peeti uraani peaaegu olematu tööstusliku väärtusega elemendiks ja kui dramaatiliselt olukord muutus pärast uraani isotoopide lõhustumisvõime avastamist! See metall sai koheselt strateegilise tooraine nr 1 staatuse.

Tänapäeval on metallilise uraani ja ka selle ühendite peamiseks kasutusalaks tuumareaktorite kütus. Niisiis kasutatakse tuumaelektrijaamade statsionaarsetes reaktorites madala rikastusega (looduslikku) uraani isotoopide segu ning tuumaelektrijaamades ja kiirete neutronreaktorites kasutatakse kõrge rikastusastmega uraani.

Suurim rakendus on uraani isotoop 235U, kuna see on võimalik isemajandav tuumaahelreaktsioon, mis pole tüüpiline teistele uraani isotoopidele. Tänu sellele omadusele kasutatakse 235U kütusena nii tuumareaktorites kui ka tuumarelvades. 235U isotoobi eraldamine looduslikust uraanist on aga keeruline ja kulukas tehnoloogiline probleem.

Looduses kõige levinum uraani isotoop 238U võib lõhustuda, kui seda pommitatakse suure energiaga neutronitega. Selle isotoobi seda omadust kasutatakse termotuumarelvade võimsuse suurendamiseks – kasutatakse termotuumareaktsiooni käigus tekkivaid neutroneid. Lisaks saadakse 238U isotoobist plutooniumi isotoop 239Pu, mida saab omakorda kasutada ka tuumareaktorites ja aatomipommis.

Viimasel ajal on laialdaselt kasutatud tooriumist reaktorites kunstlikult saadud uraani isotoopi 233U, mis saadakse tooriumi kiiritamisel tuumareaktori neutronvoos:

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

233U lõhustatakse termiliste neutronite toimel, lisaks võib 233U-ga reaktorites toimuda tuumakütuse laiendatud taastootmine. Niisiis, kui tooriumireaktoris põleb läbi kilogramm 233U, peaks sellesse kogunema 1,1 kg uut 233U (neutronite püüdmise tulemusena tooriumi tuumade poolt). Lähitulevikus on uraani-tooriumi tsükkel termilistes neutronreaktorites uraani-plutooniumi tsükli peamine konkurent tuumakütuse aretamisel kiirneutronreaktorites. Seda nukliidi kütusena kasutavad reaktorid on juba olemas ja töötavad (KAMINI Indias). 233U on ka kõige lootustandvam kütus gaasifaasi tuumarakettmootorite jaoks.

Muud uraani tehisisotoobid ei mängi olulist rolli.

Pärast “vajalike” isotoopide 234U ja 235U eraldamist looduslikust uraanist nimetatakse järelejäänud toorainet (238U) “vaesestatud uraaniks”, see on poole radioaktiivsem kui looduslik uraan, peamiselt tänu 234U eemaldamisele sellest. Kuna uraani peamine kasutusala on energia tootmine, on vaesestatud uraan madala majandusliku väärtusega vähekasutatav toode. Kuid tänu oma madalale hinnale, samuti suurele tihedusele ja ülikõrgele ristlõikele kasutatakse seda kiirgusvarjestamiseks ja ballastina kosmoserakendustes, näiteks lennukite juhtimispindadel. Lisaks kasutatakse vaesestatud uraani ballastina kosmosesõidukites ja võidusõidujahtides; suure kiirusega güroskoobi rootorites, suurtes hooratastes, õlipuurides.

Kuid vaesestatud uraani tuntuim kasutusala on selle kasutamine sõjalistes rakendustes – soomust läbistavate mürskude ja moodsate tankisoomukite, näiteks tanki M-1 Abrams südamikuna.

Uraani vähemtuntud kasutusalasid seostatakse peamiselt selle ühenditega. Nii et väike uraani lisamine annab klaasile kauni kollakasrohelise fluorestsentsi, mõned uraaniühendid on valgustundlikud, sel põhjusel kasutati uranüülnitraati laialdaselt negatiivide tugevdamiseks ja positiivide (fotoprintide) pruuniks värvimiseks.

Karbiidi 235U, mis on legeeritud nioobiumkarbiidi ja tsirkooniumkarbiidiga, kasutatakse tuumareaktiivmootorite kütusena. Raua ja vaesestatud uraani (238U) sulameid kasutatakse võimsate magnetostriktiivsete materjalidena. Värvimisel kasutati kollase pigmendina naatriumuranaati Na2U2O7, varem kasutati uraaniühendeid värvidena portselani värvimisel ning keraamiliste glasuuride ja emailide jaoks (värvides kollane, pruun, roheline ja must, olenevalt oksüdatsiooniastmest). .

Tootmine

Uraani saadakse uraanimaakidest, mis erinevad oluliselt mitmete omaduste poolest (vastavalt tekketingimustele "kontrast", kasulike lisandite sisaldus jne), millest peamine on uraani protsent. Selle tunnuse järgi eristatakse viit sorti maake: väga rikas (sisaldab üle 1% uraani); rikas (1-0,5%); keskmine (0,5-0,25%); tavaline (0,25-0,1%) ja vaene (alla 0,1%). Kuid isegi 0,01–0,015% uraani sisaldavatest maakidest ekstraheeritakse see metall kõrvalsaadusena.

Uraani toorainete arendamise aastate jooksul on uraani maakidest eraldamiseks välja töötatud palju meetodeid. See on tingitud nii uraani strateegilisest tähtsusest mõnes piirkonnas kui ka selle looduslike ilmingute mitmekesisusest. Vaatamata meetodite ja toorainebaaside mitmekesisusele koosneb uraani tootmine kolmest etapist: uraanimaagi esialgne kontsentreerimine; uraani leostumine ja piisavalt puhaste uraaniühendite saamine sadestamise, ekstraheerimise või ioonivahetuse teel. Lisaks, olenevalt tekkiva uraani eesmärgist, järgneb toote rikastamine 235U isotoobiga või kohe elementaarse uraani redutseerimine.

Niisiis, algselt on maak kontsentreeritud - kivim purustatakse ja täidetakse veega. Sel juhul sadestuvad segu raskemad elemendid kiiremini. Primaarseid uraanimineraale sisaldavates kivimites toimub nende kiire sadestumine, kuna need on väga rasked. Uraani sekundaarseid mineraale sisaldavate maakide kontsentreerimisel toimub aheraine settimine, mis on sekundaarsetest mineraalidest palju raskem, kuid võib sisaldada väga kasulikke elemente.

Uraanimaake peaaegu ei rikastata, välja arvatud orgaaniline radiomeetrilise sorteerimise meetod, mis põhineb raadiumi γ-kiirgusel, mis uraaniga alati kaasas käib.

Uraani tootmise järgmine samm on leostumine, seega läheb uraan lahusesse. Põhimõtteliselt leostatakse maagid väävel-, mõnikord lämmastikhappe- või soodalahustega, viides uraani happeliseks lahuseks UO2SO4 või kompleksanioonide kujul ja soodalahuseks 4-kompleksi aniooni kujul. Väävelhappe kasutamise meetod on odavam, kuid see pole alati rakendatav - kui tooraine sisaldab neljavalentset uraani (uraanivaiku), mis väävelhappes ei lahustu. Sellistel juhtudel kasutatakse leolist leotamist või neljavalentne uraan oksüdeeritakse kuuevalentseks. Seebikivi (seebikivi) kasutamine on kasulik magnesiiti või dolomiiti sisaldava maagi leostamisel, mille lahustumiseks on vaja liiga palju hapet.

Pärast leostumist ei sisalda lahus mitte ainult uraani, vaid ka teisi elemente, mis nagu uraan, ekstraheeritakse samade orgaaniliste lahustitega, sadestuvad samadel ioonvahetusvaikudel ja sadestuvad samadel tingimustel. Sellises olukorras tuleb uraani selektiivseks eraldamiseks kasutada palju redoksreaktsioone, et välistada soovimatu element erinevates etappides. Ioonivahetus- ja ekstraheerimismeetodite üks eeliseid on see, et uraani ekstraheeritakse üsna täielikult kehvadest lahustest.

Pärast kõiki neid toiminguid viiakse uraan tahkesse olekusse - ühte oksiididest või UF4 tetrafluoriidiks. Selline uraan sisaldab suure termilise neutronite püüdmise ristlõikega lisandeid – liitiumi, boori, kaadmiumi ja haruldasi muldmetalle. Lõpptootes ei tohiks nende sisaldus ületada sajatuhandik ja miljondik protsenti! Selleks lahustatakse uraan uuesti, seekord lämmastikhappes. Uranüülnitraat UO2(NO3)2 puhastatakse ekstraheerimisel tributüülfosfaadi ja mõnede teiste ainetega täiendavalt vajalike tingimusteni. Seejärel see aine kristalliseeritakse (või sadestatakse) ja süüdatakse õrnalt. Selle toimingu tulemusena tekib uraantrioksiid UO3, mis redutseeritakse vesinikuga UO2-ks. Temperatuuril 430–600 ° C reageerib uraanoksiid kuiva vesinikfluoriidiga ja muutub UF4 tetrafluoriidiks. Juba sellest ühendist saadakse tavaliselt metallilist uraani kaltsiumi või magneesiumi abil tavapärase redutseerimise teel.

Füüsikalised omadused

Metalliline uraan on väga raske, see on kaks ja pool korda raskem kui raud ja poolteist korda raskem pliist! See on üks raskemaid elemente, mida Maa sooltes talletatakse. Oma hõbevalge värvi ja säraga meenutab uraan terast. puhas metall plastist, pehme, suure tihedusega, kuid samal ajal on seda lihtne töödelda. Uraan on elektropositiivne, sellel on ebaolulised paramagnetilised omadused - spetsiifiline magnetiline tundlikkus toatemperatuuril on 1,72 10 -6, Sellel on madal elektrijuhtivus, kuid kõrge reaktsioonivõime. Sellel elemendil on kolm allotroopset modifikatsiooni: α, β ja γ. α-vormil on rombikujuline kristallvõre järgmiste parameetritega: a = 2,8538 Å, b = 5,8662 Å, c = 469557 Å. See vorm on stabiilne temperatuurivahemikus toatemperatuurist kuni 667,7 ° C. Uraani tihedus α-vormis temperatuuril 25 ° C on 19,05±0,2 g/cm 3. β-vormil on tetragonaalne kristallvõre, see on stabiilne temperatuurivahemikus 667,7° C kuni 774,8° C. Nelinurkse võre parameetrid: a = 10,759 Å, b = 5,656 Å. Kehakeskse kuubikujulise struktuuriga γ-vorm, stabiilne alates 774,8°C kuni sulamistemperatuurini (1132°C).

Uraani redutseerimise protsessis näete kõiki kolme faasi. Selleks kasutatakse spetsiaalset aparaati, milleks on õmblusteta terastoru, mis on vooderdatud kaltsiumoksiidiga, on vajalik, et toru teras ei suhtleks uraaniga. Uraani ja magneesiumi (või kaltsiumi) tetrafluoriidi segu laaditakse aparaadisse, misjärel see kuumutatakse temperatuurini 600 ° C. Kui see temperatuur on saavutatud, lülitatakse sisse elektrikaitse, mis hakkab koheselt voolama. eksotermiline redutseerimisreaktsioon, samal ajal kui laetud segu täielikult sulab. Vedel uraan (temperatuur 1132 ° C) vajub oma kaalu tõttu täielikult põhja. Pärast uraani täielikku sadestumist aparaadi põhjale algab jahutamine, uraan kristalliseerub, selle aatomid reastuvad ranges järjekorras, moodustades kuupvõre - see on γ-faas. Järgmine üleminek toimub 774°C juures – jahtuva metalli kristallvõre muutub tetragonaalseks, mis vastab β-faasile. Kui valuploki temperatuur langeb 668 ° C-ni, paigutavad aatomid oma read uuesti ümber, paiknedes lainetena paralleelsetes kihtides - α-faasis. Rohkem muudatusi ei ole.

Uraani peamised parameetrid viitavad alati α-faasile. Sulamistemperatuur (sulamistemperatuur) 1132°C, uraani keemistemperatuur (tboil) 3818°C. Erisoojus toatemperatuuril 27,67 kJ/(kg K) või 6,612 cal/(g°C). Elektriline eritakistus temperatuuril 25 °C on ligikaudu 3 10 -7 oomi cm ja juba 600 ° C juures 5,5 10 -7 oomi cm. Uraani soojusjuhtivus varieerub ka sõltuvalt temperatuurist: näiteks vahemikus 100-200 ° C on see 28,05 W / (m K) või 0,067 cal / (cm sek ° C) ja kui see tõuseb 400-ni ° C, suureneb see kuni 29,72 W / (m K) 0,071 cal / (cm sek ° C). Uraani ülijuhtivus on 0,68 K. Keskmine Brinelli kõvadus on 19,6–21,6·10 2 MN / m 2 ehk 200–220 kgf / mm 2.

Paljud 92. elemendi mehaanilised omadused sõltuvad selle puhtusest, termilise ja mehaanilise töötlemise režiimidest. Nii ka valatud uraani kohta maksimaalne tõmbetugevus toatemperatuuril 372-470 MN/m 2 ehk 38-48 kgf/mm 2, elastsusmooduli keskmine väärtus 20,5·10 -2 MN/m2 ehk 20,9·10 -3 kgf/mm 2. Uraani tugevus suureneb pärast kustutamist β- ja γ-faasist.

Uraani kiiritamine neutronvooga, interaktsioon veega, mis jahutab metallilisest uraanist valmistatud kütuseelemente, ja muud töötegurid võimsates termilistes neutronreaktorites - kõik see põhjustab muutusi uraani füüsikalistes ja mehaanilistes omadustes: metall muutub hapraks, tekib roomamine, metallilise uraani saaduste deformatsioon. Sel põhjusel kasutatakse tuumareaktorites uraanisulameid, näiteks molübdeeniga, selline sulam on veekindel, tugevdab metalli, säilitades samal ajal kõrge temperatuuriga kuupvõre.

Keemilised omadused

Keemiliselt on uraan väga aktiivne metall. Õhus see oksüdeerub, moodustades pinnale sillerdava UO2 dioksiidi kile, mis ei kaitse metalli edasise oksüdeerumise eest, nagu juhtub titaani, tsirkooniumi ja mitmete teiste metallidega. Hapnikuga moodustab uraan UO2 dioksiidi, UO3 trioksiidi ja suure hulga vaheoksiide, millest olulisim on U3O8, need oksiidid on omadustelt sarnased UO2 ja UO3-ga. Pulbrilises olekus on uraan pürofooriline ja võib süttida kergel kuumutamisel (150 ° C ja üle selle), põlemisega kaasneb ere leek, moodustades lõpuks U3O8. Temperatuuril 500–600 ° C interakteerub uraan fluoriga, moodustades vees ja hapetes kergelt lahustuvad rohelised nõelakujulised kristallid - uraantetrafluoriid UF4, samuti UF6 - heksafluoriid (valged kristallid, mis sublimeeruvad temperatuuril sulamata 56,4 °C). UF4 ja UF6 on näited uraani interaktsioonist halogeenidega, moodustades uraanhalogeniidid. Uraan ühineb kergesti väävliga, moodustades hulga ühendeid, millest kõige olulisem on USA - tuumakütus. Uraan reageerib vesinikuga temperatuuril 220 °C, moodustades UH3-hüdriidi, mis on keemiliselt väga aktiivne. Edasisel kuumutamisel laguneb UH3 vesinikuks ja pulbriliseks uraaniks. Koostoime lämmastikuga toimub kõrgematel temperatuuridel - 450–700 ° C ja atmosfäärirõhul saadakse U4N7 nitriid, lämmastiku rõhu tõusuga samadel temperatuuridel on võimalik saada UN, U2N3 ja UN2. Kõrgematel temperatuuridel (750–800 °C) reageerib uraan süsinikuga, moodustades monokarbiidi UC, dikarbiidi UC2 ja U2C3. Uraan interakteerub veega, moodustades UO2 ja H2, aeglasemalt külma veega ja aktiivsemalt kuuma veega. Lisaks kulgeb reaktsioon auruga temperatuuril 150 kuni 250 °C. See metall lahustub vesinikkloriid-HCl-s ja lämmastik-HNO3-hapetes, vähem aktiivselt kõrgelt kontsentreeritud vesinikfluoriidhappes, reageerib aeglaselt väävel-H2SO4 ja ortofosfor-H3PO4-hapetega. Hapetega tekkivate reaktsioonide saadused on uraani neljavalentsed soolad. Anorgaanilistest hapetest ja mõnede metallide (kuld, plaatina, vask, hõbe, tina ja elavhõbe) sooladest on uraan võimeline vesinikku välja tõrjuma. Uraan ei suhtle leelistega.

Ühendites on uraanil järgmised oksüdatsiooniastmed: +3, +4, +5, +6, mõnikord +2. U3+ ei eksisteeri looduslikult ja seda saab ainult laboris. Viievalentsed uraaniühendid on enamasti ebastabiilsed ja lagunevad üsna kergesti kvaternaarseteks ja kuuevalentseteks uraaniühenditeks, mis on kõige stabiilsemad. Kuuevalentset uraani iseloomustab uranüüliooni UO22+ moodustumine, mille soolad on kollase värvusega ning lahustuvad hästi vees ja mineraalhapetes. Kuuevalentse uraani ühendite näiteks on uraantrioksiid või uraananhüdriid UO3 (oranž pulber), millel on amfoteerse oksiidi iseloom. Hapetes lahustamisel tekivad soolad, näiteks uraankloriid UO2Cl2. Leeliste toimel uranüülsoolade lahustele saadakse uraanhappe H2UO4 soolad - uraanaadid ja diuraanhappe H2U2O7 - diuraanid, näiteks naatriumuranaat Na2UO4 ja naatriumdiuranaat Na2U2O7. Neljavalentsed uraanisoolad (uraantetrakloriid UCl4) on rohelised ja vähem lahustuvad. Pikaajalisel kokkupuutel õhuga on neljavalentset uraani sisaldavad ühendid tavaliselt ebastabiilsed ja muutuvad kuuevalentseteks. Uranüülsoolad, nagu uranüülkloriid, lagunevad ereda valguse või orgaaniliste ainete juuresolekul.

Artiklis räägitakse, millal avastati selline keemiline element nagu uraan ja millistes tööstusharudes seda ainet meie ajal kasutatakse.

Uraan - energia- ja sõjatööstuse keemiline element

Inimesed on läbi aegade püüdnud leida ülitõhusaid energiaallikaid, ideaaljuhul luua nn.Teoreetiliselt tõestati ja põhjendati selle olemasolu võimatus kahjuks juba 19. sajandil, kuid teadlased ei kaotanud siiski lootust tõdeda. unistus mingist seadmest, mis oleks võimeline andma suures koguses "puhast" energiat väga pikka aega.

Osaliselt äratati see ellu sellise aine nagu uraan avastamisega. Selle nimega keemiline element moodustas aluse tuumareaktorite väljatöötamisele, mis meie ajal varustavad energiaga terveid linnu, allveelaevu, polaarlaevu jne. Tõsi, nende energiat ei saa nimetada "puhtaks", kuid viimastel aastatel on paljud ettevõtted arendanud laialdaseks müügiks kompaktseid triitiumipõhiseid "aatomipatareisid" - neil pole liikuvaid osi ja need on tervisele ohutud.

Kuid selles artiklis analüüsime üksikasjalikult keemilise elemendi, mida nimetatakse uraaniks, avastamise ajalugu ja selle tuumade lõhustumisreaktsiooni.

Definitsioon

Uraan on keemiline element, mille perioodilisuse tabelis on aatomnumber 92. Selle aatommass on 238,029. Seda tähistatakse sümboliga U. Tavatingimustes on see tihe, raske hõbedase värvi metall. Kui me räägime selle radioaktiivsusest, siis uraan ise on nõrga radioaktiivsusega element. Samuti ei sisalda see täiesti stabiilseid isotoope. Ja uraan-338 peetakse olemasolevatest isotoopidest kõige stabiilsemaks.

Saime aru, mis see element on, ja nüüd kaalume selle avastamise ajalugu.

Lugu

Sellist ainet nagu looduslik uraanoksiid on inimesed teadnud juba iidsetest aegadest ning iidsed käsitöölised valmistasid sellest glasuuri, millega kaeti anumate ja muude toodete veekindluse tagamiseks erinevaid keraamikaid ning nende kaunistusi.

Selle keemilise elemendi avastamise ajaloos oli oluline kuupäev 1789. Just siis suutis keemik ja Saksa päritolu Martin Klaproth hankida esimese metallilise uraani. Ja uus element sai oma nime kaheksa aastat varem avastatud planeedi auks.

Ligi 50 aastat peeti siis saadud uraani puhtaks metalliks, kuid 1840. aastal suutis prantsuse keemik Eugene-Melchior Peligot tõestada, et Klaprothi saadud materjal ei olnud vaatamata sobivatele välismärkidele üldse metall, vaid uraanoksiid. Veidi hiljem sai seesama Peligo ehtsa uraani – väga raske halli metalli. Siis määrati esmakordselt sellise aine nagu uraan aatommass. Keemilise elemendi 1874. aastal paigutas Dmitri Mendelejev oma kuulsasse elementide perioodilisustabelisse ja Mendelejev kahekordistas aine aatommassi kaks korda. Ja alles 12 aastat hiljem tõestati eksperimentaalselt, et ta ei eksinud oma arvutustes.

Radioaktiivsus

Kuid tõeliselt laialdane huvi selle elemendi vastu teadusringkondades sai alguse 1896. aastal, kui Becquerel avastas tõsiasja, et uraan kiirgab kiiri, mis said oma nime uurija järgi - Becquereli kiirgused. Hiljem nimetas selle valdkonna üks kuulsamaid teadlasi Marie Curie seda nähtust radioaktiivsuseks.

Järgmiseks oluliseks kuupäevaks uraani uurimisel peetakse 1899. aastat: just siis avastas Rutherford, et uraani kiirgus on ebahomogeenne ja jaguneb kahte tüüpi – alfa- ja beetakiired. Ja aasta hiljem avastas Paul Villar (Villard) kolmanda, viimase meile tänapäeval teadaoleva radioaktiivse kiirguse liigi – nn gammakiirguse.

Seitse aastat hiljem, 1906. aastal, viis Rutherford oma radioaktiivsuse teooria põhjal läbi esimesed katsed, mille eesmärgiks oli erinevate mineraalide vanuse määramine. Need uuringud panid aluse muuhulgas teooria ja praktika kujunemisele

Uraani tuumade lõhustumine

Kuid ilmselt kõige olulisem avastus, tänu millele sai alguse uraani laialdane kaevandamine ja rikastamine nii rahumeelsetel kui ka sõjalistel eesmärkidel, on uraani tuumade lõhustumise protsess. See juhtus 1938. aastal, avastuse viisid läbi saksa füüsikud Otto Hahn ja Fritz Strassmann. Hiljem sai see teooria teadusliku kinnituse veel mitme saksa füüsiku töödes.

Nende avastatud mehhanismi olemus oli järgmine: kui uraan-235 isotoobi tuuma kiiritatakse neutroniga, hakkab see vaba neutroni kinni püüdes jagunema. Ja nagu me kõik nüüd teame, kaasneb selle protsessiga tohutul hulgal energiat vabanemine. See juhtub peamiselt kiirguse enda ja tuuma fragmentide kineetilise energia tõttu. Nüüd teame, kuidas uraani lõhustumine toimub.

Selle mehhanismi avastamine ja selle tulemused on lähtepunktiks uraani kasutamisele nii rahumeelsetel kui ka sõjalistel eesmärkidel.

Kui rääkida selle kasutamisest sõjalistel eesmärkidel, siis esmakordselt kõlas teooria, mille kohaselt on võimalik luua tingimused selliseks protsessiks nagu uraani tuuma pidev lõhustumisreaktsioon (kuna tuumapommi plahvatamiseks on vaja tohutut energiat). tõestasid Nõukogude füüsikud Zeldovitš ja Khariton. Kuid sellise reaktsiooni tekitamiseks tuleb uraani rikastada, kuna normaalses olekus pole sellel vajalikke omadusi.

Tutvusime selle elemendi ajalooga, nüüd selgitame välja, kus seda kasutatakse.

Uraani isotoopide kasutusalad ja tüübid

Pärast sellise protsessi nagu uraani ahellõhustumisreaktsiooni avastamist seisid füüsikud silmitsi küsimusega, kus seda kasutada saab?

Praegu on uraani isotoopide kasutusel kaks peamist valdkonda. See on rahumeelne (või energia)tööstus ja sõjavägi. Nii esimene kui ka teine ​​kasutavad uraan-235 isotoobi reaktsiooni, erineb ainult väljundvõimsus. Lihtsamalt öeldes ei ole tuumareaktoris vaja seda protsessi luua ja säilitada sama võimsusega, mis on vajalik tuumapommi plahvatamiseks.

Niisiis loetleti peamised tööstusharud, milles uraani lõhustumise reaktsiooni kasutatakse.

Kuid uraan-235 isotoobi hankimine on äärmiselt keeruline ja kulukas tehnoloogiline ülesanne ning mitte iga riik ei saa endale lubada rikastusjaamade ehitamist. Näiteks kahekümne tonni uraanikütuse saamiseks, milles uraan 235 isotoobi sisaldus on 3–5%, on vaja rikastada rohkem kui 153 tonni looduslikku "toores" uraani.

Uraan-238 isotoopi kasutatakse peamiselt tuumarelvade konstrueerimisel nende võimsuse suurendamiseks. Samuti võib see isotoop neutroni kinni püüdmisel, millele järgneb beetalagunemisprotsess, lõpuks muutuda plutoonium-239-ks – enamiku kaasaegsete tuumareaktorite tavaliseks kütuseks.

Hoolimata kõigist selliste reaktorite puudustest (kõrge hind, hoolduse keerukus, avariioht) tasub nende töö väga kiiresti ära ning need toodavad võrreldamatult rohkem energiat kui klassikalised soojus- või hüdroelektrijaamad.

Reaktsioon võimaldas luua ka massihävitusrelvi. Seda eristab tohutu tugevus, suhteline kompaktsus ja asjaolu, et see on võimeline muutma suured maa-alad inimasustuseks kõlbmatuks. Tõsi, kaasaegsed aatomirelvad kasutavad plutooniumi, mitte uraani.

vaesestatud uraan

Samuti on vaesestatud uraani mitmesuguseid. Sellel on väga madal radioaktiivsus, mis tähendab, et see ei ole inimestele ohtlik. Seda kasutatakse taas militaarsfääris, näiteks lisatakse seda ameeriklaste Abramsi tanki soomukile, et anda sellele lisajõudu. Lisaks leiab peaaegu kõigist kõrgtehnoloogilistest armeedest erinevaid.Lisaks suurele massile on neil veel üks väga huvitav omadus - pärast mürsu hävimist süttivad selle killud ja metallitolm iseeneslikult. Ja muide, esimest korda kasutati sellist mürsku Teise maailmasõja ajal. Nagu näeme, on uraan element, mida on kasutatud erinevates inimtegevuse valdkondades.

Järeldus

Teadlaste prognooside kohaselt ammenduvad 2030. aasta paiku kõik suured uraanimaardlad täielikult, misjärel algab selle raskesti ligipääsetavate kihtide areng ja hind tõuseb. Muide, see on inimestele täiesti kahjutu - mõned kaevurid on selle tootmise kallal põlvkondi töötanud. Nüüd oleme välja mõelnud selle keemilise elemendi avastamise ajaloo ja selle, kuidas selle tuumade lõhustumisreaktsiooni kasutatakse.

Muide, on teada huvitav fakt - uraaniühendeid on pikka aega kasutatud portselani ja klaasi värvidena (nn kuni 1950. aastateni.