Uran (pierwiastek chemiczny) Uran (pierwiastek chemiczny)
URAN (łac. Uran), U (czytaj „uran”), radioaktywny pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 92, masie atomowej 238.0289. Aktynoid. Naturalny uran składa się z mieszaniny trzech izotopów: 238 U, 99,2739%, o okresie półtrwania T 1/2 = 4,51 10 9 lat, 235 jedn., 0,7024%, okres półtrwania T 1/2 = 7,13 10 8 lat, 234 jedn., 0,0057%, okres półtrwania T 1/2 = 2,45 10 5 lat. 238 U (uran-I, UI) i 235 U (aktynuran, AcU) to przodkowie serii radioaktywnej. Spośród 11 sztucznie uzyskanych radionuklidów o liczbach masowych 227-240, długożyciowych 233 U ( T 1/2 = 1,62 10 5 lat), otrzymuje się przez napromieniowanie toru neutronami (cm. TOR).
Konfiguracja trzech zewnętrznych warstw elektronicznych 5 s 2
P 6
D 10 F 3 6s 2
P 6
D 1 7 s 2
, uran należy do F-elementy. Znajduje się w grupie IIIB w VII okresie układu okresowego pierwiastków. W związkach wykazuje stany utlenienia +2, +3, +4, +5 i +6, wartościowości II, III, IV, V i VI.
Promień neutralnego atomu uranu wynosi 0,156 nm, promień jonów to: U 3+ - 0,1024 nm, U 4+ - 0,089 nm, U 5+ - 0,088 nm i U 6+ - 0,083 nm. Energie kolejnych jonizacji atomu wynoszą 6,19, 11,6, 19,8, 36,7 eV. Pauling elektroujemność (cm. POLING Linus) 1,22.
Historia odkryć
Uran został odkryty w 1789 roku przez niemieckiego chemika MG Klaproth (cm. KLAPROT Martin Heinrich) w opracowaniu mineralnej „mieszanki żywicznej”. Został nazwany na cześć planety Uran, odkrytej przez W. Herschel (cm. GERSHEL) w 1781 r. Uran został uzyskany w stanie metalicznym w 1841 r. przez francuskiego chemika E. Peligot (cm. PELIGO Eugeniusz Melkjor) w redukcji UCl4 metalicznym potasem. Radioaktywne właściwości uranu odkrył w 1896 roku Francuz A. Becquerel (cm. BECQUEREL Antoine Henri).
Początkowo masę atomową 116 przypisywano uranowi, ale w 1871 r. D.I. Mendelejew (cm. MENDELEJEW Dmitrij Iwanowicz) doszedł do wniosku, że należy go podwoić. Po odkryciu pierwiastków o liczbach atomowych od 90 do 103 amerykański chemik G. Seaborg (cm. SEABORG Glenn Theodore) doszedł do wniosku, że te pierwiastki (aktynowce) (cm. AKTYNOIDY) bardziej poprawne jest umieszczenie go w układzie okresowym w tej samej komórce z pierwiastkiem numer 89 aktyn. Taki układ wynika z faktu, że aktynowce są zakończone 5 F-podpoziom wyborczy.
Będąc na łonie natury
Uran jest elementem charakterystycznym dla warstwy granitu i powłoki osadowej skorupy ziemskiej. Zawartość w skorupie ziemskiej wynosi 2,5 · 10 -4% wag. W wodzie morskiej stężenie uranu jest mniejsze niż 10 -9 g / l, w sumie woda morska zawiera od 10 9 do 10 10 ton uranu. Wolnego uranu nie ma w skorupie ziemskiej. Znanych jest około 100 minerałów uranu, z których najważniejsze to blenda smolista U 3 O 8, uraninit (cm. URANINIT)(U, Th) O 2, ruda żywicy uranowej (zawiera tlenki uranu o zmiennym składzie) oraz tyujamunit Ca [(UO 2) 2 (VO 4) 2] · 8H 2 O.
Otrzymujący
Uran otrzymuje się z rud uranu zawierających 0,05-0,5% U. Wydobycie uranu rozpoczyna się od uzyskania koncentratu. Rudy są ługowane roztworami kwasu siarkowego, azotowego lub zasad. Otrzymany roztwór zawsze zawiera zanieczyszczenia innych metali. Przy oddzielaniu od nich uranu wykorzystuje się różnice we właściwościach redoks. Procesy redoks są połączone z procesami wymiany jonowej i ekstrakcji.
Z otrzymanego roztworu ekstrahuje się uran w postaci tlenku lub tetrafluorku UF 4 metodą metalotermiczną:
UF4 + 2Mg = 2MgF2 + U
Powstały uran zawiera śladowe ilości zanieczyszczeń borem. (cm. Bor (pierwiastek chemiczny)),
kadm (cm. KADM) oraz kilka innych pierwiastków, tzw. trucizny reaktorowe. Absorbując neutrony generowane podczas działania reaktora jądrowego, sprawiają, że uran nie nadaje się do wykorzystania jako paliwo jądrowe.
Aby pozbyć się zanieczyszczeń, metaliczny uran rozpuszcza się w kwasie azotowym, aby uzyskać azotan uranylu UO 2 (NO 3) 2. Azotan uranylu jest ekstrahowany z wodnego roztworu fosforanem tributylu. Produkt oczyszczania z ekstraktu ponownie przekształca się w tlenek lub tetrafluorek uranu, z którego ponownie otrzymuje się metal.
Część uranu uzyskuje się poprzez regenerację zużytego paliwa jądrowego w reaktorze. Wszystkie operacje regeneracji uranu są przeprowadzane zdalnie.
Fizyczne i chemiczne właściwości
Uran to srebrzystobiały błyszczący metal. Metaliczny uran występuje w trzech odmianach alotropowych (cm. ALOTROPIA) modyfikacje. Do 669°C stabilna a-modyfikacja z rombową siatką, parametry a= 0,2854 nm, v= 0,5869 nm i z= 0,4956 nm, gęstość 19,12 kg/dm3. Od 669°C do 776°C stabilna b-modyfikacja z siecią tetragonalną (parametry a= 1,0758 nm, z= 0,5656 nm). Aż do temperatury topnienia 1135 ° C, g-modyfikacja z sześcienną siatką pośrodku ciała ( a= 0,3525 nm). Temperatura parowania 4200 ° C.
Aktywność chemiczna metalicznego uranu jest wysoka. W powietrzu zostaje pokryty warstwą tlenku. Sproszkowany uran jest piroforyczny, podczas spalania uranu i termicznego rozkładu wielu jego związków w powietrzu powstaje tlenek uranu U 3 O 8 . Jeśli ten tlenek jest ogrzewany w atmosferze wodoru (cm. WODÓR) w temperaturach powyżej 500 ° C powstaje dwutlenek uranu UO 2:
U3O8 + H2 = 3UO2 + 2H2O
Jeśli azotan uranylu UO 2 (NO 3) 2 zostanie podgrzany w temperaturze 500 ° C, to rozkładając się, tworzy trójtlenek uranu UO 3. Oprócz tlenków uranu o składzie stechiometrycznym UO 2, UO 3 i U 3 O 8 znane są tlenek uranu o składzie U 4 O 9 oraz kilka metastabilnych tlenków i tlenków o zmiennym składzie.
Podczas fuzji tlenków uranu z tlenkami innych metali powstają uraniany: K 2 UO 4 (uranian potasu), CaUO 4 (uranian wapnia), Na 2 U 2 O 7 (diuranian sodu).
Interakcja z halogenami (cm. HALOGENY), uran daje halogenki uranu. Wśród nich heksafluorek UF 6 jest żółtą krystaliczną substancją, która łatwo sublimuje nawet przy niskim ogrzewaniu (40-60°C) i równie łatwo hydrolizuje wodą. Sześciofluorek uranu UF 6 ma największe znaczenie praktyczne. Otrzymuje się go przez oddziaływanie metalicznego uranu, tlenków uranu lub UF 4 z fluorem lub środkami fluorującymi BrF 3, СCl 3 F (freon-11) lub CCl 2 F 2 (freon-12):
U 3 O 8 + 6CCl2F2 = UF4 + 3COCl2 + CCl4 + Cl2
UF 4 + F 2 = UF 6
lub
U 3 O 8 + 9F 2 = 3UF 6 + 4O 2
Znane są fluorki i chlorki odpowiadające stopniom utlenienia uranu +3, +4, +5 i +6. Otrzymano bromki uranu UBr 3, UBr 4 i UBr 5 oraz jodki uranu UI 3 i UI 4. Zsyntetyzowano tlenohalogenki uranu, takie jak UO 2 Cl 2 UOCl 2 i inne.
Kiedy uran wchodzi w interakcję z wodorem, powstaje wodorek uranu UH 3, który ma wysoką aktywność chemiczną. Po podgrzaniu wodorek rozkłada się, tworząc wodór i sproszkowany uran. Podczas spiekania uranu z borem powstają borki UB2, UB4 i UB12, w zależności od stosunku molowego reagentów i warunków procesu.
Z węglem (cm. WĘGIEL) uran tworzy trzy węgliki UC, U 2 C 3 i UC 2.
Oddziaływanie uranu z krzemem (cm. KRZEM) Otrzymano krzemki U3Si, U3Si2, USi, U3Si5, USi2 i U3Si2.
Otrzymano azotki uranu (UN, UN 2, U 2 N 3) i fosforki uranu (UP, U 3 P 4, UP 2). Z szarym (cm. SIARKA) uran tworzy szereg siarczków: U 3 S 5, US, US 2, US 3 i U 2 S 3.
Metaliczny uran rozpuszcza się w HCl i HNO 3, powoli reaguje z H 2 SO 4 i H 3 PO 4. Istnieją sole zawierające kation uranylowy UO 2 2+.
W roztworach wodnych związki uranu występują na stopniach utlenienia od +3 do +6. Standardowy potencjał utleniania pary U(IV)/U(III) wynosi 0,52 V, pary U(V)/U(IV) 0,38 V, pary U(VI)/U(V) 0,17 V, pary U (VI) / U (IV) 0,27. Jon U 3+ jest niestabilny w roztworze, jon U 4+ jest stabilny przy braku powietrza. Kation UO 2 + jest niestabilny iw roztworze nieproporcjonalny do U 4+ i UO 2 2+. Jony U 3+ mają charakterystyczny czerwony kolor, jony U 4+ - zielony, jony UO 2 2+ - żółty.
W roztworach związki uranu są najbardziej stabilne na stopniu utlenienia +6. Wszystkie związki uranu w roztworach są podatne na hydrolizę i kompleksowanie, najsilniej kationy U 4+ i UO 2 2+.
Podanie
Metaliczny uran i jego związki są wykorzystywane głównie jako paliwo jądrowe w reaktorach jądrowych. Nisko wzbogacona mieszanina izotopów uranu stosowana jest w reaktorach stacjonarnych elektrowni jądrowych. Produkt wysoko wzbogacony - w reaktorach jądrowych pracujących na neutronach prędkich. 235 U jest źródłem energii jądrowej w broni jądrowej. 238 U służy jako źródło wtórnego paliwa jądrowego - plutonu.
Działanie fizjologiczne
W mikro ilościach (10 -5 -10 -8%) występuje w tkankach roślin, zwierząt i ludzi. Nagromadzony głównie przez niektóre grzyby i glony. Związki uranu wchłaniane są w przewodzie pokarmowym (około 1%), w płucach – 50%. Główne magazyny w organizmie: śledziona, nerki, szkielet, wątroba, płuca i węzły chłonne oskrzelowo-płucne. Zawartość w narządach i tkankach ludzi i zwierząt nie przekracza 10 -7 lat.
Uran i jego związki są wysoce toksyczne. Szczególnie niebezpieczne są aerozole uranu i jego związków. Dla aerozoli rozpuszczalnych w wodzie związków uranu maksymalne dopuszczalne stężenie w powietrzu wynosi 0,015 mg/m3, dla nierozpuszczalnych form uranu maksymalne dopuszczalne stężenie wynosi 0,075 mg/m3. Kiedy dostanie się do organizmu, uran działa na wszystkie narządy, będąc ogólną trucizną komórkową. Molekularny mechanizm działania uranu jest związany z jego zdolnością do hamowania aktywności enzymatycznej. Przede wszystkim dotyczy to nerek (w moczu pojawiają się białko i cukier, skąpomocz). Przy przewlekłym zatruciu możliwe są zaburzenia hematopoezy i układu nerwowego.
słownik encyklopedyczny. 2009 .
U (Uran, uran; przy O = 16 masa atomowa U = 240) pierwiastek o największej masie atomowej; wszystkie pierwiastki, pod względem masy atomowej, znajdują się między wodorem a uranem. Jest to najtwardszy członek metalowej podgrupy VI grupy układu okresowego (patrz Chrom, ... ... Słownik encyklopedyczny F.A. Brockhaus i I.A. Efron
Uran (U) Liczba atomowa 92 Wygląd prostej substancji Właściwości atomu Masa atomowa (masa molowa) 238.0289 a. np. m. (g / mol) ... Wikipedia
Uran (łac. Uran), U, radioaktywny pierwiastek chemiczny III grupy układu okresowego Mendelejewa, należy do rodziny aktynowców, liczba atomowa 92, masa atomowa 238,029; metal. Naturalny mocznik składa się z mieszaniny trzech izotopów: 238U √ 99,2739% ... ... Wielka radziecka encyklopedia
Uran (pierwiastek chemiczny)- Uran (Uran), U, radioaktywny pierwiastek chemiczny III grupy układu okresowego, liczba atomowa 92, masa atomowa 238,0289; odnosi się do aktynowców; metal, tp 1135°C. Uran jest głównym pierwiastkiem energii jądrowej (paliwo jądrowe), jest używany w ... ... Ilustrowany słownik encyklopedyczny Wikipedia
- (Grecki uranos niebo). 1) bóg nieba, ojciec Saturna, najstarszego z bogów, w języku greckim. mitol. 2) rzadki metal, który w stanie czystym ma wygląd srebrzystych liści. 3) duża planeta odkryta przez Herschela w 1781 r. Słownik obcych słów zawartych w ... ... Słownik wyrazów obcych języka rosyjskiego
Uran: * Uran (mitologia) to starożytny grecki bóg. Syn Gai * Uran (planeta) planeta Układu Słonecznego * Uran (instrument muzyczny) starożytny turecki i kazachski muzyczny instrument dęty * Uran (pierwiastek) pierwiastek chemiczny * Operacja ... ... Wikipedia
- (Uran), U, radioaktywny pierwiastek chemiczny III grupy układu okresowego pierwiastków, liczba atomowa 92, masa atomowa 238.0289; odnosi się do aktynowców; metal, tp 1135shC. Uran jest głównym pierwiastkiem energii jądrowej (paliwo jądrowe), jest używany w ... ... Współczesna encyklopedia
| U | 92 |
| 238,0289 | |
| 5f 3 6d 1 7s 2 | |
| Uran | |
Uran(stara nazwa Uran) - pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 92 w układzie okresowym, masa atomowa 238,029; oznaczony symbolem U ( Uran) należy do rodziny aktynowców.
Już w starożytności (I wiek pne) naturalny tlenek uranu był używany do wytwarzania żółtej glazury do ceramiki. Badania nad uranem ewoluowały podobnie jak reakcja łańcuchowa, którą generuje. Początkowo informacje o jego właściwościach, jak pierwsze impulsy reakcji łańcuchowej, pojawiały się z długimi przerwami, od przypadku do przypadku. Pierwszą ważną datą w historii uranu jest rok 1789, kiedy to niemiecki filozof przyrody i chemik Martin Heinrich Klaproth zredukował złocistożółtą „ziemię” wydobytą z saksońskiej rudy żywicy do substancji podobnej do czarnego metalu. Na cześć najodleglejszej znanej wówczas planety (odkrytej przez Herschela osiem lat wcześniej) Klaproth, uznając nową substancję za pierwiastek, nazwał ją uranem.
Przez pięćdziesiąt lat uran Klaprotha był uważany za metal. Dopiero w 1841 r. Eugene Melchior Peligot - francuski chemik (1811-1890)] udowodnił, że pomimo charakterystycznego metalicznego połysku uran Klaprotha nie jest pierwiastkiem, lecz tlenkiem. UO 2... W 1840 roku Peligo udało się pozyskać prawdziwy uran, metal ciężki o stalowoszarej barwie i określić jego masę atomową. Kolejny ważny krok w badaniach uranu został wykonany w 1874 roku przez DI Mendelejewa. Opierając się na opracowanym przez siebie układzie okresowym, umieścił uran w najdalszej celi swojego stołu. Wcześniej uważano, że masa atomowa uranu wynosi 120. Wielki chemik podwoił tę wartość. Po 12 latach przezorność Mendelejewa została potwierdzona eksperymentami niemieckiego chemika Zimmermanna.
Badanie uranu rozpoczęło się w 1896 roku: francuski chemik Antoine Henri Becquerel przypadkowo odkrył promienie Becquerela, które Marie Curie przemianowała później na radioaktywność. W tym samym czasie francuskiemu chemikowi Henri Moissantowi udało się opracować metodę otrzymywania czystego metalicznego uranu. W 1899 Rutherford odkrył, że promieniowanie preparatów uranu jest niejednorodne, że istnieją dwa rodzaje promieniowania – promienie alfa i beta. Przenoszą różne ładunki elektryczne; ich zasięg w materii i zdolność jonizacji są dalekie od tego samego. Nieco później, w maju 1900, Paul Villard odkrył trzeci rodzaj promieniowania - promienie gamma.
Ernest Rutherford przeprowadził w 1907 roku pierwsze eksperymenty mające na celu określenie wieku minerałów w badaniach radioaktywnego uranu i toru na podstawie teorii radioaktywności, którą stworzył wspólnie z Frederickiem Soddym (Soddy, Frederick, 1877-1956; Nagroda Nobla w Chemia, 1921). W 1913 F. Soddy wprowadził koncepcję izotopy(z greckiego ισος – „równy”, „taki sam” i τόπος – „miejsce”), aw 1920 przewidział, że izotopy mogą służyć do określania wieku geologicznego skał. W 1928 Niggot wdrożył, aw 1939 AOK Nier (Nier, Alfred Otto Carl, 1911 - 1994) stworzył pierwsze równania do obliczania wieku i zastosował spektrometr masowy do separacji izotopów.
W 1939 roku Frederic Joliot-Curie i niemieccy fizycy Otto Frisch i Lisa Meitner odkryli nieznane zjawisko, które występuje w jądrze uranu, gdy jest ono napromieniowane neutronami. Wybuchowe zniszczenie tego jądra nastąpiło wraz z powstaniem nowych pierwiastków znacznie lżejszych od uranu. Zniszczenie to miało charakter wybuchowy, fragmenty produktów rozrzucone w różnych kierunkach z ogromną prędkością. W ten sposób odkryto zjawisko zwane reakcją jądrową.
W latach 1939-1940. Yu.B. Khariton i Ya.B.Zel'dovich jako pierwsi wykazali teoretycznie, że przy niewielkim wzbogaceniu naturalnego uranu uranem-235 można stworzyć warunki do ciągłego rozszczepiania jąder atomowych, czyli do nadania przetwarzać znak łańcucha.
Ruda uraninitu
Uran jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie. Blak uranu wynosi 1 · 10 -3% (wag.). Ilość uranu w warstwie litosfery o grubości 20 km szacuje się na 1,3 · 10 14 ton.
Większość uranu znajduje się w kwaśnych skałach o wysokim krzem... Znaczna masa uranu jest skoncentrowana w skałach osadowych, zwłaszcza wzbogaconych w materię organiczną. Uran występuje w dużych ilościach jako zanieczyszczenie w minerałach toru i pierwiastków ziem rzadkich (ortyt, sfen CaTiO 3, monazyt (La, Ce) PO 4, cyrkon ZrSiO 4, ksenotym YPO 4 itp.). Najważniejszymi rudami uranu są blenda smołowa (smoła uranowa), uraninit i karnotyt. Główne minerały - satelity uranu to molibdenit MoS 2, galena PbS, kwarc SiO 2, kalcyt CaCO 3, hydromuskowit itp.
| Minerał | Główny skład minerału | Zawartość uranu,% |
|---|---|---|
| Uraninit | UO 2, UO 3 + ThO 2, CeO 2 | 65-74 |
| Karnotyt | K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 2H 2 O | ~50 |
| Kasolit | PbO 2 UO 3 SiO 2 H 2 O | ~40 |
| Samarskite | (Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th) (Nb, Ta, Ti, Sn) 2 O 6 | 3.15-14 |
| Branneryt | (U, Ca, Fe, Y, Th) 3 Ti 5 O 15 | 40 |
| Tuyamunit | CaO 2UO 3 V 2 O 5 nH 2 O | 50-60 |
| Zeinerite | Cu (UO 2) 2 (AsO 4) 2 nH 2 O | 50-53 |
| Otenit | Ca (UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O | ~50 |
| Schreckingerite | Ca 3 NaUO 2 (CO 3) 3 SO 4 (OH) 9H 2 O | 25 |
| Uranofan | CaO UO 2 2SiO 2 6H 2 O | ~57 |
| Fergusonit | (Y, Ce) (Fe, U) (Nb, Ta) O 4 | 0.2-8 |
| torburnit | Cu (UO 2) 2 (PO 4) 2 nH 2 O | ~50 |
| Trumna | U (SiO 4) 1-x (OH) 4x | ~50 |
Głównymi formami występowania uranu w przyrodzie są uraninit, blenda uranowa (smoła uranowa) i czerń uranowa. Różnią się tylko formami znajdowania; występuje zależność wiekowa: uraninit występuje głównie w starożytnych (skałach prekambryjskich), blendy smołowe - wulkanogeniczne i hydrotermalne - głównie w formacjach paleozoicznych i młodszych, wysoko- i średniotemperaturowych; sadze uranowe - głównie w formacjach młodych - kenozoiku i młodszych - głównie w niskotemperaturowych skałach osadowych.
Zawartość uranu w skorupie ziemskiej wynosi 0,003%, występuje on w powierzchniowej warstwie ziemi w postaci czterech rodzajów złóż. Po pierwsze, są to żyły uraniny, czyli żywicy uranowej (dwutlenek uranu UO2), bardzo bogatej w uran, ale rzadko spotykanej. Towarzyszą im złoża radu, ponieważ rad jest bezpośrednim produktem rozpadu izotopowego uranu. Takie żyły znajdują się w Zairze w Kanadzie (Big Bear Lake), Republika Czeska oraz Francja... Drugim źródłem uranu są zlepki toru i rudy uranu oraz rudy innych ważnych minerałów. Konglomeraty zwykle zawierają wystarczającą ilość złoto oraz srebro, a uran i tor stają się pierwiastkami towarzyszącymi. Duże złoża tych rud znajdują się w Kanadzie, RPA, Rosji i Australia. Trzecim źródłem uranu są skały osadowe i piaskowce bogate w minerał karnotyt (uranylowanadan potasu), który oprócz uranu zawiera znaczną ilość wanad i inne elementy. Takie rudy występują w stanach zachodnich. USA... Łupki żelazowo-uranu i rudy fosforanowe stanowią czwarte źródło osadów. Bogate złoża znalezione w łupkach Szwecja... Niektóre rudy fosforanowe w Maroku i Stanach Zjednoczonych zawierają znaczne ilości uranu i złoża fosforanów w Angola a Republika Środkowoafrykańska jest jeszcze bogatsza w uran. Większość węgla brunatnego i niektóre węgle zwykle zawierają zanieczyszczenia uranowe. Bogate w uran złoża węgla brunatnego znalezione w Północnej i Południowej Dakocie (USA) oraz węgle kamienne Hiszpania oraz Republika Czeska
Naturalny uran składa się z mieszaniny trzech izotopy: 238 U - 99,2739% (okres półtrwania) T 1/2 = 4,468 × 10 9 lat), 235 U - 0,7024% ( T 1/2 = 7,038 × 10 8 lat) i 234 U - 0,0057% ( T 1/2 = 2,455 × 10 5 lat). Ten ostatni izotop nie jest pierwotny, ale radiogenny, jest częścią radioaktywnej serii 238 U.
Promieniotwórczość naturalnego uranu wynika głównie z izotopów 238 U i 234 U, w równowadze ich specyficzne aktywności są jednakowe. Aktywność właściwa izotopu 235 U w naturalnym uranie jest 21 razy mniejsza niż aktywność 238 U.
Znanych jest 11 sztucznych izotopów promieniotwórczych uranu o liczbach masowych od 227 do 240. Najdłużej żyjące z nich to 233 U ( T 1/2 = 1,62 × 105 lat) otrzymuje się przez napromieniowanie toru neutronami i jest zdolny do samorzutnego rozszczepienia przez neutrony termiczne.
Izotopy uranu 238 U i 235 U są przodkami dwóch serii radioaktywnych. Elementami skończonymi tych serii są izotopy ołów 206 Pb i 207 Pb.
W warunkach naturalnych przeważają izotopy 234 U: 235 jednostek : 238 U= 0,0054: 0,711: 99,283. Połowa radioaktywności naturalnego uranu jest spowodowana izotopem 234 U... Izotop 234 U utworzone przez rozpad 238 U... Dla tych dwóch ostatnich, w przeciwieństwie do innych par izotopów i niezależnie od dużej zdolności migracyjnej uranu, charakterystyczna jest geograficzna stałość tego stosunku. Wielkość tego stosunku zależy od wieku uranu. Liczne pomiary terenowe wykazały nieznaczne wahania. Tak więc w rolkach wartość tego stosunku w stosunku do normy waha się w granicach 0,9959-1,0042, w solach - 0,996 - 1,005. W minerałach zawierających uran (blenda smołowa, czerń uranowa, cyrtolit, rudy ziem rzadkich) wartość tego stosunku waha się od 137,30 do 138,51; ponadto nie ustalono różnicy między formami U IV i U VI; w sferze - 138,4. W niektórych meteorytach wykryto niedobór izotopu 235 jednostek... Najniższe jej stężenie w warunkach lądowych stwierdził w 1972 r. francuski badacz Boujigues w miejscowości Oklo w Afryce (złoże w Gabonie). Tak więc normalny uran zawiera 0,7025% uranu 235 U, podczas gdy w Oklo spada do 0,557%. Potwierdziło to hipotezę o obecności naturalnego reaktora jądrowego prowadzącego do wypalenia izotopu, przewidywaną przez George'a W. Wetherilla z University of California w Los Angeles i Marka G. Inghrama z University of Chicago oraz Paula K. Kuroda), chemika z University of Arkansas, który opisał ten proces w 1956 roku. Ponadto znaleziono naturalne reaktory jądrowe w tych samych dzielnicach: Okelobondo, Bangombe itp. Obecnie znanych jest około 17 naturalnych reaktorów jądrowych.
Pierwszym etapem produkcji uranu jest koncentracja. Skała jest kruszona i mieszana z wodą. Ciężkie elementy zawieszenia osiadają szybciej. Jeśli skała zawiera pierwotne minerały uranu, to szybko się wytrącają: są to minerały ciężkie. Wtórne minerały uranu są lżejsze, w tym przypadku ciężka skała płonna osadza się wcześniej. (Jednak nie zawsze jest naprawdę pusta; może zawierać wiele przydatnych pierwiastków, w tym uran).
Kolejnym etapem jest ługowanie koncentratów, przeniesienie uranu do roztworu. Stosowane jest ługowanie kwasowe i zasadowe. Pierwsza jest tańsza, ponieważ do ekstrakcji uranu używa się kwasu siarkowego. Ale jeśli w surowcu, jak na przykład w uranie smoła, uran jest w stanie czterowartościowym, to ta metoda nie ma zastosowania: czterowartościowy uran praktycznie nie rozpuszcza się w kwasie siarkowym. W takim przypadku należy albo uciec się do ługowania alkalicznego, albo wstępnie utlenić uran do stanu sześciowartościowego.
Ługowania kwasem nie stosuje się również, jeśli koncentrat uranu zawiera dolomit lub magnezyt, które reagują z kwasem siarkowym. W takich przypadkach użyj sody kaustycznej (wodorotlenku sód).
Płukanie tlenem rozwiązuje problem wypłukiwania uranu z rud. Strumień tlenu jest podawany do mieszaniny rudy uranu z minerałami siarczkowymi ogrzanej do 150 ° C. W tym przypadku z minerałów siarkowych powstaje kwas siarkowy, który wypłukuje uran.
W kolejnym etapie uran musi zostać selektywnie oddzielony od powstałego roztworu. Nowoczesne metody - ekstrakcja i wymiana jonowa - rozwiązują ten problem.
Roztwór zawiera nie tylko uran, ale także inne kationy. Niektóre z nich w określonych warunkach zachowują się tak samo jak uran: są ekstrahowane tymi samymi rozpuszczalnikami organicznymi, osadzają się na tych samych żywicach jonowymiennych i wytrącają się w tych samych warunkach. Dlatego do selektywnej separacji uranu konieczne jest zastosowanie wielu reakcji redoks, aby na każdym etapie pozbyć się tego lub innego niepożądanego towarzysza. W nowoczesnych żywicach jonowymiennych uran jest uwalniany bardzo selektywnie.
Metody wymiana i ekstrakcja jonowa Są również dobre, ponieważ pozwalają na całkowite wyekstrahowanie uranu z kiepskich roztworów (zawartość uranu to dziesiąte części grama na litr).
Po tych operacjach uran jest przekształcany w stan stały - w jeden z tlenków lub w tetrafluorek UF4. Ale ten uran wciąż wymaga oczyszczenia z zanieczyszczeń o dużym przekroju wychwytywania neutronów termicznych - bora, kadm, hafn. Ich zawartość w produkcie końcowym nie powinna przekraczać stu tysięcznych i milionowych części procenta. Aby usunąć te zanieczyszczenia, komercyjnie czysty związek uranu rozpuszcza się w kwasie azotowym. W tym przypadku powstaje azotan uranylu UO 2 (NO 3) 2, który po ekstrakcji fosforanem tributylu i niektórymi innymi substancjami jest dodatkowo oczyszczany do wymaganych warunków. Następnie substancja ta ulega krystalizacji (lub wytrąca się nadtlenek UO 4 · 2H 2 O) i ostrożnie zapala się. W wyniku tej operacji powstaje trójtlenek uranu UO 3, który jest redukowany wodorem do UO 2.
Dwutlenek uranu UO 2 w temperaturze od 430 do 600 ° C jest poddawany działaniu suchego fluorowodoru w celu uzyskania tetrafluorku UF 4. Metaliczny uran jest redukowany z tego związku za pomocą wapń lub magnez.
Uran to bardzo ciężki, srebrzystobiały, błyszczący metal. W czystej postaci jest nieco bardziej miękka niż stal, ciągliwa, elastyczna i ma niewielkie właściwości paramagnetyczne. Uran występuje w trzech formach alotropowych: alfa (pryzmatyczna, stabilna do 667,7°C), beta (czworokątna, stabilna od 667,7°C do 774,8°C), gamma (o strukturze sześciennej skupionej na ciele istniejąca od 774,8°C do temperatura topnienia).
Właściwości promieniotwórcze niektórych izotopów uranu (zidentyfikowano izotopy naturalne):
Uran może wykazywać stany utlenienia od + III do + VI. Związki uranu (III) tworzą niestabilne czerwone roztwory i są silnymi środkami redukującymi:
4UCl3 + 2H2O → 3UCl4 + UO2 + H2
Związki uranu (IV) są najbardziej stabilne i tworzą zielone roztwory wodne.
Związki uranu (V) są niestabilne i łatwo nieproporcjonalne w roztworze wodnym:
2UO2Cl → UO2Cl2 + UO2
Chemicznie uran jest bardzo aktywnym metalem. Szybko utlenia się w powietrzu i pokrywa się opalizującym filmem tlenkowym. Drobny proszek uranu zapala się samoistnie w powietrzu, zapala się w temperaturze 150-175 ° C, tworząc U 3 O 8. W temperaturze 1000 ° C uran łączy się z azotem, tworząc żółty azotek uranu. Woda może korodować metal powoli w niskich temperaturach i szybko w wysokich temperaturach, a także przy drobno zmielonym proszku uranu. Uran rozpuszcza się w kwasach chlorowodorowym, azotowym i innych, tworząc sole czterowartościowe, ale nie wchodzi w interakcje z zasadami. Uran wypiera wodór z kwasów nieorganicznych i roztworów soli metali takich jak: Rtęć, srebro, Miedź, cyna, platynaorazzłoto... Przy energicznym potrząśnięciu cząsteczki uranu metalicznego zaczynają świecić. Uran ma cztery stopnie utlenienia - III-VI. Sześciowartościowe związki obejmują trójtlenek uranu (tlenek uranylu) UO 3 i chlorek uranu uranu UO 2 Cl 2. Czterochlorek uranu UCl4 i dwutlenek uranu UO2 są przykładami czterowartościowego uranu. Substancje zawierające czterowartościowy uran są zwykle niestabilne i stają się sześciowartościowe po dłuższej ekspozycji na powietrze. Sole uranylu, takie jak chlorek uranylu, rozkładają się w obecności jasnego światła lub substancji organicznych.
Największą aplikacją jest izotop uran 235 U, w którym możliwa jest samopodtrzymująca się jądrowa reakcja łańcuchowa. Dlatego ten izotop jest używany jako paliwo w reaktorach jądrowych, a także w broni jądrowej. Oddzielenie izotopu U 235 od naturalnego uranu jest złożonym problemem technologicznym (patrz rozdział izotopów).
Izotop U 238 jest zdolny do rozszczepienia pod wpływem bombardowania neutronami o wysokiej energii, funkcja ta służy do zwiększenia mocy broni termojądrowej (wykorzystywane są neutrony generowane przez reakcję termojądrową).
W wyniku wychwycenia neutronu z następującym po nim rozpadem β, 238 U może zostać przekształcone w 239 Pu, które jest następnie wykorzystywane jako paliwo jądrowe.
Uran-233, sztucznie pozyskiwany w reaktorach z toru (tor-232 wychwytuje neutron i zamienia się w tor-233, który rozpada się na protaktyn-233, a następnie na uran-233), może w przyszłości stać się powszechnym paliwem jądrowym dla energetyki jądrowej elektrowni (już teraz istnieją reaktory wykorzystujące ten nuklid jako paliwo, np. KAMINI w Indiach) oraz produkcji bomb atomowych (masa krytyczna ok. 16 kg).
Uran-233 jest również najbardziej obiecującym paliwem do silników rakietowych w fazie gazowej.
Główną gałęzią wykorzystania uranu jest oznaczanie wieku minerałów i skał w celu określenia kolejności przebiegu procesów geologicznych. Odbywa się to przez geochronologię i geochronologię teoretyczną. Duże znaczenie ma również rozwiązanie problemu mieszania i źródeł materii.
Rozwiązanie problemu opiera się na równaniach rozpadu promieniotwórczego opisanych równaniami.
gdzie 238 jedn, 235 jednostek- współczesne stężenia izotopów uranu; ; - stałe zaniku atomy odpowiednio uranu 238 U oraz 235 jednostek.
Ich połączenie jest bardzo ważne:
.Ponieważ skały zawierają różne stężenia uranu, mają różną radioaktywność. Ta właściwość jest wykorzystywana przy selekcji skał metodami geofizycznymi. Ta metoda jest najszerzej stosowana w geologii naftowej do badań geofizycznych studni, kompleks ten obejmuje w szczególności rejestrację gamma-logowania lub neutronowego promieniowania gamma, rejestrację promieniowania gamma-gamma itp. Za ich pomocą identyfikowane są zbiorniki i uszczelnienia.
Niewielka ilość uranu nadaje szkłu piękną żółto-zieloną fluorescencję (szkło uranowe).
Uranian sodu Na 2 U 2 O 7 został użyty jako żółty pigment w malarstwie.
Związki uranu stosowano jako farby do malowania na porcelanie oraz do szkliw i emalii ceramicznych (malowane są na kolory: żółty, brązowy, zielony i czarny w zależności od stopnia utlenienia).
Niektóre związki uranu są światłoczułe.
Na początku XX wieku azotan uranylu Był szeroko stosowany do ulepszania negatywów i barwienia (tonowania) pozytywów (odbitek fotograficznych) na brąz.
Węglik uranu-235 w stopie z węglikiem niobu i węglikiem cyrkonu stosowany jest jako paliwo do jądrowych silników odrzutowych (płynem roboczym jest wodór + heksan).
Jako silne materiały magnetostrykcyjne stosuje się stopy żelaza i zubożonego uranu (uranu-238).
Wyczerpany uran
Po wydobyciu 235 U i 234 U z naturalnego uranu, pozostały materiał (uran-238) nazywa się „uranem zubożonym”, ponieważ jest zubożony w 235. izotop. Według niektórych raportów w Stanach Zjednoczonych przechowywanych jest około 560 000 ton sześciofluorku zubożonego uranu (UF 6).
Uran zubożony jest dwa razy mniej radioaktywny niż uran naturalny, głównie ze względu na usunięcie z niego 234 U. Ze względu na fakt, że głównym zastosowaniem uranu jest produkcja energii, uran zubożony jest produktem mało użytecznym o niskiej wartości ekonomicznej.
Zasadniczo jego stosowanie wiąże się z dużą gęstością uranu i jego stosunkowo niskim kosztem. Zubożony uran jest używany do ochrony przed promieniowaniem (co dziwne) oraz jako masa balastowa w zastosowaniach lotniczych, takich jak powierzchnie sterowe samolotów. Każdy Boeing 747 zawiera 1500 kg zubożonego uranu do tego celu. Materiał ten jest również stosowany w szybkoobrotowych wirnikach żyroskopowych, dużych kołach zamachowych, jako balast w pojazdach kosmicznych i jachtach wyścigowych podczas wiercenia szybów naftowych.
Końcówka (wkładka) pocisku 30 mm (działo GAU-8 samolotu A-10) o średnicy około 20 mm wykonana ze zubożonego uranu.
Najbardziej znanym zastosowaniem zubożonego uranu są rdzenie pocisków przeciwpancernych. Po stopieniu z 2% Mo lub 0,75% Ti i obróbce cieplnej (szybkie hartowanie metalu podgrzanego do 850 ° C w wodzie lub oleju, dalsze utrzymywanie w 450 ° C przez 5 godzin), metaliczny uran staje się twardszy i mocniejszy niż stal (wytrzymałość na rozciąganie jest wyższy 1600 MPa, mimo że dla czystego uranu jest równy 450 MPa). W połączeniu z wysoką gęstością sprawia to, że sztabka utwardzonego uranu jest niezwykle skutecznym narzędziem do penetracji pancerza, podobnie jak droższy wolfram. Ciężka końcówka uranu zmienia również rozkład masy pocisku, poprawiając jego stabilność aerodynamiczną.
Podobne stopy typu „Stabil” są stosowane w strzałowych, opierzonych pociskach czołgowych i przeciwpancernych dział artyleryjskich.
Procesowi niszczenia zbroi towarzyszy rozdrabnianie półfabrykatu uranowego w pył i podpalenie go w powietrzu po drugiej stronie zbroi (patrz piroforyczność). Około 300 ton zubożonego uranu pozostało na polu bitwy podczas operacji Pustynna Burza (głównie pozostałości pocisków z 30 mm działka GAU-8 samolotu szturmowego A-10, każdy pocisk zawiera 272 g stopu uranu).
Takie pociski były używane przez wojska NATO w działaniach wojennych na terytorium Jugosławii. Po ich zastosowaniu omówiono problem środowiskowy zanieczyszczenia radiacyjnego terytorium kraju.
Po raz pierwszy uran został użyty jako rdzeń pocisków w III Rzeszy.
Zubożony uran jest używany w nowoczesnych pancerzach czołgów, takich jak czołg M-1 Abrams.
Występuje w śladowych ilościach (10 -5 -10 -8%) w tkankach roślin, zwierząt i ludzi. Nagromadzony głównie przez niektóre grzyby i glony. Związki uranu wchłaniane są w przewodzie pokarmowym (około 1%), w płucach – 50%. Główne magazyny w organizmie: śledziona, nerki, szkielet, wątroba, płuca i węzły chłonne oskrzelowo-płucne. Zawartość w narządach i tkankach ludzi i zwierząt nie przekracza 10-7 g.
Uran i jego związki toksyczny... Szczególnie niebezpieczne są aerozole uranu i jego związków. Dla aerozoli rozpuszczalnych w wodzie związków uranu maksymalne dopuszczalne stężenie w powietrzu wynosi 0,015 mg/m³, dla nierozpuszczalnych form uranu maksymalne dopuszczalne stężenie wynosi 0,075 mg/m³. Kiedy dostanie się do organizmu, uran działa na wszystkie narządy, będąc ogólną trucizną komórkową. Molekularny mechanizm działania uranu jest związany z jego zdolnością do hamowania aktywności enzymatycznej. Przede wszystkim dotyczy to nerek (w moczu pojawiają się białko i cukier, skąpomocz). Przy przewlekłym zatruciu możliwe są zaburzenia hematopoezy i układu nerwowego.
Produkcja według krajów w tonach zawartości U w latach 2005-2006.
Produkcja firmy w 2006 roku:
Cameco - 8,1 tys. ton
Rio Tinto - 7 tysięcy ton
AREVA - 5 tys. ton
Kazatomprom - 3,8 tys. ton
TVEL OJSC - 3,5 tys. ton
BHP Billiton - 3 tys. ton
Navoi MMC - 2,1 tys. ton ( Uzbekistan, Navoi)
Uran Jeden - 1000 ton
Heathgate - 0,8 tys. ton
Kopalnie Denison - 0,5 tys. ton
W ZSRR głównymi rejonami rud uranu były Ukraina (Żeltoriechenskoje, Pierwomajskoje itd.), Kazachstan (północ – złoże rudy Bałkaszyńskie itd.; Południe – złoże rudy Kyzylsai itd.; Wschód; wszystkie należą głównie do obszarów wulkanogenicznych). - typ hydrotermalny); Transbaikalia (Antey, Streltsovskoe itp.); Azja Środkowa, głównie Uzbekistan z mineralizacją w czarnych łupkach z centrum w mieście Uchkuduk. Istnieje wiele drobnych wystąpień i manifestacji rudy. Transbaikalia pozostaje głównym regionem rudy uranu w Rosji. Złoże w regionie Czyta (w pobliżu miasta Krasnokamensk) wytwarza około 93% rosyjskiego uranu. Produkcja odbywa się metodą górniczą Priargunskoye Industrial Mining and Chemical Association (PIMCU), które jest częścią JSC Atomredmetzoloto (Uranium Holding).
Pozostałe 7% uzyskuje się poprzez wymywanie in situ ZAO Dalur (region Kurgan) i OAO Chiagda (Buriacja).
Powstałe rudy i koncentrat uranu są przetwarzane w Czepieckim Zakładzie Mechanicznym.
Około jedna piąta światowych rezerw uranu (21% i drugie miejsce na świecie) koncentruje się w Kazachstanie. Całkowite zasoby uranu wynoszą około 1,5 miliona ton, z czego około 1,1 miliona ton można wydobyć poprzez ługowanie in situ.
W 2009 roku Kazachstan zajął pierwsze miejsce na świecie w wydobyciu uranu.
Głównym przedsiębiorstwem jest Wschodni Zakład Górniczo-Przetwórczy w mieście Zheltye Vody.
Wbrew legendom o dziesiątkach tysięcy dolarów za kilogram, a nawet gramach ilości uranu, jego realna cena na rynku nie jest bardzo wysoka – niewzbogacony tlenek uranu U 3 O 8 kosztuje mniej niż 100 dolarów za kilogram. Wynika to z faktu, że do uruchomienia reaktora jądrowego na niewzbogaconym uranie potrzebne są dziesiątki, a nawet setki ton paliwa, a do produkcji broni jądrowej trzeba wzbogacić dużą ilość uranu, aby uzyskać stężenia odpowiednie do wytworzenia bomba.
Skąd wziął się uran? Najprawdopodobniej pojawia się w wybuchach supernowych. Faktem jest, że do nukleosyntezy pierwiastków cięższych od żelaza musi istnieć potężny strumień neutronów, który pojawia się właśnie podczas wybuchu supernowej. Wydawałoby się, że wtedy, kondensując się z obłoku nowych systemów gwiezdnych przez niego utworzonych, uran, zgromadziwszy się w obłoku protoplanetarnym i będąc bardzo ciężkim, powinien zatonąć w głębinach planet. Ale tak nie jest. Uran jest pierwiastkiem radioaktywnym i podczas rozpadu wydziela ciepło. Z obliczeń wynika, że gdyby uran był równomiernie rozłożony na całej grubości planety, przynajmniej w takim samym stężeniu jak na powierzchni, emitowałby za dużo ciepła. Co więcej, jego strumień powinien słabnąć w miarę zużywania się uranu. Ponieważ nic takiego nie obserwuje się, geolodzy uważają, że co najmniej jedna trzecia uranu, a może nawet całość, jest skoncentrowana w skorupie ziemskiej, gdzie jego zawartość wynosi 2,5 ∙ 10 –4%. Dlaczego tak się stało, nie jest omawiane.
Gdzie wydobywa się uran? Na Ziemi nie ma aż tak mało uranu – jest na 38 miejscu pod względem obfitości. Najwięcej tego pierwiastka znajduje się w skałach osadowych – łupkach węglowych i fosforytach: odpowiednio do 8 10 –3 i 2,5 ∙ 10 –2%. W sumie skorupa ziemska zawiera 10 14 ton uranu, ale głównym problemem jest to, że jest on bardzo rozproszony i nie tworzy potężnych złóż. Około 15 minerałów uranu ma znaczenie przemysłowe. Jest to żywica uranowa – oparta na czterowartościowym tlenku uranu, mika uranowa – różne krzemiany, fosforany i bardziej złożone związki z wanadem lub tytanem na bazie sześciowartościowego uranu.
Co to są promienie Becquerela? Po odkryciu promieni rentgenowskich przez Wolfganga Roentgena francuski fizyk Antoine-Henri Becquerel zainteresował się blaskiem soli uranu, który pojawia się pod wpływem światła słonecznego. Chciał też wiedzieć, czy są tu jakieś prześwietlenia. Rzeczywiście, byli obecni - sól oświetlała kliszę fotograficzną przez czarny papier. W jednym z eksperymentów sól nie została jednak oświetlona, a płyta fotograficzna nadal pociemniała. Gdy pomiędzy solą a kliszę fotograficzną wsunięto metalowy przedmiot, pod nim było mniej ciemnienia. W konsekwencji nowe promienie w ogóle nie powstały z powodu wzbudzenia uranu przez światło i nie przeszły częściowo przez metal. Nazywano je początkowo „promieniem Becquerela”. Następnie odkryto, że są to głównie promienie alfa z niewielkim dodatkiem promieni beta: faktem jest, że główne izotopy uranu podczas rozpadu emitują cząstki alfa, a produkty pochodne również ulegają rozpadowi beta.
Jak wysoka jest radioaktywność uranu? Uran nie ma stabilnych izotopów, wszystkie są radioaktywne. Najdłużej żyjący to uran-238, którego okres półtrwania wynosi 4,4 miliarda lat. Dalej jest uran-235 - 0,7 miliarda lat. Oba ulegają rozpadowi alfa i stają się odpowiednimi izotopami toru. Uran-238 stanowi ponad 99% całego naturalnego uranu. Ze względu na ogromny okres półtrwania, radioaktywność tego pierwiastka jest niska, a dodatkowo cząstki alfa nie są w stanie pokonać warstwy rogowej na powierzchni ludzkiego ciała. Mówią, że IV Kurczatow po pracy z uranem po prostu wytarł ręce chusteczką i nie cierpiał na żadne choroby związane z radioaktywnością.
Badacze wielokrotnie sięgali do statystyk chorób pracowników w kopalniach uranu i zakładach przetwórczych. Na przykład, oto niedawny artykuł kanadyjskich i amerykańskich ekspertów, którzy przeanalizowali dane dotyczące stanu zdrowia ponad 17 tysięcy pracowników kopalni Eldorado w kanadyjskiej prowincji Saskatchewan w latach 1950-1999 ( Badania środowiskowe, 2014, 130, 43–50, DOI: 10.1016 / j.envres.2014.01.002). Wychodzili z tego, że promieniowanie najsilniej oddziałuje na szybko namnażające się komórki krwi, prowadząc do odpowiednich typów raka. Statystyki wykazały, że zapadalność na różne rodzaje raka krwi wśród górników jest niższa niż średnia wśród Kanadyjczyków. Jednocześnie głównym źródłem promieniowania nie jest sam uran, ale wytwarzany przez niego gazowy radon i produkty jego rozpadu, które mogą dostać się do organizmu przez płuca.
Dlaczego uran jest szkodliwy?? Podobnie jak inne metale ciężkie jest wysoce toksyczny i może powodować niewydolność nerek i wątroby. Z drugiej strony uran jako pierwiastek rozproszony jest nieuchronnie obecny w wodzie, glebie i koncentrując się w łańcuchu pokarmowym, dostaje się do organizmu człowieka. Rozsądne jest założenie, że w toku ewolucji istoty żywe nauczyły się neutralizować uran w naturalnych stężeniach. Uran jest najbardziej niebezpieczny w wodzie, dlatego WHO ustaliła granicę: początkowo było to 15 μg/l, ale w 2011 r. normę podwyższono do 30 μg/g. Z reguły w wodzie jest znacznie mniej uranu: w USA średnio 6,7 μg/L, w Chinach i Francji – 2,2 μg/L. Ale są też silne odchylenia. Tak więc w niektórych rejonach Kalifornii jest to sto razy więcej niż norma – 2,5 mg/l, a w południowej Finlandii sięga 7,8 mg/l. Badając wpływ uranu na zwierzęta, naukowcy próbują zrozumieć, czy standard WHO jest zbyt rygorystyczny. Oto typowa praca ( BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI: 10.1155 / 2014/181989). Przez dziewięć miesięcy francuscy naukowcy podlewali szczury wodą z dodatkami zubożonego uranu i to w stosunkowo wysokim stężeniu – od 0,2 do 120 mg/l. Dolna wartość to woda w pobliżu kopalni, górna nigdzie nie występuje - maksymalne stężenie uranu mierzone w Finlandii wynosi 20 mg/l. Ku zaskoczeniu autorów – artykuł nosi tytuł: „Nieoczekiwany brak zauważalnego wpływu uranu na układy fizjologiczne…” – uran nie miał praktycznie żadnego wpływu na zdrowie szczurów. Zwierzęta dobrze się odżywiały, prawidłowo przybierały na wadze, nie skarżyły się na choroby i nie umierały na raka. Uran, jak powinien być, odkładał się przede wszystkim w nerkach i kościach oraz w stokrotnie mniejszej ilości w wątrobie, a jego akumulacja, zgodnie z oczekiwaniami, zależała od zawartości wody. Nie doprowadziło to jednak do niewydolności nerek, ani nawet do zauważalnego pojawienia się jakichkolwiek molekularnych markerów zapalenia. Autorzy zaproponowali rozpoczęcie rewizji ścisłych wytycznych WHO. Jest jednak jedno zastrzeżenie: wpływ na mózg. W mózgach szczurów uranu było mniej niż w wątrobie, ale jego zawartość nie zależała od ilości w wodzie. Ale uran wpłynął na pracę układu antyoksydacyjnego mózgu: aktywność katalazy wzrosła o 20%, peroksydazy glutationowej o 68–90%, aktywność dysmutazy ponadtlenkowej spadła o 50% niezależnie od dawki. Oznacza to, że uran wyraźnie powodował stres oksydacyjny w mózgu i organizm na niego reagował. Taki efekt - silny wpływ uranu na mózg przy braku jego akumulacji w nim, notabene, jak również w genitaliach - był już zauważony. Ponadto woda z uranem w stężeniu 75-150 mg/L, którą naukowcy z University of Nebraska karmili szczury przez sześć miesięcy ( Neurotoksykologia i teratologia 2005, 27, 1, 135-144; DOI: 10.1016 / j.ntt.2004.09.001), wpłynęły na zachowanie zwierząt, głównie samców, wypuszczanych na pole: nie przekraczały linii jak te kontrolne, stawały na tylnych łapach i czyściły swoje futro. Istnieją dowody na to, że uran prowadzi również do zaburzeń pamięci u zwierząt. Zmiana behawioralna korelowała z poziomem utleniania lipidów w mózgu. Okazuje się, że woda uranowa sprawiała, że szczury były zdrowe, ale głupie. Dane te nadal będą nam przydatne w analizie tzw. syndromu wojny w Zatoce Perskiej.
Czy uran zanieczyszcza tereny z gazem łupkowym? Zależy to od tego, ile uranu znajduje się w skałach zawierających gaz i jak jest z nimi związany. Na przykład, adiunkt Tracy Bank z University of Buffalo badał skały łupkowe złoża Marcellus, które rozciąga się od zachodniego Nowego Jorku przez Pensylwanię i Ohio do Zachodniej Wirginii. Okazało się, że uran jest chemicznie ściśle związany ze źródłem węglowodorów (należy pamiętać, że pokrewny łupek węglowy ma największą zawartość uranu). Eksperymenty wykazały, że roztwór użyty do szczelinowania formacji doskonale rozpuszcza sam uran. „Kiedy uran w tych wodach wydostaje się na powierzchnię, może powodować zanieczyszczenie otaczającego obszaru. Nie stwarza ryzyka związanego z promieniowaniem, ale uran jest pierwiastkiem trującym ”- zauważa Tracy Bank w komunikacie prasowym uniwersytetu z 25 października 2010 r. Szczegółowe artykuły na temat ryzyka zanieczyszczenia środowiska uranem lub torem przy wydobyciu gazu łupkowego nie zostały jeszcze przygotowane.
Dlaczego uran jest potrzebny? Wcześniej był używany jako pigment do wyrobu ceramiki i kolorowego szkła. Teraz uran jest podstawą energii atomowej i broni jądrowej. Jednocześnie wykorzystywana jest jego unikalna właściwość - zdolność jądra do dzielenia się.
Co to jest rozszczepienie jądrowe? Rozpad jądra na dwa nierówne duże kawałki. To właśnie z powodu tej właściwości podczas nukleosyntezy w wyniku napromieniowania neutronami z dużym trudem powstają jądra cięższe od uranu. Istota zjawiska jest następująca. Jeśli stosunek liczby neutronów i protonów w jądrze nie jest optymalny, staje się niestabilny. Zwykle takie jądro wyrzuca z siebie albo cząstkę alfa – dwa protony i dwa neutrony, albo cząstkę beta – pozyton, czemu towarzyszy przemiana jednego z neutronów w proton. W pierwszym przypadku uzyskuje się element układu okresowego, odsunięty o dwie komórki do tyłu, w drugim - o jedną komórkę do przodu. Jednak oprócz emisji cząstek alfa i beta jądro uranu jest zdolne do rozszczepienia - rozpadu na jądra dwóch pierwiastków znajdujących się w środku układu okresowego, na przykład baru i kryptonu, co robi po otrzymaniu nowego neutronu . Zjawisko to zostało odkryte wkrótce po odkryciu radioaktywności, kiedy fizycy wystawili nowo odkryte promieniowanie na wszystko, co musieli. Tak pisze o tym uczestnik wydarzeń Otto Frisch („Uspechi fizicheskikh nauk”, 1968, 96, 4). Po odkryciu promieni berylu - neutronów - Enrico Fermi napromieniował je, w szczególności uran, aby wywołać rozpad beta - miał nadzieję na zdobycie kolejnego, 93. pierwiastka, teraz zwanego neptunem, jego kosztem. To on odkrył nowy rodzaj radioaktywności w napromieniowanym uranie, co wiązał z pojawieniem się pierwiastków transuranu. Jednocześnie spowolnienie neutronów, dla których źródło berylu pokryto warstwą parafiny, zwiększyło tę indukowaną radioaktywność. Amerykański radiochemik Aristide von Grosse zasugerował, że jednym z tych pierwiastków jest protaktyn, ale się pomylił. Ale Otto Hahn, który wówczas pracował na Uniwersytecie Wiedeńskim i uważał odkryte w 1917 roku protaktynium za jego pomysł, zdecydował, że jest zobowiązany dowiedzieć się, jakie pierwiastki uzyskano w tym przypadku. Wraz z Lisą Meitner na początku 1938 roku Hahn zasugerował na podstawie wyników eksperymentów, że powstają całe łańcuchy pierwiastków promieniotwórczych, powstające w wyniku wielokrotnych rozpadów beta jąder uranu-238 i jego pierwiastków potomnych, które pochłonęły neutron. Wkrótce Lisa Meitner została zmuszona do ucieczki do Szwecji, obawiając się represji ze strony nazistów po austriackim Anschlussie. Hahn, kontynuując swoje eksperymenty z Fritzem Strassmannem, odkrył, że wśród produktów jest również bar, pierwiastek o numerze 56, którego w żaden sposób nie można uzyskać z uranu: wszystkie łańcuchy rozpadu alfa uranu kończą się znacznie cięższym ołowiem. Badacze byli tak zaskoczeni wynikiem, że go nie opublikowali, pisali jedynie listy do przyjaciół, w szczególności do Lisy Meitner w Göteborgu. Tam w Boże Narodzenie 1938 roku odwiedził ją jej siostrzeniec, Otto Frisch, i podczas spaceru w okolicach zimowego miasta - był na nartach, jego ciotka pieszo - dyskutowali o możliwości pojawienia się baru w napromieniowaniu uran z powodu rozszczepienia jądrowego (więcej informacji o Lisie Meitner, patrz „Chemia i życie”, 2013, nr 4). Po powrocie do Kopenhagi Frisch dosłownie na drabinie parowca odlatującego do Stanów Zjednoczonych złapał Nielsa Bohra i opowiedział mu o pomyśle rozszczepienia. Bohr klepnął się w czoło i powiedział: „Och, jakimi byliśmy głupcami! Powinniśmy byli to zauważyć wcześniej ”. W styczniu 1939 r. opublikowano artykuł Frischa i Meitnera na temat rozszczepiania jąder uranu przez neutrony. W tym czasie Otto Frisch zorganizował już eksperyment testowy, podobnie jak wiele amerykańskich grup, które otrzymały wiadomość od Bohra. Mówią, że fizycy zaczęli rozchodzić się do swoich laboratoriów już podczas jego raportu 26 stycznia 1939 r. w Waszyngtonie na dorocznej konferencji na temat fizyki teoretycznej, kiedy zrozumieli istotę idei. Po odkryciu rozszczepienia Hahn i Strassmann zrewidowali swoje eksperymenty i stwierdzili, podobnie jak ich koledzy, że radioaktywność napromieniowanego uranu jest związana nie z transuranami, ale z rozpadem pierwiastków promieniotwórczych powstałych podczas rozszczepienia ze środka układu okresowego.
Jak przebiega reakcja łańcuchowa w uranie? Wkrótce po tym, jak eksperymentalnie udowodniono możliwość rozszczepienia jąder uranu i toru (a innych pierwiastków rozszczepialnych nie ma na Ziemi w znaczącej ilości), Niels Bohr i John Wheeler, którzy pracowali w Princeton, a także niezależnie od nich, sowiecki fizyk teoretyczny J. I. Frenkel oraz Niemcy Siegfried Flügge i Gottfried von Droste stworzyli teorię rozszczepienia jądrowego. Wynikły z tego dwa mechanizmy. Jeden jest związany z progową absorpcją szybkich neutronów. Według niego, aby zainicjować rozszczepienie, neutron musi mieć dość wysoką energię, ponad 1 MeV dla jąder głównych izotopów - uranu-238 i toru-232. Przy niższych energiach absorpcja neutronu przez uran-238 ma charakter rezonansowy. Na przykład neutron o energii 25 eV ma obszar przechwytywania tysiące razy większy niż przy innych energiach. Jednocześnie nie będzie rozszczepienia: uran-238 stanie się uranem-239, który z okresem półtrwania 23,54 minuty zamieni się w neptun-239, ten z okresem półtrwania 2,33 dnia - w długi żył plutonem-239. Tor-232 zamieni się w uran-233.
Drugi mechanizm to bezprogowa absorpcja neutronu, a następnie trzeci, mniej lub bardziej rozpowszechniony izotop rozszczepialny - uran-235 (a także pluton-239 i uran-233, które są nieobecne w naturze): po wchłonięciu dowolnego neutronu, nawet powolny, tzw. termiczny, z energią jak dla cząsteczek biorących udział w ruchu termicznym - 0,025 eV, takie jądro rozpadnie się. I to bardzo dobrze: neutrony termiczne mają przekrój wychwytywania cztery razy większy niż szybkie, megaelektronowoltowe. Takie jest znaczenie uranu-235 dla całej późniejszej historii energii atomowej: to właśnie zapewnia namnażanie się neutronów w naturalnym uranie. Po uderzeniu neutronu jądro uranu-235 staje się niestabilne i szybko dzieli się na dwie nierówne części. Po drodze emitowanych jest kilka (średnio 2,75) nowych neutronów. Jeśli wpadną w jądra tego samego uranu, spowodują zwielokrotnienie neutronów w postępie geometrycznym - nastąpi reakcja łańcuchowa, która doprowadzi do wybuchu z powodu szybkiego uwolnienia ogromnej ilości ciepła. Ani uran-238, ani tor-232 nie mogą działać w ten sposób: po rozszczepieniu emitowane są neutrony o średniej energii 1–3 MeV, to znaczy przy progu energetycznym 1 MeV znaczna część neutronów na pewno nie będzie być w stanie wywołać reakcję i nie będzie mnożenia. Oznacza to, że należy zapomnieć o tych izotopach, a neutrony trzeba będzie spowolnić do energii cieplnej, aby jak najefektywniej oddziaływały z jądrami uranu-235. Jednocześnie ich absorpcja rezonansowa przez uran-238 nie powinna być dozwolona: w końcu w naturalnym uranie ten izotop jest nieco mniejszy niż 99,3% i częściej zderzają się z nim neutrony, a nie z docelowym uranem-235. A działając jako moderator, możliwe jest utrzymanie namnażania neutronów na stałym poziomie i zapobieganie eksplozji - aby kontrolować reakcję łańcuchową.
Obliczenia przeprowadzone przez Ya.B. Zeldovicha i Yu.B. Kharitona w tym samym fatalnym 1939 roku wykazały, że do tego konieczne jest użycie moderatora neutronów w postaci ciężkiej wody lub grafitu i wzbogacenie naturalnego uranu w uran-235 przez co najmniej 1,83 razy. Wtedy ten pomysł wydał im się czystą fantazją: „Należy zauważyć, że w przybliżeniu dwukrotne wzbogacenie tych dość znacznych ilości uranu, które są niezbędne do realizacji wybuchu łańcucha,<...>to niezwykle uciążliwe zadanie bliskie praktycznej niewykonalności.” Teraz ten problem został rozwiązany, a przemysł jądrowy produkuje seryjnie uran dla elektrowni, wzbogacony uranem-235 do 3,5%.
Co to jest spontaniczne rozszczepienie jądra? W 1940 roku GN Flerov i K.A. Ponieważ to rozszczepienie wytwarza również neutrony, jeśli nie pozwoli się im odlecieć ze strefy reakcji, będą służyć jako inicjatory reakcji łańcuchowej. To właśnie to zjawisko jest wykorzystywane do tworzenia reaktorów jądrowych.
Dlaczego potrzebna jest energia jądrowa? Zeldovich i Khariton byli jednymi z pierwszych, którzy obliczyli ekonomiczny efekt energii atomowej ("Uspekhi fizicheskikh nauk", 1940, 23, 4). „... W tej chwili nadal nie można wyciągnąć ostatecznych wniosków na temat możliwości lub niemożności przeprowadzenia reakcji rozszczepienia jądra z nieskończenie rozgałęzionymi łańcuchami w uranie. Jeśli taka reakcja jest możliwa, to szybkość reakcji jest automatycznie dostosowywana, aby zapewnić jej płynny przepływ, pomimo ogromnej ilości energii, jaką dysponuje eksperymentator. Ta okoliczność jest niezwykle korzystna dla energetycznego wykorzystania reakcji. Podajmy zatem – choć jest to podział skóry niezabitego niedźwiedzia – kilka liczb charakteryzujących możliwości energetycznego wykorzystania uranu. Jeśli zatem proces rozszczepienia zachodzi na prędkich neutronach, reakcja wychwytuje główny izotop uranu (U238), to<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>koszt kalorii z głównego izotopu uranu okazuje się około 4000 razy tańszy niż z węgla (o ile oczywiście procesy „spalania” i odprowadzania ciepła są znacznie droższe w przypadku uranu niż w przypadku węgla). W przypadku wolnych neutronów koszt kalorii „uranu” (na podstawie powyższych danych) będzie, biorąc pod uwagę, że obfitość izotopu U235 wynosi 0,007, jest już tylko 30 razy tańszy niż kaloria „węgla”. , wszystkie inne rzeczy są równe ”.
Pierwszą kontrolowaną reakcję łańcuchową przeprowadził w 1942 roku Enrico Fermi na Uniwersytecie w Chicago, a reaktorem sterowano ręcznie – wsuwając i wysuwając pręty grafitowe podczas zmiany strumienia neutronów. Pierwsza elektrownia została zbudowana w Obnińsku w 1954 roku. Oprócz wytwarzania energii, pierwsze reaktory pracowały również przy produkcji plutonu przeznaczonego do broni.
Jak działa elektrownia jądrowa? Większość reaktorów działa teraz na wolnych neutronach. Wzbogacony uran w postaci metalu, stopu np. z aluminium lub w postaci tlenku jest ułożony w długie cylindry - elementy paliwowe. Są one instalowane w pewien sposób w reaktorze, a pomiędzy nie wprowadzane są pręty moderatora, które kontrolują reakcję łańcuchową. Z biegiem czasu w elemencie paliwowym gromadzą się trucizny reaktora, produkty rozszczepienia uranu, również zdolne do pochłaniania neutronów. Gdy stężenie uranu-235 spadnie poniżej wartości krytycznej, pierwiastek zostaje wycofany z eksploatacji. Zawiera jednak wiele fragmentów rozszczepienia o silnej radioaktywności, która z biegiem lat maleje, dlatego pierwiastki przez długi czas uwalniają znaczną ilość ciepła. Są trzymane w chłodniach, a następnie albo zakopywane, albo próbują je ponownie przetworzyć - wydobyć niespalony uran-235, nagromadzony pluton (z którego wykonano bomby atomowe) i inne izotopy, które można wykorzystać. Niewykorzystana część wysyłana jest na cmentarz.
W tak zwanych reaktorach prędkich, czyli reaktorach powielających, wokół elementów montuje się reflektory wykonane z uranu-238 lub toru-232. Zwalniają i wysyłają zbyt szybkie neutrony z powrotem do strefy reakcji. Neutrony spowolnione do prędkości rezonansowych pochłaniają wymienione izotopy, zamieniając się odpowiednio w pluton-239 lub uran-233, które mogą służyć jako paliwo dla elektrowni jądrowej. Ponieważ szybkie neutrony słabo reagują z uranem-235, jego stężenie musi zostać znacznie zwiększone, ale to się opłaca przy silniejszym strumieniu neutronów. Pomimo tego, że reaktory potomne są uważane za przyszłość energetyki jądrowej, ponieważ dostarczają więcej paliwa jądrowego niż zużywają, eksperymenty wykazały, że są one trudne w zarządzaniu. Teraz na świecie jest tylko jeden taki reaktor - w czwartym bloku energetycznym elektrowni jądrowej w Biełojarsku.
Jak krytykuje się energetykę jądrową? Poza wypadkami, głównym punktem w argumentacji przeciwników energetyki jądrowej jest dziś propozycja dodania do kalkulacji jej efektywności kosztów ochrony środowiska po likwidacji elektrowni i przy pracy z paliwem. W obu przypadkach występują problemy z rzetelną utylizacją odpadów promieniotwórczych, a są to koszty ponoszone przez państwo. Uważa się, że jeśli przeniesiemy je na koszt energii, to zniknie jej atrakcyjność ekonomiczna.
Istnieje również sprzeciw wśród zwolenników energetyki jądrowej. Jej przedstawiciele wskazują na wyjątkowość uranu-235, dla którego nie ma zamiennika, ponieważ alternatywne izotopy rozszczepialne przez neutrony termiczne - pluton-239 i uran-233 - są nieobecne w przyrodzie ze względu na okres półtrwania wynoszący tysiące lat. I dostają je właśnie w wyniku rozszczepienia uranu-235. Jeśli to się skończy, doskonałe naturalne źródło neutronów dla jądrowej reakcji łańcuchowej zniknie. W wyniku takiej ekstrawagancji ludzkość zostanie pozbawiona w przyszłości możliwości włączenia w cykl energetyczny toru-232, którego rezerwy są kilkakrotnie większe niż uranu.
Teoretycznie akceleratory cząstek można wykorzystać do generowania strumienia prędkich neutronów o energiach megaelektronowoltów. Jeśli jednak mówimy na przykład o lotach międzyplanetarnych na silniku atomowym, to bardzo trudno będzie wdrożyć schemat z nieporęcznym akceleratorem. Wyczerpanie uranu-235 kładzie kres takim projektom.
Co to jest uran do broni? Jest to wysoko wzbogacony uran-235. Jego masa krytyczna – odpowiada wielkości kawałka substancji, w której spontanicznie zachodzi reakcja łańcuchowa – jest na tyle mała, by wytworzyć amunicję. Z takiego uranu można zrobić bombę atomową, a także lont do bomby termojądrowej.
Jakie katastrofy wiążą się z używaniem uranu? Energia zmagazynowana w jądrach pierwiastków rozszczepialnych jest ogromna. Uciekając spod kontroli przez przeoczenie lub celowo, ta energia jest zdolna do robienia wielu kłopotów. Dwie z najgorszych katastrof nuklearnych miały miejsce 6 i 8 sierpnia 1945 r., Kiedy siły powietrzne USA zrzuciły bomby atomowe na Hiroszimę i Nagasaki, zabijając i raniąc setki tysięcy cywilów. Katastrofy na mniejszą skalę związane są z awariami w elektrowniach jądrowych i zakładach cyklu jądrowego. Pierwszy poważny wypadek miał miejsce w 1949 roku w ZSRR w fabryce Majak pod Czelabińska, gdzie produkowano pluton; ciekłe odpady promieniotwórcze dostały się do rzeki Techa. We wrześniu 1957 r. nastąpiła na nim eksplozja z uwolnieniem dużej ilości materiału radioaktywnego. Jedenaście dni później spłonął brytyjski reaktor produkujący pluton w Windscale, a chmura z produktami wybuchu rozproszyła się nad Europą Zachodnią. W 1979 roku w elektrowni atomowej Trimale Island w Pensylwanii spłonął reaktor. Najbardziej ambitnymi konsekwencjami były awarie w elektrowni jądrowej w Czarnobylu (1986) i elektrowni jądrowej w Fukushimie (2011), kiedy miliony ludzi były narażone na promieniowanie. Pierwsze zaśmieciły rozległe ziemie, uwalniając 8 ton paliwa uranowego z produktami rozszczepienia w wyniku eksplozji, która rozprzestrzeniła się w całej Europie. Drugi zanieczyszczał, a trzy lata po wypadku nadal zanieczyszcza wody Oceanu Spokojnego na obszarach połowowych. Radzenie sobie ze skutkami tych wypadków było bardzo kosztowne, a gdyby te koszty rozłożyć na koszty energii elektrycznej, znacznie by wzrosły.
Osobną kwestią są konsekwencje dla zdrowia ludzkiego. Według oficjalnych statystyk wiele osób, które przeżyły bombardowanie lub mieszkają na terenach skażonych, skorzystało na napromieniowaniu – ci pierwsi mają dłuższą oczekiwaną długość życia, ci drudzy mają mniej nowotworów, a eksperci kojarzą niewielki wzrost śmiertelności ze stresem społecznym. Liczba osób, które zginęły właśnie w wyniku nieszczęśliwych wypadków lub w wyniku ich eliminacji, sięga setek. Przeciwnicy elektrowni jądrowych zwracają uwagę, że awarie doprowadziły do kilku milionów przedwczesnych zgonów na kontynencie europejskim, są one po prostu niewidoczne na tle statystycznym.
Wycofanie gruntów z użytkowania przez człowieka w strefach wypadków prowadzi do ciekawego rezultatu: stają się one rodzajem rezerwatów przyrody, w których rośnie bioróżnorodność. To prawda, że niektóre zwierzęta cierpią na choroby związane z promieniowaniem. Pytanie, jak szybko przystosują się do zwiększonego tła, pozostaje otwarte. Pojawia się też opinia, że konsekwencją chronicznego napromieniania jest „wybór na głupca” (zob. „Chemia i życie”, 2010, nr 5): nawet w stadium embrionalnym organizmy prymitywne przeżywają. W szczególności w odniesieniu do ludzi powinno to prowadzić do obniżenia zdolności umysłowych pokolenia urodzonego na terenach skażonych tuż po wypadku.
Co to jest zubożony uran? To uran-238, pozostały po oddzieleniu od niego uranu-235. Ilości odpadów z produkcji uranu i elementów paliwowych przeznaczonych do broni są duże - w samych Stanach Zjednoczonych zgromadziło się 600 tysięcy ton sześciofluorku takiego uranu (o problemach z nim patrz "Chemia i życie", 2008, nr 5). Zawartość uranu-235 w nim wynosi 0,2%. Odpady te trzeba albo składować do lepszych czasów, kiedy powstaną szybkie reaktory i pojawi się możliwość przetworzenia uranu-238 na pluton, albo w jakiś sposób wykorzystać.
Znaleźli dla niego zastosowanie. Uran, podobnie jak inne pierwiastki przejściowe, jest używany jako katalizator. Na przykład autorzy artykułu w ACS Nano z dnia 30 czerwca 2014 r. piszą, że katalizator wykonany z uranu lub toru z grafenem do redukcji tlenu i nadtlenku wodoru „ma ogromny potencjał zastosowań energetycznych”. Ponieważ uran jest gęsty, służy jako balast dla statków i jako przeciwwaga dla samolotów. Metal ten nadaje się również do ochrony przed promieniowaniem w urządzeniach medycznych ze źródłami promieniowania.
Jaką broń można zrobić ze zubożonego uranu? Kule i rdzenie do pocisków przeciwpancernych. Obliczenia są następujące. Im cięższy pocisk, tym wyższa jego energia kinetyczna. Ale im większy pocisk, tym mniej skoncentrowany jego uderzenie. Oznacza to, że potrzebne są metale ciężkie o dużej gęstości. Kule wykonane są z ołowiu (myśliwi z Uralu kiedyś również używali rodzimej platyny, dopóki nie zorientowali się, że jest to metal szlachetny), podczas gdy rdzenie pocisków wykonano ze stopu wolframu. Ekolodzy zwracają uwagę, że ołów zanieczyszcza glebę w miejscach działań wojennych lub polowań i lepiej byłoby zastąpić go czymś mniej szkodliwym, na przykład tym samym wolframem. Ale wolfram nie jest tani, a uran o podobnej gęstości jest szkodliwym odpadem. Jednocześnie dopuszczalne zanieczyszczenie gleby i wody uranem jest około dwa razy większe niż ołowiu. Dzieje się tak, ponieważ słaba radioaktywność zubożonego uranu (i jest ona również o 40% mniejsza niż naturalna) jest pomijana i bierze się pod uwagę naprawdę niebezpieczny czynnik chemiczny: uran, jak pamiętamy, jest trujący. Jednocześnie jego gęstość jest 1,7 razy większa niż ołowiu, co oznacza, że rozmiar pocisków uranowych można zmniejszyć o połowę; uran jest znacznie bardziej ogniotrwały i solidny niż ołów – mniej odparowuje po wystrzeleniu, a kiedy trafi w cel, wytwarza mniej mikrocząsteczek. Ogólnie rzecz biorąc, pocisk uranowy zanieczyszcza środowisko w mniejszym stopniu niż pocisk ołowiany, jednak nie wiadomo na pewno o takim zastosowaniu uranu.
Wiadomo jednak, że płyty ze zubożonego uranu są używane do wzmacniania pancerza amerykańskich czołgów (ułatwia to wysoka gęstość i temperatura topnienia), a także zamiast stopu wolframu w rdzeniach do pocisków przeciwpancernych. Rdzeń uranowy jest również dobry, ponieważ uran jest piroforyczny: jego gorące, małe cząsteczki powstające po uderzeniu w zbroję rozbłyskują i podpalają wszystko. Oba zastosowania są uważane za bezpieczne pod względem promieniowania. Tak więc obliczenia wykazały, że nawet po spędzeniu roku w czołgu z pancerzem uranowym załadowanym amunicją uranową, załoga otrzyma tylko jedną czwartą dopuszczalnej dawki. Aby uzyskać dopuszczalną roczną dawkę, konieczne jest przymocowanie takiej amunicji do powierzchni skóry na 250 godzin.
Pociski z rdzeniami uranowymi – do 30-milimetrowych działek lotniczych lub do artylerii podkalibrowej – były używane przez Amerykanów w ostatnich wojnach, począwszy od kampanii w Iraku w 1991 roku. W tym samym roku wylali na irackie jednostki pancerne w Kuwejcie, a podczas ich odwrotu na armaty lotnicze spadło 300 ton zubożonego uranu, z czego 250 ton, czyli 780 tysięcy pocisków. W Bośni i Hercegowinie podczas bombardowań armii nieuznanej Republiki Serbskiej zużyto 2,75 tony uranu, a podczas ostrzału armii jugosłowiańskiej w prowincji Kosowo i Metohija – 8,5 tony, czyli 31 tys. pocisków. Ponieważ WHO była już zaniepokojona konsekwencjami używania uranu, przeprowadzono monitoring. Okazało się, że jedna salwa składała się z około 300 pocisków, z których 80% zawierało zubożony uran. 10% trafiło w cele, a 82% spadło w promieniu 100 metrów od nich. Reszta rozproszyła się w promieniu 1,85 km. Pocisk uderzający w czołg spłonął i zamienił się w aerozol, a pocisk uranowy przebił lekkie cele, takie jak opancerzone transportery. W ten sposób półtora tony pocisków mogłoby zamienić się w pył uranowy w Iraku. Według szacunków specjalistów z amerykańskiego strategicznego ośrodka badawczego „RAND Corporation”, więcej zamieniło się w aerozol, od 10 do 35% zużytego uranu. Chorwacki Asaf Durakovic, chorwacki bojownik z amunicją uranową, który pracował w różnych organizacjach, od szpitala King Faisal w Rijadzie po Washington Uranium Medical Research Center, uważa, że w 1991 roku tylko w południowym Iraku było 3-6 ton submikronowych cząstek uranu. powstałe, które rozrzucone na dużym obszarze, czyli zanieczyszczenie uranem jest tam porównywalne z Czarnobylem.
Uran jest siódmą planetą w Układzie Słonecznym i trzecim gazowym gigantem. Planeta jest trzecią co do wielkości i czwartą pod względem masy, a swoją nazwę otrzymała na cześć ojca rzymskiego boga Saturna.
Dokładnie tak Uran miała zaszczyt być pierwszą planetą odkrytą we współczesnej historii. Jednak w rzeczywistości jego początkowe odkrycie jako planety w rzeczywistości nie miało miejsca. W 1781 roku astronom William Herschel obserwując gwiazdy w konstelacji Bliźniąt, zauważył jakiś obiekt w kształcie dysku, który początkowo zarejestrował jako kometę, o czym poinformował Królewskie Towarzystwo Naukowe Anglii. Jednak później sam Herschel był zdziwiony faktem, że orbita obiektu okazała się prawie kołowa, a nie eliptyczna, jak ma to miejsce w przypadku komet. Dopiero gdy ta obserwacja została potwierdzona przez innych astronomów, Herschel doszedł do wniosku, że rzeczywiście odkrył planetę, a nie kometę, a odkrycie to w końcu zyskało powszechną akceptację.
Po potwierdzeniu danych, że odkrytym obiektem jest planeta, Herschel otrzymał niezwykły przywilej – nadania jej swojego imienia. Astronom bez wahania wybrał imię króla Anglii Jerzego III i nazwał planetę Georgium Sidus, co oznacza „Gwiazdę Jerzego”. Jednak nazwa nigdy nie zyskała uznania naukowego i naukowcy, w większości, doszedł do wniosku, że lepiej jest trzymać się pewnej tradycji w nazwach planet Układu Słonecznego, a mianowicie nazywać je po starożytnych rzymskich bogach. W ten sposób Uran otrzymał swoją współczesną nazwę.
Obecnie jedyną misją planetarną, której udało się zebrać informacje o Uranie, jest Voyager 2.
Spotkanie to, które odbyło się w 1986 roku, pozwoliło naukowcom na pozyskanie dużej ilości danych o planecie i dokonanie wielu odkryć. Sonda przesłała tysiące zdjęć Urana, jego księżyców i pierścieni. Pomimo faktu, że wiele fotografii planety nie wykazywało prawie nic poza niebiesko-zielonym kolorem, który można było zaobserwować z naziemnych teleskopów, inne zdjęcia wykazały obecność dziesięciu wcześniej nieznanych satelitów i dwóch nowych pierścieni. W najbliższej przyszłości nie są planowane żadne nowe misje na Urana.
Ze względu na ciemnoniebieski kolor Urana, model atmosfery planety okazał się znacznie trudniejszy do skompilowania niż modele tego samego lub nawet tego samego. Na szczęście zdjęcia z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a zapewniły szerszy obraz. Bardziej nowoczesne technologie wizualizacji teleskopu umożliwiły uzyskanie znacznie bardziej szczegółowych obrazów niż te z Voyagera 2. Dzięki zdjęciom Hubble'a można było dowiedzieć się, że na Uranie, a także na innych gazowych olbrzymach, istnieją pasy równoleżnikowe. Ponadto prędkość wiatrów na planecie może sięgać ponad 576 km/h.
Uważa się, że przyczyną pojawienia się monotonnej atmosfery jest skład jej najwyższej warstwy. Widoczne warstwy chmur składają się głównie z metanu, który pochłania obserwowane czerwone fale. Tak więc fale odbite są reprezentowane w postaci niebieskiej i zielonej.
Pod zewnętrzną warstwą metanu atmosfera składa się w około 83% z wodoru (H2) i 15% z helu, z pewną ilością metanu i acetylenu. Ten skład jest podobny do składu innych gazowych gigantów w Układzie Słonecznym. Jednak atmosfera Urana jest dramatycznie inna pod innym względem. Podczas gdy atmosfery Jowisza i Saturna są głównie gazowe, atmosfery Urana zawierają znacznie więcej lodu. Świadczą o tym ekstremalnie niskie temperatury powierzchni. Biorąc pod uwagę fakt, że temperatura atmosfery Urana dochodzi do -224 °C, można ją nazwać najzimniejszą atmosferą w Układzie Słonecznym. Ponadto dostępne dane wskazują, że tak ekstremalnie niska temperatura występuje praktycznie na całej powierzchni Urana, nawet po stronie nieoświetlanej przez Słońce.
Uran, według planetologów, składa się z dwóch warstw: jądra i płaszcza. Obecne modele sugerują, że rdzeń składa się głównie ze skał i lodu i ma masę około 55 razy większą. Płaszcz planety waży 8,01 x 10 do potęgi 24 kg, czyli około 13,4 mas Ziemi. Ponadto płaszcz składa się z wody, amoniaku i innych lotnych pierwiastków. Główna różnica między płaszczem Urana a Jowiszem i Saturnem polega na tym, że jest lodowaty, choć nie w tradycyjnym znaczeniu tego słowa. Faktem jest, że lód jest bardzo gorący i gęsty, a płaszcz ma 5,111 km grubości.
Najbardziej zdumiewające w składzie Urana i tym, co odróżnia go od innych gazowych gigantów w naszym układzie gwiezdnym, jest to, że nie emituje on więcej energii niż otrzymuje od Słońca. Biorąc pod uwagę fakt, że nawet ta, która jest bardzo zbliżona do Urana, wytwarza około 2,6 razy więcej ciepła niż otrzymuje od Słońca, dzisiejsi naukowcy są bardzo zaintrygowani tak słabą mocą generowaną przez Urana. W tej chwili istnieją dwa wyjaśnienia tego zjawiska. Pierwsza wskazuje, że Uran był wystawiony w przeszłości na wolumetryczny obiekt kosmiczny, co doprowadziło do utraty większości wewnętrznego ciepła planety (odbieranego podczas formowania) w przestrzeń kosmiczną. Druga teoria mówi, że wewnątrz planety istnieje pewna bariera, która nie pozwala na ucieczkę wewnętrznego ciepła planety na powierzchnię.
Samo odkrycie Urana pozwoliło naukowcom prawie dwukrotnie zwiększyć promień znanego Układu Słonecznego. Oznacza to, że średnia orbita Urana wynosi około 2,87 x 10 przy mocy 9 km. Powodem tak ogromnej odległości jest czas przejścia promieniowania słonecznego ze Słońca na planetę. Światło słoneczne potrzebuje około dwóch godzin i czterdziestu minut, aby dotrzeć do Urana, prawie dwadzieścia razy dłużej niż światło słoneczne, aby dotrzeć do Ziemi. Ogromna odległość wpływa również na długość roku na Uranie, trwa on prawie 84 lata ziemskie.
Mimośród orbity Urana wynosi 0,0473, czyli tylko nieznacznie mniej niż Jowisza - 0,0484. Ten czynnik sprawia, że Uran jest czwartą ze wszystkich planet Układu Słonecznego pod względem orbity kołowej. Powodem tak małej ekscentryczności orbity Urana jest różnica między jego peryhelium 2,74 x 10 do potęgi 9 km, a aphelium 3,01 x 109 km to tylko 2,71 x 10 do potęgi 8 km.
Najciekawszym momentem w obrocie Urana jest położenie osi. Faktem jest, że oś obrotu każdej planety, z wyjątkiem Urana, jest w przybliżeniu prostopadła do ich płaszczyzny orbity, jednak oś Urana jest nachylona o prawie 98 °, co w rzeczywistości oznacza, że Uran obraca się na boku. Wynikiem takiego położenia osi planety jest to, że północny biegun Urana znajduje się na Słońcu przez połowę planetarnego roku, a druga połowa przypada na południowy biegun planety. Innymi słowy, dzień na jednej półkuli Urana trwa 42 lata ziemskie, a noc na drugiej półkuli tak samo. Powodem, dla którego Uran „obrócił się na bok”, naukowcy ponownie nazywają zderzenie z ogromnym kosmicznym ciałem.
Biorąc pod uwagę fakt, że najpopularniejszym z pierścieni w naszym Układzie Słonecznym przez długi czas pozostały pierścienie Saturna, pierścienie Urana można było wykryć dopiero w 1977 roku. Powodem jest jednak nie tylko to, są jeszcze dwa powody tak późnego odkrycia: odległość planety od Ziemi i niski współczynnik odbicia samych pierścieni. W 1986 roku sonda kosmiczna Voyager 2 była w stanie określić obecność dwóch kolejnych pierścieni na planecie, oprócz tych znanych w tamtym czasie. W 2005 roku Kosmiczny Teleskop Hubble'a dostrzegł jeszcze dwa. Dziś planetolodzy znają 13 pierścieni Urana, z których najjaśniejszym jest pierścień Epsilon.
Pierścienie Urana różnią się od pierścieni Saturna prawie wszystkim - od wielkości cząstek po skład. Po pierwsze, cząstki tworzące pierścienie Saturna są małe, mają nieco ponad kilka metrów średnicy, podczas gdy pierścienie Urana zawierają wiele ciał o średnicy do dwudziestu metrów. Po drugie, cząsteczki w pierścieniach Saturna składają się głównie z lodu. Jednak pierścienie Urana składają się zarówno z lodu, jak i znacznej ilości pyłu i gruzu.
William Herschel odkrył Urana dopiero w 1781 roku, ponieważ planeta była zbyt ciemna, aby mogli ją zauważyć przedstawiciele starożytnych cywilizacji. Sam Herschel początkowo wierzył, że Uran jest kometą, ale później zrewidował swoją opinię, a nauka potwierdziła planetarny status obiektu. Tak więc Uran stał się pierwszą planetą odkrytą we współczesnej historii. Oryginalna nazwa zaproponowana przez Herschela brzmiała „Gwiazda Jerzego” – na cześć króla Jerzego III, ale społeczność naukowa jej nie zaakceptowała. Nazwę „Uran” zaproponował astronom Johann Bode na cześć starożytnego rzymskiego boga Urana.
Uran wykonuje obrót wokół własnej osi raz na 17 godzin i 14 minut. Podobnie planeta obraca się w kierunku wstecznym, przeciwnym do kierunku Ziemi i pozostałych sześciu planet.
Uważa się, że niezwykłe nachylenie osi Urana może spowodować wielkie zderzenie z innym ciałem kosmicznym. Teoria głosi, że planeta, która miała mieć rozmiary Ziemi, ostro zderzyła się z Uranem, który przesunął swoją oś o prawie 90 stopni.
Prędkość wiatru na Uranie może osiągnąć nawet 900 km na godzinę.
Uran ma masę około 14,5 razy większą od Ziemi, co czyni go najlżejszym z czterech gazowych gigantów w naszym Układzie Słonecznym.
Uran jest często określany jako „lodowy gigant”. Oprócz wodoru i helu w górnej warstwie (podobnie jak inne gazowe olbrzymy), Uran posiada również lodowy płaszcz, który otacza jego żelazne jądro. Górna atmosfera, złożona z amoniaku i lodowato zimnych kryształów metanu, nadaje Uranowi charakterystyczny bladoniebieski kolor.
Uran jest drugą najmniej gęstą planetą w Układzie Słonecznym, po Saturnie.
W przesłaniu ambasadora Iraku przy ONZ Mohammed Ali al-Hakim z 9 lipca mówi, że do dyspozycji ekstremistów ISIS (Islamskie Państwo Iraku i Lewantu). MAEA (Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej) pospiesznie zadeklarowała, że wcześniej używane przez Irak substancje jądrowe mają niskie właściwości toksyczne, a więc materiały przejęte przez islamistów.
Źródło w rządzie USA zaznajomione z sytuacją powiedziało Reuterowi, że uran skradziony przez bojowników najprawdopodobniej nie jest wzbogacony, więc trudno go wykorzystać do produkcji broni jądrowej. Władze irackie oficjalnie powiadomiły ONZ o tym incydencie i wezwały do „zapobiegania groźbie jego użycia”, donosi RIA Novosti.
Związki uranu są niezwykle niebezpieczne. O tym, co dokładnie, a także o tym, kto i jak może produkować paliwo jądrowe, mówi AiF.ru.
Uran to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 92, srebrzystobiały błyszczący metal, w układzie okresowym Mendelejewa oznaczony symbolem U. W czystej postaci jest nieco bardziej miękki niż stal, ciągliwy, elastyczny, zawarty w skorupa ziemska (litosfera) iw wodzie morskiej, aw jej czystej postaci praktycznie nie występuje. Paliwo jądrowe jest wytwarzane z izotopów uranu.
Uran to ciężki, srebrzystobiały, błyszczący metal. Zdjęcie: Commons.wikimedia.org / Oryginalnym uploaderem był Zxctypo w en.wikipedia.
W 1938 r fizycy Otto Hahn i Fritz Strassmann napromieniował jądro uranu neutronami i dokonał odkrycia: wychwytując wolny neutron, rozszczepienie jądra izotopu uranu i uwolnienie ogromnej energii z powodu energii kinetycznej fragmentów i promieniowania. W latach 1939-1940 Juliusz Chariton oraz Jakow Zeldowicz po raz pierwszy teoretycznie wyjaśnili, że przy niewielkim wzbogaceniu naturalnego uranu uranem-235 można stworzyć warunki do ciągłego rozszczepiania jąder atomowych, czyli nadać procesowi charakter łańcuchowy.
Uran wzbogacony to uran otrzymywany przy użyciu proces technologiczny podwyższania frakcji izotopu 235U w uranie. W rezultacie naturalny uran dzieli się na uran wzbogacony i uran zubożony. Po ekstrakcji 235U i 234U z naturalnego uranu, pozostały materiał (uran-238) nazywany jest „uranem zubożonym”, ponieważ jest zubożony w 235. izotop. Według niektórych raportów w Stanach Zjednoczonych przechowywanych jest około 560 000 ton sześciofluorku zubożonego uranu (UF6). Zubożony uran jest dwa razy mniej radioaktywny niż uran naturalny, głównie ze względu na usunięcie z niego 234U. Z uwagi na fakt, że głównym zastosowaniem uranu jest produkcja energii, zubożony uran jest produktem mało użytecznym o niskiej wartości ekonomicznej.
W energetyce jądrowej stosuje się tylko wzbogacony uran. Największe zastosowanie ma izotop uranu 235U, w którym możliwa jest samopodtrzymująca się reakcja łańcucha jądrowego. Dlatego ten izotop jest używany jako paliwo w reaktorach jądrowych i broni jądrowej. Oddzielenie izotopu U235 od naturalnego uranu to złożona technologia, którą może wdrożyć niewiele krajów. Wzbogacanie uranu pozwala na produkcję atomowej broni jądrowej - jednofazowych lub jednostopniowych urządzeń wybuchowych, w których główna energia wyjściowa pochodzi z reakcji rozszczepienia jądrowego ciężkich jąder z powstawaniem lżejszych pierwiastków.
Uran-233, sztucznie pozyskiwany w reaktorach z toru (tor-232 wychwytuje neutron i zamienia się w tor-233, który rozpada się na protaktyn-233, a następnie na uran-233), może w przyszłości stać się powszechnym paliwem jądrowym dla energetyki jądrowej elektrowni (już teraz istnieją reaktory wykorzystujące ten nuklid jako paliwo, np. KAMINI w Indiach) oraz produkcji bomb atomowych (masa krytyczna ok. 16 kg).
Rdzeń pocisku kalibru 30 mm (działo GAU-8 samolotu A-10) o średnicy około 20 mm ze zubożonego uranu. Zdjęcie: Commons.wikimedia.org / Oryginalnym uploaderem był Nrcprm2026 w en.wikipedia
10 krajów dostarcza 94% światowej produkcji uranu. Zdjęcie: Commons.wikimedia.org / KarteUrangewinnung
Uran i jego związki są toksyczne. Szczególnie niebezpieczne są aerozole uranu i jego związków. W przypadku aerozoli rozpuszczalnych w wodzie związków uranu maksymalne dopuszczalne stężenie (MPC) w powietrzu wynosi 0,015 mg / m³, dla nierozpuszczalnych form uranu maksymalne dopuszczalne stężenie (MPC) wynosi 0,075 mg / m³. Kiedy dostanie się do organizmu, uran działa na wszystkie narządy, będąc ogólną trucizną komórkową. Uran jest praktycznie nieodwracalny, podobnie jak wiele innych metali ciężkich, wiąże się z białkami, przede wszystkim z grupami siarczkowymi aminokwasów, zaburzając ich funkcję. Molekularny mechanizm działania uranu jest związany z jego zdolnością do hamowania aktywności enzymatycznej. Przede wszystkim dotyczy to nerek (w moczu pojawiają się białko i cukier, skąpomocz). Przy przewlekłym zatruciu możliwe są zaburzenia hematopoezy i układu nerwowego.
Izotop - odmiany atomów pierwiastka chemicznego, które mają tę samą liczbę atomową (porządkową), ale różne liczby masowe.
Element III grupy układu okresowego, należący do aktynowców; metal ciężki, słabo radioaktywny. Tor ma szereg zastosowań, w których czasami odgrywa niezastąpioną rolę. Pozycja tego metalu w układzie okresowym pierwiastków i budowa jądra przesądziły o jego zastosowaniu w dziedzinie pokojowego wykorzystania energii atomowej.
*** Oliguria (z greckiego oligos - mały i uron - mocz) - zmniejszenie ilości moczu wydalanego przez nerki.
