Разложение урана. Полезные ископаемые: Урановые руды

Ещё в древнейшие времена (I век до нашей эры) природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики. Уран был открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом (Klaproth) при исследовании минерала настуран ("урановая смолка"). Назван им в честь планеты Уран, открытой Уильямом Гершелем в 1781 году. В металлическом состоянии уран получен в 1841 французским химиком Эженом Пелиго при восстановлении UCl 4 металлическим калием. Радиоактивные свойства урана обнаружил в 1896 француз Анри Беккерель.

На грани XX столетия ученые открыли в отбросах Урановой руды радий. Удаче Марии Склодовской и Пьера Кюри в открытии радия, безусловно, способствовало то, что отбросы урановой руды были в то время весьма дешевым материалом. Супруги Кюри, хотя и с большими хлопотами, получили их для своих работ почти бесплатно. С открытием радия урановая руда стала источником этого "чудесного" элемента. Однако сам уран после отделения радия почти не использовали. Для его сбыта пытались получить урановую быстрорежущую сталь, но трудности выделения чистого урана не способствовали ее распространению. Не находя значительного применения, используясь, главным образом, в фотографии, урановые соединения в 30-х годах XX в. ценились гораздо дешевле радия.

Уран - мягкий, серебристо-белый металл, в два с половиной раза тяжелее железа, более чем в полтора раза тяжелее свинца. Этот химически активный элемент образует много соединений, легко реагирует со многими неметаллами, даст сплавы и соединения с ртутью, оловом, медью, свинцом, алюминием, висмутом, железом и другими металлами.

Металлический уран или его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах. Природная или малообогащенная смесь изотопов урана применяется в стационарных реакторах атомных электростанций, продукт высокой степени обогащения - в ядерных силовых установках или в реакторах, работающих на быстрых нейтронах. 235 U является источником ядерной энергии в ядерном оружии. 238 U служит источником вторичного ядерного горючего - плутония.

УРАН (химический элемент) УРАН (химический элемент)

УРА́Н (лат. Uranium), U (читается «уран»), радиоактивный химический элемент с атомным номером 92, атомная масса 238,0289. Актиноид. Природный уран состоит из смеси трех изотопов: 238 U, 99,2739%, с периодом полураспада Т 1/2 = 4,51·10 9 лет, 235 U, 0,7024%, с периодом полураспада Т 1/2 = 7,13·10 8 лет, 234 U, 0,0057%, с периодом полураспада Т 1/2 = 2,45·10 5 лет. 238 U (уран-I, UI) и 235 U (актиноуран, АсU) являются родоначальниками радиоактивных рядов. Из 11 искусственно полученных радионуклидов с массовыми числами 227-240 долгоживущий 233 U (Т 1/2 = 1,62·10 5 лет), он получается при нейтронном облучении тория (см. ТОРИЙ) .
Конфигурация трех внешних электронных слоев 5s 2 p 6 d 10 f 3 6s 2 p 6 d 1 7 s 2 , уран относится к f -элементам. Расположен в IIIB группе в 7 периоде периодической системы элементов. В соединениях проявляет степени окисления +2, +3, +4, +5 и +6, валентности II, III, IV, V и VI.
Радиус нейтрального атома урана 0,156 нм, радиус ионов: U 3 + - 0,1024 нм, U 4 + - 0,089 нм, U 5 + - 0,088 нм и U 6+ - 0,083 нм. Энергии последовательной ионизации атома 6,19, 11,6, 19,8, 36,7 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,22.
История открытия
Уран был открыт в 1789 немецким химиком М. Г. Клапротом (см. КЛАПРОТ Мартин Генрих) при исследовании минерала «смоляной обманки». Назван им в честь планеты Уран, открытой У. Гершелем (см. ГЕРШЕЛЬ) в 1781. В металлическом состоянии уран получен в 1841 французским химиком Э. Пелиго (см. ПЕЛИГО Эжен Мелькьор) при восстановлении UCl 4 металлическим калием. Радиоактивные свойства урана обнаружил в 1896 француз А. Беккерель (см. БЕККЕРЕЛЬ Антуан Анри) .
Первоначально урану приписывали атомную массу 116, но в 1871 Д. И. Менделеев (см. МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович) пришел к выводу, что ее надо удвоить. После открытия элементов с атомными номерами от 90 до 103 американский химик Г. Сиборг (см. СИБОРГ Гленн Теодор) пришел к выводу, что эти элементы (актиноиды) (см. АКТИНОИДЫ) правильнее располагать в периодической системе в одной клетке с элементом №89 актинием. Такое расположение связано с тем, что у актиноидов происходит достройка 5f -электоронного подуровня.
Нахождение в природе
Уран - характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Содержание в земной коре 2,5·10 -4 % по массе. В морской воде концентрация урана менее 10 -9 г/л, всего в морской воде содержится от 10 9 до 10 10 тонн урана. В свободном виде уран в земной коре не встречается. Известно около 100 минералов урана, важнейшие из них настуран U 3 O 8 , уранинит (см. УРАНИНИТ) (U,Th)O 2 , урановая смоляная руда (содержит оксиды урана переменного состава) и тюямунит Ca[(UO 2) 2 (VO 4) 2 ]·8H 2 O.
Получение
Уран получают из урановых руд, содержащих 0,05-0,5% U. Извлечение урана начинается с получения концентрата. Руды выщелачивают растворами серной, азотной кислот или щелочью. В полученном растворе всегда содержатся примеси других металлов. При отделении от них урана, используют различия в их окислительно-восстановительных свойствах. Окислительно-восстановительные процессы сочетают с процессами ионного обмена и экстракции.
Из полученного раствора уран извлекают в виде оксида или тетрафторида UF 4 , методом металлотермии:
UF 4 + 2Mg = 2MgF 2 + U
Образовавшийся уран содержит в незначительных количествах примеси бор (см. БОР (химический элемент)) , кадмий (см. КАДМИЙ) и некоторых других элементов, так называемых реакторных ядов. Поглощая образующиеся при работе ядерного реактора нейтроны, они делают уран непригодным для использования в качестве ядерного горючего.
Чтобы избавиться от примесей, металлический уран растворяют в азотной кислоте, получая уранилнитрат UO 2 (NO 3) 2 . Уранилнитрат экстрагируют из водного раствора трибутилфосфатом. Продукт очистки из экстракта снова переводят в оксид урана или в тетрафторид, из которых вновь получают металл.
Часть урана получают регенерацией отработавшего в реакторе ядерного горючего. Все операции по регенерации урана проводят дистанционно.
Физические и химические свойства
Уран - серебристо-белый блестящий металл. Металлический уран существует в трех аллотропических (см. АЛЛОТРОПИЯ) модификациях. До 669°C устойчива a-модификация с орторомбической решеткой, параметры а = 0,2854нм, в = 0,5869 нм и с = 0,4956 нм, плотность 19,12 кг/дм 3 . От 669°C до 776°C устойчива b-модификация с тетрагональной решеткой (параметры а = 1,0758 нм, с = 0,5656 нм). До температуры плавления 1135°C устойчива g-модификация с кубической объемно-центрированной решеткой (а = 0,3525 нм). Температура кипения 4200°C.
Химическая активность металлического урана высока. На воздухе он покрывается пленкой оксида. Порошкообразный уран пирофорен, при сгорании урана и термическом разложении многих его соединений на воздухе образуется оксид урана U 3 O 8 . Если этот оксид нагревать в атмосфере водорода (см. ВОДОРОД) при температуре выше 500°C, образуется диоксид урана UO 2:
U 3 O 8 + Н 2 = 3UO 2 + 2Н 2 О
Если уранилнитрат UO 2 (NO 3) 2 нагреть при 500°C, то, разлагаясь, он образует триоксид урана UO 3 . Кроме оксидов урана стехиометрического состава UO 2 , UO 3 и U 3 О 8 , известен оксид урана состава U 4 O 9 и несколько метастабильных оксидов и оксидов переменного состава.
При сплавлении оксидов урана с оксидами других металлов образуются уранаты: К 2 UO 4 (уранат калия), СаUO 4 (уранат кальция), Na 2 U 2 O 7 (диуранат натрия).
Взаимодействуя с галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) , уран дает галогениды урана. Среди них гексафторид UF 6 представляет собой желтое кристаллическое вещество, легко сублимирующееся даже при слабом нагревании (40-60°C) и столь же легко гидролизующееся водой. Важнейшее практическое значение имеет гексафторид урана UF 6 . Получают его взаимодействием металлического урана, оксидов урана или UF 4 с фтором или фторирующими агентами BrF 3 , СCl 3 F (фреон-11) или ССl 2 F 2 (фреон-12):
U 3 O 8 + 6CCl 2 F 2 = UF 4 + 3COCl 2 + CCl 4 + Cl 2
UF 4 + F 2 = UF 6
или
U 3 O 8 + 9F 2 = 3UF 6 + 4O 2
Известны фториды и хлориды, отвечающие степеням окисления урана +3, +4, +5 и +6. Получены бромиды урана UBr 3 , UBr 4 и UBr 5 , а также иодиды урана UI 3 и UI 4 . Синтезированы такие оксигалогениды урана, как UO 2 Cl 2 UOCl 2 и другие.
При взаимодействии урана с водородом образуется гидрид урана UH 3 , обладающий высокой химической активностью. При нагревании гидрид разлагается, образуя водород и порошкообразный уран. При спекании урана с бором возникают, в зависимости от молярного отношения реагентов и условий проведения процесса, бориды UB 2 , UB 4 и UB 12 .
С углеродом (см. УГЛЕРОД) уран образует три карбида UC, U 2 C 3 и UC 2 .
Взаимодействием урана с кремнием (см. КРЕМНИЙ) получены силициды U 3 Si, U 3 Si 2 , USi, U 3 Si 5 , USi 2 и U 3 Si 2 .
Получены нитриды урана (UN, UN 2 , U 2 N 3) и фосфиды урана (UP, U 3 P 4 , UP 2). С серой (см. СЕРА) уран образует ряд сульфидов: U 3 S 5 , US, US 2 , US 3 и U 2 S 3 .
Металлический уран растворяется в HCl и HNO 3 , медленно реагирует с H 2 SO 4 и H 3 PO 4 . Возникают соли, содержащие катион уранила UO 2 2+ .
В водных растворах существуют соединения урана в степенях окисления от +3 до +6. Стандартный окислительный потенциал пары U(IV)/U(III) - 0,52 B, пары U(V)/U(IV) 0,38 B, пары U(VI)/U(V) 0,17 B, пары U(VI)/U(IV) 0,27. Ион U 3+ в растворе неустойчив, ион U 4+ стабилен в отсутствие воздуха. Катион UO 2 + нестабилен и в растворе диспропорционирует на U 4+ и UO 2 2+ . Ионы U 3+ имеют характерную красную окраску, ионы U 4+ - зеленую, ионы UO 2 2+ - желтую.
В растворах наиболее устойчивы соединения урана в степени окисления +6. Все соединения урана в растворах склонны к гидролизу и комплексообразованию, наиболее сильно - катионы U 4+ и UO 2 2+ .
Применение
Металлический уран и его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах. Малообогащенная смесь изотопов урана применяется в стационарных реакторах атомных электростанций. Продукт высокой степени обогащения - в ядерных реакторах, работающих на быстрых нейтронах. 235 U яыляется источником ядерной энергии в ядерном оружии. 238 U служит источником вторичного ядерного горючего - плутония.
Физиологическое действие
В микроколичествах (10 -5 -10 -8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1%), в легких - 50%. Основные депо в организме: селезенка, почки, скелет, печень, легкие и бронхо-легочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10 -7 гг.
Уран и его соединения высокотоксичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м 3 , для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м 3 . При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "УРАН (химический элемент)" в других словарях:

U (Uran, uranium; при О = 16 атомн. вес U = 240) элемент с наибольшим атомным весом; все элементы, по атомному весу, помещаются между водородом и ураном. Это тяжелейший член металлической подгруппы VI группы периодической системы (см. Хром,… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Уран (U) Атомный номер 92 Внешний вид простого вещества Свойства атома Атомная масса (молярная масса) 238.0289 а. е. м. (г/моль) … Википедия

Уран (лат. Uranium), U, радиоактивный химический элемент III группы периодической системы Менделеева, относится к семейству актиноидов, атомный номер 92, атомная масса 238,029; металл. Природный У. состоит из смеси трёх изотопов: 238U √ 99,2739%… … Большая советская энциклопедия

Уран (хим. элемент) - УРАН (Uranium), U, радиоактивный химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 92, атомная масса 238,0289; относится к актиноидам; металл, tпл 1135°C. Уран главный элемент атомной энергетики (ядерное топливо), используется в… … Иллюстрированный энциклопедический словарь Википедия

- (греч. uranos небо). 1) бог неба, отец Сатурна, старейший из богов, по греч. мифол. 2) редкий металл, имеющий в чистом состоянии вид серебристых листочков. 3) большая планета, открытая Гершелем в 1781 г. Словарь иностранных слов, вошедших в… … Словарь иностранных слов русского языка

Уран:* Уран (мифология) древнегреческий бог. Сын Геи * Уран (планета) планета Солнечной системы * Уран (музыкальный инструмент) древнетюркский и казахский музыкальный духовой инструмент * Уран (элемент) химический элемент * Операция… … Википедия

- (Uranium), U, радиоактивный химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 92, атомная масса 238,0289; относится к актиноидам; металл, tпл 1135шC. Уран главный элемент атомной энергетики (ядерное топливо), используется в… … Современная энциклопедия

Уран (U) — элемент с атомным номером 92 и атомным весом 238,029. Является радиоактивным химическим элементом III группы периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева, относится к семейству актиноидов. Уран — очень тяжёлый (в 2,5 раза тяжелее железа, более чем в 1,5 раза тяжелее свинца), серебристо-белый глянцевитый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами.

Природный уран состоит из смеси трех изотопов: 238U (99,274 %) с периодом полураспада 4,51∙109 лет; 235U (0,702 %) с периодом полураспада 7,13∙108 лет; 234U (0,006 %) с периодом полураспада 2,48∙105 лет. Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда 238U. Изотопы урана 238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов. Конечными элементами этих рядов являются изотопы свинца 206Pb и 207Pb.

В настоящее время известно 23 искусственных радиоактивных изотопов урана с массовыми числами от 217 до 242. «Долгожителем» среди них является 233U с периодом полураспада 1,62∙105 лет. Он получается в результате нейтронного облучения тория, способен к делению под воздействием тепловых нейтронов.

Уран открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом в результате его опытов с минералом настуран — «урановая смолка». Название новый элемент получил в честь недавно открытой (1781) Уильямом Гершелем планеты — Уран. Последующие полвека полученное Клапротом вещество считалось металлом, однако в 1841 году это опроверг французский химик Эжен Мелькиор Пелиго, который доказал окисную природу урана (UO2), полученного немецким химиком. Самому Пелиго удалось получить металлический уран при восстановлении UCl4 металлическим калием, а так же определить атомный вес нового элемента. Следующим в развитии знаний об уране и его свойствах был Д. И. Менделеев — в 1874 году, опираясь на разработанную им теорию о периодизации химических элементов, он поместил уран в самой дальней клетке своей таблицы. Определенный ранее Пелиго атомный вес урана (120) русский химик удвоил, верность таких предположений была подтверждена через двенадцать лет опытами немецкого химика Циммермана.

На протяжении многих десятилетий уран представлял интерес лишь для узкого круга химиков и естествоиспытателей, применение его также было ограничено — производство стекла и красок. Только с открытием радиоактивности этого металла (в 1896 году Анри Беккерелем) началась промышленная переработка урановых руд с 1898 года. Гораздо позже (1939 год) было открыто явление деления ядер, и с 1942 года уран стал основным ядерным топливом.

Важнейшее свойство урана состоит в том, что ядра некоторых его изотопов способны к делению при захвате нейтронов, в результате такого процесса выделяется громадное количество энергии. Это свойство элемента № 92 используется в ядерных реакторах, служащих источниками энергии, а также лежит в основе действия атомной бомбы. Уран используют в геологии для определения возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов (геохронология). В связи с тем, что горные породы содержат различные концентрации урана, они обладают различной радиоактивностью. Это свойство используется при выделении горных пород геофизическими методами. Наиболее широко этот метод применяется в нефтяной геологии при геофизических исследованиях скважин. Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления), например уранат натрия Na2U2O7 использовался как жёлтый пигмент в живописи.

Биологические свойства

Уран довольно распространенный элемент в биологической среде, концентраторами этого металла считаются некоторые виды грибов и водорослей, которые входят в цепочку биологического круговорота урана в природе по схеме: вода — водные растения - рыба - человек. Таким образом, с пищей и водой уран попадает в организм человека и животных, а точнее в желудочно-кишечный тракт, где всасывается около процента от поступивших легкорастворимых соединений и не более 0,1 % труднорастворимых. В дыхательные пути и легкие, а также в слизистые оболочки и кожные покровы этот элемент попадает с воздухом. В дыхательных путях, а особенно легких усвоение происходит гораздо интенсивнее: легкорастворимые соединения всасываются на 50 %, а труднорастворимые на 20 %. Таким образом, уран обнаруживается в небольших количествах (10-5 - 10-8 %) в тканях животных и человека. В растениях (в сухом остатке) концентрация урана зависит от его содержания в почве, так при почвенной концентрации 10-4 % в растении содержится 1,5∙10-5 % и менее. Распределение урана по тканям и органам неравномерно, основные места скопления - это костные ткани (скелет), печень, селезенка, почки, а также легкие и бронхо-легочные лимфатические узлы (при попадании в легкие труднорастворимых соединений). Из крови уран (карбонаты и комплексы с белками) довольно быстро выводится. В среднем содержание 92-го элемента в органах и тканях животных и человека составляет 10-7 %. К примеру, в крови крупнорогатого скота содержится 1∙10-8 г/мл урана, в человеческой крови 4∙10-10 г/г. Печень КРС содержит 8∙10-8 г/г, у человека в том же органе 6∙10-9 г/г; селезенка КРС содержит 9∙10-8 г/г, у человека - 4,7∙10-7 г/г. В мышечных тканях крупнорогатого скота накапливается до 4∙10-11 г/г. Кроме того, в человеческом организме уран содержится в легких в пределах 6∙10-9 - 9∙10-9 г/г; в почках 5,3∙10-9 г/г (корковый слой) и 1,3∙10-8 г/г (мозговой слой); в костной ткани 1∙10-9 г/г; в костном мозге 1∙10-8 г/г; в волосах 1,3∙10-7 г/г. Находящийся в костях уран обуславливает постоянное облучение костной ткани (период полного выведения урана из скелета 600 суток). Менее всего этого металла в головном мозге и сердце (около 10-10 г/г). Как говорилось ранее основные пути поступления урана в организм - вода, пища и воздух. Суточная доза поступающего в организм металла с пищей и жидкостями составляет 1,9∙10-6 г, с воздухом - 7∙10-9 г. Однако, каждые сутки уран выводится из организма: с мочой от 0,5∙10-7 г до 5∙10-7 г; с калом от 1,4∙10-6 г до 1,8∙10-6 г. Потери с волосами, ногтями и отмершими чешуйками кожи - 2∙10-8 г.

Ученые предполагают, что уран в мизерных количествах необходим для нормального функционирования организма человека, животных и растений. Однако его роль в физиологии до сих пор не выяснена. Установлено, что среднее содержание 92-го элемента в организме человека составляет порядка 9∙10-5 г (Международная комиссия по радиационной защите). Правда, эта цифра несколько колеблется для различных районов и территорий.

Несмотря на свою пока еще не известную, но определенную биологическую роль в живых организмах, уран остается одним из опаснейших элементов. В первую очередь это проявляется в токсическом действии данного металла, что обусловлено его химическими свойствами, в частности от растворимости соединений. Так, например, более токсичны растворимые соединения (уранил и другие). Чаще всего отравления ураном и его соединениями происходят на обогатительных фабриках, предприятиях по добыче и переработке уранового сырья и других производственных объектах, где уран участвует в технологических процессах.

Проникая в организм, уран поражает абсолютно все органы и их ткани, ведь действие происходит на уровне клетки: он подавляет активность ферментов. Первично поражаются почки, что проявляется в резком увеличении сахара и белка в моче, впоследствии развивается олигурия. Поражению подвергается ЖКТ и печень. Отравления ураном подразделяются на острые и хронические, причем последние развиваются постепенно и могут протекать бессимптомно или со слабо выраженными проявлениями. Однако в последствии хронические отравления приводят к нарушениям кроветворения, нервной системы и прочим серьезным нарушениям здоровья.

В тонне гранитной породы содержится примерно 25 грамм урана. Энергия, способная выделиться при сгорании в реакторе этих 25 грамм, сравнима с энергией, которая выделяется при сгорании 125 тонн каменного угля в топках мощных тепловых котлов! Исходя из этих данных, можно предположить, что в недалеком будущем гранит станут считать одним из видов минерального топлива. Всего же в относительно тонком двадцатикилометровом поверхностном слое земной коры содержится примерно 1014 тонн урана, при переводе в энергетический эквивалент получается просто колоссальная цифра — 2,36.1024 киловатт-часов. Даже все вместе взятые разрабатываемые, разведанные и предполагаемые месторождения горючих ископаемых не способны дать и миллионной доли этой энергии!

Известно, что урановые сплавы, подвергнутые термической обработке, отличаются большими пределами текучести, ползучести и повышенной коррозионной стойкостью, меньшей склонностью к формоизменению изделий при колебаниях температуры и под воздействием облучения. Исходя из этих принципов, в начале XX века и вплоть до тридцатых годов уран в виде карбида применяли в производстве инструментальных сталей. Кроме того, он шел на замену вольфрама в некоторых сплавах, что было дешевле и доступнее. В производстве ферроурана доля U составляла до 30 %. Правда во второй трети XX века такое применение урана сошло на нет.

Как известно в недрах нашей Земли идет постоянный процесс распада изотопов урна. Так вот, учеными было подсчитано, что мгновенное высвобождении энергии всей массы этого металла, заключенного в земную оболочку, разогрело бы нашу планету до температуры в несколько тысяч градусов! Однако такое явление, к счастью, невозможно - ведь выделение тепла идет постепенно - по мере того, как ядра урана и его производных проходят ряд радиоактивных длительных превращений. О продолжительности таких преобразований можно судить по периодам полураспадов природных изотопов урана, например, для 235U он равен 7 108 лет, а для 238U - 4,51 109 лет. Тем не менее, урановое тепло значительно подогревает Землю. Если бы во всей массе Земли было бы столько же урана, как в верхнем двадцатикилометровом слое, то температура на планете была бы значительно выше, чем сейчас. Однако при продвижении к центру Земли концентрация урана снижается.

В ядерных реакторах отрабатывается лишь незначительная часть загруженного урана, связано это с зашлаковыванием топлива продуктами деления: 235U выгорает, цепная реакция постепенно затухает. Однако ТВЭЛы по-прежнему заполнены ядерным горючим, которое необходимо снова употребить. Для этого старые тепловыделяющие элементы демонтируют и отправляют на переработку - их растворяют в кислотах, а уран извлекают из получившегося раствора методом экстракции, осколки деления, от которых нужно избавиться, остаются в растворе. Таким образом, получается, что урановая промышленность практически безотходное химическое производство!

Заводы по разделению изотопов урана занимают территорию в несколько десятков гектаров, примерно такого же порядка и площадь пористых перегородок в разделительных каскадах завода. Это связано со сложностью диффузионного метода разделения изотопов урана - ведь для того чтобы повысить концентрацию 235U от 0,72 до 99 % необходимо несколько тысяч диффузионных ступеней!

Ураново-свинцовым методом геологам удалось узнать возраст самых древних минералов, при исследовании метеоритных пород удалось определить примерную дату зарождения нашей планеты. Благодаря «урановым часам» определили возраст лунного грунта. Что интересно, оказалось, что уже в течение 3 млрд лет на Луне нет вулканической деятельности и естественный спутник Земли остается пассивным телом. Ведь даже самые молодые куски лунного вещества прожили срок больше возраста древнейших земных минералов.

История

Использование урана началось очень давно — еще в I веке до нашей эры природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури, использовавшейся при окраске керамики.

В новое время изучение урана происходило постепенно - несколькими этапами, с непрерывным нарастанием. Началом послужило открытие этого элемента в 1789 году немецким натурфилософом и химиком Мартином Генрихом Клапротом, который восстановил добытую из саксонской смоляной руды («урановая смолка») золотисто-жёлтую «землю» до чёрного металлоподобного вещества (оксид урана - UO2). Название было дано в честь самой далёкой из известных в те времена планет - Урана, которую в свою очередь открыл в 1781 году Уильям Гершель. На этом первый этап в изучении нового элемента (Клапрот был уверен в том, что он открыл новый металл) заканчивается, наступает перерыв более чем на пятьдесят лет.

1840 год можно считать началом новой вехи в истории изучения урана. Именно с этого года проблемой получения металлического урана занялся молодой химик из Франции Эжен Мелькиор Пелиго (1811-1890), вскоре (1841) ему это удалось - металлический уран был получен при восстановлении UCl4 металлическим калием. Кроме того, он доказал, что открытый Клапротом уран на самом деле всего лишь его оксид. Также француз определил предположительный атомный вес нового элемента - 120. Затем вновь наступает длительный перерыв в изучении свойств урана.

Лишь в 1874 году появляются новые предположения о природе урана: Дмитрий Иванович Менделеев, следуя разработанной им теории о периодизации химических элементов, находит место новому металлу в своей таблице, размещая уран в последней клетке. Кроме того, Менделеев увеличивает ранее предполагаемый атомный вес урана в двое, не ошибившись и в этом, что подтвердили опыты немецкого химика Циммермана 12 лет спустя.

С 1896 года открытия в области изучения свойств урана «посыпались» одно за другим: в упомянутом выше году совершенно случайно (при исследовании фосфоресценции кристаллов уранилсульфата калия) 43-летний профессор физики Антуан Анри Беккерель открывает «Лучи Беккереля», впоследствии переименованные в радиоактивность Марией Кюри. В том же году Анри Муассан (вновь химик из Франции) разрабатывает способ получения чистого металлического урана.

В 1899 году Эрнестом Резерфордом была обнаружена неоднородность излучения урановых препаратов. Выяснилось, что есть два вида излучения - альфа- и бета-лучи, различные по своим свойствам: они несут различный электрический заряд, имеют различную длину пробега в веществе и ионизирующая способность их также различна. Годом позже были обнаружены и гамма-лучи Полем Вийаром.

Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди совместно разработали теорию радиоактивности урана. На основе этой теории в 1907 году Резерфорд предпринял первые опыты по определению возраста минералов при изучении радиоактивных урана и тория. В 1913 году Ф. Содди ввёл понятие об изотопах (от древне-греческого изо - «равный», «одинаковый», и топос - «место»). В 1920 году этот же ученый предположил, что изотопы можно использовать для определения геологического возраста горных пород. Его предположения оказались верны: в 1939 г. Aльфред Oтто Карл Нир оздал первые уравнения для расчёта возраста и применил масс-спектрометр для разделения изотопов.

В 1934 году Энрико Ферми провел ряд опытов по бомбардировке химических элементов нейтронами - частицами, открытыми Дж. Чедвиком в 1932 году. В результате этой операции в уране появлялись неизвестные прежде радиоактивные вещества. Ферми и другие ученые, участвовавшие в его опытах, предположили, что им удалось открыть трансурановые элементы. В течение четырех лет предпринимались попытки обнаружения трансурановых элементов среди продуктов нейтронного обстрела. Закончилось все в 1938 году, когда немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман установили, что, захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа урана 235U делится, при этом выделяется (в расчете на одно ядро урана) достаточно большая энергия, в основном, за счёт кинетической энергии осколков и излучения. Продвинутся дальше, немецким химикам не удалось. Обосновать их теорию смогли Лиза Мейтнер и Отто Фриш. Это открытие было истоком использования внутриатомной энергии, как в мирных, так и в военных целях.

Нахождение в природе

Среднее содержание урана в земной коре (кларк) 3∙10-4 % по массе, это означает, что его больше в недрах земли, чем серебра, ртути, висмута. Уран характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Так, в тонне гранита — около 25 грамм элемента № 92. Всего в относительно тонком, двадцатикилометровом, верхнем слое Земли заключено более 1000 тонн урана. В кислых изверженных породах 3,5∙10-4 %, в глинах и сланцах 3,2∙10-4 %, особенно обогащённых органикой, в основных породах 5∙10-5 %, в ультраосновных породах мантии 3∙10-7 %.

Уран энергично мигрирует в холодных и горячих, нейтральных и щелочных водах в виде простых и комплексных ионов, особенно в форме карбонатных комплексов. Немаловажную роль в геохимии урана играют окислительно-восстановительные реакции, все потому, что соединения урана, как правило, хорошо растворимы в водах с окислительной средой и плохо растворимы в водах с восстановительной средой (сероводородах).

Известно более сотни минеральных руд урана, они различны по химическому составу, происхождению, концентрации урана, из всего многообразия лишь дюжина представляет практический интерес. Основными представителями урана, имеющими наибольшее промышленное значение, в природе можно считать окислы - уранинит и его разновидности (настуран и урановая чернь), а также силикаты - коффинит, титанаты - давидит и браннерит; водные фосфаты и арсенаты уранила - урановые слюдки.

Уранинит - UO2 присутствует преимущественно в древних - докембрийских породах в виде четких кристаллических форм. Уранинит образует изоморфные ряды с торианитом ThO2 и иттро-церианитом (Y,Ce)O2. Кроме того, все ураниниты содержат продукты радиогенного распада урана и тория: K, Po, He, Ac, Pb, а также Ca и Zn. Собственно уранинит - высокотемпературный минерал, характерен для гранитных и сиенитовых пегматитов в ассоциации со сложными ниобо-тантало-титанатами урана (колумбит, пирохлор, самарскит и другие), цирконом, монацитом. Кроме того, уранинит встречается в гидротермальных, скарновых и осадочных породах. Крупные месторождения уранинита известны в Канаде, Африке, Соединенных Штатах Америки, Франции и Австралии.

Настуран (U3O8), он же урановая смолка или смоляная обманка, образующий скрытокристаллические колломорфные агрегаты - вулканогенный и гидротермальный минерал, представлен в палеозойских и более молодых высоко- и среднетемпературных образованиях. Постоянные спутники настурана – сульфиды, арсениды, самородные висмут, мышьяк и серебро, карбонаты и некоторые другие элементы. Эти руды очень богаты ураном, но крайне редко встречаются, зачастую в сопровождении радия, это легко объяснимо: радий является прямым продуктом изотопного распада урана.

Урановые черни (рыхлые землистые агрегаты) представлены в основном в молодых - кайнозойских и моложе образованиях, характерны для гидротермальных сульфидно-урановых и осадочных месторождений.

Также уран извлекается в виде побочного продукта из руд, содержащих менее 0,1 %, например, из золотоносных конгломератов.

Основные месторождения урановых руд расположены в США (Колорадо, Северная и Южная Дакота), Канаде (провинции Онтарио и Саскачеван), ЮАР (Витватерсранд), Франции (Центральный массив), Австралии (Северная территория) и многих других странах. В России основным урановорудным регионом является Забайкалье. На месторождении в Читинской области (около города Краснокаменск) добывается около 93 % российского урана.

Применение

Современная атомная энергетика просто немыслима без элемента № 92 и его свойств. Хотя еще не так давно — до пуска первого ядерного реактора урановые руды добывались в основном для извлечения из них радия. Небольшие количества урановых соединений использовали в некоторых красителях и катализаторах. По сути дела, уран считался элементом, который не имеет почти никакого промышленного значения, и как кардинально изменилась ситуация после открытия способности изотопов урана к делению! Этот металл мгновенно получил статус стратегического сырья № 1.

В наше время основная область применения металлического урана, так же как и его соединений - топливо для ядерных реакторов. Так в стационарных реакторах АЭС применяется малообогащенная (природная) смесь изотопов урана, а в силовых ядерных установках и в реакторах на быстрых нейтронах используется уран высокой степени обогащения.

Наибольшее применение имеет изотоп урана 235U, ведь в нем возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция, что не характерно для других изотопов урана. Благодаря именно этому свойству 235U используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Однако выделение изотопа 235U из природного урана - сложная и дорогостоящая технологическая проблема.

Самый распространенный в природе изотоп урана 238U может делиться, если его бомбардируют высокоэнергетическими нейтронами. Такое свойство данного изотопа используют для увеличения мощности термоядерного оружия - используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией. Кроме того, из изотопа 238U получают изотоп плутония 239Pu, который в свою очередь также может использоваться в ядерных реакторах и в атомной бомбе.

В последнее время большое применение находит искусственно получаемый в реакторах из тория изотоп урана 233U, его получают, облучая в нейтронном потоке ядерного реактора торий:

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

233U делится тепловыми нейтронами, кроме того, в реакторах с 233U может происходить расширенное воспроизводство ядерного горючего. Так при выгорании в ториевом реакторе килограмма 233U в нем же должно накопиться 1,1 кг нового 233U (в результате захвата нейтронов ядрами тория). В ближайшем будущем уран-ториевый цикл в реакторах на тепловых нейтронах - главный конкурент уран-плутониевого цикла воспроизводства ядерного горючего в реакторах на быстрых нейтронах. Уже сейчас существуют и работают реакторы, использующие этот нуклид в качестве топлива (KAMINI в Индии). 233U также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Другие искусственные изотопы урана не играют заметной роли.

После того, как из природного урана извлекают «нужные» изотопы 234U и 235U, оставшееся сырье (238U) носит название «обеднённый уран», он в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него 234U. Так как основное использование урана - производство энергии, по этой причине обедненный уран - малополезный продукт с низкой экономической ценностью. Однако из-за своей низкой цены, а также большой плотности и чрезвычайно высокого сечения захвата он используется для радиационной защиты, и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. Кроме того, обедненный уран применяется как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах; в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, при бурении нефтяных скважин.

Однако самое известное применение обедненного урана - это использование его в военных целях - в качестве сердечников для бронебойных снарядов и современной танковой броне, например, танка M-1 «Абрамс».

Менее известные области применения урана в основном связаны с его соединениями. Так малая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу, некоторые соединения урана светочувствительны, по этой причине уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.

Карбид 235U в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей. Сплавы железа и обеднённого урана (238U) применяются как мощные магнитострикционные материалы. Уранат натрия Na2U2O7 использовался как жёлтый пигмент в живописи, ранее соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).

Производство

Уран получают из урановых руд, которые значительно различаются по ряду признаков (по условиям образования, по «контрастности», по содержанию полезных примесей и др.), основным из которых является процентное содержание урана. Согласно этому признаку различают пять сортов руд: очень богатые (содержат свыше 1 % урана); богатые (1-0,5 %); средние (0,5-0,25 %); рядовые (0,25-0,1 %) и бедные (менее 0,1 %). Однако даже из руд, содержащих 0,01-0,015 % урана, этот металл извлекается в качестве побочного продукта.

За годы освоения уранового сырья разработано немало способов выделения урана из руд. Это связано и со стратегическим значением урана в некоторых областях, и с разнообразием его природных проявлений. Однако, несмотря на все разнообразие методов, и сырьевой базы, любое урановое производство состоит из трех стадий: предварительное концентрирование урановой руды; выщелачивание урана и получение достаточно чистых соединений урана осаждением, экстракцией или ионным обменом. Далее в зависимости от назначения получаемого урана, следует обогащение продукта изотопом 235U или сразу же восстановление элементарного урана.

Итак, первоначально происходит концентрирование руды — порода измельчается и заливается водой. При этом более тяжелые элементы смеси осаждаются быстрее. В породах, содержащих первичные минералы урана, происходит их быстрое осаждение, так как они весьма тяжелы. При концентрировании руд, содержащих вторичные минералы урана, происходит осаждение пустой породы, которая гораздо тяжелее вторичных минералов, но может содержать весьма полезные элементы.

Урановые руды почти не обогащаются, исключением является органический способ радиометрической сортировки, основанной на γ-излучении радия, всегда сопутствующего урану.

Следующая стадия в урановом производстве - это выщелачивание, таким образом, происходит переход урана в раствор. В основном руды выщелачивают растворами серной, иногда азотной кислот или растворами соды с переводом урана в кислый раствор в виде UO2SO4 или комплексных анионов , а в содовый раствор - в виде 4- комплексного аниона. Метод, при котором применяется серная кислота - дешевле, однако, он не всегда применим - если сырье содержит четырехвалентный уран (урановая смолка), который не растворяется в серной кислоте. В таких случаях используют щелочное выщелачивание или окисляют четырехвалентный уран до шестивалентного состояния. Использование каустической соды (едкого натра) целесообразно при выщелачивании руды, содержащей магнезит или доломит, на растворение которых требуется слишком много кислоты.

После стадии выщелачивания раствор содержит не только уран, но и другие элементы, которые так же, как и уран экстрагируются теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. В такой ситуации для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, дабы на разных стадиях исключать нежелательный элемент. Одно из преимуществ методов ионного обмена и экстракции - достаточно полно извлекается уран из бедных растворов.

После всех перечисленных операций уран переводят в твердое состояние - в один из окислов или в тетрафторид UF4. Такой уран содержит примеси с большим сечением захвата тепловых нейтронов - литий, бор, кадмий, редкоземельные металлы. В конечном продукте их содержание не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента! Для этого снова уран растворяется, в этот раз уже в азотной кислоте. Уранилнитрат UO2(NO3)2 при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций. Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трехокись урана UO3, которую восстанавливают водородом до UO2. При температуре от 430 до 600° C окись урана реагирует с сухим фтористым водородом и превращается в тетрафторид UF4. Уже из этого соединения обычно получают металлический уран с помощью кальция или магния обычным восстановлением.

Физические свойства

Металлический уран — очень тяжелый, он тяжелее железа в два с половиной раза, а свинца - в полтора! Это один из самых тяжелых элементов, которые хранятся в недрах Земли. Своим серебристо-белым цветом и блеском уран напоминает сталь. Чистый металл пластичен, мягок, имеет высокую плотность, но в тоже время легко поддается обработке. Уран электроположителен, обладает незначительными парамагнитными свойствами - удельная магнитная восприимчивость при комнатной температуре 1,72·10 -6 , имеет малую электропроводность, но высокую реакционную способность. Этот элемент имеет три аллотропических модификации: α, β и γ. α-форма имеет ромбическую кристаллическую решетку со следующими параметрами: a = 2,8538 Å, b = 5,8662 Å, с = 4б9557 Å. Эта форма стабильна в температурном коридоре от комнатных температур до 667,7° C. Плотность урана в α-форме при температуре 25° C составляет 19,05 ±0,2 г/см 3 . β-форма имеет тетрагональную кристаллическую решетку, стабильна в интервале температур от 667,7° C до 774,8° C. Параметры четырехугольной решетки: a = 10,759 Å, b = 5,656 Å. γ-форма с объемно-центрированной кубической структурой, стабильна от 774,8° C до точки плавления (1132° C).

Увидеть все три фазы можно в процессе восстановления урана. Для этого используется специальный аппарат, который представляет собой стальную бесшовную трубу, которая футеруется оксидом кальция, это необходимо, чтобы сталь трубы не взаимодействовала с ураном. В аппарат загружают смесь тетрафторида урана и магния (или кальция), после чего нагревают до 600° C. При достижении этой температуры включают электрический запал, мгновенно протекает экзотермическая реакция восстановления, при этом загруженная смесь полностью плавится. Жидкий уран (температура 1132° C) за счет своего веса полностью опускается на дно. После полного осаждения урана на дно аппарата начинается охлаждение, уран кристаллизуется, его атомы выстраиваются в строгом порядке, образуя кубическую решетку - это и есть γ-фаза. Следующий переход происходит при 774° C - кристаллическая решетка остывающего металла становится тетрагональной, что соответствует β-фазе. Когда температура слитка падает до 668° C, атомы вновь перестраивают свои ряды, располагаясь волнами в параллельных слоях - α-фаза. Далее никаких изменений уже не происходит.

Основные параметры урана всегда относятся к α-фазе. Температура плавления (tпл) 1132° С, температура кипения урана (tкип) 3818° С. Удельная теплоемкость при комнатной температуре 27,67 кдж/(кг·К) или 6,612 кал/(г·° С). Удельное электрическое сопротивление при температуре 25° С примерно 3·10 -7 ом·см, а уже при 600° С 5,5·10 -7 ом·см. Теплопроводность урана также меняется в зависимости от температуры: так в интервале 100-200° С она равна 28,05 вт/(м·К) или 0,067 кал/(см·сек·° С), а при повышении до 400° С увеличивается до 29,72 вт/(м·К) 0,071 кал/(см·сек·° С). Уран обладает сверхпроводимостью при при 0,68 К. Средняя твердость по Бринеллю 19,6 - 21,6·10 2 Мн/м 2 или 200-220 кгс/мм 2 .

Многие механические свойства 92-го элемента зависят от его чистоты, от режимов термической и механической обработки. Так для литого урана предел прочности при растяжении при комнатной температуре 372-470 Мн/м 2 или 38-48 кгс/мм 2 , среднее значение модуля упругости 20,5·10 -2 Мн/м2 или 20,9·10 -3 кгс/мм 2 . Прочность урана повышается после закалки из β- и γ-фаз.

Облучение урана потоком нейтронов, взаимодействие с водой, охлаждающей топливные элементы из металлического урана, другие факторы работы в мощных реакторах на тепловых нейтронах - все это приводит к изменениям физико-механических свойства урана: металл становится хрупким, развивается ползучесть, происходит деформация изделий из металлического урана. По этой причине в ядерных реакторах используются урановые сплавы, например с молибденом, такой сплав устойчив к действию воды, упрочняет металл, сохраняя высокотемпературную кубическую решетку.

Химические свойства

В химическом отношении уран весьма активный металл. На воздухе он окисляется с образованием на поверхности радужной пленки двуокиси UO2, которая не предохраняет металл от дальнейшего окисления, как это происходит с титаном, цирконием и рядом других металлов. С кислородом уран образует двуокись UO2, трехокись UO3 и большое количество промежуточных окислов, важнейшим из которых является U3O8, по свойствам эти окислы сходны с UO2 и UO3. В порошкообразном состоянии уран пирофорен и может воспламениться при незначительном нагреве (150 °C и выше), горение сопровождается ярким пламенем, в итоге образуется U3O8. При температуре 500-600 °C уран взаимодействует с фтором с образованием малорастворимых в воде и кислотах игольчатой формы кристаллов зеленого цвета — тетрафторида урана UF4, а также UF6 - гексафторида (белые кристаллы, возгоняемые без плавления при температуре 56,4 °C). UF4, UF6 - примеры взаимодействия урана с галогенами с образованием галогенидов урана. Уран легко соединяется с серой, образуя ряд соединений, из которых наибольшее значение имеет US - ядерное горючее. С водородом уран взаимодействует при 220 °C с образованием гидрида UH3, который химически очень активен. При дальнейшем нагреве UH3 разлагается на водород и порошкообразный уран. Взаимодействие с азотом происходит при более высоких температурах - от 450 до 700 °C и атмосферном давлении получается нитрид U4N7, с повышением давления азота при тех же температурах можно получить UN, U2N3 и UN2. При более высоких температурах (750-800 °C) уран взаимодействует с углеродом с образованием монокарбида UC, дикарбида UC2, а также U2C3. Уран взаимодействует с водой с образованием UO2 и H2, причем с холодной водой медленнее, а с горячей активнее. Кроме того, реакция протекает и с водяным паром при температурах от 150 до 250 °C. Этот металл растворяется в соляной HCl и азотной HNO3 кислотах, менее активно в сильно концентрированной плавиковой кислоте, медленно реагирует с серной H2SO4 и ортофосфорной H3PO4 кислотами. Продуктами реакций с кислотами являются четырехвалентные соли урана. Из неорганических кислот и солей некоторых металлов (золото, платина, медь, серебро, олово и ртуть) уран способен вытеснять водород. Со щелочами уран не взаимодействует.

В соединениях уран способен проявлять следующие степени окисления: +3, +4, +5, +6, иногда +2. U3+ в природных условиях не существует и может быть получен только в лаборатории. Соединения пятивалентного урана по большей части не устойчивы и довольно легко разлагаются на соединения четырех и шестивалентного урана, которые являются наиболее устойчивыми. Для шестивалентного урана характерно образование иона уранила UO22+, соли которого окрашены в желтый цвет и хорошо растворимы в воде и минеральных кислотах. Примером соединений шестивалентного урана может послужить триоксид урана или урановый ангидрид UO3 (оранжевый порошок), имеющий характер амфотерного оксида. При растворении которого в кислотах образуются соли, например уранилхлорид урана UO2Cl2. При действии щелочей на растворы солей уранила получаются соли урановой кислоты H2UO4 - уранаты и двуурановой кислоты H2U2O7 - диуранаты, например, уранат натрия Na2UO4 и диуранат натрия Na2U2O7. Соли четырехвалентного урана (тетрахлорид урана UCl4) окрашены в зеленый цвет и менее растворимы. При длительном нахождении на воздухе соединения, содержащие четырехвалентный уран обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные. Ураниловые соли, такие как уранилхлорид распадаются в присутствии яркого света или органики.

Обедненный уран представляет собой смесь изотопов урана и состоит в основном из урана-238. Принято считать, что уран является обедненным при доле урана-235 менее 0,711% от массы, который и создает радиацию. При этом в военных целях, как правило, применяют обедненный уран с долей менее 0,3%.

Радиоактивен ли обедненный уран?

Чтобы это понять, достаточно изучить процесс его появления. Обедненный уран получают в процессе обогащения урана для атомных электростанций или военных целей. Для этого природный уран обогащают изотопом уран-235. В результате основная масса радиоактивных изотопов (234 и 235) извлекается в процессе обогащения и остается с обогащенным ураном, а побочным продуктом остается обедненный уран. Как результат, радиоактивность обедненного урана меньше самой урановой руды примерно в 1,7 раза.

Когда получили первый обедненный уран?

В 1940 ученые США и СССР в начале программы ядерного оружия, в процессе обогащения урана, получили побочный продукт – названный позднее по аналогии – обедненным ураном. В те годы он считался абсолютно бесполезным отходом и, как правило, был захоронен.

Как хранят обедненный уран?

95% обедненного урана хранят в виде твердого монолита фторида урана на открытом воздухе в специальных закрытых металлических емкостях, без доступа к кислороду. В США в 2005 году было накоплено уже 57 122 цистерны, что составляет почти 700 тысяч тонн обедненного урана.

Где используют обедненный уран?

Популярность к применению обедненного урана пришла за счет его весьма высокой плотности (19,1 г/см³) и большого сечения захвата нейтронов. Поэтому уран нашел применение в следующих сферах:

• В авиации и судостроении – в качестве противовесов на самолетах, ступенях ракет, в килях парусников;
• В медицине – защита при лучевой терапии (), составная часть стоматологического фарфора – для блеска;
• В атомной энергетике – составная часть MOX-топлива , защита от радиоактивных материалов;
• В промышленности и радиографии – защита от радиоактивных материалов. До конца двадцатого века обедненный уран добавляли в краски по стеклу и фарфору. При этом многие ошибочно считают, что уран содержался в самом фарфоре. Однако, тогда он не был бы так повсеместно распространен, особенно в лабораториях – химические шпатели , фарфоровые кружки и стаканы, ступки и песты изготавливаются из обычного фарфора без добавления красителей;
• В военной сфере – для производства снарядов и брони.

Обедненный уран в снарядах

Военные – одни из первых – нашли применению отходам обогащенного урана. В 1970 году Пентагон обнаружил, что их боеприпасы не смогут пробить броню новых советских танков. Как результат, новым материалом для бронебойных снарядов был выбран обедненный уран – как дешевый и доступный материал, высокой плотности – уран близок по плотности к золоту и вольфраму. Это позволяет снарядам меньшего размера быть равным по массе снарядам из большинства других металлов, снижая при этом аэродинамическое сопротивление. Обеденный уран, благодаря своим низким показателям токсичности и радиоактивности, стал применяться в дальнейшем в США, СССР, Великобритании и Франции и в броне, и в бронебойных снарядах с высокой кинетической энергией. Подобное оружие с обедненным ураном применялось при бомбардировке Югославии в конце двадцатого века, при обеих операциях США в Ираке.

Обедненный уран в броне танков

Обедненный уран используют не только в бронебойных снарядах, но также и в самой броне танков в качестве слоя между стальными листами. Так танки Абрамс после 1998 году несут на себе обедненный уран – так называемую уранокерамику – в передних частях башни.

Используется ли обедненный уран в ядерном оружии?

Как ни странно, но в ядерном оружии используют не только , но и обедненный. Однако используют его лишь в качестве оболочки ядерного заряда и в качестве одного из компонентов ядерного топлива, что повышает мощность взрыва.

Вреден ли обедненный уран?

Нет точной информации о долгосрочных последствиях для здоровья человека от использования боеприпасов из обедненного урана. Тем не менее, ряд экологов высказывают опасения о возможных вспышках раковых заболеваний в районах использования таких снарядов. К примеру, в ходе операции в Ираке в 1991 году США использовали около 14 тысяч танковых снарядов с обедненным ураном и почти миллион 30-миллиметровых снарядов. Всего было использовано почти 300 тонн обедненного урана в чистом виде. У многих солдат были обнаружены после этой операции раковые заболевания.

После бомбардировок Югославии на ее территории были обнаружены 8 серьезно зараженных мест, по которым до этого проводились бомбардировки снарядами с обедненным ураном. Так сотрудникам ООН было запрещено использовать воду из местных источников. Однако, связь причин и последствий так и не была официально доказана.

Химическая токсичность обедненного урана

Наибольший вред обедненный уран наносит не своей радиоактивностью, а химической токсичностью. При попадании в организм, в особенности в виде солей, уран копится в печени, селезенках, почках.

Радиационная опасность обедненного урана

Если токсичность обедненного урана максимальна при попадании в организм в виде жидкости, то наибольший радиационный вред он наносит в состоянии пыли. Альфа-излучение от мелких частиц обедненного урана в пищеводе и легких вызывают развитие злокачественных раковых опухолей. Если говорить о внешнем излучении от обедненного урана, то оно настолько незначительно, что может быть остановлено даже обычным листом бумаги. В основном уран в организме сосредотачивается в костях.

Запрет на использование обедненного урана

Более 90 неправительственных организаций выступили за запрет использования обедненного урана в производстве оружия. Подобный вопрос неоднократно поднимался в ООН и Европейском парламенте. Но, к примеру, Франция и Великобритания в Евросоюзе всегда накладывали на этот вопрос вето. К декабрю 2008 года резолюцию Генеральной ассамблеи ООН о проведении дополнительного изучения последствий применения оружия с обедненным ураном поддержали 141 государство, против высказались четверо – Франция, Великобритания, США и Израиль, еще 34 воздержались, среди них была и Россия.

Где в России хранится обедненный уран?

Российские запасы обедненного урана составляют около 700 млн тонн собственного производства и еще свыше 100 млн тонн приобретенных по символической цене у европейских компаний. В России обедненный уран используется не только для хранения, но и в качестве топлива для реакторов на быстрых нейтронах (). Также обедненный уран проходит процедуру повторного обогащения – около 15% переходят в обогащенный уран.

В качестве первоначальных площадок для хранения обедненного урана используются территории четырех перерабатывающих предприятий:

• Новоуральск, Свердловская область – Уральский электрохимический комбинат
• Ангарск, Иркутская область – Ангарский электролизный химический комбинат
• Северск, Томская область – Сибирский химический комбинат
• Зеленогорск, Красноярский край – Электрохимический завод

Сколько руды требуется, чтобы получить низко обогащенный уран как топливо для АЭС? Принято считать, что топливный уран – это уран, содержание изотопа уран-235 в котором доведено до 4%. В природной руде этого изотопа всего 0,7%, то есть требуется увеличить его концентрация в 6 раз.

Напомню, что Европа и США до 80-х годов обогащали уран только на «сеточках», расходуя на эту работу гигантское количество электричества. Технологический момент, но, как говорится, с большими последствиями. Гексафторид природного урана можно «высасывать» по 235-му изотопу до упора – так, чтобы в «хвостах» его оставалось минимальное количество. Но что это значит в случае диффузионного метода? Большее количество «сеточек», большее количество емкостей под исходный гексафторид и, разумеется, большее количество затрат на электроэнергию. А это все увеличивает себестоимость, портит экономические показатели, снижая прибыль. Не интересно, в общем. Поэтому в западных «хвостах» урана-235 – 0,3%, а в дальнейшую работу уходит 0,4%. При таких «хвостах» картинка получается следующая: на 1 кг НОУ требуется 8 кг руды + 4,5 ЕРР (единиц разделительной работы).

У ватников картинка была и остается несколько иной – ведь работа наших «иголок» намного менее затратна. Помните – «игле» требуется в 20-30 раз меньше электроэнергии на 1 ЕРР. Экономить разделительную работу особого смысла не было, исходный гексфторид урана «выжимался» тщательнее: в наших «хвостах» остается 0,2% урана-235, в дальнейшую работу по обогащению уходило 0,5%. Казалось бы – разница всего 0,1%, зачем обращать внимание на такую мелочь? Да не все так просто: на наших «иголках» для получения 1 кг НОУ требуется 6,7 кг руды + 5,7 ЕРР. На 1,3 кг руды меньше – то есть мы к своим недрам относились значительно рачительнее, нежели демократы.

Но и это еще не все. 1 ЕРР на наших центрифугах стоит около 20 долларов, на «сеточках» 1 ЕРР стоила от 70 до 80. Значит, для Запада месторождение урана, в котором себестоимость руды, допустим, 100 долларов – очень дорого. Давайте на калькуляторе 1 кг НОУ посчитаем, чтобы понятно было.

1 кг НОУ = 8 кг руды + 4,5 ЕРР, то есть

1 кг НОУ = 8 х 100 + 4,5 х 70 = 1 115 долларов.

А теперь ставим наши цифры и получаем:

1 кг НОУ = 6,7 кг руды + 5,7 ЕРР

1 кг НОУ = 6,7 х 100 + 5,7 х 20 = 784 долларов

Значит, месторождение урана, которое для цивилизованного Запада было слишком дорогим для нас – самое то. Грубо – для нашей технологии урана на Земле БОЛЬШЕ, чем для западной. С того момента, когда Европа освоила центрифуги Циппе, запасы урана в мировой статистике резко увеличились, хотя братья-геологи для этого палец о палец не ударили: уже открытые ранее месторождения стали признавать коммерчески выгодными, вот и все. Но URENCO включила свои центрифуги в 80-е, а АЭС в Европе и в Штатах появились намного раньше, так ведь? Значит, с конца 40-х годов минувшего века месторождения урана эксплуатировались крайне размашисто, без экономии на природных рудах. Грубо говоря, Запад «убивал» одно месторождение за другим, перескакивая на новые. А жутко неэкономный Мордор никуда не торопился: нашли месторождение и высасывали его до донышка, без суеты и без спешки. При этом нельзя забывать о том, что все годы холодной войны ядерные страны очень активно наращивали запасы урана оружейного, высокообогащенного, а для этого уходит куда больше природной урановой руды. Грубо – на 1 кг ВОУ уходит 275 кг руды, а счет ВОУ в странах ядерного клуба шел на сотни тонн. А ВОУ это еще и не только оружие – на нем работают реакторы подлодок, на нем работает множество исследовательских реакторов. В общем, расходовало человечество свои урановые руды весьма и весьма интенсивно, и все, что мы с вами можем сказать в свое оправдание – не мы первыми начали.

Есть еще один момент, про который нужно знать. Когда нам говорят: «добыто столько-то тонн урановой руды», важно понимать, что речь идет не о горах каких-то там камушков или металлических слитках. В урановой промышленности все запасы руды традиционно пересчитывают в концентрат урана – если точнее, то U3 О8, закись-окись. Традиционно это был порошок желтого цвета и называли его «желтым кэком», но теперь это уже немножко устарело. В процессе обогащения руды применяется целый цикл ее обработки, одна из составных частей которого – обжиг. В последние годы на разных заводах применяют разные температуры, потому цвет концентрата урана получается самым разным – от темно-зеленого до черного. Но процедура обработки руды – отдельная тема, достаточно большая, а мы пока пробуем разобраться с месторождениями и добычей. Отложим, но запомним: все разговоры об урановой руде – это разговоры о концентрате урана. И это правильно – уж очень разными бывают эти руды, слишком разное количество урана в них имеется, так что без такой вот «стандартизации» было не обойтись.

Когда люди открыли этот вот металл и почему он, собственно говоря, называется «уран»? История давняя, но занимательная. Это сейчас мы с вами знаем, что такое радиация и вполне справедливо терпеть ее не можем и побаиваемся. А в раньшие времена человеки про радиацию знать ничего не знали – может, потому и не страдали от нее?.. Среди руд и минералов в серебряных шахтах средневековые горняки частенько находили черный тяжелый минерал – так называемую смоляную обманку. Точно известно, что обманку знали уже с 1565 года – тогда ее обнаружили в Рудных горах Саксонии, но какого-то особого применения для нее не придумали. В 1789 году этим минералом заинтересовался немецкий химик-аналитик Мартин Клапрот и решил ее как следует химически проанализировать. Руду в его лабораторию привезли из шахты Яхимово, что в нынешней Чехии. На минералах из того же Яхимиво делали позже свои открытия Беккерель и Кюри, так что предлагаю так и записать:

«родина» урана – Чехия.

Мартин Клапрот

Клапрот химичил весьма старательно: плавил минералы при разных температурах, с воздухом и без оного, поливал всякими кислотами и царской водкой, пока, в конце концов, не получил спекшуюся массу с отчетливо видимыми крупинками металла. Дело было в 1789 году – через 8 лет после того, как астрономы открыли неизвестную до того планету, названную ими Уран. Вот что писал по этому поводу сам Клапрот: «Ранее признавалось существование лишь 7 планет, соответствовавших 7 металлам, которые и носили названия планет. В связи с этим целесообразно, следуя традиции, назвать новый металл именем вновь открытой планеты. Слово «уран» происходит от греческого – «небо», и, таким образом, может обозначать небесный металл». С первооткрывателями не спорят – вот и имеем мы теперь дело с этим самым «небесным металлом».

Самому Клапроту, впрочем, получить чистый уран не удалось, этого добился только в 1840 году Э.М. Пелиго. В 1896 году Беккерель обнаружил, что соединения урана засвечивают фотобумагу – так начиналось исследование радиоактивности. К самому грозному и страшному оружию, к самому большому «запаснику энергии» человечество двигалось неторопливо…

Урановая руда

Урановой руды с точки зрения геологов на Земле – не просто много, а очень много. Но не всякий урановый минерал получает гордое название «руда»: минералы, в которых урана очень мало, а пустой породы очень много, рудами не считаются. Хорошими рудами считаются минералы, в которых урана больше 0,1% (1 кг на 1000 кг породы), но и тут есть исключения. Например, в Южной Африке, на месторождении Витватерсланда, уран добывают из руды, в которой его концентрация составляет всего 0,01%, причем добывают в промышленных масштабах. Как так? Да непрост этот небесный металл – нередко он содержится в тех же породах, где имеется золото. Раз уж из этой породы «выковыривают» золотишко, чего бы до кучи и уран не «наковырять» – вот такая логика. Золото как основная цель переработки руды, уран – как побочная. «Нередко» имеет и числовое значение: 12% добываемого в мире урана – побочный продукт на золотых и прочих приисках. В США, к примеру, уран получают из пород с концентрацией вообще в 0,008% – из фосфоритов Флориды. Основная добыча – фосфор, уран – до кучи… Ну, а если не касаться такой экзотики, то урановые руды по содержанию делят на 4 вида-сорта: богатые – с содержанием урана более 1%; рядовые – от 0,1 до 1,0%; бедные – от 0,03 до 0,1% и убогие – менее 0,03%.

А еще урановые руды подразделяют на 5 классов в зависимости от того, при помощи какой именно технологии добывается и перерабатывается небесный металл. Грубо – какие именно перерабатывающие заводы нужно создавать рядом с месторождениями. Это тоже такая традиция: поскольку концентрация урана всегда маленькая, миллионы тонн породы никто никуда возить и не думает. Шахта, рудник, карьер и впритык – все, что нужно для переработки.

Однако и это еще не все виды классификации урановых руд: с той поры, как все мы живем в мире, где важнее всего прибыль, едва ли не главная классификация – по стоимости конечного продукта (того самого концентрата урана, желтого кека). Эдакий обобщающий показатель, при котором отбрасываются прочь все частности – какой была концентрация урана в руде, каким способом его добывали-очищали, во что обошлась инфраструктура. Не важно, что было ДО, важно, почем получился результат. Тут всего 3 категории: 1) месторождения, где себестоимость 1 кг концентрата менее 40 долларов за килограмм; 2) где себестоимость от 40 до 80 долларов за кило; 3) где себестоимость от 80 до 130 долларов за кило. Все, что дороже 130 долларов – на сегодня «нещитово», поскольку сильно дорого. Но надолго ли сохранится такое пренебрежение-верхоглядство? До 2006 года МАГАТЭ считало сверхдорогим уран и по цене свыше 80 долл/кг, а теперь решило, что надо по заслугам оценить центрифуги – низкая себестоимость обогащения позволяет совершенно спокойно использовать и руду дороже 80 долларов. Наши центрифуги 10-го поколения только начали эксплуатироваться, потому нельзя исключать, что через какое-то время и планка в 130 долларов перестанет быть «отсекающей». В царстве мрака и ужаса с рваной в клочья экономикой началась промышленная работа реактора на быстрых нейтронах БН-800, проектируется БН-1200, в 2020 планируется запуск еще и свинцового реактора по проекту «Прорыв», к 2030 есть надежда на реализацию замкнутого ядерного цикла.

Впрочем, давайте не будем пускаться в проекты и гипотезы – остановимся на том, что имеем на день сегодняшний. В 2006 году считалось, что на третьей от Солнца планете урановых руд имелось 5 000 000 тонн, следующий отчет МАГАТЭ выпустило в 2010 году. Именно в этом отчете впервые состоялось признание центрифуг как единственного на сегодня способе обогащения урана, впервые планка «отсечения» была поднята с 80 долл/кг до 130 долл/кг. Новая цифра запасов урановой руды на Земле – 6 306 300 тонн. Повторяю – это не прирост за счет новых месторождений, это состоявшийся перевод геологических руд в промышленные. И состоялся он по простой причине – МАГАТЭ признало: кроме центрифуг все – зло, и мы о нем больше не будем вспоминать. Прирост извлекаемых руд составил 26% – без дополнительных инвестиций в геологоразведку.

Не так часто в истории цивилизации развитие технологии оказывало серьезное влияние на геополитику, а уран и центрифуги – тот самый случай. Давайте на пальцах прикинем, что означает появление коммерческого интереса к урановым месторождениям, которые до того много лет оставались нетронутыми? Во-первых, страны «атомного клуба» увидели свой интерес в тех территориях, где находились эти месторождения. К примеру, месторождения в Кировоградской области стали интересны уже не только Украине… Во-вторых, страны, не входившие в «атомный клуб» увидели, что урана может хватить и на них. И это не мое теоретическое измышление: на только что прошедшей «Атомэкспо-2016» присутствовали делегации 52 стран, а атомная энергетика хоть в каком-то виде имелась только у 32. 20 стран – это новички, которые почувствовали перспективу.

Калькулятор

Что интересного в уране – пусть расскажет калькулятор. Имеем 6 306 300 тонн руды, в которой содержание урана-235 (который, собственно говоря, «горит» в реакторах АЭС) в среднем составляет 0,72%. Следовательно, если всю урановую руду пересчитать в уран-235 – у нас его 45 405 тонн. По энергетической стоимости 1 тонна урана-235 соответствует 2 000 000 тонн бензина. Соответственно, пересчет запасов урана-235 в нефтяной эквивалент – это 90,81 млрд тонн нефти. Много это или мало? Разведанных запасов нефти на Земле на сегодня – 200 млрд тонн. Запасы урана – почти половина, почти 50%. И каковы перспективы? Технология добычи нефти доведена практически до совершенства, технология ее переработки – аналогично. Чтобы увеличить запасы нефти, нужно либо а) продолжать искать новые и новые месторождения, что при нынешних ценах на углеводороды замедляется вот уже два года; б) соглашаться с тем, что нефть с годами будет только дорожать, поскольку ее остается все меньше. Сланцевая нефть, о которой так много говорят большевики, меньшевики и прочие – да, при нынешнем уровне цен не интересна, но рано или поздно наступит момент, когда и ее резервы придется пустить в ход, причем не только на территории США.

А вот с ураном – несколько иная картина, куда как менее однозначная. Нам пока еще не раскрыли информацию о том, какой будет себестоимость 1 ЕРР на последних поколениях центрифуг Росатома – а мы уже видели, как технология обогащения может увеличить резервы урановой руды. Эксплуатация БН-800 только-только началась, БН-1200 пока еще только в чертежах, результаты проекта «Прорыв» мы увидим только в 2020 году. Но давайте без лишней скромности (сколько можно, в конце-то концов) констатируем исторический факт: за все время существования атомного проекта ошибок в развитии технологий со стороны бывшего Министерства среднего машиностроения, бывшего Министерства атомной энергетики и нынешнего Росатома – не было. Отдельные недочеты, огрехи – да, были, но генеральная линия развития, скажем прямо, не ломалась ни разу.

Причин не верить в то, что борьба Росатома за замкнутый ядерный цикл закончится успехом – на мой, конечно, взгляд – просто нет. Вам такое заявление кажется излишне смелым? А давайте оглядимся вокруг, на минуточку позволив себе забыть, что главное достижение человечества – свежая модель айфона. В надежность наших технологий не просто верят, а подписывают контракты на строительство АЭС не только «старые клиенты» – такие, как Венгрия, Иран и Финляндия, Китай и Индия. Впервые появятся АЭС в Египте, во Вьетнаме, в Белоруссии, в Турции, в Бангладеш, в Индонезии – и это будут АЭС российского производства. Значит, не я один верю в наши технологии, в их поступательное развитие. И не у одного у меня зреет уверенность в том, что при очередном скачке развития технологий запасы урана могут оказаться бОльшими, чем запасы углеводородов… И не будем скидывать со счетов еще один возможный резерв урана – новые месторождения. Есть, к примеру, такая страна, где уровень освоения территории геологической разведкой до сих пор не сильно превышает 60% – Россия. Есть страны, где вообще не до геологической разведки – например, Афганистан, Эритрея.

Но рассмотрение перспектив атомной энергетики – отдельная и очень серьезная тема, которую стоит оставить на потом. А эта заметка – вводная к «Урановым подземельям», в которой я хочу предложить посмотреть: что было, что стало, и как мы докатились до жизни такой. Ну и, само собой – без рассказов о новых айфонах от велико-могучих США дело тоже не обойдется. Их есть у меня и, как обычно, придумывать ничего не потребовалось.

Вконтакте

Главная » Времена в английском языке » Разложение урана. Полезные ископаемые: Урановые руды