Що таке уран | Збіднений уран Хто відкрив уран хімічний елемент

Використання урану в техніці

Основні сфери застосування урану.

Розвиток ЯЕ. Досягнутий рівеньта перспективи. Оцінка необхідної цих цілей кількості урану.

Запаси урану та уранодобувна промисловість. Рівень виробництва уранових концентратів. Тенденції та кон'юнктура розвитку виробництва та споживання урану.

Основні етапи (переділи) у технології отримання сполук, металу, сплавів урану, виготовлення тепловиділяючих елементів (ТВЕЛ) та тепловиділяючих збірок (ТВЗ).

Уран відноситься до радіоактивних елементів і області його застосування значною мірою визначаються ізотопним складом. Природний уран складається із трьох ізотопів:

Питома радіоактивність природного урану становить 0,67 микрокюри/г (поділяється майже навпіл між U-234 і U-238, U-235 робить невеликий внесок). Природний уран досить радіоактивний для засвічування фотопластинки протягом години.

Ще в найдавніші часи(І століття до нашої ери) природний окис урану використовувався для виготовлення жовтої глазурі для кераміки. Осколки кераміки з жовтою глазур'ю (що містять понад 1% оксиду урану) знаходили серед руїн Помпеї та Геркуланума. Поява уранового скла оцінюється, принаймні, 79 г н.е., яким датують мозаїку, знайдену на римській віллі на мисі Посилліпо в Неаполітанській затоці (Італія) в 1912 і містить жовте скло з вмістом оксиду урану близько 1% (див. Додаткові матеріалидо поділу 3). Починаючи з кінця середньовіччя настуран (ураніт) почав видобуватись зі срібних копалень Габсбургів поблизу міста Яхімов у Богемії (нині Яхімов, Чехія) і був використаний як барвник у місцевому скляному виробництві.

У сучасної історіїпершим застосуванням технологічно вироблених сполук урану також було приготування пофарбованих (головним чином червоних, помаранчевих і коричневих) глазурі для керамічних виробів, а також виготовлення уранового скла, що має жовто-зелене забарвлення і здатне флуоресціювати під дією сонячного або ультрафіолетового світла.

Широке виробництво виробів з уранового скла було розпочато в Європі у 20-30-ті роки XIXстоліття та тривало до 50-х років ХХ століття. Богемський майстер Джозеф Рідль розробив спосіб варіння скла нових відтінків – жовтого та зеленого, причому таке таємниче свічення давав їм урановий барвник. Рідль займався виробництвом виробів з уранового скла з 1830 по 1848 р. У 1830-ті роки новомодне уранове скло почали випускати і в Росії на Гусівському заводі. Для уранового скла рекомендуються кальцієві, цинкові, барієві склади переважно з високим вмістом калію та бору, це забезпечує більш інтенсивну флуоресценцію скла. Свинцеве скло не дає флуоресценції, тому що поглинає ультрафіолетові промені. Для уранового скла без флуоресценції можуть бути застосовані і свинцеві склади стекол, наприклад в ювелірних виробах для імітації топазу - такі скла мають жовтий колір, який можна порівняти з топазами. Зміст урану має бути порівняно великим, оскільки барвна здатність урану у скляних складах невелика. Зміст урану коливається від 0,3...1,5% UO3 до 4...6%UO3. Однак при більш високому введенні оксиду урану флуоресценція скла поступово слабшає. Уран вводять у шихту у вигляді оксидів (UO 2 , U 3 O 8 або UO 3), уранату натрію (Na 2 UO 4 або Na 2 U 2 O 7) або нітрату уранілу.

В даний час незначна кількість уранового скла та виробів із нього виробляється в Чехії. Також уран вводиться в деякі сорти оптичних стекол, наприклад боросилікатне оптичне жовте скло ЖС19, що містить 1,37% UO 3 , або цинк-фосфатне оптичне скло зелене ЗС7, що містить 2,8% UO 3 .

Найбільше застосування в сучасної технологіїмає ізотоп урану 235 U, в якому можлива ланцюгова ядерна реакція, що самопідтримується. Тому цей ізотоп використовується як паливо у ядерних реакторах, а також у ядерній зброї. Виділення ізотопу U 235 із природного урану - складна технологічна проблема. Ступінь збагачення U-235 в ядерному паливі для АЕС коливається в межах 2-4.5%, для збройового використання - мінімум 80%, а більш переважно 90%. У США уран-235 збройової якості збагачено до 93.5%; промисловість здатна видавати 97.65% - уран такої якості використовується в реакторах для військово-морського флоту. 1998 року ізотопне відділення Оак-Ріджської Національної лабораторії (ORNL) постачало 93% U-235 за ціною 53$/р.

Ізотоп U 238 здатний ділитися під впливом бомбардування високоенергетичними нейтронами, цю особливість використовують для збільшення потужності термоядерної зброї (використовуються нейтрони, породжені термоядерною реакцією). Термоядерні боєзаряди часто містять шар збідненого урану, що оточує основний термоядерний заряд. Цей шар спочатку служить реакційною масою, що дозволяє досягти сильнішого стиснення при детонації і повнішого виникнення термоядерної реакції. Високий потік високоенергетичних нейтронів, що утворюється в результаті термоядерної реакції, призводить до поділу U-238, що підвищує потужність боєзаряду. Така зброя відносять до типу зброї, що працює за схемою «поділ-синтез-поділ», що представляє три послідовні етапи вибуху. Енергія, що виділяється при завершальному поділі збідненого урану, становить значну частку загальної потужності термоядерного пристрою. Наприклад, 77% від 10,4 мегатон потужності термоядерного вибуху Айві Майк в 1952 р. походило від поділу збідненого урану. Оскільки збіднений уран не має критичної маси, його можна додавати до термоядерного заряду практично у необмеженій кількості. Потужність, що виділилася при випробуванні «цар бомби» в СРСР у 1961 р. склала «тільки» 50 мегатонн (90% якої походило від самої термоядерної реакції) тому що на фінальній стадії збирання збіднений уран замінили свинцем. При використанні збідненого урану потужність вибуху склала б 100 мегатонн.

Важлива сфера застосування цього ізотопу урану - виробництво плутонію-239. В результаті захоплення нейтрону з наступним β-розпадом 238 U може перетворюватися на 239 Pu, який потім використовується як ядерне паливо. Будь-яке реакторне паливо, що містить природний або частково збагачений по 235-му ізотопу уран, після закінчення паливного циклу містить певну частку плутонію.

Після вилучення U-235 з природного урану, матеріал, що залишився, носить назву "збіднений уран", т.к. він збіднений 235 ізотопом. У зберігається близько 560 тис. т. збідненого гексафториду урану (UF 6), у Росії – близько 700 тис. т.

Збіднений уран вдвічі менш радіоактивний, ніж природний уран, переважно з допомогою видалення з нього U-234. Через те, що основне використання урану - виробництво енергії, збіднений уран є марним продуктом з низькою економічною цінністю. Знаходження шляхів використання збідненого урану є велику проблемудля збагачувальних підприємств.

В основному його використання пов'язане з великою густиною урану і відносно низькою його вартістю. Дві найважливіші сфери використання збідненого урану: використання його для радіаційного захисту (як це не дивно) і як баластна маса в аерокосмічних застосуваннях, таких як кермові поверхні літальних апаратів. У кожному літаку Боїнг-747, випущеному до середини 1980-х років, міститься 400-1500 кг збідненого урану для цього. Проблема, пов'язана з використанням урану в цивільних літаках, полягає в тому, що у разі аварії уран згоряє під час пожежі та потрапляє в навколишнє середовищеу вигляді оксиду. При зіткненні двох Боїнгів-747 в аеропорту Тенеріф в 1977 під час пожежі згоріло 3000 кг урану. Інший відомий випадок аварії такого роду, що призвела до потрапляння крана до навколишнього середовища, - це катастрофа 1992 р. в Амстердамі. В даний час Боїнг та МакДоннелл-Дуглас не використовують уранові противаги у цивільних літаках.

Збіднений уран значною мірою застосовується при бурінні нафтових свердловин як ударних штанг (при канатному бурінні), його вага занурює інструмент у свердловини, наповнені буровим розчином. Ще цей матеріал застосовується у високошвидкісних роторах гіроскопів, великих маховиках, як баласт у космічних апаратах, що спускаються, і гоночних яхтах. Дещо несподіваним застосуванням є використання урану в гоночних автомобілях Формули 1. Згідно з правилами, мінімальна вага автомобіля має становити 600 кг, але конструктори спочатку намагаються зменшити масу наскільки це можливо, а потім доводять її до 600 кг, розміщуючи баласти з збідненого урану і домагаючись при цьому найкращого балансування.

Але найвідоміше застосування збідненого урану - як осердя для бронебійних снарядів (підкаліберні снаряди з надважким сердечником). При певному сплаві з іншими металами та термічній обробці (сплавлення з 2% Mo або 0,75-3,5% Ti, швидке загартування розігрітого до 850 °С металу у воді або маслі, подальше витримування при 450 °С 5 годин). ставати твердішими і міцнішими за сталі (міцність на розрив > 1600 МПа). У поєднанні з великою щільністю, це робить загартований уран надзвичайно ефективним для пробивання броні, аналогічним за ефективністю значно дорожчого монокристалічного вольфраму. Процес руйнування броні супроводжується подрібненням у пил більшості урану, проникненням пилу всередину захищеного об'єкта та займанням його на повітрі з іншого боку. Близько 300 тонн збідненого урану залишилися на полі бою під час Бурі в Пустелі (переважно це залишки снарядів 30-мм гармати GAU-8 штурмових літаків A-10, кожен снаряд містить 272 г уранового сплаву). Армія США використовує уран у снарядах для танкових гармат калібру 120 або 105 мм (М1 Абрамс та М60А3) та калібру 25-мм гармати М242, змонтованої на М2 Бредлі та LAV-AT. Кулі з урановими сердечниками (калібру 20, 25 та 30 мм) використовуються морською піхотою, ВПС та ВМФ США. Російська (радянська) армія використовує збіднений уран у снарядах для танкових гармат з кінця 1970-х, головним чином для гармати 115-мм танка Т-62 і 125-мм гармати танків Т-64, Т-72, Т-80 і Т- 90. Снаряди для танкових гармат і знарядь флоту, що містять збіднений уран, також використовують армії Великобританії, Ізраїлю, Франції, Китаю, Пакистану і т.д. Усього подібні озброєння виробляються у 18 країнах.

Через високу щільність збіднений уран також використовується в сучасній танковій броні (у вигляді «сендвіча» між двома листами броньової сталі), наприклад, танків M-1 "Абрамс" (модифікації M1A1HA та M1A2), побудованих після 1998 року.

В даний час ведуться розробки із заміни свинцю збідненим ураном при виробництві противаг для ліфтів та підйомних кранів.

УРАН (назвою на честь відкритої незадовго до нього планети Уран; лат. uranium * а. uranium; н. Uran; ф. uranium; і. uranio), U, - радіоактивний хімічний елемент III групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 92, атомна маса 238,0289, відноситься до актиноїдів. Природний уран складається з суміші трьох ізотопів: 238 U (99,282%, Т 1/2 4,468.10 9 років), 235 U (0,712%, Т 1/2 0,704.10 9 років), 234 U (0,006%, 1 років). Відомо також 11 штучного радіоактивних ізотопів урану з масовими числамивід 227 до 240. 238 U і 235 U - родоначальники двох природних рядів розпаду, в результаті якого вони перетворюються на стабільні ізотопи 206 Pb і 207 Pb відповідно.

Уран відкритий у 1789 у вигляді UO 2 німецьким хіміком М. Г. Клапротом. Металевий уран отримано 1841 французьким хіміком Еге. Пеліго. Довгий часУран мав дуже обмежене застосування, і тільки з відкриттям у 1896 р. радіоактивності почалося його вивчення та використання.

Властивості урану

У вільному стані уран є метал світло-сірого кольору; нижче 667,7°С для нього характерна ромбічна (а=0,28538 нм, b=0,58662 нм, с=0,49557 нм) кристалічні грати (а-модифікація), в інтервалі температур 667,7-774°С - Тетрагональна (а = 1,0759 нм, с = 0,5656 нм; Я-модифікація), при вищій температурі - об'ємноцентровані кубічні грати (а = 0,3538 нм, g-модифікація). Щільність 18700 кг/м 3 , t плавлення 1135°С, t кипіння близько 3818°С, молярна теплоємність 27,66 Дж/(моль.К), питомий електричний опір 29,0.10 -4 (Ом.м), теплопровідність 22, 5 Вт/(м.К), температурний коефіцієнт лінійного розширення 10,7.10 -6 -1 . Температура переходу урану в надпровідний стан 0,68 К; слабкий парамагнетик, питома магнітна сприйнятливість 1,72.10-6. Ядра 235 U і 233 U діляться спонтанно, а також при захопленні повільних та швидких нейтронів, 238 U ділиться тільки при захопленні швидких (більше 1 МеВ) нейтронів. При захопленні повільних нейтронів 238 U перетворюється на 239 Pu. Критична маса урану (93,5% 235U) у водних розчинах менше 1 кг для відкритої кулі близько 50 кг; для 233 U критичного Маса становить приблизно 1/3 від критичної маси 235 U.

Освіта та зміст у природі

Основний споживач урану – ядерна енергетика (ядерні реактори, ядерні силові установки). Крім того, уран застосовується для ядерної зброї. Всі інші сфери використання урану мають різко підпорядковане значення.

У нормальних умовах радіоактивний елемент уран – це метал, який має велику атомну (молекулярну) масу – 238,02891 г/моль. За цим показником займає друге місце, т.к. важче за нього тільки плутоній. Отримання урану пов'язане з послідовним виконанням цілого ряду технологічних операцій:

концентрування породи, її дроблення та осадження важких фракцій у воді
вилуговування концентрату або кисневе продування
переведення урану в твердий стан (оксид або тетрафторид UF 4)
одержання уранілнітрату UO 2 (NO 3) 2 шляхом розчинення сировини в азотній кислоті
кристалізація та прожарювання до отримання оксиду UO 3
відновлення воднем до отримання UO 2
одержання тетрафториду UF 4 шляхом додавання газоподібного фтористого водню
відновлення металевого урану за допомогою магнію або кальцію

Мінерали урану

Найбільш поширені мінерали U:

Настуран (уранініт) – найвідоміший оксид, який називають «важкою водою»
Карнотит
Тюямуніт
Торберніт
Самарскіт
Браннеріт
Казоліт
Клевеїт

Виробництво урану

За даними російської компанії Росатом, що входить до світових лідерів глобального уранового ринку, всього на планеті в 2014 році було видобуто понад 3 тисячі тонн урану. При цьому, за словами представників гірничорудного дивізіону цієї держкорпорації, обсяг російських запасівцього металу становить 727,2 тисячі тонн (3-тє місце у світі), що гарантує безперебійне постачання необхідної сировини протягом багатьох десятиліть.

Основні Хімічні властивостіурану представлені в таблиці:

Елемент U, подібно кюрію та плутонію, є штучно одержуваним елементом сімейства актиноїдів. Його хімічні властивості багато в чому схожі на характеристики фольфраму, молібдену і хрому. Для урану характерна змінна валентність, а також схильність до освіти (UO 2)+2 – уранілу, що є комплексним іоном.

Методи збагачення урану

Як відомо, природний U містить 3 ізотопи:

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

Під збагаченням урану розуміється збільшення у металі частки ізотопу 235U – єдиного, здатний самостійну ланцюгову ядерну реакцію.

Щоб зрозуміти, як збагачують уран, необхідно враховувати рівень його збагачення:

вміст 0,72% - може використовуватися в деяких енергетичних реакторах
2-5% – застосовується у більшості енергетичних реакторів
до 20% (низькозбагачений) – для експериментальних реакторів
понад 20% (високозбагачений чи збройовий) – ядерні реактори, зброя.

Як збагачують уран? Існує безліч методів збагачення урану, але найбільш застосовними є:

електромагнітний – розгін елементарних частиноку спеціальному прискорювачі та їх закручування у магнітному полі
аеродинамічний – продування газоподібного урану через спеціальні сопла.
газове центрифугування – урановий газ, що знаходиться в центрифузі, рухається і по інерції відштовхує важкі молекули до стінок центрифуги.
газодифузійний метод збагачення урану – «просіювання» легких ізотопів урану через дрібні пори спеціальних мембран

Основна сфера застосування урану – паливо для ядерних реакторів, реакторів атомних електростанцій, ядерних силових установок. Крім цього, ізотоп 235U використовується в ядерній зброї, тоді як незбагачений метал з високою часткою 238U дозволяє отримувати вторинне ядерне паливо плутоній.

У статті розповідається про те, коли було відкрито такий хімічний елемент, як уран, та в яких галузях виробництва в наш час застосовується ця речовина.

Уран - хімічний елемент енергетичної та військової промисловості

У всі часи люди намагалися знайти високоефективні джерела енергії, а в ідеалі - створити так званий На жаль, неможливість його існування теоретично довели і обґрунтували ще в XIX столітті, але вчені все одно ніколи не втрачали надії втілити в життя мрію про такий собі пристрій, який було б здатне видавати велику кількість чистої енергії протягом дуже довгого часу.

Частково це вдалося втілити у життя з відкриттям такої речовини, як уран. Хімічний елемент із цією назвою ліг в основу розробки атомних реакторів, які в наш час забезпечують енергією цілі міста, підводні човни, полярні судна та інше. Щоправда, «чистою» їхню енергію назвати не можна, але в останні роки безліч фірм розробляють для широкого продажу компактні «атомні батарейки» на основі тритію – в них немає рухомих частин і вони безпечні для здоров'я.

Однак у цій статті докладно розберемо історію відкриття хімічного елемента під назвою уран і реакцію поділу його ядер.

Визначення

Уран – хімічний елемент, який має атомний номер 92 у періодичній таблиці Менделєєва. Атомна маса його становить 238,029. Позначається символом U. У нормальних умовах є щільним, важким металом сріблястого кольору. Якщо говорити про його радіоактивність, то сам по собі уран - елемент, що має слабку радіоактивність. Також він не має у своєму складі повністю стабільних ізотопів. А найстабільнішим із існуючих ізотопів вважається уран-338.

З тим, що являє собою цей елемент, ми розібралися, а тепер розглянемо історію його відкриття.

Історія

Така речовина, як природний окис урану, відома людям з давнини, а використовували її древні майстри для виготовлення глазурі, якою покривали різну кераміку для водонепроникності судин та інших виробів, а також їх прикраси.

Важливою датою історії відкриття цього хімічного елемента став 1789 рік. Саме тоді хімік та німець за походженням Мартін Клапрот зміг отримати перший металоподібний уран. А свою назву новий елемент отримав на честь відкритої восьми років раніше планети.

Майже 50 років отриманий тоді уран вважали чистим металом, проте, в 1840 хімік з Франції Ежен-Мелькьор Пеліго зміг довести, що матеріал, отриманий Клапротом, незважаючи на відповідні зовнішні ознаки, зовсім не метал, а оксид урану. Трохи пізніше той самий Пеліго отримав справжній уран - дуже важкий метал сірого кольору. Саме тоді вперше і було визначено атомну вагу такої речовини, як уран. Хімічний елемент у 1874 році був поміщений Дмитром Менделєєвим у його знамениту періодичну системуелементів, причому Менделєєв подвоїв атомну вагу речовини вдвічі. І лише через 12 років досвідченим шляхом було доведено, що не помилявся у своїх розрахунках.

Радіоактивність

Але по-справжньому широка зацікавленість цим елементом у наукових колах почалася в 1896 році, коли Беккерель відкрив той факт, що уран випромінює промені, які були названі на честь дослідника - промені Беккереля. Пізніше одна з найвідоміших вчених у цій галузі – Марія Кюрі, назвала це явище радіоактивністю.

Наступною важливою датою у вивченні урану прийнято вважати 1899: саме тоді Резерфорд виявив, що випромінювання урану є неоднорідним і ділиться на два типи - альфа-і бета-промені. А через рік Поль Віллар (Війяр) відкрив і третій, останній відомий нам на сьогоднішній день тип радіоактивного випромінювання - так звані гамма-промені.

Через сім років, у 1906 році, Резерфорд на основі своєї теорії радіоактивності провів перші досліди, які мали на меті визначити вік різних мінералів. Ці дослідження започаткували в тому числі формування теорії та практики

Поділ ядер урану

Але, мабуть, найважливіше відкриття, завдяки якому почався широкий видобуток і збагачення урану як у мирних, і військових цілях, - це процес розподілу ядер урану. Сталося це у 1938 році, відкриття було здійснено силами німецьких фізиків Отто Гана та Фріца Штрассмана. Пізніше ця теорія отримала наукові підтвердження у роботах ще кількох німецьких фізиків.

Суть відкритого ними механізму полягала в наступному: якщо опромінювати ядро ізотопу урану-235 нейтроном, то, захоплюючи вільний нейтрон, воно починає ділитися. І, як ми всі тепер знаємо, цей процес супроводжується виділенням колосальної кількості енергії. Відбувається це в основному завдяки кінетичній енергії самого випромінювання та уламків ядра. Тож тепер ми знаємо, як відбувається розподіл ядер урану.

Відкриття цього механізму та його результатів є відправною точкою для використання урану як у мирних, так і військових цілях.

Якщо говорити про його застосування у військових цілях, то вперше теорію про те, що можна створити умови для такого процесу, як безперервна реакція поділу ядра урану (оскільки для підриву ядерної бомбипотрібна величезна енергія), довели радянські фізики Зельдович і Харитон. Але щоб створити таку реакцію, уран має бути збагачений, оскільки у звичайному своєму стані потрібними властивостями він не має.

З історією цього елемента ми ознайомилися, тепер розберемося, де він застосовується.

Застосування та види ізотопів урану

Після відкриття такого процесу, як реакція ланцюгового поділуурану, перед фізиками постало питання, де можна його використовувати?

В даний час існує два основних напрямки, де використовують ізотопи урану. Це мирна (або енергетична) промисловість та військова. І перша, і друга використовує реакцію ізотопу урану-235, відрізняється лише вихідна потужність. Простіше кажучи, в атомному реакторі немає необхідності створювати та підтримувати цей процес з тією ж потужністю, яка потрібна для здійснення вибуху ядерної бомби.

Отже, було перераховано основні галузі, у яких використовується реакція поділу урану.

Але отримання ізотопу урану-235 - це надзвичайно складне і витратне технологічне завдання, і не кожна держава може дозволити собі побудувати збагачувальні фабрики. Наприклад, для отримання двадцяти тонн уранового палива, в якому вміст ізотопу урану 235 становитиме від 3-5%, потрібно збагатити понад 153 тонни природного, «сирого» урану.

Ізотоп урану-238 в основному застосовують у конструктивній схемі ядерної зброї для збільшення її потужності. Також при захопленні ним нейтрону з подальшим процесом бета-розпаду цей ізотоп може з часом перетворюватися на плутоній-239 - поширене паливо для більшості сучасних атомних реакторів.

Незважаючи на всі недоліки таких реакторів (велика вартість, складність обслуговування, небезпека аварії), їх експлуатація окупається дуже швидко, і вони виробляють незрівнянно більше, ніж класичні теплові або гідроелектростанції.

Також реакція дозволила створити ядерну зброю масового ураження. Воно відрізняється величезною силою, відносною компактністю та тим, що здатне робити непридатним для проживання людей великі площі землі. Щоправда, у сучасному атомному зброї застосовується плутоній, а чи не уран.

Збіднений уран

Існує і такий різновид урану, як збіднений. Він відрізняється дуже низьким рівнемрадіоактивності, а отже, небезпечний для людей. Застосовується він знову-таки у військовій сфері, наприклад, його додають до броні американського танка «Абрамс» для надання їй додаткової фортеці. Крім цього, практично у всіх високотехнологічних арміях можна зустріти різні. Крім високої маси, мають вони ще одну дуже цікаву властивість - після руйнування снаряда його осколки і металевий пил самозаймаються. До речі, вперше такий снаряд застосували під час Другої світової війни. Як бачимо, уран - елемент, якому знайшли застосування у різних галузях людської діяльності.

Висновок

За прогнозами вчених, приблизно в 2030 році повністю вичерпаються всі великі родовища урану, після чого почнеться розробка важкодоступних шарів і зростатиме ціна. До речі, сама абсолютно нешкідлива для людей – деякі шахтарі працюють на його видобутку цілими поколіннями. Тепер ми розібралися в історії відкриття цього хімічного елемента та в тому, як застосовують реакцію поділу його ядер.

До речі, відомий цікавий факт- з'єднання урану тривалий час застосовувалися як фарби для порцеляни та скла (так зване аж до 1950-х років).

Зміст статті

УРАН, U (uranium), металевий хімічний елемент сімейства актиноїдів, які включають Ac, Th, Pa, U та трансуранові елементи (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Уран набув популярності завдяки використанню його в ядерній зброї та атомній енергетиці. Оксиди урану застосовуються також для фарбування скла та кераміки.

Знаходження у природі.

Зміст урану в земної користановить 0,003%, він зустрічається у поверхневому шарі землі у вигляді чотирьох видів відкладень. По-перше, це жили уранініту, або уранової смолки (діоксид урану UO 2), дуже багаті на уран, але рідко зустрічаються. Їм супроводжують відкладення радію, оскільки радій є прямим продуктом ізотопного розпаду урану. Такі жили зустрічаються в Заїрі, Канаді (Велике Ведмеже озеро), Чехії та Франції. Другим джерелом урану є конгломерати торієвої та уранової рудиразом із рудами інших важливих мінералів. Конгломерати зазвичай містять достатні для отримання кількості золота і срібла, а супутніми елементами стають уран і торій. Великі родовищацих руд знаходяться в Канаді, ПАР, Росії та Австралії. Третім джерелом урану є осадові породи та пісковики, багаті мінералом карнотитом (ураніл-ванадат калію), який містить, крім урану, значну кількість ванадію та інших елементів. Такі руди трапляються у західних штатах США. Залізоранові сланці та фосфатні руди становлять четверте джерело відкладень. Багаті відкладення виявлено у глинистих сланцях Швеції. Деякі фосфатні руди Марокко та США містять значні кількості урану, а фосфатні поклади в Анголі та Центральноафриканській Республіці ще багатші на уран. Більшість лігнітів і деякі вугілля зазвичай містять домішки урану. Багаті ураном відкладення лігнітів виявлені в Північній та Південній Дакоті (США) та бітумному вугіллі Іспанії та Чехії.

Відкриття.

Уран був відкритий у 1789 році німецьким хіміком М.Клапротом, який привласнив ім'я елементу на честь відкриття за 8 років перед цим планети Уран. (Клапрот був провідним хіміком свого часу; він відкрив також інші елементи, у тому числі Ce, Ti та Zr.) Насправді речовина, отримана Клапротом, була не елементним ураном, але окисленою формою його, а елементний уран був вперше отриманий французьким хіміком Е .Пеліго в 1841. З моменту відкриття та до 20 ст. уран не мав того значення, яке він має зараз, хоча багато його Фізичні властивості, А також атомна маса і щільність були визначені. У 1896 А.Беккерель встановив, що солі урану мають випромінювання, яке засвічує фотопластинку в темряві. Це відкриття активізувало хіміків до досліджень в галузі радіоактивності і в 1898 французькі фізики дружини П.Кюрі та М.Склодовська-Кюрі виділили солі радіоактивних елементів полонію та радію, а Е.Резерфорд, Ф.Содді, К.Фаянс та інші вчені розробили теорію радіоактивного розпаду, що заклало основи сучасної ядерної хімії та атомної енергетики

Перші застосування урану.

Хоча радіоактивність солей урану була відома, його руди у першій третині нинішнього століття використовувалися лише для отримання супутнього радію, а уран вважався небажаним побічним продуктом. Його використання було зосереджено в основному в технології кераміки та в металургії; оксиди урану широко застосовували для фарбування скла кольору від блідо-жовтого до темнозеленого, що сприяло розвитку недорогих скляних виробництв. Сьогодні вироби цих виробництв ідентифікують як флуоресцентні під ультрафіолетовими променями. Під час Першої світової війни та невдовзі після неї уран у вигляді карбіду застосовували у виробництві інструментальних сталей, аналогічно Mo та W; 4–8% урану замінювали на вольфрам, виробництво якого на той час було обмежене. Для отримання інструментальних сталей у 1914–1926 щорічно виробляли по кілька тонн ферорурану, що містить до 30% (мас.) U. Однак таке застосування урану тривало недовго.

Сучасне застосування урану.

Промисловість урану почала складатися в 1939, коли було здійснено поділ ізотопу урану 235 U, що призвело до технічної реалізації контрольованих ланцюгових реакцій поділу урану в грудні 1942. Це було народження ери атома, коли уран з незначного елемента перетворився на один з найважливіших елементів товариства. Військове значення урану для виробництва атомної бомбита використання як паливо в ядерних реакторах викликали попит на уран, який зріс в астрономічних розмірах. Цікава хронологія зростання потреби в урані з історії відкладень у Великому Ведмежому озері (Канада). У 1930 році в цьому озері була виявлена смоляна обманка - суміш оксидів урану, а в 1932 році на цій ділянці була налагоджена технологія очищення радію. З кожної тонни руди (смоляної обманки) отримували 1 г радію та близько половини тонни побічного продукту – уранового концентрату. Однак радію було мало і його видобуток було припинено. З 1940 по 1942 р. розробку відновили і почали відправку уранової руди до США. У 1949 аналогічне очищення урану з деякими удосконаленнями було застосовано для виробництва чистого UO 2 . Це виробництво зростало, і в даний час воно є одним із найбільших виробництв урану.

Властивості.

Уран – один із найважчих елементів, що зустрічаються в природі. Чистий метал дуже щільний, пластичний, електропозитивний з малою електропровідністю та високореакційний.

Уран має три алотропні модифікації: a-уран (орторомбічні кристалічні грати), існує в інтервалі від кімнатної температуридо 668 ° С; b-уран (складні кристалічні грати тетрагонального типу), стійкий в інтервалі 668-774 ° С; g-Уран (об'ємноцентровані кубічні кристалічні грати), стійкий від 774 ° С аж до температури плавлення (1132 ° С). Оскільки всі ізотопи урану нестабільні, всі його сполуки виявляють радіоактивність.

Ізотопи урану

238 U, 235 U, 234 U зустрічаються у природі у співвідношенні 99,3:0,7:0,0058, а 236 U – у слідових кількостях. Всі інші ізотопи урану від 226 до 242 U отримують штучно. Ізотоп 235 U має особливо важливе значення. Під впливом повільних (теплових) нейтронів він ділиться зі звільненням величезної енергії. Повне розподіл 235 U призводить до виділення «теплового енергетичного еквівалента» 2Ч 107 кВтЧ год/кг. Поділ 235 U можна використовувати не тільки для отримання великих кількостейенергії, але й синтезу інших важливих актиноидных елементів. Уран природного ізотопного складу можна використовувати в ядерних реакторах для виробництва нейтронів, що утворюються при розподілі 235 U, в той же час надлишкові нейтрони, які не потрібні ланцюговою реакцією, можуть захоплюватися іншим природним ізотопом, що призводить до отримання плутонію:

При бомбардуванні 238 U швидкими нейтронами протікають наступні реакції:

Згідно з цією схемою, найбільш поширений ізотоп 238 U може перетворюватися на плутоній-239, який, подібно до 235 U, також здатний ділитися під дією повільних нейтронів.

В даний час отримано велике числоштучних ізотопів урану. Серед них 233 U особливо примітний тим, що він ділиться при взаємодії з повільними нейтронами.

Деякі інші штучні ізотопи урану часто застосовують як радіоактивні мітки (індикатори) в хімічних і фізичних дослідженнях; це перш за все b-випромінювач 237 U та a-випромінювач 232 U.

З'єднання.

Уран - високореакційний метал - має ступеня окислення від +3 до +6, близький берилію в ряду активності, взаємодіє з усіма неметалами і утворює інтерметалічні з'єднання з Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg, Mg, Ni, Pb, Sn та Zn. Тонкороздроблений уран особливо реакційноздатний і при температурах вище 500° часто входить у реакції, характерні для гідриду урану. Шматковий уран або стружка яскраво згоряє при 700-1000 ° С, а пари урану горять вже при 150-250 ° С, HF уран реагує при 200-400 ° С, утворюючи UF 4 і H 2 . Уран повільно розчиняється в концентрованій HF або H 2 SO 4 і 85%-ної H 3 PO 4 навіть при 90 ° С, але легко реагує з конц. HCl і менш активно з HBr або HI. Найбільш активно і швидко протікають реакції урану з розбавленою та концентрованою HNO 3 з утворенням нітрату уранілу ( див. нижче). У присутності HCl уран швидко розчиняється в органічних кислотах, утворюючи органічні солі U4+. Залежно від ступеня окислення уран утворює кілька типів солей (найважливіші серед них з U 4+ , одна з них UCl 4 – сіль зеленого кольору, що легко окислюється); солі уранілу (радикалу UO 2 2+) типу UO 2 (NO 3) 2 мають жовте забарвлення і флуоресціюють зеленим кольором. Солі уранілу утворюються при розчиненні амфотерного оксиду UO 3 (жовте забарвлення) у кислому середовищі. У лужному середовищі UO 3 утворює уранати типу Na 2 UO 4 або Na 2 U 2 O 7 . Останнє з'єднання («жовтий ураніл») застосовують для виготовлення порцелянових глазурів та у виробництві флуоресцентного скла.

Галогеніди урану широко вивчалися в 1940-1950, оскільки на їх основі були розроблені методи поділу ізотопів урану для атомної бомби або ядерного реактора. Трифторид урану UF 3 був отриманий відновленням UF 4 воднем, а тетрафторид урану UF 4 отримують різними способамиза реакціями HF з оксидами типу UO 3 або U 3 O 8 або електролітичним відновленням сполук уранілу. Гексафторид урану UF 6 одержують фторуванням U або UF 4 елементним фтором або дією кисню на UF 4 . Гексафторид утворює прозорі кристали з високим коефіцієнтом заломлення при 64 ° С (1137 мм рт. Ст.); з'єднання летюче (в умовах нормального тиску виганяється при 56,54 ° С). Оксогалогеніди урану, наприклад, оксофториди, мають склад UO 2 F 2 (фторид уранілу), UOF 2 (оксид-дифторид урану).