Уран

Уран,  ₉₂ U

Уран
Произношение	/ J ʊər eɪ п I ə м / ( ewr- А.Ю. -nee-əm )
Внешность	серебристо-серый металлик; Корродирует до отслаивания черной оксидной пленки на воздухе
Стандартный атомный вес A r, std (U)	238.028 91 (3) [1]
Уран в периодической таблице
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титана Ванадий Хром Марганец Утюг Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Nihonium Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон Nd ↑ U ↓ (Uqh) протактиний ← уран → нептуний
Атомный номер ( Z )	92
Группа	н / д
Период	период 7
Блокировать	f-блок
Электронная конфигурация	[ Rn ] 5f 3 6d 1 7s 2
Электронов на оболочку	2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
Физические свойства
Фаза на  СТП	твердый
Температура плавления	1405,3  К (1132,2 ° С, 2070 ° F)
Точка кипения	4404 К (4131 ° С, 7468 ° F)
Плотность (около  rt )	19,1 г / см 3
в жидком состоянии (при  т. пл. )	17,3 г / см 3
Теплота плавления	9,14  кДж / моль
Теплота испарения	417,1 кДж / моль
Молярная теплоемкость	27,665 Дж / (моль · К)
Давление газа P  (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс. при  T  (K) 2325 2564 2859 3234 3727 4402
Атомные свойства
Состояния окисления	+1, +2, +3, [2] +4 , +5, +6 (  амфотерный оксид)
Электроотрицательность	Шкала Полинга: 1,38
Энергии ионизации	1-я: 597,6 кДж / моль 2-я: 1420 кДж / моль
Радиус атома	эмпирический: 156  pm
Ковалентный радиус	196 ± 19 часов
Радиус Ван-дер-Ваальса	186 вечера
Спектральные линии урана
Другие свойства
Естественное явление	изначальный
Кристальная структура	ромбическая
Скорость звука тонкого стержня	3155 м / с (при 20 ° C)
Тепловое расширение	13,9 мкм / (м · К) (при 25 ° C)
Теплопроводность	27,5 Вт / (м · К)
Удельное электрическое сопротивление	0,280 мкОм · м (при 0 ° C)
Магнитный заказ	парамагнитный
Модуль для младших	208 ГПа
Модуль сдвига	111 ГПа
Объемный модуль	100 ГПа
коэффициент Пуассона	0,23
Твердость по Виккерсу	1960–2500 МПа
Твердость по Бринеллю	2350–3850 МПа
Количество CAS	7440-61-1
История
Именование	в честь планеты Уран , названной в честь греческого бога неба Урана
Открытие	Мартин Генрих Клапрот (1789)
Первая изоляция	Эжен-Мельхиор Пелиго (1841)
Основные изотопы урана
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Товар 232 U син 68,9 года SF - α 228 Чт 233 U след 1,592 × 10 5  лет SF - α 229 Чт 234 U 0,005% 2,455 × 10 5  лет SF - α 230 Чт 235 U 0,720% 7,04 × 10 8  лет SF - α 231 Чт 236 U след 2,342 × 10 7  лет SF - α 232 Чт 238 U 99,274% 4,468 × 10 9  лет α 234 Чт SF - β - β - 238 Pu
Категория: Уран Посмотреть разговаривать редактировать | Рекомендации

Уран - это химический элемент с символом U и атомным номером  92. Это серебристо-серый металл в ряду актинидов периодической таблицы . У атома урана 92 протона и 92 электрона , из которых 6 валентных электронов . Уран слабо радиоактивен, потому что все изотопы урана нестабильны; в период полураспада ее естественных изотопов в диапазоне от 159,200 лет и 4,5 миллиарда лет. Наиболее распространенными изотопами природного урана являются уран-238.(который имеет 146 нейтронов и составляет более 99% урана на Земле) и уран-235 (который имеет 143 нейтрона). Уран имеет самый высокий атомный вес среди исходных элементов. Его плотность примерно на 70% выше, чем у свинца , и немного ниже, чем у золота или вольфрама . Он встречается в естественных условиях в низких концентрациях (несколько частей на миллион) в почве, породах и воде и коммерчески извлекается из урансодержащих минералов, таких как уранинит . ^[3]

В природе уран встречается в виде урана-238 (99,2739–99,2752%), урана-235 (0,7198–0,7202%) и очень небольшого количества урана-234 (0,0050–0,0059%). ^[4] Уран медленно распадается, испуская альфа-частицу . Период полураспада урана-238 составляет около 4,47 миллиарда лет, а урана-235 - 704 миллиона лет ^[5], что делает их полезными для определения возраста Земли .

Многие современные способы использования урана связаны с его уникальными ядерными свойствами. Уран-235 - единственный делящийся изотоп природного происхождения , что делает его широко используемым на атомных электростанциях и ядерном оружии . Однако из-за того, что в природе обнаруживаются крошечные количества урана, его необходимо обогащать, чтобы в нем было достаточно урана-235. Уран-238 расщепляется быстрыми нейтронами и является плодородным , что означает, что он может быть преобразован в делящийся плутоний-239 в ядерном реакторе . Другой делящийся изотоп, уран-233 , можно получить из природного тория.и изучается для будущего промышленного использования в ядерных технологиях. Уран-238 имеет небольшую вероятность спонтанного деления или даже вынужденного деления быстрыми нейтронами; уран-235 и в меньшей степени уран-233 имеют гораздо более высокое сечение деления для медленных нейтронов. В достаточной концентрации эти изотопы поддерживают устойчивую цепную ядерную реакцию . Это генерирует тепло в ядерных энергетических реакторах и производит расщепляющийся материал для ядерного оружия. Обедненный уран ( ²³⁸ U) используется в пенетраторах с кинетической энергией и броне . ^[6] Уран используется в качестве красителя в урановом стекле., давая цвет от лимонно-желтого до зеленого. В ультрафиолетовом свете урановое стекло флуоресцирует зеленым. Его также использовали для тонирования и растушевки в ранней фотографии .

Открытие урана в минеральной смоле в 1789 году приписывают Мартину Генриху Клапроту , который назвал новый элемент в честь недавно открытой планеты Уран . Эжен-Мельхиор Пелиго был первым человеком, выделившим металл, а его радиоактивные свойства были обнаружены в 1896 году Анри Беккерелем . Исследования Отто Хана , Лиз Мейтнер , Энрико Ферми и других, таких как Роберт Оппенгеймер, начатые в 1934 году, привели к его использованию в качестве топлива в ядерной энергетике и в Little Boy , первом ядерном оружии, использованном на войне.. Последовавшая гонка вооружений во время холодной войны между Соединенными Штатами и Советским Союзом привела к появлению десятков тысяч единиц ядерного оружия, в котором использовался металлический уран и полученный из урана плутоний-239 . Безопасность этого оружия находится под пристальным наблюдением. Примерно с 2000 года плутоний, полученный при демонтаже бомб времен холодной войны, используется в качестве топлива для ядерных реакторов. ^[7]

Разработка и внедрение этих ядерных реакторов продолжается в глобальном масштабе. Интерес к этим электростанциям растет, поскольку они являются мощными источниками свободной от CO ₂ энергии. В 2019 году 440 ядерных энергетических реакторов произвели 2586 ТВтч (миллиардов кВтч) электроэнергии без выбросов CO ₂ во всем мире ^{[8], что} больше, чем мировые установки солнечной и ветровой энергии вместе взятые.

Характеристики

В очищенном состоянии уран представляет собой серебристо-белый слаборадиоактивный металл . Он имеет твердость по шкале Мооса 6, достаточную для царапин на стекле и примерно такую ​​же , как у титана , родия , марганца и ниобия . Он податливый , пластичный , слегка парамагнитный , сильно электроположительный и с плохой проводимостью . ^{[9] [10]} Металлический уран имеет очень высокую плотность 19,1 г / см ³ , ^[11] плотнее свинца.(11,3 г / см ³ ), ^[12] но немного менее плотный, чем вольфрам и золото (19,3 г / см ³ ). ^{[13] [14]}

Металлический уран реагирует почти со всеми неметаллическими элементами (за исключением благородных газов ) и их соединениями , причем реакционная способность возрастает с увеличением температуры. ^[15] Соляная и азотная кислоты растворяют уран, но неокисляющие кислоты, отличные от соляной кислоты, очень медленно атакуют элемент. ^[9] В мелком виде может вступать в реакцию с холодной водой; на воздухе металлический уран покрывается темным слоем оксида урана . ^[10] Уран из руд извлекается химическим путем и превращается в диоксид урана или другие химические формы, используемые в промышленности.

Уран-235 был первым изотопом, который оказался делящимся . Другие естественные изотопы расщепляются, но не расщепляются. При бомбардировке медленными нейтронами его изотоп уран-235 большую часть времени будет делиться на два меньших ядра , высвобождая энергию связи ядра и больше нейтронов. Если слишком много этих нейтронов поглощается другими ядрами урана-235, происходит цепная ядерная реакция, которая приводит к выбросу тепла или (в особых случаях) взрыву. В ядерном реакторе такая цепная реакция замедляется и контролируется нейтронным ядом , поглощающим часть свободных нейтронов. Такие поглощающие нейтроны материалы часто являются частью управляющих стержней реактора.( описание этого процесса управления реактором см. в физике ядерных реакторов ).

Всего лишь 15 фунтов (7 кг) урана-235 можно использовать для изготовления атомной бомбы. ^[16] Ядерное оружие, взорвавшееся над Хиросимой , названное « Маленький мальчик» , основывалось на делении урана. Однако и первая ядерная бомба ( Гаджет, использованная в Тринити ), и бомба, взорванная над Нагасаки ( Толстяк ), были плутониевыми бомбами.

Металлический уран имеет три аллотропные формы: ^[17]

• α ( орторомбическая ) стабильна до 668 ° C. Орторомбическая, пространственная группа № 63, Cmcm , параметры решетки a = 285,4 пм, b = 587 пм, c = 495,5 пм. ^[18]
• β ( тетрагональная ) стабильна от 668 ° C до 775 ° C. Тетрагональная, пространственная группа P 4 ₂ / мм , P 4 ₂ нм или P 4 n 2, параметры решетки a = 565,6 пм, b = c = 1075,9 пм. ^[18]
• γ ( объемно-центрированная кубическая ) от 775 ° C до точки плавления - это наиболее пластичное и пластичное состояние. Объемно-центрированная кубическая, параметр решетки a  = 352,4 пм. ^[18]

Приложения

Военный

Основное применение урана в военном секторе - пенетраторы высокой плотности. Эти боеприпасы состоят из обедненного урана (DU), легированного на 1-2% другими элементами, такими как титан или молибден . ^[19] При высокой скорости удара плотность, твердость и пирофорность снаряда позволяют поражать тяжелобронированные цели. Броня танка и другая съемная броня транспортных средствтакже может быть упрочнен пластинами из обедненного урана. Использование обедненного урана стало политически и экологически спорным после того, как использование таких боеприпасов США, Великобританией и другими странами во время войн в Персидском заливе и на Балканах подняло вопросы о соединениях урана, оставшихся в почве (см. Синдром войны в Персидском заливе ). ^[16]

Обедненный уран также используется в качестве защитного материала в некоторых контейнерах, используемых для хранения и транспортировки радиоактивных материалов. Хотя сам металл радиоактивен, его высокая плотность делает его более эффективным, чем свинец, в задержании излучения от таких сильных источников, как радий . ^[9] Другие виды использования обедненного урана включают противовесы для поверхностей управления самолетом, в качестве балласта для ракет, возвращающихся в атмосферу, и в качестве защитного материала. ^[10] Из-за своей высокой плотности этот материал используется в инерциальных системах наведения и гироскопических компасах . ^[10]Обедненный уран предпочтительнее металлов такой же плотности из-за его способности легко обрабатывать и отливать, а также из-за его относительно низкой стоимости. ^[20] Основной риск воздействия обедненного урана - это химическое отравление оксидом урана, а не радиоактивностью (уран является лишь слабым альфа-излучателем ).

На более поздних этапах Второй мировой войны , всей холодной войны и, в меньшей степени, после нее, уран-235 использовался в качестве делящегося взрывчатого материала для производства ядерного оружия. Первоначально были созданы два основных типа ядерных бомб: относительно простое устройство, в котором используется уран-235, и более сложный механизм, в котором используется плутоний-239, полученный из урана-238. Позже, гораздо более сложной и гораздо более мощный тип деления / термоядерная бомба ( термоядерное оружие ) был построен, который использует устройство на основе плутония , чтобы вызвать смесь трития и дейтерия пройти ядерного синтеза. Такие бомбы покрыты оболочкой из неделящегося (необогащенного) урана, и они получают более половины своей мощности за счет деления этого материала быстрыми нейтронами в процессе ядерного синтеза. ^[21]

Гражданское лицо

Основное использование урана в гражданском секторе - это топливо для атомных электростанций . Один килограмм урана-235 теоретически может производить около 20 тераджоулей энергии (2 × 10 ¹³  джоулей ) при условии полного деления; столько же энергии, сколько 1,5 миллиона килограммов (1500 тонн ) угля . ^[6]

На коммерческих атомных электростанциях используется топливо, которое обычно обогащено примерно до 3% урана-235. ^[6] Конструкции CANDU и Magnox - единственные коммерческие реакторы, способные использовать необогащенное урановое топливо. Топливо, используемое для реакторов ВМС США , обычно высокообогащено ураном-235 (точные значения засекречены ). В реакторе-размножителе уран-238 также может быть преобразован в плутоний посредством следующей реакции: ^[10]

238 92U+ п → 239 92U+ γ β ^-→  239 93Np β ^-→  239 94Пу

До (а иногда и после) открытия радиоактивности уран в основном использовался в небольших количествах для желтого стекла и глиняной глазури, такой как урановое стекло и в Fiestaware . ^[22]

Открытие и выделение радия в урановой руде (настуран) Марией Кюри послужило толчком к развитию добычи урана для извлечения радия, который использовался для изготовления светящихся в темноте красок для часов и циферблатов самолетов. ^{[23] [24]} В результате остается колоссальное количество урана в качестве отходов, поскольку для извлечения одного грамма радия требуется три тонны урана . Эти отходы были направлены на производство остекления, что сделало урановые глазури очень недорогими и доступными. Помимо глазурей для керамики, глазури для урановой плитки составляли основную часть использования, включая общую плитку для ванных комнат и кухонь, которая может быть зеленого, желтого, лилового цвета., черный, синий, красный и другие цвета.

Уран также был использован в фотографических химических веществах (особенно нитрат урана в качестве тонера ), ^[10] , в ламповых нитях для освещения сцены луковицы, ^[25] , чтобы улучшить внешний вид зубных протезов , ^[26] и в кожаной и деревообрабатывающей промышленности для пятен и красители. Соли урана - протравы шелка или шерсти. Уранил ацетат и формиат уранила используются в качестве электронно-плотных «пятен» в просвечивающей электронной микроскопии , чтобы увеличить контраст биологических образцов в ультратонких срезах и в негативном окрашивании от вирусов , изолированныйклеточные органеллы и макромолекулы .

Открытие радиоактивности урана открыло новые возможности для научного и практического использования этого элемента. Большой период полураспада изотопа урана-238 (4,51 × 10 ⁹ лет) делает его хорошо подходящим для использования при оценке возраста самых ранних магматических горных пород и для других типов радиометрического датирования , включая уран- ториевое датирование , уран– датирование свинцом и уран-урановое датирование . Металлический уран используется для рентгеновских мишеней при создании высокоэнергетических рентгеновских лучей. ^[10]

История

Использование до открытия

Использование урана в его естественной оксидной форме восходит к 79 году нашей эры , когда он использовался в Римской империи для придания желтого цвета керамической глазури. ^[10] Желтое стекло с 1% оксида урана было найдено на римской вилле на мысе Позиллипо в Неаполитанском заливе , Италия, Р. Т. Гюнтером из Оксфордского университета в 1912 году. ^[27] Начиная с позднего средневековья , урановая обманка была добывается на серебряных рудниках Габсбургов в Иоахимстале , Богемия(теперь Яхимов в Чешской Республике) и использовался в качестве красителя в местной стекольной промышленности. ^[28] В начале 19 века единственными известными в мире источниками урановой руды были эти шахты.

Открытие

Открытие элемента зачисляется на немецкий химик Клапрот . Когда он работал в своей экспериментальной лаборатории в Берлине в 1789 году, Клапрот смог осаждать желтое соединение (вероятно, диуранат натрия ), растворяя настуран в азотной кислоте и нейтрализуя раствор гидроксидом натрия . ^[28] Клапрот предположил, что желтое вещество было оксидом еще не открытого элемента, и нагрел его с древесным углем, чтобы получить черный порошок, который, по его мнению, был сам недавно обнаруженным металлом (фактически, этот порошок был оксидом урана). ^{[28] [29]}Он назвал недавно открытый элемент в честь планеты Уран (названной в честь древнегреческого бога неба ), который был обнаружен восемью годами ранее Уильямом Гершелем . ^[30]

В 1841 году Эжен-Мельхиор Пелиго , профессор аналитической химии в Национальной консерватории искусств и ремесел (Центральная школа искусств и промышленных предприятий) в Париже , выделил первый образец металлического урана путем нагревания тетрахлорида урана с калием . ^{[28] [31]}

Анри Беккерель обнаружил радиоактивность , используя уран в 1896 году. ^[15] Беккерель сделал открытие в Париже, оставив образец урановой соли K ₂ UO ₂ (SO ₄ ) ₂ (уранилсульфат калия) на неэкспонированной фотографической пластинке. в ящик и отметив, что тарелка «запотела». ^[32] Он определил, что форма невидимого света или лучей, испускаемых ураном, обнажила пластину.

Во время Первой мировой войны, когда центральные державы страдали от нехватки молибдена для изготовления стволов для артиллерийских орудий и быстрорежущих инструментальных сталей, они обычно заменяли ферроурановые сплавы, которые имели многие из тех же физических характеристик. Когда в 1916 году об этой практике стало известно, правительство США обратилось к нескольким известным университетам с просьбой исследовать эти способы использования урана, и инструменты, изготовленные с использованием этих формул, использовались в течение нескольких десятилетий, только закончившись, когда Манхэттенский проект и холодная война вызвали большой спрос на уран для деления. исследования и разработка оружия. ^{[33] [34] [35]}

Исследование деления

Команда под руководством Энрико Ферми в 1934 году заметила, что бомбардировка урана нейтронами вызывает испускание бета-лучей ( электроны или позитроны от образовавшихся элементов; см. Бета-частицу ). ^[36] продукты деления были сначала ошибочно принимают за новые элементы с атомными номерами 93 и 94, которые декан факультета Рима, Орсо Марио Корбина, окрестили ausonium и гесперии , соответственно. ^{[37] [38] [39] [40]} Эксперименты, приведшие к открытию способности урана делиться (распадаться) на более легкие элементы и выделять энергию связи.были проведены Отто Ганом и Фрицем Штрассманном ^[36] в лаборатории Гана в Берлине. Лиз Мейтнер и ее племянник, физик Отто Роберт Фриш , опубликовали физическое объяснение в феврале 1939 года и назвали этот процесс « делением ядра ». ^[41] Вскоре после этого Ферми выдвинул гипотезу, что деление урана может высвободить достаточно нейтронов для поддержания реакции деления. Подтверждение этой гипотезы пришло в 1939 году, и более поздние исследования показали, что в среднем около 2,5 нейтронов выделяется при каждом делении редкого изотопа урана уран-235. ^[36] Ферми призвал Альфреда Ниерадля разделения изотопов урана для определения делящегося компонента, и 29 февраля 1940 года Ниер использовал прибор, который он построил в Университете Миннесоты, для отделения первой в мире пробы урана-235 в лаборатории Тейт. После того, как по почте Колумбийского университета «s циклотрону , Джон Даннинг подтвердил образец , чтобы быть изолированным делящимся материал на 1 марта ^[42] Дальнейшая работа обнаружила , что гораздо чаще уран-238 изотоп может трансмутировать в плутоний, который, как и уран 235, также расщепляется тепловыми нейтронами. Эти открытия побудили многие страны приступить к разработке ядерного оружия и ядерной энергетики .

С 2 декабря 1942 года в рамках Манхэттенского проекта , другая команда во главе с Энрико Ферми был в состоянии инициировать первого искусственного самоподдерживающейся цепной ядерной реакции , Чикаго Ворс-1 . От первоначального плана использования обогащенного урана-235 отказались, поскольку его еще не было в достаточном количестве. ^[43] Работая в лаборатории под трибунами Стэгг Филд в Чикагском университете , команда создала условия, необходимые для такой реакции, сложив вместе 400  коротких тонн (360  метрических тонн ) графита , 58 коротких тонн (53 метрических тонны). ) оксида уранаи шесть коротких тонн (5,5 метрических тонн) металлического урана, большая часть которых была поставлена ламповым заводом Westinghouse в ходе импровизированного производственного процесса. ^{[36] [44]}

Ядерное оружие

Два основных типа атомных бомб были разработаны Соединенными Штатами во время Второй мировой войны : устройство на основе урана (кодовое название « Маленький мальчик »), делящимся материалом которого был высокообогащенный уран , и устройство на основе плутония (см. Тринити-тест и « Жир Человек »), плутоний которого был получен из урана-238. Устройство Little Boy на основе урана стало первым ядерным оружием, использованным на войне, когда оно было взорвано над японским городом Хиросима 6 августа 1945 года. Взрыв с мощностью, эквивалентной 12500 тоннам в тротиловом эквиваленте , взрыв и тепловая волна уничтожили бомбу. около 50 000 зданий и погибло около 75 000 человек (см.Атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки ). ^[32] Первоначально считалось, что уран был относительно редким явлением и что распространения ядерного оружия можно было избежать, просто скупив все известные запасы урана, но в течение десятилетия его крупные залежи были обнаружены во многих местах по всему миру. ^[45]

Реакторы

X-10 графитового реактора в Oak Ridge National Laboratory (ORNL) в Ок - Ридж, штат Теннесси, ранее известный как Стопки Клинтон и X-10 Пайл, был второй искусственный ядерный реактор в мире (после Чикаго Пайл Энрико Ферми) и был первым реактор спроектирован и построен для непрерывной работы. Национальная лаборатория Аргон «s Experimental Reactor Breeder I , расположенный в Национальном испытательной станции реакторов Комиссии по атомной энергии в ближайшем Арко, штат Айдахо , стал первым ядерным реактором для производства электроэнергии на 20 декабря 1951 г. ^[46]Первоначально реактор зажигал четыре 150-ваттные лампочки, но усовершенствования в конечном итоге позволили ему питать весь объект (позже город Арко стал первым в мире, где вся электроэнергия была получена за счет ядерной энергии, произведенной BORAX- III , еще один реактор, спроектированный и эксплуатируемый Аргоннской национальной лабораторией ). ^{[47] [48]} Первая в мире атомная электростанция промышленного масштаба, Обнинск в Советском Союзе , начала производство на своем реакторе АМ-1 27 июня 1954 года. Другими ранними атомными электростанциями были Колдер-Холл в Англии , которые начали производство 17 Октябрь 1956 г. ^[49] иАтомная электростанция Шиппингпорт в Пенсильвании , которая началась 26 мая 1958 г. Ядерная энергия была использована впервые для приведения в движение с помощью подводной лодки , на USS Nautilus , в 1954 году ^{[36] [50]}

Доисторическое естественное деление

В 1972 году французский физик Фрэнсис Перрен обнаружил пятнадцать древних и больше не действующих естественных ядерных реакторов деления на трех отдельных рудных месторождениях на руднике Окло в Габоне , Западная Африка , которые вместе известны как ископаемые реакторы Окло . Возраст рудного месторождения 1,7 миллиарда лет; тогда уран-235 составлял около 3% всего урана на Земле. ^[51] Это достаточно высокое значение, чтобы позволить протекать устойчивой цепной реакции ядерного деления при наличии других поддерживающих условий. Способность окружающих отложений удерживать ядерные отходыПродукция была процитирована федеральным правительством США в качестве подтверждающего доказательства возможности хранения отработавшего ядерного топлива в хранилище ядерных отходов Юкка-Маунтин . ^[51]

Загрязнение и наследие холодной войны

Наземные ядерные испытания , проведенные Советским Союзом и Соединенными Штатами в 1950-х и начале 1960-х годов и Францией в 1970-х и 1980-х годах ^[20], привели к распространению значительного количества осадков дочерних изотопов урана по всему миру. ^[52] Дополнительные осадки и загрязнение произошли в результате нескольких ядерных аварий . ^[53]

У шахтеров урана выше заболеваемость раком . Например, был документально подтвержден повышенный риск рака легких среди горняков урана навахо , связанный с их профессией. ^[54] радиационное воздействие Закон о компенсации , 1990 закона в США, требуется 100 000 $ в «сострадании платежей» на урановые рудники с диагнозом раком или другими респираторными заболеваниями. ^[55]

Во время холодной войны между Советским Союзом и Соединенными Штатами были накоплены огромные запасы урана, и десятки тысяч единиц ядерного оружия были созданы с использованием обогащенного урана и плутония, сделанного из урана. После распада Советского Союза в 1991 году около 600 коротких тонн (540 метрических тонн) высокообогащенного оружейного урана (достаточно для изготовления 40 000 ядерных боеголовок) хранились на часто недостаточно охраняемых объектах в Российской Федерации и нескольких другие страны бывшего СССР. ^[16] С 1993 по 2005 год полиция Азии , Европы и Южной Америки не менее 16 раз перехватывала грузы.контрабандного провозимого урана или плутония, пригодного для использования в качестве бомбы, большая часть которого поступила из бывших советских источников. ^[16] С 1993 по 2005 год в рамках Программы защиты, контроля и учета материалов, осуществляемой федеральным правительством США , было израсходовано около 550 миллионов долларов США на помощь в сохранении запасов урана и плутония в России. ^[16] Эти деньги были использованы для усовершенствований и повышения безопасности исследовательских и складских помещений. Scientific AmericanВ феврале 2006 г. сообщалось, что на некоторых объектах безопасность заключалась в ограждениях из цепей, которые находились в крайне аварийном состоянии. Согласно интервью из статьи, один объект хранил образцы обогащенного (оружейного) урана в кладовке для метел до начала проекта улучшения; другой отслеживал свои запасы ядерных боеголовок с помощью учетных карточек, хранящихся в коробке из-под обуви. ^[56]

Вхождение

Источник

Наряду со всеми элементами, имеющими атомный вес выше, чем у железа , уран естественным образом образуется только в результате r-процесса (быстрого захвата нейтронов) при слиянии сверхновых и нейтронных звезд . ^[57] Изначальный торий и уран производятся только в r-процессе, потому что s-процесс (медленный захват нейтронов) слишком медленный и не может пройти через разрыв нестабильности после висмута. ^{[58] [59]} Помимо двух существующих первичных изотопов урана, ²³⁵ U и ²³⁸ U, r-процесс также произвел значительные количества 236 U, который имеет более короткий период полураспада и уже давно полностью распался до ²³² Th, который сам был обогащен за счет распада 244 Pu , что объясняет наблюдаемое содержание тория выше ожидаемого и содержание урана ниже ожидаемого. . ^[60] Хотя естественное изобилие урана было дополнено распадом вымершего 242 Pu (период полураспада 0,375 миллиона лет) и ²⁴⁷ Cm (период полураспада 16 миллионов лет) с образованием ²³⁸ U и ²³⁵ U соответственно, это произошло до почти в незначительной степени из-за более короткого периода полураспада этих родителей и их более низкого производства, чем ²³⁶ U и ²⁴⁴Pu, родители тория: соотношение ²⁴⁷ Cm: ²³⁵ U при образовании Солнечной системы было(7,0 ± 1,6) × 10 ⁻⁵ . ^[61]

Биотические и абиотические

Уран - это природный элемент, который можно найти в небольших количествах во всех породах, почве и воде. Уран является 51 - й элемент в порядке изобилии в земной коре. Уран также является элементом с самым высоким номером, который в значительных количествах естественным образом встречается на Земле, и почти всегда встречается в сочетании с другими элементами. ^[10] Распад урана, тория и калия-40 в мантии Земли считается основным источником тепла ^{[62] [63],} которое удерживает внешнее ядро Земли в жидком состоянии и вызывает мантийную конвекцию , которая в поворотные диски тектоника плит.

Средняя концентрация урана в земной коре составляет (в зависимости от ссылки) от 2 до 4 частей на миллион ^{[9] [20]} или примерно в 40 раз больше, чем серебра . ^[15] Подсчитано, что земная кора от поверхности до 25 км (15 миль) содержит 10 ¹⁷  кг (2 × 10 ¹⁷  фунтов) урана, в то время как океаны могут содержать 10 ¹³  кг (2 × 10 ¹³  фунтов). ^[9] Концентрация урана в почве колеблется от 0,7 до 11 частей на миллион (до 15 частей на миллион в почве сельскохозяйственных угодий из-за использования фосфорных удобрений.), а его концентрация в морской воде составляет 3 части на миллиард. ^[20]

Урана больше, чем сурьмы , олова , кадмия , ртути или серебра, и его почти столько же, сколько мышьяка или молибдена . ^{[10] [20]} Уран содержится в сотнях минералов, включая уранинит (наиболее распространенную урановую руду ), карнотит , аутунит , уранофан , торбернит и коффинит . ^[10] Значительные концентрации урана встречаются в некоторых веществах, таких как залежи фосфатных пород и минералы, такие как лигнит.и монацитовые пески в богатых ураном рудах ^[10] (коммерчески извлекаются из источников, содержащих всего 0,1% урана ^[15] ).

Некоторые бактерии, такие как Shewanella putrefaciens , Geobacter Metallireducens и некоторые штаммы Burkholderia фунгорум , используют уран для своего роста и превращают U (VI) в U (IV). ^{[64] [65]} Недавние исследования показывают, что этот путь включает восстановление растворимого U (VI) через промежуточное пятивалентное состояние U (V). ^{[66] [67]}

Другие организмы, такие как лишайник Trapelia invuta или микроорганизмы, такие как бактерия Citrobacter , могут поглощать концентрации урана, которые в 300 раз превышают уровень их среды. ^[68] Виды Citrobacter поглощают ионы уранила при введении глицеринфосфата (или других подобных органических фосфатов). Через день один грамм бактерий может покрыться девятью граммами кристаллов уранилфосфата; это создает возможность того, что эти организмы могут быть использованы в биоремедиации для обеззараживания воды, загрязненной ураном. ^{[28] [69]} ПротеобактерииТакже было показано, что Geobacter восстанавливает уран в грунтовых водах. ^[70] Микоризный гриб Glomus intraradices увеличивает содержание урана в корнях своего симбиотического растения. ^[71]

В природе уран (VI) образует хорошо растворимые карбонатные комплексы при щелочном pH. Это приводит к увеличению мобильности и доступности урана для подземных вод и почвы от ядерных отходов, что создает опасность для здоровья. Однако трудно осаждать уран в виде фосфата в присутствии избытка карбоната при щелочном pH. А Sphingomonas sp. Было обнаружено, что штамм BSAR-1 экспрессирует высокоактивную щелочную фосфатазу (PhoK), которая применялась для биосаждения урана в виде разновидностей уранилфосфата из щелочных растворов. Способность к преципитации повышалась за счет сверхэкспрессии белка PhoK в E. coli . ^[72]

Растения поглощают некоторое количество урана из почвы. Концентрация урана в сухом состоянии в растениях колеблется от 5 до 60 частей на миллиард, а зола от сгоревшей древесины может иметь концентрации до 4 частей на миллион. ^[28] Концентрации урана в сухом состоянии на пищевых предприятиях обычно ниже: от одного до двух микрограммов в день поступает с пищей, которую едят люди. ^[28]

Производство и добыча

Мировое производство U ₃ O ₈ (желтый кек) в 2013 году составило 70 015 тонн , из которых 22 451 тонна (32%) было добыто в Казахстане . Другими важными странами по добыче урана являются Канада (9 331 т), Австралия (6 350 т), Нигер (4518 т), Намибия (4 323 т) и Россия (3 135 т). ^[74]

Урановая руда добывается несколькими способами: с помощью открытых карьеров , подземных , подземного выщелачивания и добычи скважины (см добычи урана ). ^[6] Добываемая низкосортная урановая руда обычно содержит от 0,01 до 0,25% оксидов урана. Для извлечения металла из руды необходимо принять обширные меры. ^[75] Высококачественные руды, обнаруженные в месторождениях бассейна Атабаска в Саскачеване , Канада, могут содержать в среднем до 23% оксидов урана. ^[76] Урановая руда измельчается и превращается в мелкий порошок, а затем выщелачивается кислотой или щелочью . выщелачиваниеподвергается одной из нескольких последовательностей осаждения, экстракции растворителем и ионного обмена. Полученная смесь, называемая желтым кеком , содержит не менее 75% оксидов урана U ₃ O ₈ . Затем желтый кек кальцинируют для удаления примесей из процесса измельчения перед очисткой и переработкой. ^[77]

Коммерческий класса уран может быть получен за счет сокращения урановых галогенидов с щелочных или щелочно - земельных металлов . ^[10] металлического урана могут быть также получены путем электролиза из KUF
₅или УФ4, растворенный в расплаве хлорида кальция ( Ca Cl
₂) И хлорид натрия ( Na раствор Cl). ^[10] Очень чистый уран получают путем термического разложения галогенидов урана на горячей нити накала. ^[10]

• Мировое производство урана (рудники) и спрос ^[74]

• Yellowcake - это концентрированная смесь оксидов урана, которая дополнительно очищается для извлечения чистого урана.

Ресурсы и резервы

По оценкам, 5,5 миллионов тонн урана существуют в запасах руды, которые являются экономически жизнеспособными при цене 59 долларов США за фунт урана ^{[78], в} то время как 35 миллионов тонн классифицируются как минеральные ресурсы (разумные перспективы для возможной рентабельной добычи). ^[79] Цены упали примерно с 10 долларов за фунт в мае 2003 года до 138 долларов за фунт в июле 2007 года. Это привело к значительному увеличению расходов на геологоразведочные работы ^[78]: в 2005 году во всем мире было потрачено 200 миллионов долларов США, что на 54% больше в прошлом году. ^[79] Эта тенденция сохранялась до 2006 года, когда расходы на разведку превысили 774 миллиона долларов, что более чем на 250% больше, чем в 2004 году. Агентство по ядерной энергии ОЭСР сказал, что данные о геологоразведке за 2007 год, вероятно, будут соответствовать данным за 2006 год ^[78].

В Австралии находится 31% известных мировых запасов урановой руды ^[80] и крупнейшее в мире месторождение урана, расположенное на руднике Олимпик Дам в Южной Австралии . ^[81] Существует значительный запас урана в Bakouma , в суб-префектуры в префектуре по Mbomou в Центральноафриканской Республике . ^[82]

Некоторое количество ядерного топлива поступает из демонтируемого ядерного оружия ^[83], например, из программы « Мегатонны в мегаватты» .

Еще 4,6 миллиарда тонн урана, по оценкам, находятся в морской воде ( японские ученые в 1980-х годах показали, что извлечение урана из морской воды с использованием ионообменников технически осуществимо). ^{[84] [85]} Были эксперименты по извлечению урана из морской воды, ^[86] но выход был низким из-за присутствия карбоната в воде. В 2012 году исследователи ORNL объявили об успешной разработке нового абсорбирующего материала HiCap, который удерживает на поверхности твердые или газовые молекулы, атомы или ионы, а также эффективно удаляет токсичные металлы из воды, согласно результатам, подтвержденным исследователями из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.^{[87] [88]}

Запасы

Этот раздел необходимо обновить . Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Сентябрь 2016 г. )

В 2005 году концентрированные оксиды урана производили семнадцать стран: Канада (27,9% мирового производства), Австралия (22,8%), Казахстан (10,5%), Россия (8,0%), Намибия (7,5%), Нигер (7,4%), Узбекистан. (5,5%), США (2,5%), Аргентины (2,1%), Украины (1,9%) и Китая (1,7%). ^[90] Казахстан продолжает наращивать добычу и может стать крупнейшим производителем урана в мире к 2009 году с ожидаемым объемом производства 12 826 тонн по сравнению с Канадой с 11 100 тоннами и Австралией с 9 430 тоннами. ^[91][92] В конце 1960-х годов геологи ООН также обнаружили в Сомали крупные месторождения урана и других редких полезных ископаемых. Находка была крупнейшей в своем роде: отраслевые эксперты оценили месторождения более чем в 25% от известных на тот момент мировых запасов урана, составляющих 800 000 тонн. ^[93]

Предполагается, что окончательного имеющегося предложения хватит, по крайней мере, на следующие 85 лет ^[79], хотя некоторые исследования показывают, что недостаток инвестиций в конце двадцатого века может вызвать проблемы с поставками в 21 веке. ^[94] Урановые месторождения, кажется, распределены логнормально. Количество извлекаемого урана увеличивается в 300 раз на каждое уменьшение содержания в руде в десять раз. ^[95] Другими словами, здесь мало руды с высоким содержанием и пропорционально гораздо больше руды с низким содержанием.

Соединения

Степени окисления и оксиды

Оксиды

Желтый кек кальцинированного урана, производимый на многих крупных предприятиях, содержит различные формы окисления урана в различных формах, от наиболее окисленных до наименее окисленных. Частицы с коротким временем пребывания в декарбонизаторе обычно меньше окисляются, чем частицы с длительным временем удерживания или частицы, извлеченные в скруббере штабеля. Содержание урана обычно относится к U
₃О
₈, который восходит к временам Манхэттенского проекта, когда U
₃О
₈ был использован в качестве стандарта отчетности по аналитической химии.

Фазовые отношения в уран-кислородной системе сложны. Наиболее важными степенями окисления урана являются уран (IV) и уран (VI), а двумя соответствующими оксидами являются, соответственно, диоксид урана ( UO
₂) и триоксид урана ( UO
₃). ^[96] Другие оксиды урана, такие как моноксид урана (UO), пятиокись диурана ( U
₂О
₅) и пероксида урана ( UO
₄· 2H
₂O ) тоже существуют.

Наиболее распространенными формами оксида урана являются октоксид триурана ( U
₃О
₈) и UO
₂. ^[97] Обе оксидные формы представляют собой твердые вещества, которые имеют низкую растворимость в воде и относительно стабильны в широком диапазоне условий окружающей среды. Октоксид триурана является (в зависимости от условий) наиболее стабильным соединением урана и является формой, наиболее часто встречающейся в природе. Диоксид урана - это форма, в которой уран чаще всего используется в качестве топлива для ядерных реакторов. ^[97] При температуре окружающей среды UO
₂будет постепенно преобразовываться в U
₃О
₈. Из-за их стабильности оксиды урана обычно считаются предпочтительной химической формой для хранения или захоронения. ^[97]

Водная химия

Соли многих степеней окисления урана водорастворимы и могут быть изучены в водных растворах . Наиболее распространены ионные формы U³⁺
(коричнево-красный), U⁴⁺
(зеленый), UO⁺
₂(нестабильно) и UO²⁺
₂(желтый) для U (III), U (IV), U (V) и U (VI) соответственно. ^[98] Несколько твердых и полуметаллических соединений, таких как UO и US, существуют для урана (II) в формальной степени окисления, но не известно о существовании простых ионов в растворе для этого состояния. Ионы U³⁺
высвобождают водород из воды и поэтому считаются очень нестабильными. UO²⁺
₂ион представляет собой состояние урана (VI) и, как известно, образует такие соединения, как уранилкарбонат , уранилхлорид и уранилсульфат . UO²⁺
₂также образует комплексы с различными органическими хелатирующими агентами, наиболее часто встречающимся из которых является уранилацетат . ^[98]

В отличие от ураниловых солей урана и катионных форм многоатомного иона оксида урана, уранаты , соли, содержащие анион многоатомного оксида урана, обычно не растворяются в воде.

Карбонаты

Взаимодействие карбонат-анионов с ураном (VI) приводит к значительному изменению диаграммы Пурбе, когда среда меняется с воды на раствор, содержащий карбонат. Хотя подавляющее большинство карбонатов нерастворимы в воде (студентов часто учат, что все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов, не растворимы в воде), карбонаты урана часто растворимы в воде. Это связано с тем, что катион U (VI) способен связывать два концевых оксида и три или более карбонатов с образованием анионных комплексов.

Влияние pH

Диаграммы фракции урана в присутствии карбоната дополнительно иллюстрируют это: когда pH раствора урана (VI) увеличивается, уран превращается в гидроксид гидратированного оксида урана, а при высоких значениях pH он становится комплексом анионного гидроксида.

Когда добавляется карбонат, уран превращается в серию карбонатных комплексов, если pH увеличивается. Одним из эффектов этих реакций является повышенная растворимость урана в диапазоне pH от 6 до 8, что имеет прямое отношение к долговременной стабильности отработанного ядерного топлива из диоксида урана.

Гидриды, карбиды и нитриды

Металлический уран, нагретый до 250–300 ° C (482–572 ° F), реагирует с водородом с образованием гидрида урана . Даже более высокие температуры обратимо удаляют водород. Это свойство делает гидриды урана удобными исходными материалами для создания химически активного уранового порошка наряду с различными карбидом , нитридом и галогенидами урана . ^[100] Существуют две кристаллические модификации гидрида урана: α-форма, которая получается при низких температурах, и β-форма, которая создается, когда температура пласта превышает 250 ° C. ^[100]

Уран карбиды и уран нитриды являются относительно инертные полуметаллических соединений , которые являются растворимыми в минимально кислотах , вступают в реакцию с водой, и могут воспламеняться на воздухе , чтобы сформировать U
₃О
₈. ^[100] Карбиды урана включают монокарбид урана (U C ), дикарбид урана ( UC
₂) и трикарбид диурана ( U
₂C
₃). И UC, и UC
₂образуются при добавлении углерода к расплавленному урану или при воздействии на металл монооксида углерода при высоких температурах. Стабилен ниже 1800 ° C, U
₂C
₃готовится путем подвергания нагретой смеси UC и UC
₂к механическим воздействиям. ^[101] Нитриды урана, полученные прямым воздействием на металл азотом, включают мононитрид урана (UN), динитрид урана ( UN
₂) и тринитрида диурана ( U
₂N
₃). ^[101]

Галогениды

Все фториды урана создаются с использованием тетрафторида урана ( UF
₄); UF
₄сам получают путем гидрофторирования диоксида урана. ^[100] Уменьшение УФ
₄с водородом при 1000 ° C дает трифторид урана ( UF
₃). При правильных условиях температуры и давления реакция твердого УФ
₄с газообразным гексафторидом урана ( UF
₆) может образовывать промежуточные фториды U
₂F
₉, U
₄F
₁₇, и UF
₅. ^[100]

При комнатной температуре, УФ
₆имеет высокое давление пара , что делает его полезным в процессе газовой диффузии для отделения редкого урана-235 от обычного изотопа урана-238. Это соединение можно получить из диоксида урана и гидрида урана с помощью следующего процесса: ^[100]

UO
₂+ 4 ВЧ → УФ
₄+ 2 часа
₂O (500 ° C, эндотермический)

UF
₄+ F
₂→ УФ
₆ (350 ° C, эндотермический)

Полученный УФ
₆, белое твердое вещество, обладает высокой реакционной способностью (путем фторирования), легко сублимируется (выделяя пар, который ведет себя как почти идеальный газ ) и является наиболее летучим соединением урана из известных из существующих. ^[100]

Один из методов получения тетрахлорида урана ( UCl
₄) заключается в прямом соединении хлора либо с металлическим ураном, либо с гидридом урана. Уменьшение UCl
₄водородом образует трихлорид урана ( UCl
₃), а высшие хлориды урана получают реакцией с дополнительным хлором. ^[100] Все хлориды урана реагируют с водой и воздухом.

Бромиды и йодиды урана образуются при прямой реакции соответственно брома и йода с ураном или при добавлении UH
₃кислотам этого элемента. ^[100] Известные примеры: UBr
₃, UBr
₄, UI
₃, и UI
₄. Оксигалогениды урана растворимы в воде и включают UO
₂F
₂, UOCl
₂, UO
₂Cl
₂, и UO
₂Br
₂. Стабильность оксигалогенидов уменьшается с увеличением атомной массы галогенида компонента. ^[100]

Изотопы

Естественные концентрации

Природный уран состоит из трех основных изотопов : уран-238 ( естественное содержание 99,28% ), уран-235 (0,71%) и уран-234 (0,0054%). Все три являются радиоактивными , испускающими альфа-частицы , за исключением того, что все три изотопа имеют небольшую вероятность самопроизвольного деления . Есть также пять других следовых изотопов: уран-239, который образуется, когда ²³⁸ U подвергается спонтанному делению с высвобождением нейтронов, захваченных другим атомом ²³⁸ U; уран-237, который образуется, когда ²³⁸ U захватывает нейтрон, но испускает еще два, которые затем распадаются нанептуний-237 ; и, наконец, уран-233, который образуется в цепи распада нептуния-237. Также ожидается, что торий-232 сможет подвергнуться двойному бета-распаду , в результате которого будет образован уран-232, но это еще не наблюдалось экспериментально. ^[102]

Уран-238 является наиболее стабильным изотопом урана с периодом полураспада около 4,468 × 10 ⁹ лет, что примерно соответствует возрасту Земли . Уран-235 имеет период полураспада около 7,13 × 10 ⁸ лет, а уран-234 - около 2,48 × 10 ⁵ лет. ^[103] Что касается природного урана, около 49% его альфа-лучей испускается ²³⁸ U, а также 49% ²³⁴ U (поскольку последний образуется из первого) и около 2,0% из них ²³⁵ U. Земля была молодой, вероятно, около одной пятой ее урана составлял уран-235, но процент ²³⁴Вероятно, U было намного ниже этого.

Уран-238 обычно является альфа-излучателем (иногда он подвергается самопроизвольному делению), распадаясь через ряд урана , состоящий из 18 членов, в свинец-206 по множеству различных путей распада. ^[15]

Цепочка распада из ²³⁵ U, который называется серия актиний , состоит из 15 членов , и в конце концов распадается на свинец-207. ^[15] Постоянные скорости распада в этих рядах распада делают сравнение соотношений родительских и дочерних элементов полезным для радиометрического датирования .

Уран-234, который является членом уранового ряда (цепочка распада урана-238), распадается до свинца-206 через ряд относительно короткоживущих изотопов.

Уран-233 получают из тория-232 нейтронной бомбардировкой, обычно в ядерном реакторе, и ²³³ U также является делящимся. ^[10] Его цепочка распада является частью нептуниевого ряда и заканчивается висмутом-209 и таллием- 205.

Уран-235 важен как для ядерных реакторов, так и для ядерного оружия , поскольку это единственный делящийся изотоп урана, существующий в природе на Земле в любом значительном количестве . Это означает, что он может быть расщеплен тепловыми нейтронами на два или три осколка ( продуктов деления ). ^[15]

Уран-238 не делящийся, но является воспроизводимым изотопом, потому что после нейтронной активации он может быть преобразован в плутоний-239 , другой делящийся изотоп. Действительно, ядро ²³⁸ U может поглотить один нейтрон с образованием радиоактивного изотопа урана-239 . ²³⁹ U распадается с бета-излучением до нептуния- 239, также являющегося бета-излучателем, который, в свою очередь, распадается в течение нескольких дней до плутония-239. ²³⁹ Pu был использован в качестве расщепляющегося материала в первой атомной бомбе, взорванной в ходе « испытания Тринити » 15 июля 1945 года в Нью-Мексико . ^[36]

Обогащение

В природе уран встречается в виде урана-238 (99,2742%) и урана-235 (0,7204%). Разделение изотопов концентраты (обогащает) расщепляющееся уран-235 для ядерного оружия и большинство атомных электростанций, за исключением газа охлаждения реакторов и реакторов под давлением с тяжелой водой . Большинство нейтронов, испускаемых делящимся атомом урана-235, должны воздействовать на другие атомы урана-235 для поддержания цепной ядерной реакции . Концентрация и количество урана-235, необходимое для достижения этого, называется « критической массой ».

Чтобы считаться «обогащенной», фракция урана-235 должна составлять от 3% до 5%. ^[104] Этот процесс производит огромное количество урана, обедненного ураном-235 и, соответственно, с увеличенной долей урана-238, называемого обедненным ураном или «DU». Чтобы считаться «обедненным», концентрация изотопа урана-235 должна быть не более 0,3%. ^[105] Цена на уран выросла с 2001 года, поэтому хвосты обогащения, содержащие более 0,35% урана-235, рассматриваются для повторного обогащения, в результате чего цена на гексафторид обедненного урана превысила 130 долларов за килограмм в июле 2007 года с 5 долларов в 2001 году. ^[105]

Процесс газовой центрифуги , где газообразный гексафторид урана ( UF
₆) разделен разницей в молекулярной массе между ²³⁵ UF ₆ и ²³⁸ UF ₆ с использованием высокоскоростных центрифуг , это самый дешевый и ведущий процесс обогащения. ^[32] Процесс газовой диффузии был ведущим методом обогащения и использовался в Манхэттенском проекте . В этом процессе, гексафторид урана неоднократно диффундирует через серебро - цинк мембраны, и различные изотопы урана отделены друг от друга скоростью диффузии (так как уран - 238 тяжелее он диффундирует немного медленнее , чем уран-235). ^[32]Метод молекулярного лазерного разделения изотопов использует лазерный луч точной энергии для разрыва связи между ураном-235 и фтором. Это оставляет уран-238 связанным с фтором и позволяет металлическому урану-235 выпадать в осадок из раствора. ^[6] Альтернативный лазерный метод обогащения известен как лазерное разделение изотопов на атомном паре (AVLIS), в нем используются перестраиваемые лазеры видимого диапазона, такие как лазеры на красителях . ^[106] Другой используемый метод - жидкая термодиффузия. ^[9]

Воздействие на человека

Человек может подвергнуться воздействию урана (или его радиоактивных дочерей , таких как радон ), вдыхая пыль в воздухе или проглатывая зараженную воду и пищу. Количество урана в воздухе обычно очень мало; однако люди, которые работают на заводах по переработке фосфатных удобрений , живут рядом с государственными объектами, которые производили или испытывали ядерное оружие, живут или работают вблизи современного поля боя, где использовалось оружие с обедненным ураном , или живут или работают рядом с угольной электростанцией, объекты, которые добывают или перерабатывают урановую руду или обогащают уран для топлива реакторов, могут иметь повышенное воздействие урана. ^{[107] [108]}Дома или сооружения, расположенные над месторождениями урана (естественными или искусственными шлаковыми месторождениями), могут иметь повышенное воздействие газообразного радона. Управление по охране труда и здоровья (OSHA) установило допустимый предел воздействия урана на рабочем месте в размере 0,25 мг / м ^{3 в} течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт профессиональной безопасности и здоровья (NIOSH) установила предел рекомендуемой экспозиции (REL) 0,2 мг / м ³ в течение 8-часового рабочего дня и краткосрочного предела 0,6 мг / м ³ . При уровне 10 мг / м ³ уран немедленно опасен для жизни и здоровья . ^[109]

Большая часть проглоченного урана выводится при пищеварении . Только 0,5% абсорбируется при проглатывании нерастворимых форм урана, таких как его оксид, тогда как абсорбция более растворимого иона уранила может достигать 5%. ^[28] Однако растворимые соединения урана имеют тенденцию быстро проходить через организм, тогда как нерастворимые соединения урана, особенно при вдыхании через пыль в легкие , представляют более серьезную опасность воздействия. После попадания в кровоток поглощенный уран имеет тенденцию к биоаккумуляции и долгие годы оставаться в костной ткани из-за сродства урана к фосфатам. ^[28] Уран не всасывается через кожу, а альфа-частицы выделяемый ураном не может проникнуть через кожу.

Включенный уран превращается в ионы уранила , которые накапливаются в костях, печени, почках и репродуктивных тканях. Уран можно очистить от стальных поверхностей ^[110] и водоносных горизонтов . ^[111]

Эффекты и меры предосторожности

Нормальное функционирование почек , мозга , печени , сердца и других систем может быть нарушено воздействием урана, потому что уран не только является слаборадиоактивным, но и токсичным металлом . ^{[28] [112] [113]} Уран также является токсичным веществом для репродуктивной системы. ^{[114] [115]} Радиологические эффекты обычно носят локальный характер, поскольку альфа-излучение, первичная форма распада ²³⁸ U, имеет очень короткий диапазон и не проникает через кожу. Было продемонстрировано, что альфа-излучение от вдыхаемого урана вызывает рак легких у облученных ядерных рабочих. ^[116] Уранил ( UO²⁺
₂) ионы, такие как триоксид урана или нитрат уранила и другие соединения шестивалентного урана, вызывают врожденные дефекты и повреждение иммунной системы у лабораторных животных. ^[117] В то время как CDC опубликовал одно исследование, в котором не наблюдалось случаев рака у человека в результате воздействия природного или обедненного урана, ^[118] воздействие урана и продуктов его распада, особенно радона , широко известно и представляет серьезную угрозу для здоровья. ^[20] Воздействие стронция-90 , йода-131, и другие продукты деления не связаны с воздействием урана, но могут быть результатом медицинских процедур или воздействия отработавшего реакторного топлива или выпадений ядерного оружия. ^[119] Хотя случайное вдыхание высокой концентрации гексафторида урана привело к человеческим жертвам, эти смерти были связаны с образованием высокотоксичной фтористоводородной кислоты и уранилфторида, а не с самим ураном. ^[120] Тонкодисперсный металлический уран представляет опасность пожара, поскольку уран пирофорен ; мелкие зерна самовозгораются на воздухе при комнатной температуре. ^[10]

С металлическим ураном обычно обращаются в перчатках в качестве достаточной меры предосторожности. ^[121] Урановый концентрат обрабатывается и хранится таким образом, чтобы люди не могли его вдохнуть или проглотить. ^[121]

Смотрите также

Примечания

Рекомендации

• Эмсли, Джон (2001). «Уран» . Природа Строительные блоки: от А до Z Руководства по элементам . Оксфорд : Издательство Оксфордского университета . С.  476–482 . ISBN 978-0-19-850340-8.
• Сиборг, Гленн Т. (1968). "Уран". Энциклопедия химических элементов . Скоки, Иллинойс : Книжная корпорация Рейнхольда. С. 773–786. LCCN  68029938 .

внешняя ссылка

Викискладе есть медиафайлы по теме урана .

Найдите уран в Викисловаре, бесплатном словаре.

• Агентство по охране окружающей среды США: Информация о радиации для урана
• "Что такое уран?" от Всемирной ядерной ассоциации
• Данные по ядерному топливу и анализ от Управления энергетической информации США
• Текущая рыночная цена урана
• Карты мировых месторождений урана
• Аннотированная библиография по урану из цифровой библиотеки Алсос
• Банк данных по опасным веществам NLM - уран, радиоактивный
• CDC - Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям
• Добыча урана на руднике Лангер-Генрих в Намибии
• Мировые ядерные новости
• ATSDR Case Studies в экологической медицины: Uranium Токсичность США Департамент здравоохранения и социальных служб
• Уран в Периодической таблице видео (Ноттингемский университет)