Уран: Свойства и применение элемента

Описание

Уран - плотный серебристо-серый металл; пожалуй, он наиболее известен своей радиоактивностью и центральной ролью в ядерной энергетике. Являясь одним из самых тяжелых элементов природного происхождения, уран представляет собой уникальное сочетание химической реактивности, нескольких состояний окисления и ядерных характеристик, что делает его незаменимым в современных технологиях, производстве энергии и научных исследованиях.

Знакомство с элементом

Большой интерес к урану со стороны ученых, химиков и инженеров всегда был связан с его уникальным положением в периодической таблице. Он имеет атомный номер 92, что делает его одним из последних распространенных в природе элементов и связующим звеном между природными тяжелыми металлами и синтетическими трансурановыми элементами. Немецкий химик Мартин Генрих Клапрот открыл его в 1789 году, но до конца XIX века, когда открытие радиоактивности Анри Беккерелем показало истинное научное значение урана, он был признан просто тяжелым металлом с особыми свойствами.

Основные минералы, содержащие уран, - уранинит, карнотит и браннерит; он добывается во многих частях света. Высокая плотность, почти вдвое большая, чем у свинца, и способность к ядерному делению делают его важным материалом как в гражданской, так и в оборонной промышленности.

Описание химических свойств

В химическом отношении уран очень универсален, принимая формы от +3 до +6 степеней окисления, с дополнительной распространенной и стабильной формой, представленной +4 и +6. Такая гибкость позволяет элементу образовывать широкий спектр соединений, многие из которых играют важную роль в ядерном топливном цикле и промышленных приложениях.

- Диоксид урана является основной формой, используемой в ядерных топливных гранулах, поскольку он стабилен, высокоогнеупорен и совместим в реакторных условиях.

- Обычные промежуточные формы в процессе переработки включают триоксид урана (UO₃) и октоксид триурана (U₃O₈).

- Гексафторид урана (UF₆) - одно из наиболее химически значимых соединений урана. Благодаря своей летучести он идеально подходит для процессов обогащения, в ходе которых выделяются изотопы, необходимые для производства реакторов или оружия.

Растворимость урана в окружающей среде сильно зависит от pH и присутствия карбонатных или фосфатных ионов. Эта химия определяет, как уран перемещается в грунтовых водах, как его добывают в горнодобывающей промышленности и как с ним нужно обращаться в проектах по восстановлению окружающей среды.

Физические свойства

Свойство.Значение.Единица.Описание

Атомный номер 92 - количество протонов в ядре

Атомный вес 238,03 г/моль Средняя масса атомов урана

Плотность 19,1 г/см³ Чрезвычайно высокая плотность; почти в два раза выше, чем у свинца

Температура плавления 1132 °C Температура, при которой твердый уран становится жидким

Температура кипения 4131 °C Температура, при которой уран испаряется

Удельный вес 19,1 - относительная плотность по сравнению с водой

Дополнительную информацию можно найти на сайте Stanford Advanced Materials (SAM).

Чистый металл уран ковкий и пластичный, но он тускнеет при контакте с воздухом и легко вступает в реакции, образуя различные оксиды урана. Хотя он радиоактивен, продукты распада представлены преимущественно альфа-частицами, которые не проникают через кожу, хотя внутреннее облучение опасно, и контроль за обращением с ним должен быть строгим.

U-235 и U-238: Важные изотопы

Два изотопа определяют технологическое значение урана: U-238 и U-235.

U-238

Около 99,3% природного урана состоит из U-238. Хотя этот изотоп не является легко делящимся, он плодороден - то есть может поглощать нейтроны и в конечном итоге превращаться в плутоний-239, делящийся изотоп, используемый как в реакторах, так и в ядерном оружии. Благодаря этой характеристике U-238 играет важную роль как в смешанном оксидном топливе (MOX), так и в технологиях реакторов-размножителей.

U-235

Всего 0,72 % природного урана составляет U-235, но это единственный встречающийся в природе изотоп, способный поддерживать цепную реакцию. При столкновении с медленным нейтроном этот изотоп распадается на более мелкие атомы, выделяя большое количество энергии и больше нейтронов. Эта цепная реакция лежит в основе

- производства ядерной энергии

- Движитель атомных подводных лодок

- Атомное оружие

- работы исследовательских реакторов

Из-за своей редкости U-235 во многих случаях приходится обогащать, чтобы повысить его концентрацию для использования в реакторах. Обогащение, которое обычно осуществляется путем газовой диффузии или центрифугирования UF₆, позволяет получить обогащенный уран, пригодный для производства электроэнергии.

Где встречается уран

Уран - относительно распространенный элемент в земной коре, встречающийся примерно в таком же количестве, как вольфрам или молибден. Он имеет преимущественно минеральную форму и добывается традиционными методами и выщелачиванием in situ. К числу основных стран-производителей урана относятся:

- Казахстан - крупнейший в мире производитель урана, который добывается в основном методом выщелачивания на месте.

- Канада - обладает одними из самых богатых месторождений урана в мире.

- Австралия - обладает огромными запасами, расположенными в различных крупных карьерах и подземных рудниках.

Намибия, Нигер, Узбекистан и США: крупные производители с давней историей добычи урана.

Уран также содержится в незначительных количествах в фосфатных месторождениях, морской воде и даже в некоторых гранитных породах. Технологии добычи урана из морской воды совершенствуются, что может обеспечить практически неограниченные запасы урана в будущем.

Общие применения

Уникальные ядерные и физические характеристики урана обусловливают несколько важных областей его применения:

1. Производство ядерной энергии

Наиболее важным применением урана является использование его в качестве топлива в ядерных реакторах. Когда U-235 подвергается делению, он выделяет большое количество тепла. Это тепло генерирует пар, который, в свою очередь, приводит в движение турбины для производства электроэнергии. Ядерная энергия, получаемая из урана, обеспечивает значительную часть мирового низкоуглеродного электричества.

2. Оборона и военное применение

Обогащенный уран используется для создания сердечника ядерного оружия. Обедненный уран (ОУ) - в основном U-238 - используется в бронебойных боеприпасах и бронетехнике, поскольку его чрезвычайная плотность позволяет ему как проникать внутрь, так и самозатачиваться при ударе.

3. Научное и медицинское применение

Соединения урана используются для датировки горных пород в геологии, в исследованиях по отслеживанию состояния окружающей среды, а также в исследовательских реакторах, производящих медицинские изотопы для лечения рака.

Методы подготовки

Добыча и измельчение являются начальными этапами коммерческой подготовки урана. После добычи руда обрабатывается путем дробления, измельчения и химического выщелачивания - как правило, с использованием серной кислоты или щелочных растворов - для отделения урана от других минералов.

Конечный раствор очищается:

- экстракции растворителем

ионный обмен

- Осаждение в "желтый кек", обычно U₃O₈.

Желтый кек превращается либо в UF₆ для обогащения, либо в UO₂ для изготовления топливных таблеток.

Часто задаваемые вопросы

Что особенного в уране?

Уникальность урана среди встречающихся в природе элементов заключается в том, что он сочетает в себе радиоактивность, высокую плотность, несколько состояний окисления и способность к делению.

Как добывают уран?

Традиционными методами добычи, выщелачиванием на месте и химической очисткой, в результате которой уран выделяется из руды.

Почему важны U-235 и U-238?

U-235 расщепляется и способен вступать в цепную реакцию, а U-238 плодороден и может быть превращен в пригодное для использования ядерное топливо.

Почему уран важен для промышленности?

Его ядерные свойства лежат в основе глобального производства энергии и оборонных технологий.

Как методы подготовки обеспечивают безопасность?

Строгие протоколы, стандарты радиационной защиты и контролируемые химические процессы обеспечивают безопасное обращение с ураном и его использование.