Uran -Uranium

Uran,  92 U
Dwie ręce w brązowych rękawiczkach trzymające zaplamiony szary dysk z odręcznym numerem 2068
Uran
Wymowa / j ʊ ˈ r n i ə m / ​( yuu- RAY -nee-əm )
Wygląd srebrzystoszary metalik; koroduje, tworząc w powietrzu łuszczącą się czarną powłokę tlenkową
Standardowa masa atomowa Ar , std (U) 238.028 91 (3)
Uran w układzie okresowym
Wodór Hel
Lit Beryl Bor Węgiel Azot Tlen Fluor Neon
Sód Magnez Aluminium Krzem Fosfor Siarka Chlor Argon
Potas Wapń Skand Tytan Wanad Chrom Mangan Żelazo Kobalt Nikiel Miedź Cynk Gal German Arsen Selen Brom Krypton
Rubid Stront Itr Cyrkon Niob molibden Technet Ruten Rod Paladium Srebro Kadm Ind Cyna Antymon Tellur Jod Ksenon
Cez Bar Lantan Cer Prazeodym Neodym promet Samar Europ Gadolin Terb Dysproz Holmium Erb Tul Iterb Lutet Hafn Tantal Wolfram Ren Osm Iryd Platyna Złoto Rtęć (pierwiastek) Tal Prowadzić Bizmut Polon Astatin Radon
Francium Rad Aktyn Tor Protaktyn Uran Neptun Pluton Ameryk Kiur Berkel Kaliforn Einsteina Ferm Mendelew Nobel Wawrzyńca Rutherford Dubnium Seaborgium Bohrium Hass Meitnerium Darmsztadt Rentgen Kopernik Nihon Flerow Moskwa Livermorium Tennessine Oganesson
Nd

U

(Uqh)
protaktynuranneptun
Liczba atomowa ( Z ) 92
Grupa grupa nie dotyczy
Okres okres 7
Blok   f-blok
Konfiguracja elektronów [ Rn ] 5f 3 6d 1 7s 2
Elektrony na powłokę 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
Właściwości fizyczne
Faza STP solidny
Temperatura topnienia 1405.3  K ​(1132,2 °C, ​2070 °F)
Temperatura wrzenia 4404 K ​(4131 °C, ​7468 °F)
Gęstość (w pobliżu  rt ) 19,1 g/ cm3
w stanie ciekłym (przy  mp ) 17,3 g/ cm3
Ciepło stapiania 9,14  kJ/mol
Ciepło parowania 417,1 kJ/mol
Molowa pojemność cieplna 27,665 J/(mol·K)
Ciśnienie pary
P  (Pa) 1 10 100 1 tys 10 tys 100 tys
T  (K) 2325 2564 2859 3234 3727 4402
Właściwości atomowe
Stany utleniania +1, +2, +3, +4 , +5, +6 (  tlenek amfoteryczny )
Elektroujemność Skala Paulinga: 1,38
Energie jonizacji
Promień atomowy empiryczny: 156  pm
Promień kowalencyjny 196±19:00
Promień Van der Waalsa 186 po południu
Kolorowe linie w zakresie spektralnym
Linie widmowe uranu
Inne właściwości
Naturalne występowanie pierwotny
Struktura krystaliczna rombowy
Orthombic struktura krystaliczna dla uranu
Prędkość dźwięku cienki pręt 3155 m/s (przy 20 °C)
Rozszerzalność cieplna 13,9 µm/(m⋅K) (przy 25 °C)
Przewodność cieplna 27,5 W/(m⋅K)
Rezystancja 0,280 µΩ⋅m (przy 0°C)
Zamawianie magnetyczne paramagnetyczny
Moduł Younga 208 GPa
Moduł ścinania 111 GPa
Moduł objętościowy 100 GPa
Współczynnik Poissona 0,23
Twardość Vickersa 1960-2500 MPa
Twardość Brinella 2350-3850 MPa
Numer CAS 7440-61-1
Historia
Nazywanie po planecie Uran , nazwanej na cześć greckiego boga nieba Uran
Odkrycie Martin Heinrich Klaproth (1789)
Pierwsza izolacja Eugène-Melchior Péligot (1841)
Główne izotopy uranu
Izotop Obfitość Okres półtrwania ( t 1/2 ) Tryb zaniku Produkt
232 U syn 68,9 lat SF
α 228 Ty
233 U namierzać 1,592×10 5  lat SF
α 229 _
234 U 0,005% 2,455×10 5  lat SF
α 230 tys
235 jednostek 0,720% 7,04×10 8  lat SF
α 231 _
236 U namierzać 2,342×10 7  lat SF
α 232 _
238 U 99,274% 4,468×10 9  lat α 234 _
SF
β β 238 _
 Kategoria: Uran
| Bibliografia

Uran to pierwiastek chemiczny o symbolu U i liczbie atomowej 92. Jest to srebrzystoszary metal z szeregu aktynowców układu okresowego pierwiastków . Atom uranu ma 92 protony i 92 elektrony , z czego 6 to elektrony walencyjne . Uran jest słabo radioaktywny , ponieważ wszystkie izotopy uranu są niestabilne; okresy półtrwania jego naturalnie występujących izotopów wahają się od 159 200 lat do 4,5 miliarda lat. Najczęstszymi izotopami w naturalnym uranieuran-238 (który ma 146 neutronów i stanowi ponad 99% uranu na Ziemi) i uran-235 (który ma 143 neutrony). Uran ma największą masę atomową spośród pierwotnie występujących pierwiastków. Jego gęstość jest o około 70% większa niż ołowiu i nieco niższa niż złota czy wolframu . Występuje naturalnie w niskich stężeniach kilku cząstek na milion w glebie, skałach i wodzie i jest pozyskiwany komercyjnie z minerałów zawierających uran, takich jak uraninit .

W naturze uran występuje jako uran-238 (99,2739–99,2752%), uran-235 (0,7198–0,7202%), a bardzo mała ilość uranu-234 (0,0050–0,0059%). Uran rozpada się powoli, emitując cząstkę alfa . Okres półtrwania uranu-238 wynosi około 4,47 miliarda lat, a uranu-235 704 milionów lat, co czyni je użytecznymi w datowaniu wieku Ziemi .

Wiele współczesnych zastosowań uranu wykorzystuje jego unikalne właściwości jądrowe . Uran-235 jest jedynym naturalnie występującym izotopem rozszczepialnym , co sprawia, że ​​jest szeroko stosowany w elektrowniach jądrowych i broni jądrowej . Jednak ze względu na niewielkie ilości występujące w przyrodzie uran musi zostać wzbogacony , aby zapewnić wystarczającą ilość uranu-235. Uran-238 jest rozszczepialny przez prędkie neutrony i jest płodny , co oznacza, że ​​można go transmutować w rozszczepialny pluton-239 w reaktorze jądrowym . Inny rozszczepialny izotop, uran-233 , może być wytwarzany z naturalnego toru i jest badany pod kątem przyszłego zastosowania przemysłowego w technologii jądrowej. Uran-238 ma małe prawdopodobieństwo spontanicznego lub nawet indukowanego rozszczepienia z szybkimi neutronami; uran-235 i w mniejszym stopniu uran-233 mają znacznie większy przekrój rozszczepienia dla wolnych neutronów. W wystarczającym stężeniu izotopy te utrzymują trwałą reakcję łańcuchową w jądrze . To generuje ciepło w reaktorach jądrowych i wytwarza materiał rozszczepialny do broni jądrowej. Zubożony uran ( 238 U) jest używany w penetratorach energii kinetycznej i opancerzeniu . Uran jest używany jako barwnik w szkle uranowym , dający kolory cytrynowożółte do zielonych. Szkło uranowe fluoryzuje na zielono w świetle ultrafioletowym. Był również używany do barwienia i cieniowania we wczesnej fotografii .

Odkrycie w 1789 r . uranu w mineralnej mieszance smoły przypisuje się Martinowi Heinrichowi Klaprothowi , który nazwał nowy pierwiastek na cześć niedawno odkrytej planety Uran . Eugène-Melchior Péligot był pierwszą osobą, która wyizolowała metal, a jego radioaktywne właściwości odkrył w 1896 roku Henri Becquerel . Badania prowadzone przez Otto Hahna , Lise Meitner , Enrico Fermi i innych, takich jak J. Robert Oppenheimer , począwszy od 1934 roku, doprowadziły do ​​jego wykorzystania jako paliwa w energetyce jądrowej oraz w Little Boy , pierwszej broni jądrowej używanej w czasie wojny . Późniejszy wyścig zbrojeń podczas zimnej wojny między Stanami Zjednoczonymi a Związkiem Radzieckim wyprodukował dziesiątki tysięcy broni jądrowej wykorzystującej uran metaliczny i pluton pochodzący z uranu-239 . Bezpieczeństwo tej broni jest ściśle monitorowane. Od około 2000 roku pluton pozyskiwany przez demontaż bomb z czasów zimnej wojny jest używany jako paliwo do reaktorów jądrowych. Rozwój i rozmieszczenie tych reaktorów jądrowych jest kontynuowane na całym świecie, ponieważ są one potężnymi źródłami energii wolnej od CO2 .

Charakterystyka

Schemat przedstawiający przemianę łańcuchową uranu-235 przez uran-236, bar-141 i krypton-92
Indukowane neutronami zdarzenie rozszczepienia jądrowego z udziałem uranu-235

Oczyszczony uran jest srebrzystobiałym, słabo radioaktywnym metalem . Ma twardość Mohsa 6, wystarczającą do zarysowania szkła i w przybliżeniu równą twardości tytanu , rodu , manganu i niobu . Jest ciągliwy , ciągliwy , lekko paramagnetyczny , silnie elektropozytywny i słabo przewodzący prąd elektryczny . Metaliczny uran ma bardzo wysoką gęstość 19,1 g/cm 3 , gęstszy niż ołów (11,3 g/cm 3 ), ale nieco mniej gęsty niż wolfram i złoto (19,3 g/cm 3 ).

Metaliczny uran reaguje z prawie wszystkimi pierwiastkami niemetalicznymi (z wyjątkiem gazów szlachetnych ) i ich związkami , przy czym reaktywność wzrasta wraz z temperaturą. Kwas chlorowodorowy i azotowy rozpuszczają uran, ale nieutleniające kwasy inne niż kwas solny atakują pierwiastek bardzo powoli. Drobno rozdrobniony może reagować z zimną wodą; w powietrzu metaliczny uran pokrywa się ciemną warstwą tlenku uranu . Uran zawarty w rudach jest wydobywany chemicznie i przekształcany w dwutlenek uranu lub inne formy chemiczne przydatne w przemyśle.

Uran-235 był pierwszym izotopem, który okazał się rozszczepialny . Inne naturalnie występujące izotopy są rozszczepialne, ale nie rozszczepialne. Podczas bombardowania wolnymi neutronami, jego izotop uranu-235 przez większość czasu dzieli się na dwa mniejsze jądra , uwalniając energię wiązania jądrowego i więcej neutronów. Jeśli zbyt wiele z tych neutronów zostanie wchłoniętych przez inne jądra uranu-235, zachodzi reakcja łańcuchowa w jądrze, która powoduje wybuch ciepła lub (w szczególnych okolicznościach) eksplozję. W reaktorze jądrowym taka reakcja łańcuchowa jest spowalniana i kontrolowana przez truciznę neutronową , pochłaniającą część wolnych neutronów. Takie materiały pochłaniające neutrony są często częścią prętów sterujących reaktorem (patrz fizyka reaktora jądrowego, aby uzyskać opis tego procesu sterowania reaktorem).

Do wytworzenia bomby atomowej wystarczy zaledwie 6,8 kg uranu-235 o wadze 15 funtów. Broń nuklearna zdetonowana nad Hiroszimą , zwana Little Boy , opierała się na rozszczepieniu uranu. Jednak pierwsza bomba atomowa ( gadżet użyty w Trinity ) i bomba zdetonowana nad Nagasaki ( Grubas ) były bombami plutonowymi.

Metaliczny uran ma trzy formy alotropowe :

  • α ( rombowy ) stabilny do 668 °C (1234 °F). rombowa, grupa przestrzenna nr 63, Cmcm , parametry sieci a = 285,4 pm, b = 587 pm, c = 495,5 pm.
  • β ( czterokątny ) stabilny od 668 do 775 °C (od 1234 do 1427 °F). Tetragonal, grupa przestrzenna P 4 2 / mnm , P 4 2 nm , lub P 4 n 2, parametry sieci a = 565,6 pm, b = c = 1075,9 pm.
  • γ ( sześcienny skoncentrowany na ciele ) od 775°C (1427 °F) do temperatury topnienia - jest to najbardziej plastyczny i ciągliwy stan. Sześcienny wyśrodkowany na ciele, parametr sieci a  = 352,4 pm.

Aplikacje

Wojskowy

Błyszczący metalowy cylinder z zaostrzoną końcówką.  Całkowita długość to 9 cm, a średnica około 2 cm.
Różne wojska używają zubożonego uranu jako penetratorów o dużej gęstości.

Głównym zastosowaniem uranu w sektorze wojskowym są penetratory o dużej gęstości. Amunicja ta składa się ze zubożonego uranu (DU) z dodatkiem 1-2% innych pierwiastków, takich jak tytan czy molibden . Przy dużej prędkości uderzenia gęstość, twardość i piroforyczność pocisku umożliwiają niszczenie ciężko opancerzonych celów. Pancerz czołgu i inne zdejmowane opancerzenie pojazdu można również utwardzić płytami ze zubożonego uranu. Użycie zubożonego uranu stało się politycznie i ekologicznie kontrowersyjne po użyciu takiej amunicji przez USA, Wielką Brytanię i inne kraje podczas wojen w Zatoce Perskiej i na Bałkanach, co wywołało pytania dotyczące związków uranu pozostawionych w glebie (patrz Syndrom wojny w Zatoce Perskiej ).

Zubożony uran jest również używany jako materiał osłonowy w niektórych pojemnikach używanych do przechowywania i transportu materiałów radioaktywnych. Chociaż sam metal jest radioaktywny, jego wysoka gęstość sprawia, że ​​skuteczniej niż ołów powstrzymuje promieniowanie z silnych źródeł, takich jak rad . Inne zastosowania zubożonego uranu obejmują przeciwwagi do powierzchni sterowych samolotów, jako balast dla pojazdów powracających do pocisków oraz jako materiał osłonowy. Ze względu na dużą gęstość materiał ten znajduje się w inercyjnych systemach naprowadzania oraz w kompasach żyroskopowych . Zubożony uran jest preferowany w porównaniu z metalami o podobnej gęstości ze względu na łatwość jego obróbki i odlewania, a także stosunkowo niski koszt. Głównym ryzykiem narażenia na zubożony uran jest chemiczne zatrucie tlenkiem uranu , a nie radioaktywnością (uran jest tylko słabym emiterem alfa ).

Podczas późniejszych etapów II wojny światowej , całej zimnej wojny oraz w mniejszym stopniu później uran-235 był używany jako rozszczepialny materiał wybuchowy do produkcji broni jądrowej. Początkowo zbudowano dwa główne typy bomb atomowych: stosunkowo proste urządzenie wykorzystujące uran-235 oraz bardziej skomplikowany mechanizm wykorzystujący pluton-239 pochodzący z uranu-238. Później zbudowano znacznie bardziej skomplikowany i znacznie potężniejszy rodzaj bomby rozszczepialnej/fuzyjnej ( broń termojądrowa ), która wykorzystuje urządzenie oparte na plutonie do wywołania fuzji jądrowej mieszaniny trytu i deuteru . Takie bomby są otoczone płaszczem z nierozszczepialnego (niewzbogaconego) uranu i czerpią ponad połowę swojej mocy z rozszczepienia tego materiału przez prędkie neutrony z procesu syntezy jądrowej.

Cywil

Zdjęcie przedstawia słoneczniki z przodu i roślinę z tyłu.  Elektrownia posiada szeroką chłodnię kominową o średnicy porównywalnej do jej wysokości z chmurą pary wodnej unoszącą się ze szczytu.
Najbardziej widoczne cywilne zastosowanie uranu to źródło energii cieplnej wykorzystywanej w elektrowniach jądrowych .

Głównym zastosowaniem uranu w sektorze cywilnym jest paliwo do elektrowni jądrowych . Jeden kilogram uranu-235 może teoretycznie wytworzyć około 20 teradżul energii (2 × 1013  dżuli ), przy założeniu całkowitego rozszczepienia; tyle energii , co 1,5 miliona kilogramów (1500 ton ) węgla .

Komercyjne elektrownie jądrowe wykorzystują paliwo, które jest zwykle wzbogacane do około 3% uranu-235. Projekty CANDU i Magnox są jedynymi komercyjnymi reaktorami zdolnymi do wykorzystywania niewzbogaconego paliwa uranowego. Paliwo używane w reaktorach Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych jest zazwyczaj wysoko wzbogacone w uran-235 (dokładne wartości są klasyfikowane ). W reaktorze powielającym uran-238 można również przekształcić w pluton w następującej reakcji:

238
92
U
+ n 239
92
U
+ γ β   239
93
Np
β   239
94
Pu
Szklane miejsce na szklanym stojaku.  Talerz świeci na zielono, a podstawka jest bezbarwna.
Szkło uranowe świecące w świetle UV

Przed (i czasami po) odkryciu radioaktywności uran był używany głównie w niewielkich ilościach do żółtego szkła i ceramiki, takich jak szkło uranowe i Fiestaware .

Odkrycie i wyizolowanie radu w rudzie uranu (blenda smołowa) przez Marie Curie zapoczątkowało rozwój wydobycia uranu w celu wydobycia radu, który był używany do wytwarzania świecących w ciemności farb na tarcze zegarów i samolotów. Pozostawiło to olbrzymią ilość uranu jako produktu odpadowego, ponieważ do wyekstrahowania jednego grama radu potrzeba trzech ton uranu. Ten produkt odpadowy został skierowany do przemysłu szklarskiego, dzięki czemu glazury uranowe były bardzo tanie i dostępne w dużych ilościach. Oprócz glazury ceramicznej, większość zastosowań stanowiły glazury do płytek uranowych , w tym zwykłe płytki łazienkowe i kuchenne, które mogą być produkowane w kolorach zielonym, żółtym, fiołkowym , czarnym, niebieskim, czerwonym i innych.

Glazura ceramiczna uranowa świecąca w świetle UV Projekt i opracowanie dr Sencer Sarı
Szklany cylinder zakończony na obu końcach metalowymi elektrodami.  Wewnątrz szklanej bańki znajduje się metalowy walec połączony z elektrodami.
Szkło uranowe stosowane jako uszczelnienia ołowiane w kondensatorze próżniowym

Uran był również używany w chemii fotograficznej (zwłaszcza azotan uranu jako toner ), we włóknach lamp do żarówek do oświetlenia scenicznego , w celu poprawy wyglądu protez oraz w przemyśle skórzanym i drzewnym do bejc i barwników. Sole uranu to zaprawa do jedwabiu lub wełny. Octan uranylu i mrówczan uranylu są używane jako gęste elektronowo „barwy” w transmisyjnej mikroskopii elektronowej w celu zwiększenia kontrastu próbek biologicznych w ultracienkich skrawkach oraz w ujemnym barwieniu wirusów , izolowanych organelli komórkowych i makrocząsteczek .

Odkrycie radioaktywności uranu zapoczątkowało dodatkowe naukowe i praktyczne zastosowania tego pierwiastka. Długi okres półtrwania izotopu uranu-238 (4,47 × 109 lat) sprawia, że ​​dobrze nadaje się do szacowania wieku najwcześniejszych skał magmowych oraz do innych rodzajów datowań radiometrycznych , w tym datowania uranowo-torowego , uranowo-ołowiowego i uranowo-uranowego . Metaliczny uran jest używany do celów promieniowania rentgenowskiego przy wytwarzaniu wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich.

Historia

Wykorzystanie przed odkryciem

Planeta Uran , której imię pochodzi od uranu

Stosowanie uranu w jego naturalnej postaci tlenkowej datuje się co najmniej na 79 rok n.e. , kiedy to stosowano go w Cesarstwie Rzymskim do nadania żółtego koloru szkliwom ceramicznym . Żółte szkło z 1% tlenkiem uranu zostało znalezione w rzymskiej willi na przylądku Posillipo w Zatoce Neapolitańskiej we Włoszech przez RT Gunthera z Uniwersytetu Oksfordzkiego w 1912 roku. Począwszy od późnego średniowiecza mieszankę smoły wydobywano z habsburskich kopalni srebra w Joachimsthal w Czechach (obecnie Jáchymov w Czechach) i był używany jako środek barwiący w miejscowym przemyśle szklarskim . Na początku XIX wieku jedynymi znanymi na świecie źródłami rudy uranu były te kopalnie. Wydobycie uranu w Rudawach ustało po stronie niemieckiej po zakończeniu zimnej wojny i likwidacji SDAG Wismut . Po stronie czeskiej w czasie bańki cenowej uranu w 2007 roku podejmowano próby wznowienia wydobycia, ale zostały one szybko zarzucone po spadku cen uranu.

Odkrycie

Dwie rozmyte czarne elementy na rozmytym białym tle przypominającym papier.  Na górze obrazu znajduje się pismo odręczne.
Antoine Henri Becquerel odkrył zjawisko radioaktywności , wystawiając kliszę fotograficzną na działanie uranu w 1896 r.

Odkrycie pierwiastka przypisuje się niemieckiemu chemikowi Martinowi Heinrichowi Klaprothowi . Podczas pracy w swoim laboratorium eksperymentalnym w Berlinie w 1789 Klaproth był w stanie wytrącić żółty związek (prawdopodobnie diuranian sodu ) przez rozpuszczenie mieszanki smoły w kwasie azotowym i zobojętnienie roztworu wodorotlenkiem sodu . Klaproth założył, że żółta substancja jest tlenkiem nieodkrytego jeszcze pierwiastka i podgrzał ją węglem drzewnym , aby uzyskać czarny proszek, który, jak sądził, był sam nowo odkrytym metalem (w rzeczywistości ten proszek był tlenkiem uranu). Nowo odkryty pierwiastek nazwał na cześć planety Uran (od imienia pierwotnego greckiego boga nieba ), którą osiem lat wcześniej odkrył William Herschel .

W 1841 r. Eugène-Melchior Péligot , profesor chemii analitycznej w Conservatoire National des Arts et Métiers (Centralna Szkoła Sztuki i Produkcji) w Paryżu , wyizolował pierwszą próbkę metalicznego uranu przez ogrzewanie tetrachlorku uranu z potasem .

Henri Becquerel odkrył radioaktywność przy użyciu uranu w 1896 roku. Becquerel dokonał tego odkrycia w Paryżu, zostawiając w szufladzie próbkę soli uranu K 2 UO 2 (SO 4 ) 2 (uranylosiarczan potasu) na nienaświetlonej kliszy fotograficznej i zauważając, że płyta została „zaparowana”. Stwierdził, że forma niewidzialnego światła lub promieni emitowanych przez uran odsłoniła płytę.

Podczas I wojny światowej, kiedy państwa centralne cierpiały na brak molibdenu do produkcji luf dział artyleryjskich i stali narzędziowych szybkotnących, rutynowo zastępowały one stopy żelazouranu , które wykazują wiele takich samych właściwości fizycznych. Kiedy praktyka ta stała się znana w 1916 r., rząd USA zwrócił się do kilku znanych uniwersytetów o zbadanie tych zastosowań uranu, a narzędzia wykonane z tych formuł pozostały w użyciu przez kilka dziesięcioleci, kończąc się dopiero, gdy Projekt Manhattan i zimna wojna postawiły duże zapotrzebowanie na uran do rozszczepienia badania i rozwój broni.

Badania rozszczepienia

Kostki i prostopadłościany uranu wyprodukowane w ramach projektu Manhattan

Zespół kierowany przez Enrico Fermi w 1934 r. zaobserwował, że bombardowanie uranu neutronami powoduje emisję promieni beta ( elektronów lub pozytonów z wytworzonych pierwiastków; patrz cząstka beta ). Produkty rozszczepienia początkowo mylono z nowymi pierwiastkami o liczbie atomowej 93 i 94, które Dziekan Wydziału Rzymskiego Orso Mario Corbino ochrzcił odpowiednio jako ausonium i hesperium . Eksperymenty prowadzące do odkrycia zdolności uranu do rozszczepiania (rozkładania) na lżejsze pierwiastki i uwalniania energii wiążącej przeprowadzili Otto Hahn i Fritz Strassmann w laboratorium Hahna w Berlinie. Lise Meitner i jej siostrzeniec, fizyk Otto Robert Frisch , opublikowali fizyczne wyjaśnienie w lutym 1939 roku i nazwali ten proces „ rozszczepieniem jądrowym ”. Wkrótce potem Fermi postawił hipotezę, że rozszczepienie uranu może uwolnić wystarczającą ilość neutronów, aby podtrzymać reakcję rozszczepienia. Potwierdzenie tej hipotezy przyszło w 1939 roku, a późniejsze prace wykazały, że średnio około 2,5 neutronów jest uwalnianych podczas każdego rozszczepienia rzadkiego izotopu uranu uranu-235. Fermi wezwał Alfreda OC Niera do oddzielenia izotopów uranu w celu określenia składnika rozszczepialnego, a 29 lutego 1940 r. Nier użył przyrządu, który zbudował na Uniwersytecie Minnesota, do oddzielenia pierwszej na świecie próbki uranu-235 w laboratorium Tate. Po przesłaniu pocztą do cyklotronu Uniwersytetu Columbia , John Dunning potwierdził 1 marca, że ​​próbka jest wyizolowanym materiałem rozszczepialnym . Dalsze prace wykazały, że znacznie bardziej powszechny izotop uranu-238 może zostać przekształcony w pluton, który, podobnie jak uran-235, jest również rozszczepialny przez neutrony termiczne. Odkrycia te doprowadziły wiele krajów do rozpoczęcia prac nad rozwojem broni jądrowej i energii jądrowej . Pomimo odkrycia rozszczepienia w Niemczech, niemiecki projekt wojenny Uranverein („klub uranowy”) dotyczący badań nad energią jądrową i/lub bronią był utrudniony przez ograniczone zasoby, walki wewnętrzne, wygnanie lub brak zaangażowania kilku wybitnych naukowców w tej dziedzinie i kilku kluczowe błędy, takie jak nieuwzględnienie zanieczyszczeń w dostępnych próbkach grafitu, przez co wydawał się mniej odpowiedni jako moderator neutronów niż w rzeczywistości. Niemieckie próby zbudowania naturalnego reaktora uranowo - ciężkowodnego nie zbliżyły się do stanu krytycznego, zanim Amerykanie dotarli do Haigerloch , miejsca ostatniego niemieckiego eksperymentu z reaktorem w czasie wojny.

2 grudnia 1942 roku, w ramach Projektu Manhattan , inny zespół kierowany przez Enrico Fermi był w stanie zainicjować pierwszą sztuczną, samowystarczalną reakcję łańcuchową , Chicago Pile-1 . Początkowy plan wykorzystania wzbogaconego uranu-235 został porzucony, ponieważ nie był on jeszcze dostępny w wystarczających ilościach. Pracując w laboratorium pod trybunami Stagg Field na Uniwersytecie w Chicago , zespół stworzył warunki potrzebne do takiej reakcji, układając razem 400  ton amerykańskich (360  ton metrycznych ) grafitu , 58 ton amerykańskich (53 ton metrycznych) uranu tlenkiem i sześć krótkich ton (5,5 tony metryczne) metalicznego uranu, z których większość została dostarczona przez Westinghouse Lamp Plant w prowizorycznym procesie produkcyjnym.

Broń jądrowa

Biała, rozdrobniona, przypominająca grzyby chmura dymu unosząca się z ziemi.
Chmura grzybowa nad Hiroszimą po zrzuceniu bomby atomowej na bazie uranu o nazwie „ Mały chłopiec

Dwa główne typy bomb atomowych zostały opracowane przez Stany Zjednoczone podczas II wojny światowej : urządzenie na bazie uranu (o kryptonimie „ Little Boy ”), którego materiałem rozszczepialnym był wysoko wzbogacony uran , oraz urządzenie na bazie plutonu (patrz test Trinity i „ Tłuszcz Człowiek "), którego pluton pochodzi z uranu-238. Urządzenie Little Boy oparte na uranie stało się pierwszą bronią nuklearną użytą podczas wojny, kiedy zostało zdetonowane nad japońskim miastem Hiroszima 6 sierpnia 1945 roku. Eksplozja z wydajnością odpowiadającą 12 500 ton trotylu , wybuch i fala termiczna bomby zniszczyły prawie 50 000 budynków i zginęło około 75 000 osób (patrz bombardowania atomowe Hiroszimy i Nagasaki ). Początkowo uważano, że uran jest stosunkowo rzadki i że proliferacji jądrowej można uniknąć, po prostu wykupując wszystkie znane zapasy uranu, ale w ciągu dekady odkryto duże jego złoża w wielu miejscach na całym świecie.

Reaktory

Industrialny pokój z czterema dużymi podświetlanymi żarówkami zwisającymi z baru.
Cztery żarówki oświetlone energią elektryczną wytworzoną z pierwszego sztucznego reaktora jądrowego wytwarzającego energię elektryczną, EBR-I (1951)

Reaktor grafitowy X-10 w Oak Ridge National Laboratory (ORNL) w Oak Ridge w stanie Tennessee, wcześniej znany jako Clinton Pile i X-10 Pile, był drugim na świecie sztucznym reaktorem jądrowym (po Chicago Pile Enrico Fermiego) i był pierwszym reaktor zaprojektowany i zbudowany do pracy ciągłej. Eksperymentalny Reaktor Hodowca I Argonne National Laboratory , znajdujący się w Krajowej Stacji Testowej Reaktorów Komisji Energii Atomowej w pobliżu Arco w stanie Idaho , stał się pierwszym reaktorem jądrowym, który wytwarzał energię elektryczną 20 grudnia 1951 roku. Początkowo cztery 150-watowe żarówki były zapalane przez reaktora, ale ulepszenia w końcu umożliwiły zasilenie całego obiektu (później miasto Arco jako pierwsze na świecie miało całą energię elektryczną wytwarzaną z energii jądrowej wytwarzanej przez BORAX-III , kolejny reaktor zaprojektowany i obsługiwany przez Argonne National Laboratory ) . Pierwsza na świecie elektrownia jądrowa na skalę komercyjną, Obninsk w Związku Radzieckim , rozpoczęła produkcję wraz z reaktorem AM-1 27 czerwca 1954 r. Inne wczesne elektrownie jądrowe to Calder Hall w Anglii , która rozpoczęła produkcję 17 października 1956 r . Elektrownia atomowa w Pensylwanii , która została uruchomiona 26 maja 1958 r. Po raz pierwszy do napędu okrętu podwodnego USS Nautilus wykorzystano energię jądrową w 1954 r .

Prehistoryczne, naturalnie występujące rozszczepienie

W 1972 roku francuski fizyk Francis Perrin odkrył piętnaście starożytnych i nieaktywnych już naturalnych reaktorów jądrowego rozszczepienia jądrowego w trzech oddzielnych złożach rudy w kopalni Oklo w Gabonie w Afryce Zachodniej , znanych pod wspólną nazwą Oklo Fossil Reactors . Złoże rudy ma 1,7 miliarda lat; wtedy uran-235 stanowił około 3% całkowitego uranu na Ziemi. Jest to wystarczająco wysokie, aby umożliwić ciągłą reakcję łańcuchową rozszczepienia jądra, pod warunkiem, że istnieją inne warunki podtrzymujące. Zdolność otaczającego osadu do przechowywania odpadów jądrowych została przytoczona przez rząd federalny Stanów Zjednoczonych jako dowód na możliwość przechowywania wypalonego paliwa jądrowego w składowisku odpadów jądrowych Yucca Mountain .

Skażenie i spuścizna zimnej wojny

Wykres przedstawiający ewolucję ilości broni jądrowej w USA i ZSRR oraz w latach 1945–2005.  Stany Zjednoczone dominują na początku, a ZSRR w późniejszych latach z crossoverem około 1978 roku.
Amerykańskie i ZSRR/rosyjskie zapasy broni jądrowej, 1945–2005

Naziemne testy nuklearne przeprowadzone przez Związek Radziecki i Stany Zjednoczone w latach pięćdziesiątych i wczesnych sześćdziesiątych oraz przez Francję w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych spowodowały rozprzestrzenienie się znacznej ilości opadu z izotopów pochodnych uranu na całym świecie. Dodatkowe opady i zanieczyszczenia wystąpiły w wyniku kilku awarii jądrowych .

Wydobywcy uranu mają większą zachorowalność na raka . Na przykład, udokumentowano i powiązano z wykonywanym zawodem nadmierne ryzyko zachorowania na raka płuc wśród górników uranu z Navajo . Ustawa o kompensacji narażenia na promieniowanie ( Radiation Exposure Compensation Act ), ustawa z 1990 r. w Stanach Zjednoczonych, wymagała 100 000 dolarów w „płatności za współczucie” dla górników uranu, u których zdiagnozowano raka lub inne dolegliwości układu oddechowego.

Podczas zimnej wojny między Związkiem Radzieckim a Stanami Zjednoczonymi zgromadzono ogromne zapasy uranu i stworzono dziesiątki tysięcy broni jądrowej ze wzbogaconego uranu i plutonu wytworzonego z uranu. Od rozpadu Związku Radzieckiego w 1991 r. około 600 ton krótkich (540 ton metrycznych) wysoko wzbogaconego uranu klasy broni (wystarczająco, aby wyprodukować 40 000 głowic jądrowych) było przechowywanych w często nieodpowiednio strzeżonych obiektach w Federacji Rosyjskiej , a kilka inne kraje byłego Związku Radzieckiego. Policja w Azji , Europie i Ameryce Południowej co najmniej 16 razy w latach 1993-2005 przechwyciła przesyłki uranu lub plutonu z przemytu, z których większość pochodziła ze źródeł poradzieckich. Od 1993 do 2005 roku Program Ochrony Materiałów, Kontroli i Księgowości, prowadzony przez rząd federalny Stanów Zjednoczonych , wydał około 550 milionów dolarów na ochronę zapasów uranu i plutonu w Rosji. Pieniądze te zostały wykorzystane na ulepszenia i ulepszenia bezpieczeństwa w obiektach badawczych i magazynowych. Scientific American donosiło w lutym 2006 r., że w niektórych obiektach zabezpieczenia składały się z ogrodzeń z ogniw łańcuchowych, które znajdowały się w bardzo złym stanie. Według wywiadu z artykułu, jeden zakład przechowywał próbki wzbogaconego uranu (klasa do broni) w schowku na miotły przed projektem ulepszeń; inny śledził zapasy głowic nuklearnych za pomocą kart katalogowych przechowywanych w pudełku po butach.

Występowanie

Pochodzenie

Wraz ze wszystkimi pierwiastkami o masie atomowej większej niż żelazo , uran powstaje wyłącznie w sposób naturalny w procesie r (szybkie wychwytywanie neutronów) w supernowych i fuzji gwiazd neutronowych . Pierwotny tor i uran są produkowane tylko w procesie r, ponieważ proces s (powolne wychwytywanie neutronów) jest zbyt wolny i nie może przejść przez lukę niestabilności po bizmucie. Poza dwoma istniejącymi pierwotnymi izotopami uranu, 235 U i 238 U, proces r wytworzył również znaczne ilości 236 U , który ma krótszy okres półtrwania, a więc jest wymarłym radionuklidem , który dawno temu całkowicie się rozpadł do 232 Th. Sam uran-236 został wzbogacony rozpadem 244 Pu , co odpowiada za zaobserwowaną wyższą niż oczekiwano zawartość toru i niższą niż oczekiwano zawartość uranu. Podczas gdy naturalna obfitość uranu została uzupełniona rozpadem wymarłego 242 Pu (okres połowicznego rozpadu 0,375 mln lat) i 247 Cm (okres połowicznego rozpadu 16 mln lat), wytwarzając odpowiednio 238 U i 235 U, okazało się to prawie nieistotne. ze względu na krótsze okresy półtrwania tych rodziców i ich mniejszą produkcję niż 236 U i 244 Pu, stosunek rodziców toru: 247 Cm: 235 U przy powstawaniu Układu Słonecznego był(7,0 ± 1,6 ) × 10-5 .

Biotyczne i abiotyczne

Błyszczący szary 5-centymetrowy kawałek materii o szorstkiej powierzchni.
Uraninit, znany również jako blenda smołowa, jest najczęstszą rudą wydobywaną w celu ekstrakcji uranu.
Ewolucja przepływu ciepła radiogenicznego na Ziemi w czasie: udział 235 U w kolorze czerwonym i 238 U w kolorze zielonym

Uran to naturalnie występujący pierwiastek, który można znaleźć w niewielkich ilościach we wszystkich skałach, glebie i wodzie. Uran jest 51. pierwiastkiem w kolejności obfitości w skorupie ziemskiej. Uran jest również pierwiastkiem o najwyższej liczbie występujących naturalnie w znacznych ilościach na Ziemi i prawie zawsze występuje w połączeniu z innymi pierwiastkami. Uważa się, że rozpad uranu, toru i potasu-40 w płaszczu Ziemi jest głównym źródłem ciepła, które utrzymuje zewnętrzne jądro Ziemi w stanie ciekłym i napędza konwekcję w płaszczu , co z kolei napędza tektonikę płyt .

Średnie stężenie uranu w skorupie ziemskiej wynosi (w zależności od odniesienia) 2 do 4 części na milion, czyli około 40 razy więcej niż srebro . Obliczono, że skorupa ziemska od powierzchni do 25 km (15 mil) w dół zawiera 10 17  kg (2 × 1017  funtów) uranu, podczas gdy oceany mogą zawierać 10 13  kg (2 × 1013  funtów). Stężenie uranu w glebie waha się od 0,7 do 11 części na milion (do 15 części na milion w glebie uprawnej w wyniku stosowania nawozów fosforowych ), a jego stężenie w wodzie morskiej wynosi 3 części na miliard.

Uran jest bardziej obfity niż antymon , cyna , kadm , rtęć czy srebro i jest mniej więcej tak obfity jak arsen czy molibden . Uran znajduje się w setkach minerałów, w tym w uranicie (najbardziej powszechna ruda uranu ), karnotycie , autunitu , uranofanie , torbernicie i trumnie . Znaczne stężenia uranu występują w niektórych substancjach, takich jak złoża fosforytów oraz minerały, takie jak węgiel brunatny i piaski monazytowe w rudach bogatych w uran (jest on komercyjnie odzyskiwany ze źródeł zawierających zaledwie 0,1% uranu).

Pięć ogniw w kształcie prętów na płaskiej powierzchni: cztery w grupie i jedna osobno.
Gatunki Citrobacter mogą mieć w swoich komórkach stężenie uranu 300 razy większe niż w otaczającym środowisku.

Niektóre bakterie, takie jak Shewanella putrefaciens , Geobacter metallireducens i niektóre szczepy Burkholderia fungorum , wykorzystują do swojego wzrostu uran i przekształcają U(VI) w U(IV). Ostatnie badania sugerują, że szlak ten obejmuje redukcję rozpuszczalnego U(VI) poprzez pośredni stan pięciowartościowy U(V).

Inne organizmy, takie jak porost Trapelia involuta czy mikroorganizmy , takie jak bakteria Citrobacter , mogą wchłaniać stężenia uranu do 300 razy większe niż w ich środowisku. Gatunki Citrobacter absorbują jony uranylu po podaniu fosforanu glicerolu (lub innych podobnych fosforanów organicznych). Po jednym dniu jeden gram bakterii może otoczyć się dziewięcioma gramami kryształów fosforanu uranylu; stwarza to możliwość wykorzystania tych organizmów w bioremediacji do odkażania wody zanieczyszczonej uranem. Wykazano również, że proteobacterium Geobacter dokonuje bioremediacji uranu w wodach gruntowych. Grzyb mikoryzowy Glomus intraradices zwiększa zawartość uranu w korzeniach symbiotycznej rośliny.

W naturze uran(VI) tworzy wysoce rozpuszczalne kompleksy węglanowe przy alkalicznym pH. Prowadzi to do wzrostu mobilności i dostępności uranu do wód gruntowych i gleby z odpadów jądrowych, co prowadzi do zagrożeń dla zdrowia. Jednak trudno jest wytrącić uran w postaci fosforanu w obecności nadmiaru węglanu przy zasadowym pH. Sp . _ Stwierdzono, że szczep BSAR-1 wyraża wysoką aktywność fosfatazy alkalicznej (PhoK), którą zastosowano do bioprecypitacji uranu w postaci fosforanu uranylu z roztworów alkalicznych. Zdolność do precypitacji została wzmocniona przez nadekspresję białka PhoK w E. coli .

Rośliny pobierają trochę uranu z gleby. Stężenia suchej masy uranu w roślinach wahają się od 5 do 60 części na miliard, a popiół ze spalonego drewna może mieć stężenie do 4 części na milion. Stężenia uranu w suchej masie w roślinach spożywczych są zazwyczaj niższe i wynoszą od jednego do dwóch mikrogramów dziennie wraz z pożywieniem, które ludzie spożywają.

Produkcja i wydobycie

Produkcja uranu 2015

Światowa produkcja U 3 O 8 (żółtko) w 2013 roku wyniosła 70 015 ton , z czego 22 451 t (32%) wydobyto w Kazachstanie . Inne ważne kraje wydobywające uranu to Kanada (9331 t), Australia (6350 t), Niger (4518 t), Namibia (4323 t) i Rosja (3135 t).

Ruda uranu jest wydobywana na kilka sposobów: przez odkrywki , pod ziemią , ługowanie in situ oraz wydobycie otworowe (patrz wydobycie uranu ). Wydobywana ruda uranu niskiej jakości zwykle zawiera 0,01 do 0,25% tlenków uranu. Aby wydobyć metal z rudy, należy zastosować szeroko zakrojone środki. Rudy wysokiej jakości znalezione w złożach basenu Athabasca w Saskatchewan w Kanadzie mogą zawierać średnio do 23% tlenków uranu. Ruda uranu jest kruszona i przerabiana na drobny proszek, a następnie ługowana kwasem lub zasadą . Odciek poddawany jest jednej z kilku sekwencji wytrącania, ekstrakcji rozpuszczalnikiem i wymianie jonowej. Powstała mieszanina, zwana yellowcake , zawiera co najmniej 75% tlenków uranu U 3 O 8 . Yellowcake jest następnie kalcynowany w celu usunięcia zanieczyszczeń z procesu mielenia przed rafinacją i konwersją.

Uran klasy handlowej można wytwarzać poprzez redukcję halogenków uranu za pomocą metali alkalicznych lub metali ziem alkalicznych . Metaliczny uran można również wytwarzać przez elektrolizę KUF
5
lub UF
4
, rozpuszczony w stopionym chlorku wapnia ( Ca Cl
2
) i roztworem chlorku sodu ( NaCl ). Bardzo czysty uran powstaje w wyniku termicznego rozkładu halogenków uranu na gorącym włóknie.

Zasoby i rezerwy

Szacuje się, że 5,5 miliona ton uranu znajduje się w rezerwach rud, które są ekonomicznie opłacalne na poziomie 59 USD za funt uranu, podczas gdy 35 milionów ton jest sklasyfikowanych jako zasoby mineralne (rozsądne perspektywy ekonomicznego wydobycia). Ceny wzrosły z około 10 USD/lb w maju 2003 r. do 138 USD/lb w lipcu 2007 r. Spowodowało to duży wzrost wydatków na poszukiwania, przy 200 mln USD wydanych na całym świecie w 2005 r., co stanowi wzrost o 54% w porównaniu z poprzednim rokiem. Tendencja ta utrzymywała się do 2006 r., kiedy wydatki na poszukiwania wzrosły do ​​ponad 774 mln USD, co stanowi wzrost o ponad 250% w porównaniu z 2004 r. Agencja Energii Jądrowej OECD stwierdziła, że ​​dane dotyczące poszukiwań w 2007 r. prawdopodobnie dorównają tym z 2006 r.

Australia posiada 31% znanych światowych zasobów rudy uranu i największe na świecie pojedyncze złoże uranu, zlokalizowane w Olympic Dam Mine w Australii Południowej . W Bakouma , podprefekturze w prefekturze Mbomou w Republice Środkowoafrykańskiej , znajdują się znaczne rezerwy uranu .

Część paliwa jądrowego pochodzi z demontowanej broni jądrowej, na przykład z programu Megatons to Megawatts Program .

Szacuje się, że dodatkowe 4,6 miliarda ton uranu znajduje się w wodzie morskiej ( japońscy naukowcy w latach 80. wykazali, że wydobycie uranu z wody morskiej za pomocą wymieniaczy jonowych było technicznie wykonalne). Przeprowadzono eksperymenty ekstrakcji uranu z wody morskiej, ale wydajność była niska ze względu na obecność węglanu w wodzie. W 2012 roku naukowcy ORNL ogłosili pomyślne opracowanie nowego materiału chłonnego o nazwie HiCap, który zapewnia powierzchniową retencję cząsteczek stałych lub gazowych, atomów lub jonów, a także skutecznie usuwa toksyczne metale z wody, zgodnie z wynikami zweryfikowanymi przez naukowców z Pacific Northwest National Laboratory.

Kieszonkowe dzieci

Miesięczna cena spot uranu w USD za funt. Szczyt cenowy z 2007 roku jest wyraźnie widoczny.

W 2005 roku siedemnaście krajów produkowało stężone tlenki uranu: Kanada (27,9% światowej produkcji), Australia (22,8%), Kazachstan (10,5%), Rosja (8,0%), Namibia (7,5%), Niger (7,4%), Uzbekistan (5,5%) Stany Zjednoczone (2,5%), Argentyna (2,1%), Ukraina (1,9%) i Chiny (1,7%). W 2008 r. prognozowano, że Kazachstan zwiększy produkcję i do 2009 r. może stać się największym światowym producentem uranu z oczekiwaną produkcją 12 826 ton, w porównaniu z Kanadą z 11 100 ton i Australią z 9 430 ton. Przewidywania się sprawdziły. W 2019 roku Kazachstan wydobywa najwięcej uranu z kopalń (42% światowych dostaw), następnie Kanada (13%) i Australia (12%), Namibia (10%), Uzbekistan (6%), Niger (5%), Rosja (5%), Chiny (3%), Ukraina (1,5%), USA (0,12%), Indie (0,6%), Iran (0,13%), z całkowitą produkcją światową 54752 ton z kopalń. Należy jednak wspomnieć, że w 2019 r. uran wydobywano nie tylko poprzez konwencjonalne podziemne wydobycie rud 43% produkcji (54752 ton), gdzie zmineralizowana skała jest usuwana z gruntu, rozdrabniając ją i oczyszczając w celu usunięcia poszukiwanych minerałów ale także metodami wymywania in situ (ISL) 57% światowej produkcji (64 566 ton).

Pod koniec lat sześćdziesiątych geolodzy z ONZ odkryli również duże złoża uranu i inne rzadkie złoża minerałów w Somalii . Znalezisko było największym tego rodzaju, a eksperci branżowi szacują złoża na ponad 25% znanych wówczas światowych zasobów uranu na 800 000 ton.

Uważa się, że ostateczna dostępna podaż będzie wystarczająca na co najmniej następne 85 lat, chociaż niektóre badania wskazują, że niedoinwestowanie pod koniec XX wieku może spowodować problemy z podażą w XXI wieku. Wydaje się, że złoża uranu mają rozkład logarytmiczny. Z każdym dziesięciokrotnym spadkiem zawartości rudy następuje 300-krotny wzrost ilości odzyskiwanego uranu. Innymi słowy, jest niewiele rudy wysokiej jakości i proporcjonalnie znacznie więcej dostępnej rudy niskiej jakości.

Związki

Reakcje metalicznego uranu

Stany utlenienia i tlenki

Tlenki

Model kulowo-kijowy warstwowej struktury kryształu zawierający dwa rodzaje atomów.
Model kulowo-kijowy o sześciennej strukturze krystalicznej zawierający dwa rodzaje atomów.
Oktalanek triuranu (po lewej) i dwutlenek uranu (po prawej) to dwa najpowszechniejsze tlenki uranu.

Kalcynowany żółty placek uranowy, wytwarzany w wielu dużych młynach, zawiera rozmieszczenie form utleniających uranu w różnych postaciach, od najbardziej do najbardziej utlenionych do najmniej utlenionych. Cząstki o krótkim czasie przebywania w kalcynatorze będą na ogół mniej utlenione niż te o długim czasie przebywania lub cząstki odzyskane w płuczce kominowej. Zawartość uranu jest zwykle określana jako U
3
O
8
, który pochodzi z czasów Projektu Manhattan, kiedy U
3
O
8
został użyty jako standard raportowania chemii analitycznej.

Zależności fazowe w układzie uran-tlen są złożone. Najważniejszymi stopniami utlenienia uranu są uran(IV) i uran(VI), a ich dwa odpowiadające im tlenki to odpowiednio dwutlenek uranu ( UO
2
) i trójtlenek uranu ( UO
3
). Inne tlenki uranu, takie jak tlenek uranu (UO), pięciotlenek diuranu ( U
2
O
5
) i nadtlenek uranu ( UO
4
·2H
2
O
) również istnieje.

Najczęstsze formy tlenku uranu to oktatlenek triuranu ( U
3
O
8
) i UO
2
. Obie formy tlenkowe są ciałami stałymi, które mają niską rozpuszczalność w wodzie i są stosunkowo stabilne w szerokim zakresie warunków środowiskowych. Oktatlenek triuranu jest (w zależności od warunków) najtrwalszym związkiem uranu i jest formą najczęściej występującą w przyrodzie. Dwutlenek uranu to forma, w której uran jest najczęściej używany jako paliwo do reaktorów jądrowych. W temperaturze otoczenia UO
2
stopniowo przekształci się w U
3
O
8
. Ze względu na ich stabilność, tlenki uranu są ogólnie uważane za preferowaną postać chemiczną do przechowywania lub usuwania.

Chemia wodna

Uran na stopniach utlenienia III, IV, V, VI

Sole wielu stopni utlenienia uranu są rozpuszczalne w wodzie i mogą być badane w roztworach wodnych . Najczęstsze formy jonowe to U3+
(brązowo-czerwony), U4+
(zielony), UO+
2
(niestabilny) i UO2+
2
(żółty), odpowiednio dla U(III), U(IV), U(V) i U(VI). Dla formalnego stanu utlenienia uranu(II) istnieje kilka stałych i półmetalicznych związków, takich jak UO i US, ale nie są znane żadne proste jony w roztworze dla tego stanu. Jony U3+
uwalniają wodór z wody i dlatego są uważane za wysoce niestabilne. UO _2+
2
jon reprezentuje stan uranu(VI) i wiadomo, że tworzy związki takie jak węglan uranylu , chlorek uranylu i siarczan uranylu . UO2+
2
tworzy również kompleksy z różnymi organicznymi czynnikami chelatującymi , z których najczęściej spotykanym jest octan uranylu .

W przeciwieństwie do soli uranylowych form kationowych uranu i wieloatomowego jonu tlenku uranu, uranany , sole zawierające anion wieloatomowego tlenku uranu, na ogół nie są rozpuszczalne w wodzie.

Węglany

Oddziaływania anionów węglanowych z uranem(VI) powodują, że wykres Pourbaixa zmienia się znacznie, gdy medium zmienia się z wody na roztwór zawierający węglan. Podczas gdy zdecydowana większość węglanów jest nierozpuszczalna w wodzie (studentów często uczy się, że wszystkie węglany inne niż węglany metali alkalicznych są nierozpuszczalne w wodzie), węglany uranu są często rozpuszczalne w wodzie. Dzieje się tak, ponieważ kation U(VI) jest zdolny do wiązania dwóch końcowych tlenków i trzech lub więcej węglanów, tworząc kompleksy anionowe.

Diagramy Pourbaix
Wykres potencjału w funkcji pH przedstawiający regiony stabilności różnych związków uranu
Wykres potencjału w funkcji pH przedstawiający regiony stabilności różnych związków uranu
Uran w niekompleksującym środowisku wodnym (np . kwas nadchlorowy /wodorotlenek sodu). Uran w roztworze węglanu
Wykres potencjału w funkcji pH przedstawiający regiony stabilności różnych związków uranu
Wykres potencjału w funkcji pH przedstawiający regiony stabilności różnych związków uranu
Względne stężenia różnych form chemicznych uranu w niekompleksowym środowisku wodnym (np . kwas nadchlorowy /wodorotlenek sodu). Względne stężenia różnych form chemicznych uranu w wodnym roztworze węglanu.

Wpływ pH

Wykresy frakcji uranu w obecności węglanu ilustrują to dalej: gdy pH roztworu uranu(VI) wzrasta, uran jest przekształcany w uwodniony wodorotlenek uranu, a przy wysokim pH staje się kompleksem wodorotlenku anionowego.

Po dodaniu węglanu uran jest przekształcany w szereg kompleksów węglanowych, jeśli pH wzrasta. Jednym ze skutków tych reakcji jest zwiększona rozpuszczalność uranu w zakresie pH od 6 do 8, co ma bezpośredni wpływ na długoterminową stabilność zużytego paliwa jądrowego w postaci dwutlenku uranu.

Wodorki, węgliki i azotki

Metaliczny uran podgrzany do 250 do 300 ° C (482 do 572 ° F) reaguje z wodorem , tworząc wodorek uranu . Nawet wyższe temperatury odwracalnie usuną wodór. Ta właściwość sprawia, że ​​wodorki uranu są wygodnymi materiałami wyjściowymi do tworzenia reaktywnego proszku uranu wraz z różnymi związkami węglika , azotku i halogenku uranu. Istnieją dwie krystaliczne modyfikacje wodorku uranu: forma α, którą otrzymuje się w niskich temperaturach oraz forma β, która powstaje, gdy temperatura formacji przekracza 250 °C.

Węgliki uranu i azotki uranu są stosunkowo obojętnymi związkami półmetalicznymi , które są minimalnie rozpuszczalne w kwasach , reagują z wodą i mogą zapalić się w powietrzu , tworząc U
3
O
8
. Węgliki uranu obejmują monowęglik uranu ( UC ), dwuwęglik uranu ( UC
2
) i triwęglik diuranu ( U
2
C
3
). Zarówno UC, jak i UC
2
powstają przez dodanie węgla do stopionego uranu lub przez wystawienie metalu na działanie tlenku węgla w wysokich temperaturach. Stabilny poniżej 1800 °C, U
2
C
3
jest przygotowywany przez poddanie podgrzanej mieszaninie UC i UC
2
na naprężenia mechaniczne. Azotki uranu otrzymywane przez bezpośrednią ekspozycję metalu na działanie azotu obejmują monoazotek uranu (UN), dwuazotek uranu ( UN
2
) i triazotek diuranu ( U
2
n
3
).

Halogenki

Śnieżnopodobna substancja w zamkniętej szklanej ampułce.
Sześciofluorek uranu jest surowcem używanym do oddzielania uranu-235 od uranu naturalnego.

Wszystkie fluorki uranu są tworzone przy użyciu tetrafluorku uranu ( UF
4
); UF
4
sam jest wytwarzany przez hydrofluorowanie dwutlenku uranu. Redukcja UF
4
z wodorem w 1000 °C wytwarza trifluorek uranu ( UF
3
). W odpowiednich warunkach temperatury i ciśnienia reakcja stałego UF
4
z gazowym sześciofluorkiem uranu ( UF
6
) może tworzyć pośrednie fluorki U
2
F
9
, U
4
F
17
i UF
5
.

W temperaturze pokojowej UF
6
ma wysoką prężność pary , dzięki czemu jest przydatny w procesie dyfuzji gazowej w celu oddzielenia rzadkiego izotopu uranu-235 od zwykłego izotopu uranu-238. Związek ten można otrzymać z dwutlenku uranu i wodorku uranu w następującym procesie:

UO
2
+ 4 HF → UF
4
+ 2 godz
2
O
(500°C, endotermiczne)
UF
4
+ F
2
UF
6
(350 °C, endotermiczny)

Wynikowe UF
6
, białe ciało stałe, jest wysoce reaktywne (przez fluorowanie), łatwo sublimuje (emitując parę, która zachowuje się jak prawie idealny gaz ) i jest najbardziej lotnym związkiem uranu znanym.

Jedna metoda przygotowania czterochlorku uranu ( UCl
4
) jest bezpośrednie łączenie chloru z metalicznym uranem lub wodorkiem uranu. Redukcja UCl
4
przez wodór wytwarza trójchlorek uranu ( UCl
3
), podczas gdy wyższe chlorki uranu wytwarza się w reakcji z dodatkowym chlorem. Wszystkie chlorki uranu reagują z wodą i powietrzem.

Bromki i jodki uranu powstają w bezpośredniej reakcji odpowiednio bromu i jodu z uranem lub przez dodanie UH
3
do kwasów tego pierwiastka. Znane przykłady to: UBr
3
, UBr
4
, interfejs użytkownika
3
i interfejs użytkownika
4
. interfejs użytkownika
5
nigdy nie została przygotowana. Tlenohalogenki uranu są rozpuszczalne w wodzie i zawierają UO
2
F
2
, UOCl
2
, UO
2
Cl
2
, oraz UO
2
Br
2
. Stabilność tlenohalogenków zmniejsza się wraz ze wzrostem masy atomowej halogenku składnika.

Izotopy

Stężenia naturalne

Naturalny uran składa się z trzech głównych izotopów: uran-238 (99,28% naturalnej obfitości), uran-235 (0,71%) i uran-234 (0,0054%). Wszystkie trzy są radioaktywne , emitują cząstki alfa , z wyjątkiem tego, że wszystkie trzy izotopy mają małe prawdopodobieństwo spontanicznego rozszczepienia . Istnieją również cztery inne izotopy śladowe: uran-239, który powstaje, gdy 238 U ulega spontanicznemu rozszczepieniu, uwalniając neutrony wychwytywane przez inny atom 238 U; uran-237, który powstaje, gdy 238 U wychwytuje neutron, ale emituje jeszcze dwa, które następnie rozpadają się na neptun-237 ; uran-236 , który występuje w śladowych ilościach w wyniku wychwytywania neutronów na 235 U oraz jako produkt rozpadu plutonu-244 ; i wreszcie uran-233, który powstaje w łańcuchu rozpadu neptunu-237. Oczekuje się również, że tor-232 powinien podlegać podwójnemu rozpadowi beta , który wytworzy uran-232, ale nie zostało to jeszcze zaobserwowane eksperymentalnie. Jedyne znaczące odchylenie od stosunku U-235 do U-238 w znanych próbkach naturalnych występuje w Oklo w Gabonie , gdzie naturalne reaktory rozszczepienia jądrowego pochłonęły część U-235 około dwa miliardy lat temu, kiedy stosunek U-235 do U -238 był bardziej podobny do nisko wzbogaconego uranu , dzięki czemu zwykła („lekka”) woda działała jako moderator neutronów , podobnie jak w przypadku reaktorów lekkowodnych wytwarzanych przez człowieka . Istnienie takich naturalnych reaktorów rozszczepienia, które teoretycznie przewidywano wcześniej, zostało udowodnione, ponieważ podczas wzbogacania uranu we Francji odkryto niewielkie odchylenie stężenia U-235 od wartości oczekiwanych . Późniejsze badania mające na celu wykluczenie wszelkich nikczemnych działań człowieka (takich jak kradzież U-235) potwierdziły teorię poprzez znalezienie proporcji izotopów powszechnych produktów rozszczepienia (lub raczej ich stabilnych nuklidów potomnych) zgodnych z wartościami oczekiwanymi dla rozszczepienia, ale odbiegających od wartości oczekiwane dla próbek tych pierwiastków nie pochodzących z rozszczepienia.

Uran-238 jest najbardziej stabilnym izotopem uranu, z okresem półtrwania około 4,468 × 109 lat, mniej więcej wiek Ziemi . Uran-235 ma okres półtrwania około 7,13 × 108 lat, a uran-234 ma okres półtrwania około 2,48 × 105 lat. Około 49% cząstek alfa w naturalnym uranu emituje 238 U, 49% emituje 234 U (ponieważ ta druga powstaje z pierwszego), a około 2% przez 235 U. Kiedy Ziemia była młoda, prawdopodobnie około jeden -piąta część uranu to uran-235, ale procent 234 U był prawdopodobnie znacznie niższy.

Uran-238 jest zwykle emiterem alfa (czasami ulega spontanicznemu rozszczepieniu), rozpadając się poprzez szereg uranu , który ma 18 członków, na ołów-206 , różnymi drogami rozpadu.

Łańcuch rozpadu 235 U, zwany szeregiem aktynowym , składa się z 15 członów i ostatecznie rozpada się na ołów-207. Stałe szybkości zaniku w tych seriach zaniku sprawiają, że porównanie stosunków pierwiastków rodzicielskich i potomnych jest przydatne w datowaniu radiometrycznym.

Uran-234, który należy do serii uranu (łańcucha rozpadu uranu-238), rozpada się na ołów-206 poprzez serię izotopów o stosunkowo krótkim czasie życia.

Uran-233 jest wytwarzany z toru-232 przez bombardowanie neutronami, zwykle w reaktorze jądrowym, a 233 U jest również rozszczepialny. Jego łańcuch rozpadu stanowi część serii neptunów i kończy się na bizmucie-209 i talu -205.

Uran-235 jest ważny zarówno dla reaktorów jądrowych, jak i broni jądrowej , ponieważ jest to jedyny izotop uranu występujący w przyrodzie na Ziemi w jakiejkolwiek znaczącej ilości, który jest rozszczepialny. Oznacza to, że może być rozszczepiony na dwa lub trzy fragmenty ( produkty rozszczepienia ) przez neutrony termiczne.

Uran-238 nie jest rozszczepialny, ale jest izotopem płodnym, ponieważ po aktywacji neutronami może zostać przekształcony w pluton-239, inny rozszczepialny izotop. W rzeczywistości jądro 238 U może wchłonąć jeden neutron, aby wytworzyć radioaktywny izotop uran-239 . 239 U rozpada się poprzez emisję beta do neptunu -239, również beta-emitera, który z kolei rozpada się w ciągu kilku dni na pluton-239. 239 Pu został użyty jako materiał rozszczepialny w pierwszej bombie atomowej zdetonowanej w „teście Trójcy” 15 lipca 1945 roku w Nowym Meksyku .

Wzbogacenie

Zdjęcie dużej sali wypełnionej rzędami długich białych stojących cylindrów.
Kaskady wirówek gazowych są wykorzystywane do wzbogacania rudy uranu w celu skoncentrowania jej rozszczepialnych izotopów.

W naturze uran występuje jako uran-238 (99,2742%) i uran-235 (0,7204%). Separacja izotopów koncentruje (wzbogaca) rozszczepialny uran-235 do broni jądrowej i większości elektrowni jądrowych, z wyjątkiem reaktorów chłodzonych gazem i reaktorów ciśnieniowych na ciężką wodę . Większość neutronów uwalnianych przez rozszczepiający się atom uranu-235 musi oddziaływać na inne atomy uranu-235, aby podtrzymać reakcję łańcucha jądrowego . Stężenie i ilość uranu-235 potrzebne do osiągnięcia tego celu nazywa się „ masą krytyczną ”.

Aby zostać uznanym za „wzbogacony”, frakcja uranu-235 powinna wynosić od 3% do 5%. Proces ten wytwarza ogromne ilości uranu, który jest zubożony w uran-235 i odpowiednio zwiększoną frakcję uranu-238, zwanego uranem zubożonym lub „DU”. Aby uznać za „zubożony”, stężenie izotopu uranu-235 nie powinno przekraczać 0,3%. Cena uranu wzrosła od 2001 r., więc odpady wzbogacania zawierające ponad 0,35% uranu-235 są rozważane do ponownego wzbogacenia, co powoduje, że cena sześciofluorku zubożonego uranu przekroczyła 130 USD za kilogram w lipcu 2007 r. z 5 USD w 2001 r.

Proces wirówki gazowej , w którym gazowy sześciofluorek uranu ( UF
6
) jest oddzielony różnicą masy cząsteczkowej między 235 UF 6 a 238 UF 6 przy użyciu wirówek o dużej prędkości , jest najtańszym i wiodącym procesem wzbogacania. Proces dyfuzji gazowej był wiodącą metodą wzbogacania i został wykorzystany w Projekcie Manhattan . W procesie tym sześciofluorek uranu jest wielokrotnie dyfundowany przez membranę srebrno - cynkową , a różne izotopy uranu rozdzielane są szybkością dyfuzji (ponieważ uran-238 jest cięższy, dyfunduje nieco wolniej niż uran-235). Metoda separacji izotopów za pomocą lasera molekularnego wykorzystuje wiązkę laserową o precyzyjnej energii do zerwania wiązania między uranem-235 a fluorem. Pozostawia to uran-238 związany z fluorem i umożliwia wytrącanie metalicznego uranu-235 z roztworu. Alternatywna laserowa metoda wzbogacania jest znana jako separacja izotopów za pomocą lasera na parze atomowej (AVLIS) i wykorzystuje widzialne lasery przestrajalne , takie jak lasery barwnikowe . Inną stosowaną metodą jest dyfuzja termiczna cieczy.

Narażenie ludzi

Osoba może być narażona na kontakt z uranem (lub jego promieniotwórczymi córkami , takimi jak radon ), wdychając pył w powietrzu lub połykając skażoną wodę i żywność. Ilość uranu w powietrzu jest zwykle bardzo mała; jednak osoby, które pracują w fabrykach przetwarzających nawozy fosforowe , mieszkają w pobliżu obiektów rządowych, które produkowały lub testowały broń jądrową, mieszkają lub pracują w pobliżu nowoczesnego pola bitwy, na którym użyto broni ze zubożonym uranem, lub mieszkają lub pracują w pobliżu elektrowni węglowej , obiekty, które wydobywają lub przetwarzają rudę uranu lub wzbogacają uran na paliwo reaktora, mogą być narażone na zwiększone narażenie na uran. Domy lub budowle znajdujące się nad złożami uranu (zarówno naturalnymi, jak i sztucznymi złożami żużla) mogą być narażone na zwiększone narażenie na radon. Occupational Safety and Health Administration ( OSHA) ustaliła dopuszczalny limit narażenia na narażenie na uran w miejscu pracy na 0,25 mg/m 3 w ciągu 8-godzinnego dnia pracy. Narodowy Instytut Bezpieczeństwa i Higieny Pracy (NIOSH) ustalił zalecany limit narażenia (REL) na 0,2 mg/m 3 w ciągu 8-godzinnego dnia pracy i krótkoterminowy limit na 0,6 mg/m 3 . Przy poziomach 10 mg/m 3 uran jest bezpośrednio niebezpieczny dla życia i zdrowia .

Większość spożytego uranu jest wydalana podczas trawienia . Tylko 0,5% jest wchłaniane, gdy spożywane są nierozpuszczalne formy uranu, takie jak jego tlenek, podczas gdy wchłanianie bardziej rozpuszczalnego jonu uranylu może wynosić do 5%. Jednak rozpuszczalne związki uranu mają tendencję do szybkiego przechodzenia przez organizm, podczas gdy nierozpuszczalne związki uranu, zwłaszcza gdy są wdychane w postaci pyłu do płuc , stwarzają większe zagrożenie narażenia. Po dostaniu się do krwioobiegu wchłonięty uran ma tendencję do bioakumulacji i przebywania przez wiele lat w tkance kostnej ze względu na powinowactwo uranu do fosforanów. Uran nie jest wchłaniany przez skórę, a cząsteczki alfa uwalniane przez uran nie mogą przeniknąć przez skórę.

Wbudowany uran staje się jonami uranylu , które gromadzą się w kościach, wątrobie, nerkach i tkankach rozrodczych. Uran można odkazić z powierzchni stalowych i warstw wodonośnych .

Efekty i środki ostrożności

Normalne funkcjonowanie nerek , mózgu , wątroby , serca i innych układów może zostać zakłócone przez ekspozycję na uran, ponieważ oprócz tego, że jest słabo radioaktywny, uran jest metalem toksycznym . Uran jest również toksycznym środkiem reprodukcyjnym. Efekty radiologiczne są na ogół lokalne, ponieważ promieniowanie alfa, podstawowa forma rozpadu 238 U, ma bardzo krótki zasięg i nie przenika przez skórę. Wykazano, że promieniowanie alfa z wdychanego uranu powoduje raka płuc u narażonych pracowników jądrowych. Uranyl ( UO2+
2
) jony, takie jak trójtlenek uranu lub azotan uranylu i inne sześciowartościowe związki uranu, okazały się powodować wady wrodzone i uszkodzenia układu odpornościowego u zwierząt laboratoryjnych. Chociaż CDC opublikowało jedno badanie, w którym nie zaobserwowano raka u człowieka w wyniku narażenia na naturalny lub zubożony uran, narażenie na uran i jego produkty rozpadu, zwłaszcza radon , jest powszechnie znanym i znaczącym zagrożeniem dla zdrowia. Narażenie na stront-90 , jod-131 i inne produkty rozszczepienia nie jest związane z narażeniem na uran, ale może wynikać z procedur medycznych lub narażenia na wypalone paliwo reaktora lub opad z broni jądrowej. Chociaż przypadkowe narażenie inhalacyjne na wysokie stężenie sześciofluorku uranu spowodowało śmierć ludzi, te zgony były związane raczej z wytwarzaniem wysoce toksycznego kwasu fluorowodorowego i fluorku uranylu niż z samym uranem. Drobny metaliczny uran stanowi zagrożenie pożarowe, ponieważ uran jest piroforyczny ; małe ziarna zapalą się samoistnie w powietrzu w temperaturze pokojowej.

Jako wystarczający środek ostrożności zwykle manipuluje się metalicznym uranem w rękawiczkach. Koncentrat uranu jest traktowany i przechowywany w taki sposób, aby ludzie nie wdychali go ani nie spożywali.

Kompilacja przeglądu z 2004 r. dotyczącego toksyczności uranu
Układ organizmu Badania na ludziach Badania na zwierzętach In vitro
Nerkowy Podwyższony poziom wydalania białka, katalazy moczowej i diurezy Uszkodzenie proksymalnych kanalików krętych, martwicze komórki odlane z nabłonka kanalików, zmiany kłębuszkowe ( niewydolność nerek ) Brak studiów
Mózg/OUN Zmniejszona wydajność w testach neuropoznawczych Ostra toksyczność cholinergiczna; Zależna od dawki akumulacja w korze, śródmózgowiu i robaku; Zmiany elektrofizjologiczne w hipokampie Brak studiów
DNA Zwiększone raporty o nowotworach Zwiększona mutagenność (u myszy) i indukcja nowotworów Komórki dwujądrowe z mikrojądrami, Hamowanie kinetyki i proliferacji cyklu komórkowego; Indukcja chromatyd siostrzanych, fenotyp rakotwórczy
Kości/mięśnie Brak studiów Hamowanie tworzenia kości przyzębia; i gojenie się ran wyrostka zębodołowego Brak studiów
Rozrodczy Górnicy uranu mają więcej pierworodnych córek Umiarkowana do ciężkiej ogniskowa atrofia kanalików; wakuolizacja komórek Leydiga Brak studiów
Płuca/oddechowy Nie zgłoszono żadnych negatywnych skutków zdrowotnych Ciężki przekrwienie błony śluzowej nosa i krwotok, zmiany i zwłóknienie płuc, obrzęk i opuchlizna, rak płuc Brak studiów
Przewód pokarmowy Wymioty, biegunka, albuminuria Brak studiów Brak studiów
Wątroba Brak efektów przy dawce ekspozycji Stłuszczenie wątroby, ogniskowa martwica Brak studiów
Skóra Brak dostępnych danych dotyczących oceny narażenia Obrzęk wakuolizowanych komórek naskórka, uszkodzenie mieszków włosowych i gruczołów łojowych Brak studiów
Tkanki otaczające osadzone fragmenty DU Podwyższone stężenie uranu w moczu Podwyższone stężenie uranu w moczu, zaburzenia w badaniach biochemicznych i neuropsychologicznych Brak studiów
System odprnościowy Przewlekłe zmęczenie, wysypka, infekcje uszu i oczu, utrata włosów i masy ciała, kaszel. Może być spowodowane łącznym narażeniem na chemikalia, a nie samym DU Brak studiów Brak studiów
Oczy Brak studiów Zapalenie spojówek, podrażnienie zapalenie, obrzęk, owrzodzenie worków spojówkowych Brak studiów
Krew Brak studiów Zmniejszenie liczby krwinek czerwonych i stężenia hemoglobiny Brak studiów
Układ sercowo-naczyniowy Zapalenie mięśnia sercowego spowodowane spożyciem uranu, które zakończyło się sześć miesięcy po spożyciu Brak efektów Brak studiów

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Linki zewnętrzne