Уран (химический элемент)

Уран

(старое название
Ураний
) — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, атомная масса 238,029; обозначается символом U (
Uranium
), относится к семейству актиноидов.

История

Ещё в древнейшие времена (I век до нашей эры) природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики. Исследования урана развивались, подобно порождаемой им цепной реакции. Вначале сведения о его свойствах, как и первые импульсы цепной реакции, поступали с большими перерывами, от случая к случаю. Первая важная дата в истории урана — 1789 год, когда немецкий натурфилософ и химик Мартин Генрих Клапрот восстановил извлечённую из саксонской смоляной руды золотисто-жёлтую «землю» до чёрного металлоподобного вещества. В честь самой далёкой из известных тогда планет (открытой Гершелем восемью годами раньше) Клапрот, считая новое вещество элементом, назвал его ураном.

Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом. Только в 1841 г. Эжен Мелькиор Пелиго — французский химик (1811—1890)] доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а окисел UO2

. В 1840 г. Пелиго удалось получить настоящий уран — тяжёлый металл серо-стального цвета и определить его атомный вес. Следующий важный шаг в изучении урана сделал в 1874 г. Д. И. Менделеев. Опираясь на разработанную им периодическую систему, он поместил уран в самой дальней клетке своей таблицы. Прежде атомный вес урана считали равным 120. Великий химик удвоил это значение. Через 12 лет предвидение Менделеева было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана.

Изучение урана началось с 1896: французский химик Антуан Анри Беккерель случайно открыл Лучи Беккереля, которые позже Мария Кюри переименовала в радиоактивность. В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ получения чистого металлического урана. В 1899 г. Резерфорд обнаружил, что излучение урановых препаратов неоднородно, что есть два вида излучения — альфа- и бета-лучи. Они несут различный электрический заряд; далеко не одинаковы их пробег в веществе и ионизирующая способность. Чуть позже, в мае 1900 г., Поль Вийар открыл третий вид излучения — гамма-лучи.

Эрнест Резерфорд провёл в 1907 г. первые опыты по определению возраста минералов при изучения радиоактивных урана и тория на основе созданной им совместно с Фредериком Содди (Soddy, Frederick, 1877—1956; Нобелевская премия по химии, 1921) теории радиоактивности. В 1913 г. Ф. Содди ввёл понятие об изотопах

(от греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место»), а в 1920 г.предсказал, что изотопы можно использовать для определения геологического возраста горных пород. В 1928 г. Ниггот реализовал, а в 1939 г. A.O.К.Нир (Nier,Alfred Otto Carl,1911 — 1994) создал первые уравнения для расчёта возраста и применил масс-спектрометр для разделения изотопов.

В 1939 Фредерик Жолио-Кюри и немецкие физики Отто Фриш и Лиза Мейтнер открыли неизвестное явление, происходящем с ядром урана при облучении его нейтронами. Происходило взрывное разрушения этого ядра с образованием новых элементов намного более лёгких, чем уран. Это разрушение носило взрывообразный характер, осколки продуктов разлетались в разные стороны с громадными скоростями. Таким образом было открыто явление, названное ядерной реакцией.

В 1939—1940 гг. Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович впервые теоретически показали, что при небольшом обогащении природного урана ураном-235 можно создать условия для непрерывного деления атомных ядер, то есть придать процессу цепной характер.

Нахождение в природе

Уранинитовая руда
Уран широко распространён в природе. Кларк урана составляет 1·10-3% (вес.). Количество урана в слое литосферы толщиной 20 км оценивается в 1,3·1014 т.

Основная масса урана находится в кислых породах с высоким содержанием кремния

. Значительная масса урана сконцентрирована в осадочных породах, особенно обогащённых органикой. В больших количествах как примесь уран присутствует в ториевых и редкоземельных минералах (ортит, сфен CaTiO3[SiO4], монацит (La,Ce}PO4, циркон ZrSiO4, ксенотим YPO4 и др.). Важнейшими урановыми рудами являются настуран (урановая смолка), уранинит и карнотит. Основными минералами — спутниками урана являются молибденит MoS2, галенит PbS, кварц SiO2, кальцит CaCO3, гидромусковит и др.

Основными формами нахождений урана в природе являются уранинит, настуран (урановая смолка) и урановые черни. Они отличаются только формами нахождения; имеется возрастная зависимость: уранинит присутствует преимущественно в древних (докембрийских породах), настуран — вулканогенный и гидротермальный — преимущественно в палеозойских и более молодых высоко- и среднетемпературных образованиях; урановые черни — в основном в молодых — кайнозойских и моложе образованиях — преимущественно в низкотемпературных осадочных породах.

Содержание урана в земной коре составляет 0,003 %, он встречается в поверхностном слое земли в виде четырех видов отложений. Во-первых, это жилы уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO2), очень богатые ураном, но редко встречающиеся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий

является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие жилы встречаются в Заире, Канаде (Большое Медвежье озеро),
Чехии
и
Франции
. Вторым источником урана являются конгломераты ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов. Конгломераты обычно содержат достаточные для извлечения количества
золота
и
серебра
, а сопутствующими элементами становятся уран и торий. Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и
Австралии.
Третьим источником урана являются осадочные породы и песчаники, богатые минералом карнотитом (уранил-ванадат калия), который содержит, кроме урана, значительное количество
ванадия
и других элементов. Такие руды встречаются в западных штатах
США
. Железоурановые сланцы и фосфатные руды составляют четвертый источник отложений. Богатые отложения обнаружены в глинистых сланцах
Швеции
. Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, а фосфатные залежи в
Анголе
и Центральноафриканской Республике еще более богаты ураном. Большинство лигнитов и некоторые угли обычно содержат примеси урана. Богатые ураном отложения лигнитов обнаружены в Северной и Южной Дакоте (США) и битумных углях
Испании
и
Чехии

Изотопы урана

Природный уран состоит из смеси трёх изотопов

: 238U — 99,2739 % (период полураспада
T
1/2 = 4,468×109 лет), 235U — 0,7024 % (
T
1/2 = 7,038×108 лет) и 234U — 0,0057 % (
T
1/2 = 2,455×105 лет). Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда 238U.

Радиоактивность природного урана обусловлена в основном изотопами 238U и 234U, в равновесии их удельные активности равны. Удельная активность изотопа 235U в природном уране в 21 раз меньше активности 238U.

Известно 11 искусственных радиоактивных изотопов урана с массовыми числами от 227 до 240. Наиболее долгоживущий из них — 233U (T

1/2 = 1,62×105лет) получается при облучении тория нейтронами и способен к спонтанному делению тепловыми нейтронами.

Изотопы урана 238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов. Конечными элементами этих рядов являются изотопы свинца

206Pb и 207Pb.

В природных условиях распространены в основном изотопы 234U

:
235U
:
238U
= 0,0054 : 0,711 : 99,283. Половина радиоактивности природного урана обусловлена изотопом
234U
. Изотоп
234U
образуется за счёт распада
238U
. Для двух последних в отличие от других пар изотопов и независимо от высокой миграционной способности урана характерно географическое постоянство отношения . Величина этого отношения зависит о возраста урана. Многочисленные натурные измерения показали его незначительные колебания. Так в роллах величина этого отношения относительно эталона изменяется в пределах 0,9959 −1,0042, в солях — 0,996 — 1,005. В урансодержащих минералах (настуран, урановая чернь, циртолит, редкоземельные руды) величина этого отношения колеблется в пределах 137,30 — 138,51; причём различие между формами UIV и UVI не установлено; в сфене — 138,4. В отдельных метеоритах выявлен недостаток изотопа
235U
. Наименьшая его концентрация в земных условиях найдена в 1972 г. французским исследователем Бужигесом в местечке Окло в Африке(месторождение в Габоне). Так в нормальном уране содержится 0,7025 % урана 235U, тогда как в Окло оно уменьшаются до 0,557 %. Это послужило подтверждением гипотезы о наличии природного ядерного реактора, ведущего к выгоранию изотопа, предсказанной Джордж Ветрилл (George W. Wetherill) из Калифорнийского университета в Лос­Анджелесе и Марк Ингрэмом (Mark G. Inghram) из Чикагского университета и Полом Курода (Paul K. Kuroda), химиком из Университета Арканзаса, ещё в 1956 г. описавшим процесс. Кроме этого, в этих же округах найдены природные ядерные реакторы: Окелобондо, Бангомбе (Bangombe) и др. В настоящее время известно около 17 природных ядерных реакторов.

Уран (хим. элемент)

(лат. Uranium), U, радиоактивный химический элемент III группы периодической системы Менделеева, относится к семейству актиноидов, атомный номер 92, атомная масса 238,029; металл. Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238U – 99,2739% с периодом полураспада T1/2 = 4,51·109 лет, 235U – 0,7024% (T1/2 = 7,13·108 лет) и 234U – 0,0057% (T1/2 = 2,48·105 лет). Из 11 искусственных радиоактивных изотопов с массовыми числами от 227 до 240 долгоживущий – 233U (T1/2 = 1,62·105лет); он получается при нейтронном облучении тория. 238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов.

Историческая справка. Уран открыт в 1789 нем. химиком М. Г. Клапротом и назван им в честь планеты Уран, открытой В. Гершелем в 1781. В металлическом состоянии уран получен в 1841 франц. химиком Э. Пелиго при восстановлении UCl4 металлическим калием. Первоначально урану приписывали атомную массу 120, и только в 1871 Д. И. Менделеев пришёл к выводу, что эту величину надо удвоить.

Длительное время уран представлял интерес только для узкого круга химиков и находил ограниченное применение для производства красок и стекла. С открытием явления радиоактивности урана в 1896 и радия в 1898 началась промышленная переработка урановых руд с целью извлечения и использования радия в научных исследованиях и медицине. С 1942, после открытия в 1939 явления деления ядер (см. Ядра атомного деление), уран стал основным ядерным топливом.

Распространение в природе. Уран – характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Среднее содержание урана в земной коре (кларк) 2,5·10-4% по массе, в кислых изверженных породах 3,5·10-4%, в глинах и сланцах 3,2·10-4%, в основных породах 5·10-5%, в ультраосновных породах мантии 3·10-7%. Уран энергично мигрирует в холодных и горячих, нейтральных и щелочных водах в форме простых и комплексных ионов, особенно в форме карбонатных комплексов. Важную роль в геохимии урана играют окислительно-восстановительные реакции, поскольку соединения урана, как правило, хорошо растворимы в водах с окислительной средой и плохо растворимы в водах с восстановительной средой (например, сероводородных).

Известно около 100 минералов урана; промышленное значение имеют 12 из них (см. Урановые руды). В ходе геологической истории содержание урана в земной коре уменьшилось за счёт радиоактивного распада; с этим процессом связано накопление в земной коре атомов РЬ, Не. Радиоактивный распад урана играет важную роль в энергетике земной коры, являясь существенным источником глубинного тепла.

Физические свойства. Уран по цвету похож на сталь, легко поддаётся обработке. Имеет три аллотропические модификации – a, b и g с температурами фазовых превращений: a®b 668,8±0,4°C, b® g 772,2 ± 0,4 °С; a-форма имеет ромбическую решётку a = 2.8538, b = 5,8662, с = 4,9557), b-форма – тетрагональую решётку (при 720 °С а = 10,759, b = 5,656), g-форма – объёмноцентрированную кубическую решётку (при 850°C а = 3,538). Плотность урана в a-форме (25°C) 19,05 ± 0,2 г/см3, tпл 1132 ± 1°С; tkип 3818 °С; теплопроводность (100–200°C), 28,05 вт/(м·К) [0,067 кал/(см·сек·°С)], (200–400 °C) 29,72 вт/(м·К) [0,071 кал/(см·сек·°С)]; удельная теплоёмкость (25°C) 27,67 кдж/(кг·К) [6,612 кал/(г·°С)]; удельное электросопротивление при комнатной температуре около 3·10-7 ом·см, при 600°C 5,5·10-7 ом·см; обладает сверхпроводимостью при 0,68 ± 0,02К; слабый парамагнетик, удельная магнитная восприимчивость при комнатной температуре 1,72·10-6.

Механические свойства урана зависят от его чистоты, от режимов механической и термической обработки. Среднее значение модуля упругости для литого урана 20,5·10-2 Мн/м2 [20,9·10-3 кгс/мм2] предел прочности при растяжении при комнатной температуре 372–470 Мн/м2 [38–48 кгс/мм2], прочность повышается после закалки из b- и g-фаз; средняя твёрдость по Бринеллю 19,6–21,6·102 Мн/м2 [200–220 кгс/мм2].

Облучение потоком нейтронов (которое имеет место в ядерном реакторе) изменяет физико-механические свойства урана: развивается ползучесть и повышается хрупкость, наблюдается деформация изделий, что заставляет использовать уран в ядерных реакторах в виде различных урановых сплавов.

Уран – радиоактивный элемент. Ядра 235U и 233U делятся спонтанно, а также при захвате как медленных (тепловых), так и быстрых нейтронов с эффективным сечением деления 508·10-24 см2 (508 барн) и 533·10-24 см2 (533 барн) соответственно. Ядра 238U делятся при захвате только быстрых нейтронов с энергией не менее 1 Мэв; при захвате медленных нейтронов 238U превращается в 239Pu, ядерные свойства которого близки к 235U. Критич. масса урана (93,5% 235U) в водных растворах составляет менее 1 кг, для открытого шара – около 50 кг, для шара с отражателем – 15 – 23 кг; критическая масса 233U – примерно 1/3 критической массы 235U.

Химические свойства. Конфигурация внешней электронной оболочки атома урана 7s26d15f3. Уран относится к реакционноспособным металлам, в соединениях проявляет степени окисления + 3, + 4, + 5, + 6, иногда + 2; наиболее устойчивы соединения U (IV) и U (VI). На воздухе медленно окисляется с образованием на поверхности плёнки двуокиси, которая не предохраняет металл от дальнейшего окисления. В порошкообразном состоянии уран пирофорен и горит ярким пламенем. С кислородом образует двуокись UO2, трёхокись UO3 и большое число промежуточных окислов, важнейший из которых U3O8. Эти промежуточные окислы по свойствам близки к UO2 и UO3. При высоких температурах UO2 имеет широкую область гомогенности от UO1,60 до UO2,27. С фтором при 500–600°C образует тетрафторидирд (зелёные игольчатые кристаллы, малорастворимые в воде и кислотах) и гексафторид UF6 (белое кристаллическое вещество, возгоняющееся без плавления при 56,4°C); с серой – ряд соединений, из которых наибольшее значение имеет US (ядерное горючее). При взаимодействии урана с водородом при 220 °С получается гидрид UH3; с азотом при температуре от 450 до 700 °С и атмосферном давлении – нитрид U4N7, при более высоком давлении азота и той же температуре можно получить UN, U2N3 и UN2; с углеродом при 750–800°C – монокарбид UC, дикарбид UC2, а также U2C3; с металлами образует сплавы различных типов (см. Урановые сплавы). Уран медленно реагирует с кипящей водой с образованием UO2 и H2, с водяным паром – в интервале температур 150–250 °С; растворяется в соляной и азотной кислотах, слабо – в концентрированной плавиковой кислоте. Для U (VI) характерно образование иона уранила UO22 +; соли уранила окрашены в жёлтый цвет и хорошо растворимы в воде и минеральных кислотах; соли U (IV) окрашены в зелёный цвет и менее растворимы; ион уранила чрезвычайно способен к комплексообразованию в водных растворах как с неорганическими, так и с органическими веществами; наиболее важны для технологии карбонатные, сульфатные, фторидные, фосфатные и др. комплексы. Известно большое число уранатов (солей не выделенной в чистом виде урановой кислоты), состав которых меняется в зависимости от условий получения; все уранаты имеют низкую растворимость в воде.

Уран и его соединения радиационно и химически токсичны. Предельно допустимая доза (ПДД) при профессиональном облучении 5 бэр в год.

Получение. Уран получают из урановых руд, содержащих 0,05–0,5% U. Руды практически не обогащаются, за исключением ограниченного способа радиометрической сортировки, основанной на излучении радия, всегда сопутствующего урану. В основном руды выщелачивают растворами серной, иногда азотной кислот или растворами соды с переводом урана в кислый раствор в виде UO2SO4 или комплексных анионов [UO2(SO4)3]4-, а в содовый раствор – в виде [UO2(CO3)3]4-. Для извлечения и концентрирования урана из растворов и пульп, а также для очистки от примесей применяют сорбцию на ионообменных смолах и экстракцию органическими растворителями (трибутилфосфат, алкилфосфорные кислоты, амины). Далее из растворов добавлением щёлочи осаждают уранаты аммония или натрия или гидроокись U (OH)4. Для получения соединений высокой степени чистоты технические продукты растворяют в азотной кислоте и подвергают аффинажным операциям очистки, конечными продуктами которых являются UO3 или U3O8; эти окислы при 650–800°C восстанавливаются водородом или диссоциированным аммиаком до UO2 с последующим переводом его в UF4 обработкой газообразным фтористым водородом при 500–600°C. UF4 может быть получен также при осаждении кристаллогидрата UF4·nH2O плавиковой кислотой из растворов с последующим обезвоживанием продукта при 450°C в токе водорода. В промышленности основным способом получения урана из UF4 является его кальциетермическое или магниетермическое восстановление с выходом урана в виде слитков массой до 1,5 т. Слитки рафинируются в вакуумных печах.

Очень важным процессом в технологии урана является обогащение его изотопом 235U выше естественного содержания в рудах или выделение этого изотопа в чистом виде (см. Изотопов разделение), поскольку именно 235U – основное ядерное горючее; осуществляется это методами газовой термодиффузии, центробежными и др. методами, основанными на различии масс 235U и 238U; в процессах разделения урана используется в виде летучего гексафторида UF6. При получении урана высокой степени обогащения или изотопов учитываются их критические массы; наиболее удобный способ в этом случае – восстановление окислов урана кальцием; образующийся при этом шлак CaO легко отделяется от урана растворением в кислотах.

Для получения порошкообразного урана, двуокиси, карбидов, нитридов и др. тугоплавких соединений применяются методы порошковой металлургии.

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

В. М. Кулифеев.

Уран в организме.

В микроколичествах (10-5–10-5%) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В золе растений (при содержании урана в почве около·10-4) его концентрация составляет 1,5·10-5%. В наибольшей степени уран накапливается некоторыми грибами и водорослями (последние активно участвуют в биогенной миграции урана по цепи вода – водные растения – рыба – человек). В организм животных и человека уран поступает с пищей и водой в желудочно-кишечный тракт, с воздухом в дыхательные пути, а также через кожные покровы и слизистые оболочки. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте – около 1% от поступающего количества растворимых соединений и не более 0,1% труднорастворимых; в лёгких всасываются соответственно 50% и 20%. Распределяется уран в организме неравномерно. Основные депо (места отложения и накопления) – селезёнка, почки, скелет, печень и, при вдыхании труднорастворимых соединений, – лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. В крови уран (в виде карбонатов и комплексов с белками) длительно не циркулирует. Содержание урана в органах и тканях животных и человека не превышает 10-7 г/г. Так, кровь крупного рогатого скота содержит 1·10-8 г/мл, печень 8·10-8 г/г, мышцы 4·10-8 г/г, селезёнка 9·10-8 г/г. Содержание урана в органах человека составляет: в печени 6·10-9 г/г, в лёгких 6·10-9–9·10-9г/г, в селезёнке 4,7·10-9 г/г, в крови 4·10-9 г/мл, в почках 5,3·10-9 (корковый слой) и 1,3·10-9 г/г (мозговой слой), в костях 1·10-9 г/г, в костном мозге 1·10-9 г/г, в волосах 1,3·10-7г/г. Уран, содержащийся в костной ткани, обусловливает её постоянное облучение (период полувыведения урана из скелета около 300 сут). Наименьшие концентрации урана – в головном мозге и сердце (10-10 г/г). Суточное поступление урана с пищей и жидкостями – 1,9·10-6 г, с воздухом – 7·10-9 г. Суточное выведение урана из организма человека составляет: с мочой 0,5·10-7–5·10-7, с калом – 1,4·10-6–1,8·10-6 г, с волосами – 2·10-8г.

По данным Международной комиссии по радиационной защите, среднее содержание урана в организме человека 9·10-8 г. Эта величина для различных районов может варьировать. Полагают, что уран необходим для нормальной жизнедеятельности животных и растений, однако его физиологические функции не выяснены.

Г. П. Галибин.

Токсическое
действие
урана обусловлено его химическими свойствами и зависит от растворимости: более токсичны уранил и др. растворимые соединения уран Отравления ураном и его соединениями возможны на предприятиях по добыче и переработке уранового сырья и др. промышленных объектах, где он используется в технологическом процессе. При попадании в организм уран действует на все органы и ткани, являясь общеклеточным ядом. Признаки отравления обусловлены преим. поражением почек (появление белка и сахара в моче, последующая олигурия), поражаются также печень и желудочно-кишечный тракт. Различают острые и хронические отравления; последние характеризуются постепенным развитием и меньшей выраженностью симптомов. При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения, нервной системы и др. Полагают, что молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов.

Профилактика отравлений: непрерывность технологических процессов, использование герметичной аппаратуры, предупреждение загрязнения воздушной среды, очистка сточных вод перед спуском их в водоёмы, мед. контроль за состоянием здоровья рабочих, за соблюдением гигиенических нормативов допустимого содержания урана и его соединений в окружающей среде.

В. Ф. Кириллов.

Лит.: Учение о радиоактивности. История и современность, под ред. Б. М. Кедрова, М., 1973; Петросьянц А. М., От научного поиска к атомной промышленности, М., 1970; Емельянов В. С., Евстюхин А. И., Металлургия ядерного горючего, М., 1964; Сокурский Ю. Н., Стерлин Я. М., Федорченко В. А., Уран и его сплавы, М., 1971; Евсеева Л. С., Перельман А. И., Иванов К. Е., Геохимия урана в зоне гнпергениза, 2 изд., М., 1974; Фармакология и токсикология урановых соединений, [пер. с англ.], т. 2, М., 1951; Гуськова В. Н., Уран. Радиационно-гигиеническая характеристика, М., 1972; Андреева О. С., Гигиена труда при работе с ураном и его соединениями, М., 1960; Новиков Ю. В,, Гигиенические вопросы изучения содержания урана во внешней среде и его влияния на организм, М., 1974.

Получение

Самая первая стадия уранового производства — концентрирование. Породу дробят и смешивают с водой. Тяжёлые компоненты взвеси осаждаются быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они осаждаются быстро: это тяжёлые минералы. Вторичные минералы урана легче, в этом случае раньше оседает тяжёлая пустая порода. (Впрочем, далеко не всегда она действительно пустая; в ней могут быть многие полезные элементы, в том числе и уран).

Следующая стадия — выщелачивание концентратов, перевод урана в раствор. Применяют кислотное и щелочное выщелачивание. Первое — дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке

, уран находится в четырёхвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырёхвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. В этом случае нужно либо прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Не применяют кислотное выщелачивание и в тех случаях, если урановый концентрат содержит доломит или магнезит, реагирующие с серной кислотой. В этих случаях пользуются едким натром (гидроксидом натрия

).

Проблему выщелачивания урана из руд решает кислородная продувка. В нагретую до 150 °C смесь урановой руды с сульфидными минералами подают поток кислорода. При этом из сернистых минералов образуется серная кислота, которая и вымывает уран.

На следующем этапе из полученного раствора нужно избирательно выделить уран. Современные методы — экстракция и ионный обмен — позволяют решить эту проблему.

Раствор содержит не только уран, но и другие катионы. Некоторые из них в определённых условиях ведут себя так же, как уран: экстрагируются теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. Поэтому для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, чтобы на каждой стадии избавляться от того или иного нежелательного попутчика. На современных ионообменных смолах уран выделяется весьма селективно.

Методы ионного обмена и экстракции

хороши ещё и тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов (содержание урана — десятые доли грамма на литр).

После этих операций уран переводят в твёрдое состояние — в один из оксидов или в тетрафторид UF4. Но этот уран ещё надо очистить от примесей с большим сечением захвата тепловых нейтронов — бора,
кадмия
, гафния. Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Для удаления этих примесей технически чистое соединение урана растворяют в азотной кислоте. При этом образуется уранилнитрат UO2(NO3)2, который при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций. Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO4·2H2O) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трёхокись урана UO3, которую восстанавливают водородом до UO2.

На диоксид урана UO2 при температуре от 430 до 600 °C воздействуют сухим фтористым водородом для получения тетрафторида UF4. Из этого соединения восстанавливают металлический уран с помощью кальция

или
магния
.

Где и как добывают Уран

Уран является довольно распространенным элементом, но он распространен в виде урановой руды. Чтоб вы понимали, содержание ее в земной коре составляет 0.00027% от общей массы Земли. Урановая руда как правило входит в состав кислых минеральных пород с высоким содержанием кремния. Основными видами урановых руд являются настуран, карнотит, казолит и самарскит. Крупнейшие запасы урановых руд с учётом резервных месторождений являются такие страны как Австралия, Россия и Казахстан, причем из всех перечисленных Казахстан занимает лидирующую позицию. Добыча урана является очень не простой и дорогостоящей процедурой. Далеко не все страны могут позволить себе добывать и синтезировать чистый уран. Технология производства выглядит следующим образом: руда или минералы добываются в шахтах, сравнимо золоту или драгоценным камням. Добытые породы дробят и смешивают с водой для того, чтобы отделить урановую пыль от остальных. Урановая пыль очень тяжёлая и поэтому она выпадает в осадок быстрее остальных. Следующим шагом является очищение урановой пыли от других пород путем кислотного или щелочного выщелачивания. Процедура выглядит примерно так: урановую смесь нагревают до 150 °С и подают чистый кислород под давлением. В результате образуется серная кислота которая очищает уран от других примесей. Ну и на заключительном этапе отбирают уже чистые частицы урана. Помимо урановой пыли там попадаются и другие полезные минералы.

Читайте: Рубин как один из самых дорогих камней.

Физические свойства

Уран — очень тяжёлый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667,7 °C), бета (четырёхугольная, стабильна от 667,7 °C до 774,8 °C), гамма (с объёмно центрированной кубической структурой, существующей от 774,8 °C до точки плавления).

Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана (выделены природные изотопы):

Химические свойства

Уран может проявлять степени окисления от +III до +VI. Соединения урана(III) образуют неустойчивые растворы красного цвета и являются сильными восстановителями:

4UCl3 + 2H2O → 3UCl4 + UO2 + H2↑

Соединения урана(IV) являются наиболее устойчивыми и образуют водные растворы зелёного цвета.

Соединения урана(V) неустойчивы и легко диспропорционируют в водном растворе:

2UO2Cl → UO2Cl2 + UO2

Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150—175 °C, образуя U3O8. При 1000 °C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана. Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя четырёхвалентные соли, зато не взаимодействует с щелочами. Уран вытесняет водород

из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов, как
ртуть,серебро,медь,олово,платинаизолото
. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться. Уран имеет четыре степени окисления — III—VI. Шестивалентные соединения включают в себя триокись урана (окись уранила) UO3 и уранилхлорид урана UO2Cl2. Тетрахлорид урана UCl4 и диоксид урана UO2 — примеры четырёхвалентного урана. Вещества, содержащие четырёхвалентный уран, обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные при длительном пребывании на воздухе. Ураниловые соли, такие как уранилхлорид, распадаются в присутствии яркого света или органики.

Применение

Ядерное топливо

Наибольшее применение имеет изотоп

урана 235U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Выделение изотопа U235 из природного урана — сложная технологическая проблема, (см. разделение изотопов).

Изотоп U238 способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией).

В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом 238U может превращаться в 239Pu, который затем используется как ядерное топливо.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), может в будущем стать распространённым ядерным топливом для атомных электростанций (уже сейчас существуют реакторы, использующие этот нуклид в качестве топлива, например KAMINI в Индии) и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).

Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Геология

Основная отрасль использования урана — определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимаются Геохронология и Теоретическая геохронология. Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках вещества.

В основе решения задачи лежат уравнения радиоактивного распада, описываемых уравнениями.

где 238Uo

,
235Uo
— современные концентрации изотопов урана; ; —
постоянные распада
атомов соответственно урана
238U
и
235U
.

Весьма важным является их комбинация:

.

Здесь

В связи с тем, что горные породы содержат различные концентрации урана, они обладают различной радиоактивностью. Это свойство используется при выделении горных пород геофизическими методами. Наиболее широко этот метод применяется в нефтяной геологии при геофизических исследованиях скважин, в этот комплекс входит, в частности, γ — каротаж или нейтронный гамма-каротаж, гамма-гамма-каротаж и т. д. С их помощью происходт выделение коллекторов и флюидоупоров.

Другие сферы применения

Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу (Урановое стекло).

Уранат натрия Na2U2O7 использовался как жёлтый пигмент в живописи.

Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).

Некоторые соединения урана светочувствительны.

В начале XX века уранилнитрат

широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.

Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело — водород + гексан).

Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.

Обеднённый уран

Обеднённый уран

После извлечения 235U и 234U из природного урана, оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. По некоторым данным, в США хранится около 560 000 тонн обеднённого гексафторида урана (UF6).

Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него 234U. Из-за того, что основное использование урана — производство энергии, обеднённый уран — малополезный продукт с низкой экономической ценностью.

В основном его использование связано с большой плотностью урана и относительно низкой его стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты (как это ни странно) и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолёте «Боинг-747» содержится 1500 кг обеднённого урана для этих целей. Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.

Сердечники бронебойных снарядов

Наконечник (вкладыш) снаряда калибра 30 мм (пушки GAU-8 самолёта A-10) диаметром около 20 мм из обеднённого урана.
Самое известное применение обеднённого урана — в качестве сердечников для бронебойных снарядов. При сплавлении с 2 % Mo или 0,75 % Ti и термической обработке (быстрая закалка разогретого до 850 °C металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450 °C 5 часов) металлический уран становится твёрже и прочнее стали (прочность на разрыв больше 1600 МПа, при том, что у чистого урана она равна 450 МПа). В сочетании с большой плотностью, это делает закалённую урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому вольфраму. Тяжёлый урановый наконечник также изменяет распределение масс в снаряде, улучшая его аэродинамическую устойчивость.

Подобные сплавы типа «Стабилла» применяются в стреловидных оперенных снарядах танковых и противотанковых артиллерийских орудий.

Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль урановой болванки и воспламенением её на воздухе с другой стороны брони (см. Пирофорность). Около 300 тонн обеднённого урана остались на поле боя во время операции «Буря в Пустыне» (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолётов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава).

Такие снаряды были использованы войсками НАТО в боевых действиях на территории Югославии. После их применения обсуждалась экологическая проблема радиационного загрязнения территории страны.

Впервые уран в качестве сердечника для снарядов был применен в Третьем рейхе.

Обеднённый уран используется в современной танковой броне, например, танка M-1 «Абрамс».

Уран — самый тяжелый элемент, найденный в природе. Чистый металл очень плотный, пластичный, с малой электропроводностью и высокой реакционной способностью. Уран имеет три аллотропные модификации: α-уран (орторомбическая кристаллическая решетка) существует в интервале от комнатной температуры до 668°С; β-уран (сложная кристаллическая решетка тетрагонального типа), устойчивый в интервале 668–774°С; γ-уран (объемноцентрированная кубическая кристаллическая решетка), устойчивый от 774° С вплоть до температуры плавления (1132°С). Поскольку все изотопы урана нестабильны, все его соединения проявляют радиоактивность. Мария Кюри весьма заинтересовалась новым излучением и попыталась установить, существуют ли другие, кроме урана, элементы, проявляющие свойства радиоактивности. Излучение было подтверждено у тория и у урановой смоляной обманки. Причем излучение обманки было в четыре раза сильнее, чем у чистого урана. Совершенно верно заключив, что обманка содержит новый, еще не известный радиоактивный элемент, Мария и ее муж Пьер приступили к работе, результатом которой стало открытие полония и радия.

Радий — продукт распада урана — представлял для физиков гораздо больший интерес, чем его прародитель. Хотя радиоактивность солей урана была известна, его руды в первой трети ХХ столетия использовались лишь для получения сопутствующего радия, а сам уран считался нежелательным побочным продуктом. Ему нашли применение в основном в технологии керамики и в металлургии, а оксиды урана широко применяли для окраски стекла в цвета от бледно-желтого до темно-зеленого, что способствовало развитию недорогих стекольных производств (изделия этих производств флуоресцируют под ультрафиолетовыми лучами). В настоящее время урановое стекло практически не выпускается и представляет собой антикварную и коллекционную ценность. Во время Первой мировой войны и вскоре после нее уран в виде карбида применяли в производстве инструментальных сталей, аналогично молибдену и вольфраму; 4–8% урана заменяли дорогой вольфрам, производство которого в то время было ограничено. Для получения инструментальных сталей в 1914–1926 годах ежегодно производили по нескольку тонн ферроурана (сплав урана с железом), содержащего до 30% (масс.) урана. Однако такое применение урана продолжалось недолго.

В начале 30-х годов прошлого века физики проводили опыты по бомбардировке различных химических элементов нейтронами. Было обнаружено, что при бомбардировке урана образуются неизвестные радиоактивные вещества. Сразу же возникло предположение, что вещества эти — трансурановые элементы. Но было и другое мнение. Так, немецкий радиохимик Ида Ноддак считал возможным деление ядер урана под действием нейтронов на несколько осколков — изотопов уже известных элементов. Однако в расщепление ядра физики не особо верили — теория трансуранов казалась более убедительной. Но вот в 1939 году появляется статья физиков Лизе Майтнер и Отто Фишера, в которой убедительно доказывался распад уранового ядра на две части под воздействием нейтронов, и впервые появилось выражение «деление ядра». В том же году выводы ученых были подтверждены французским физиком Фредериком Жолио-Кюри. Он изготовил «мишень» из тонкого слоя урана, нанесенного на фольгу, и поместил ее в камеру с газом. Когда к мишени подносили источник нейтронов, газ ионизировался осколками урановых ядер. Подсчитав по степени ионизации энергию осколков, француз был поражен — при делении одного атома урана высвобождалась неимоверно большая энергия, эквивалентная той, что выделяется при окислении нескольких миллионов атомов углерода. В том же году подтвердилось исключительно важное предположение о том, что при делении атома урана выделяются дополнительные нейтроны, которые тоже могут расщеплять атомы. Это означало, что ядерная реакция может поддерживаться сама собой. В 1939 году, когда было осуществлено деление изотопа урана 235U, начала складываться урановая промышленность. Это привело к технической реализации контролируемой цепной реакции деления урана в декабре 1942 года. Так началась эра атома, когда уран из незначительного химического элемента превратился в один из наиболее важных элементов в жизни общества. Военное значение урана для производства атомной бомбы, а также использование его в качестве топлива для ядерных реакторов привели к бурному росту спроса на уран.

Интересна хронология роста потребности в уране по истории отложений в Большом Медвежьем озере (Канада). В 1930 году в этом озере была обнаружена смоляная обманка — смесь оксидов урана, а в 1932-м на этом участке была налажена технология очистки радия. Из каждой тонны руды (смоляной обманки) получали 1 г радия и около половины тонны побочного продукта — уранового концентрата. Однако радия было мало, и его добыча была прекращена. С 1940 по 1942 год разработку возобновили и начали отправку урановой руды в США. В 1949-м аналогичная очистка урана с некоторыми усовершенствованиями была применена для производства чистого UO2. Это производство росло, и в настоящее время оно является одним из наиболее крупных производств урана.

В мире стремительно наступала эра атомных бомб и атомной энергетики. Контролируемая цепная ядерная реакция приводит к постепенному выделению энергии, что используется для производства электроэнергии на атомных электростанциях. Неконтролируемая цепная ядерная реакция приводит к лавинообразному делению ядер и моментальному высвобождению огромного количества энергии — ядерному взрыву. Принцип в обоих случаях один: расщепляясь, ядро урана испускает нейтроны, которые расщепляют соседние ядра, которые тоже испускают нейтроны. Процесс, в принципе, может идти, пока не израсходуется весь материал. Главная проблема заключается в том, что самоподдерживающаяся ядерная реакция может происходить не в любом уране. Природный уран содержит три изотопа — U234, U235 и U238. Основную массу естественного урана составляет U238, а цепную реакцию деления ядер может поддерживать только изотоп U235, которого в природном уране всего 0,7%. Поэтому необходимо обогатить природный уран, то есть повысить в нем процентное содержание нужного изотопа (U235). Топливный уран содержит около 4% U235, а степень обогащения оружейного урана колеблется от 80 до 90%. Причем чем выше концентрация изотопа, тем выше оружейные свойства материала. После извлечения из урана изотопа U235 остается так называемый обедненный уран (содержание изотопа U234 в природном уране составляет всего несколько тысячных долей процента, и практического применения этот изотоп не находит). Так как основное назначение урана — производство энергии, обедненный уран с содержанием U235 меньше 0,7% практически бесполезен. Однако в мире накоплено огромное количество обедненного урана, масса которого исчисляется сотнями тысяч тонн. Одна из глобальных проблем современности — найти обедненному урану достойное применение. Сейчас он идет на замену других металлов высокой плотности. Используют его чаще всего в качестве балласта в приборах и аэрокосмических аппаратах. Применяют обедненный уран и в военных целях, но уже не как боевой заряд для бомб и ракет, а в качестве сердечников для подкалиберных бронебойных снарядов. Известно, что порошкообразный уран может самопроизвольно воспламениться в воздухе при нагреве до 150° C. Когда урановый сердечник пронизывает броню танка, он попадает в заброневое пространство боевой машины, на выходе из брони разрушается, превращается в пыль и загорается, превращая танк в настоящий крематорий на гусеницах. Уранокерамика, содержащая U238, входит в состав многослойной брони в некоторых модификациях американского танка «Абрамс». Изотоп U238 не может непосредственно использоваться как ядерное топливо, так как слишком велика энергия нейтронов, необходимая для его расщепления, но в реакторах на быстрых нейтронах он используется в качестве экранов, отражающих нейтроны, вылетающие из активной зоны, и возвращающих их обратно. При этом атомы U238 захватывают часть нейтронов, превращаясь в U239. Уран-239 весьма нестабилен и превращается в Нептуний-239, первый трансурановый элемент, который так упорно искали в конце XIX века. И уже Нептуний-239, тоже нестабильный элемент, превращается в Плутоний-239, оксиды которого в смеси с оксидами урана могут быть использованы в качестве топлива в легководных реакторах или в реакторах на быстрых нейтронах (МОКС-топливо).

Текст: Редкие земли

Физиологическое действие

В микроколичествах (10−5—10−8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких — 50 %. Основные депо в организме: селезёнка, почки, скелет, печень, лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10−7г.

Уран и его соединения токсичны

. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Изотопы и получение урана

Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238U— 99,2739 % (период полураспада T

1/2 = 4,468×109 лет), 235U — 0,7024 % (
T
1/2 = 7,038×108 лет) и 234U — 0,0057 % (
T
1/2 = 2,455×105 лет). Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда 238U.

Радиоактивность природного урана обусловлена в основном изотопами 238U и 234U, в равновесии их удельные активности равны. Удельная активность изотопа 235U в природном уране в 21 раз меньше активности 238U.

Известно 11 искусственных радиоактивных изотопов урана с массовыми числами от 227 до 240. Наиболее долгоживущий из них — 233U (T

1/2 = 1,62×105лет) получается при облучении ториянейтронами и способен к спонтанному делению тепловыми нейтронами.

Изотопы урана 238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов. Конечными элементами этих рядов являются изотопы свинца206Pb и 207Pb.

В природных условиях распространены в основном изотопы 234U: 235U : 238U = 0,0054 : 0,711 : 99,283. Половина радиоактивности природного урана обусловлена изотопом 234U. Изотоп 234U образуется за счёт распада 238U. Для двух последних в отличие от других пар изотопов и независимо от высокой миграционной способности урана характерно географическое постоянство отношенияU238/U235=137,88. Величина этого отношения зависит от возраста урана. Многочисленные натурные измерения показали его незначительные колебания. Так в роллах величина этого отношения относительно эталона изменяется в пределах 0,9959 −1,0042, в солях — 0,996 — 1,005. В урансодержащих минералах (настуран, урановая чернь, циртолит, редкоземельные руды) величина этого отношения колеблется в пределах 137,30 — 138,51; причём различие между формами UIV и UVI не установлено; в сфене — 138,4. В отдельных метеоритах выявлен недостаток изотопа 235U. Наименьшая его концентрация в земных условиях найдена в 1972 г. французским исследователем Бужигесом в местечке Окло в Африке(месторождение в Габоне). Так в нормальном уране содержится 0,7025 % урана 235U, тогда как в Окло оно уменьшаются до 0,557 %. Это послужило подтверждением гипотезы о наличии природного ядерного реактора, ведущего к выгоранию изотопа, предсказанной Джордж Ветрилл (George W. Wetherill) из Калифорнийского университета в ЛосАнджелесе и Марк Ингрэмом (Mark G. Inghram) из Чикагского университета и Полом Курода (Paul K. Kuroda), химиком из Университета Арканзаса, ещё в 1956 г. описавшим процесс. Кроме этого, в этих же округах найдены природные ядерные реакторы: Окелобондо, Бангомбе (Bangombe) и др. В настоящее время известно около 17 природных ядерных реакторов.

Получение

Самая первая стадия уранового производства — концентрирование. Породу дробят и смешивают с водой. Тяжёлые компоненты взвеси осаждаются быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они осаждаются быстро: это тяжёлые минералы. Вторичные минералы урана легче, в этом случае раньше оседает тяжёлая пустая порода. (Впрочем, далеко не всегда она действительно пустая; в ней могут быть многие полезные элементы, в том числе и уран).

Следующая стадия — выщелачивание концентратов, перевод урана в раствор. Применяют кислотное и щелочное выщелачивание. Первое — дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке

, уран находится в четырёхвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырёхвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. В этом случае нужно либо прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Не применяют кислотное выщелачивание и в тех случаях, если урановый концентрат содержит доломит или магнезит, реагирующие с серной кислотой.

В этих случаях пользуются едким натром (гидроксидомнатрия).

Проблему выщелачивания урана из руд решает кислородная продувка. В нагретую до 150 °C смесь урановой руды с сульфидными минералами подают поток кислорода. При этом из сернистых минералов образуется серная кислота, которая и вымывает уран.

На следующем этапе из полученного раствора нужно избирательно выделить уран. Современные методы — экстракция и ионный обмен — позволяют решить эту проблему.

Раствор содержит не только уран, но и другие катионы. Некоторые из них в определённых условиях ведут себя так же, как уран: экстрагируются теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. Поэтому для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, чтобы на каждой стадии избавляться от того или иного нежелательного попутчика. На современных ионообменных смолах уран выделяется весьма селективно.

Методы ионного обмена и экстракции

хороши ещё и тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов (содержание урана — десятые доли грамма на литр).

После этих операций уран переводят в твёрдое состояние — в один из оксидов или в тетрафторид UF4. Но этот уран ещё надо очистить от примесей с большим сечением захвата тепловых нейтронов — бора, кадмия, гафния. Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Для удаления этих примесей технически чистое соединение урана растворяют в азотной кислоте. При этом образуется уранилнитрат UO2(NO3)2, который при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций. Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO4·2H2O) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трёхокись урана UO3, которую восстанавливают водородом до UO2.

На диоксид урана UO2 при температуре от 430 до 600 °C воздействуют сухим фтористым водородом для получения тетрафторида UF4. Из этого соединения восстанавливают металлический уран с помощью кальция или магния.

Обеднённый уран

После извлечения 235U и 234U из природного урана, оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. По некоторым данным, в США хранится около 560 000 тонн обеднённого гексафторида урана (UF6).

Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него 234U. Из-за того, что основное использование урана — производство энергии, обеднённый уран — малополезный продукт с низкой экономической ценностью.

В основном его использование связано с большой плотностью урана и относительно низкой его стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты (как это ни странно) и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолёте «Боинг-747» содержится 1500 кг обеднённого урана для этих целей. Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.

Физиологическое действие

В микроколичествах (10−5—10−8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких — 50 %. Основные депо в организме: селезёнка, почки, скелет, печень, лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10−7г.

Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Уран практически необратимо, как и многие другие тяжелые металлы, связывается с белками, прежде всего, с сульфидными группами аминокислот, нарушая их функцию. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Добыча урана в мире

10 стран, ответственных за 94 % мировой добычи урана

Согласно «Красной книге по урану», выпущенной ОЭСР, в 2005 добыто 41 250 тонн урана (в 2003 — 35 492 тонны). Согласно данным ОЭСР, в мире функционирует 440 реакторов коммерческого назначения, которые потребляют в год 67 тыс. тонн урана. Это означает, что его производство обеспечивает лишь 60 % объёма его потребления (остальное извлекается из старых ядерных боеголовок). Добыча по странам в тоннах по содержанию U на 2005—2006 гг. (смотреть таблицу № 13, приложение А).

Добыча в России

В СССР основными уранорудными регионами были Украина (месторождение Желтореченское, Первомайское и др.), Казахстан (Северный — Балкашинское рудное поле и др.; Южный — Кызылсайское рудное поле и др.; Восточный; все они принадлежат преимущественно вулканогенно -гидротермальному типу); Забайкалье (Антей, Стрельцовское и др.); Средняя Азия, в основном Узбекистан с оруденениями в чёрных сланцах с центром в г. Учкудук. Имеется масса мелких рудопроявлений и проявлений. В России основным урановорудным регионом осталось Забайкалье. На месторождении в Читинской области (около города Краснокаменск) добывается около 93 % российского урана. Добычу осуществляет шахтным способом «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ППГХО), входящее в состав ОАО «Атомредметзолото» (Урановый холдинг).

Остальные 7 % получают методом подземного выщелачивания ЗАО «Далур» (Курганская область) и ОАО «Хиагда» (Бурятия).

Полученные руды и урановый концентрат перерабатываются на Чепецком механическом заводе.

Добыча в Казахстане

В Казахстане сосредоточена примерно пятая часть мировых запасов урана (21% и 2 место в мире). Общие ресурсы урана порядка 1,5 млн. тонн, из них около 1,1 млн. тонн можно добывать методом подземного выщелачивания.

В 2009 году Казахстан вышел на первое место в мире по добыче урана (добыто 13 500 тонн).

Добыча на Украине

Основное предприятие — Восточный горно-обогатительный комбинат в городе Жёлтые Воды.

Применение

Хотя уран-238 не может быть использован как первичный делящийся материал, из-за высокой энергии нейтронов, необходимых для его деления, он занимает важное место в ядерной отрасли.

Имея высокую плотность и атомный вес, U-238 пригоден для изготовления из него оболочек заряда рефлектора в устройствах синтеза и деления. Тот факт, что он делится быстрыми нейтронами, увеличивает энерговыход заряда: косвенно, размножением отраженных нейтронов; непосредственно при делении ядер оболочки быстрыми нейтронами (при синтезе). Примерно 40% нейтронов, образованных при делении и все нейтроны синтеза обладают достаточными для деления U-238 энергиями.

U-238 имеет интенсивность спонтанного деления в 35 раз более высокую, чем U-235, 5.51 делений/с*кг. Это делает невозможным применение его в качестве оболочки заряда рефлектора в пушечных бомбах, ибо подходящая его масса (200-300 кг) создаст слишком высокий нейтронный фон.

Чистый U-238 имеет удельную радиоактивность 0.333 микрокюри/г.

Важная область применения этого изотопа урана — производство плутония-239. Плутоний образуется в ходе нескольких реакций, начинающихся после захвата атомом U-238 нейтрона. Любое реакторное топливо, содержащее природный или частично обогащенный по 235-му изотопу уран, после окончания топливного цикла содержит в себе определенную долю плутония.

Цепочка распада урана-238

Изотоп уран–238, его в природном уране больше, чем 99 %. Этот изотоп является и самым устойчивым, тепловыми нейтронами его ядро расщепить нельзя. Для того, чтобы разделить 238U, нейтрону нужна дополнительная кинетическая энергия 1.4 МэВ. Ядерный реактор из чистого урана–238 ни при каких условиях работать не будет.

Атом урана-238, в ядре которого протоны и нейтроны едва удерживаются вместе силами сцепления. Время от времени из него вырывается компактная группа из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов (α-частица). Уран-238 превращается, таким образом, в торий-234, в ядре которого содержатся 90 протонов и 144 нейтрона. Но торий-234 также нестабилен. Его превращение происходит, однако, не так, как в предыдущем случае: один из его нейтронов превращается в протон, и торий-234 превращается в протактиний-234, в ядре которого содержатся 91 протон и 143 нейтрона. Эта метаморфоза, произошедшая в ядре, сказывается и на движущихся по своим орбитам электронах: один из них становится неспаренным и вылетает из атома. Протактиний очень нестабилен, и ему требуется совсем немного времени на превращение. Далее следуют иные превращения, сопровождаемые излучениями, и вся эта цепочка, в конце концов, оканчивается стабильным нуклидом свинца (смотреть рисунок № 7, приложение Б).

Важнейшим обстоятельством для ядерной энергетики оказывается то, что наиболее распространённый изотоп урана238U тоже является потенциальным источником ядерного горючего. И Сциллард, и Ферми были правы, предполагая, что поглощение нейтронов ураном приведёт к образованию новых элементов.