Normal koşullar altında, radyoaktif element uranyum, büyük atomik (moleküler) kütleye (238.02891 g/mol) sahip bir metaldir. Bu göstergeye göre ikinci sırada yer alıyor çünkü Ondan daha ağır olan tek şey plütonyumdur. Uranyum üretimi bir dizi teknolojik işlemin sıralı uygulanmasıyla ilişkilidir:

• kaya konsantrasyonu, ezilmesi ve sudaki ağır fraksiyonların çökelmesi
• konsantre liç veya oksijen temizleme
• uranyumun katı duruma dönüştürülmesi (oksit veya tetraflorür UF 4)
• Hammaddenin nitrik asit içinde çözülmesiyle uranil nitrat UO 2 (NO 3) 2 elde edilmesi
• UO 3 oksit elde etmek için kristalizasyon ve kalsinasyon
• UO2 elde etmek için hidrojen ile indirgeme
• hidrojen florür gazı eklenerek UF 4 tetraflorür elde edilmesi
• magnezyum veya kalsiyum kullanılarak uranyum metalinin indirgenmesi

Uranyum mineralleri

En yaygın U mineralleri şunlardır:

• Pitchblend (uraninit) “ağır su” olarak adlandırılan en ünlü oksittir.
• Karnotit
• Tyuyamunit
• Torburnit
• Samarskit
• Branerit
• Kasolit
• İftira

Uranyum üretimi

Küresel uranyum pazarında dünya liderlerinden biri olan Rus şirketi Rosatom'a göre, 2014 yılında gezegende 3 bin tondan fazla uranyum çıkarıldı. Aynı zamanda, bu devlet kurumunun madencilik bölümünün temsilcilerine göre, bu metalin Rusya rezervlerinin hacmi 727,2 bin tondur (dünyada 3. sıra), bu da onlarca yıl boyunca gerekli hammaddelerin kesintisiz tedarikini garanti etmektedir. .

Uranyumun ana kimyasal özellikleri tabloda sunulmaktadır:

U elementi, küriyum ve plütonyum gibi, aktinit ailesinin yapay olarak üretilen bir elementidir. Kimyasal özellikleri birçok yönden tungsten, molibden ve kromunkine benzer. Uranyum, değişken değerliliğin yanı sıra karmaşık bir iyon olan (UO 2) + 2 - uranil oluşturma eğilimi ile karakterize edilir.

Uranyum zenginleştirme yöntemleri

Bilindiği gibi doğal U 3 izotop içerir:

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

Uranyum zenginleştirmesi, bağımsız bir nükleer zincir reaksiyonu gerçekleştirebilen tek izotop olan metaldeki 235U izotopunun payında bir artış anlamına gelir.

Uranyumun nasıl zenginleştirildiğini anlamak için zenginleşme derecesini hesaba katmak gerekir:

• içerik %0,72 - bazı güç reaktörlerinde kullanılabilir
• %2-5 – çoğu güç reaktöründe kullanılır
• %20'ye kadar (düşük zenginleştirilmiş) - deneysel reaktörler için
• %20'den fazlası (yüksek oranda zenginleştirilmiş veya silah sınıfı) – nükleer reaktörler, silahlar.

Uranyum nasıl zenginleştirilir? Uranyumu zenginleştirmenin birçok yöntemi vardır, ancak en uygulanabilir olanları şunlardır:

• elektromanyetik – temel parçacıkların özel bir hızlandırıcıda hızlandırılması ve manyetik alanda bükülmeleri
• aerodinamik – özel nozüllerle uranyum gazının üflenmesi
• gaz santrifüjleme - santrifüjdeki uranyum gazı hareket eder ve ataletle ağır molekülleri santrifüjün duvarlarına doğru iter
• uranyum zenginleştirmenin gaz difüzyon yöntemi - hafif uranyum izotoplarının özel membranların küçük gözenekleri yoluyla “elenmesi”

Uranyumun ana uygulaması nükleer reaktörler, nükleer enerji santrali reaktörleri ve nükleer enerji santralleri için yakıttır. Ayrıca 235U izotopu nükleer silahlarda kullanılırken, yüksek oranda 238U içeren zenginleştirilmemiş metal, ikincil nükleer yakıt olan plütonyumun elde edilmesini mümkün kılıyor.

Gezegen ölçeğinde bir keşif. Buna Uranüs'ün bilim adamları tarafından keşfi denilebilir. Gezegen 1781'de keşfedildi.

Keşfi, bunlardan birine isim verilmesinin nedeni oldu periyodik tablonun elemanları. Uranüs metal 1789'da reçine harmanından izole edildi.

Yeni gezegen hakkındaki heyecan henüz azalmamıştı, bu nedenle yeni maddeye isim verme fikri henüz yüzeydeydi.

18. yüzyılın sonlarında radyoaktivite kavramı henüz ortaya çıkmamıştı. Bu arada karasal uranyumun ana özelliği budur.

Onunla çalışan bilim adamları farkında olmadan radyasyona maruz kaldılar. Öncü kimdi ve elementin diğer özelliklerinin neler olduğunu daha fazla anlatacağız.

Uranyumun özellikleri

Uranyum - element, Martin Klaproth tarafından keşfedildi. Reçineyi kostikle kaynaştırdı. Füzyon ürünü tamamen çözünmemiştir.

Klaproth, mineralin bileşiminde sözde bulunmadığını fark etti. Daha sonra bilim adamı blende'yi .

Yeşil altıgenler çözümden düştü. Kimyager onları sarı kana, yani potasyum hekzasiyanoferrat'a maruz bıraktı.

Çözeltiden kahverengi bir çökelti çöktü. Klaproth bu oksidi keten tohumu yağıyla onardı ve kalsine etti. Sonuç bir tozdu.

Zaten kahverengiyle karıştırarak kalsine etmem gerekiyordu. Sinterlenmiş kütlede yeni metal tanecikleri bulundu.

Daha sonra öyle olmadığı ortaya çıktı saf uranyum ve onun dioksiti. Element yalnızca 60 yıl sonra, 1841'de ayrı olarak elde edildi. Ve 55 yıl sonra Antoine Becquerel radyoaktivite olgusunu keşfetti.

Uranyumun radyoaktivitesi elementin çekirdeğinin nötronları ve fragmanları yakalama yeteneğinden kaynaklanmaktadır. Aynı zamanda etkileyici bir enerji açığa çıkar.

Radyasyonun ve parçaların kinetik verileri ile belirlenir. Çekirdeklerin sürekli bölünmesini sağlamak mümkündür.

Zincirleme reaksiyon, doğal uranyumun 235'inci izotopuyla zenginleştirilmesiyle başlar. Metale eklenmiş gibi değil.

Aksine, düşük radyoaktif ve etkisiz 238'inci nüklidin yanı sıra 234'üncü nüklid de cevherden çıkarılır.

Karışımlarına tükenmiş, kalan uranyuma ise zenginleştirilmiş denir. Sanayicilerin ihtiyacı olan da tam olarak budur. Ancak bunun hakkında ayrı bir bölümde konuşacağız.

Uranüs yayılır, gama ışınlarıyla hem alfa hem de beta. Siyaha sarılı bir fotoğraf plakası üzerinde metalin etkisi görülerek keşfedildi.

Yeni elementin bir şeyler yaydığı belli oldu. Curie'ler tam olarak bunun ne olduğunu araştırırken Maria, kimyagerin kan kanserine yakalanmasına neden olan bir doz radyasyon aldı ve kadın 1934'te bundan öldü.

Beta radyasyonu yalnızca insan vücudunu değil aynı zamanda metalin kendisini de yok edebilir. Uranyumdan hangi element oluşur? Cevap: - kısaca.

Aksi takdirde buna protaktinyum denir. 1913'te uranyum çalışmaları sırasında keşfedildi.

İkincisi, dış etkiler ve reaktifler olmadan, yalnızca beta bozunmasından dolayı breviuma dönüşür.

Dışarıdan uranyum – kimyasal element- metalik parlaklığa sahip renkler.

Bu, 92 maddesinin ait olduğu tüm aktinitlerin neye benzediğidir. Grup 90 numarayla başlayıp 103 numarayla bitiyor.

Listenin başında yer alıyor radyoaktif element uranyum Oksitleyici bir ajan olarak kendini gösterir. Oksidasyon durumları 2., 3., 4., 5., 6. olabilir.

Yani 92. metal kimyasal olarak aktiftir. Uranyumu toz haline getirirseniz havada kendiliğinden tutuşacaktır.

Her zamanki haliyle madde oksijenle temas ettiğinde oksitlenerek yanardöner bir filmle kaplanır.

Sıcaklığı 1000 santigrat dereceye getirirseniz, kimya uranyum elementi ile bağlantı kurun. Bir metal nitrür oluşur. Bu maddenin rengi sarıdır.

Onu suya atarsanız tıpkı saf uranyum gibi çözülecektir. Tüm asitler de onu aşındırır. Element, hidrojeni organik elementlerden uzaklaştırır.

Uranyum ayrıca onu tuz çözeltilerinden dışarı iter, , , , . Böyle bir çözelti çalkalanırsa 92. metalin parçacıkları parlamaya başlayacaktır.

Uranyum tuzları kararsızdır, ışıkta veya organik madde varlığında parçalanır.

Element belki de yalnızca alkalilere karşı kayıtsızdır. Metal onlarla reaksiyona girmez.

Uranyumun keşfi süper ağır bir elementin keşfidir. Kütlesi, metalin veya daha doğrusu onunla birlikte bulunan minerallerin cevherden izole edilmesini mümkün kılar.

Ezip suya dökmeniz yeterlidir. İlk önce uranyum parçacıkları çökecek. Metal madenciliğinin başladığı yer burasıdır. Ayrıntılar bir sonraki bölümde.

Uranyum madenciliği

Ağır bir çökelti alan sanayiciler konsantreyi süzüyor. Amaç uranyumu çözeltiye dönüştürmektir. Sülfürik asit kullanılır.

Tar için bir istisna yapılmıştır. Bu mineral asitte çözünmediği için alkaliler kullanılır. Zorlukların sırrı uranyumun 4 değerlikli halindedir.

Asit liçi de işe yaramaz. Bu minerallerde 92. metal de 4 değerliklidir.

Bu, kostik soda olarak bilinen hidroksit ile işlenir. Diğer durumlarda oksijen temizliği iyidir. Sülfürik asitin ayrıca stoklanmasına gerek yoktur.

Sülfür mineralli cevheri 150 dereceye kadar ısıtmak ve üzerine oksijen akışını yönlendirmek yeterlidir. Bu, yıkanıp giden asit oluşumuna yol açar Uranüs.

Kimyasal element ve uygulaması saf metal formlarıyla ilişkilidir. Safsızlıkları gidermek için sorpsiyon kullanılır.

İyon değiştirme reçineleri üzerinde gerçekleştirilir. Organik çözücülerle ekstraksiyon da uygundur.

Amonyum uranatları çökeltmek, nitrik asit içinde çözmek ve tabi tutmak için çözeltiye alkali eklemek kalır.

Sonuç 92. elementin oksitleri olacaktır. 800 dereceye kadar ısıtılır ve hidrojen ile indirgenir.

Nihai oksit dönüştürülür uranyum florür saf metalin kalsiyum-termal indirgeme yoluyla elde edildiği. Gördüğünüz gibi basit bir şey değil. Neden bu kadar çabalayasınız ki?

Uranyum uygulamaları

92. metal nükleer reaktörlerin ana yakıtıdır. Yalın bir karışım sabit olanlar için uygundur ve enerji santralleri için zenginleştirilmiş bir element kullanılır.

235'inci izotop aynı zamanda nükleer silahların da temelini oluşturur. İkincil nükleer yakıt ayrıca metal 92'den de elde edilebilir.

Burada şu soruyu sormakta fayda var. uranyum hangi elemente dönüşür?. 238. izotopundan başka bir radyoaktif, süper ağır maddedir.

Tam 238. sırada uranyum Harika yarı ömür 4,5 milyar yıl sürer. Bu kadar uzun vadeli yıkım, düşük enerji yoğunluğuna yol açar.

Uranyum bileşiklerinin kullanımını düşünürsek oksitleri faydalıdır. Cam sanayinde kullanılırlar.

Oksitler boya görevi görür. Soluk sarıdan koyu yeşile kadar elde edilebilir. Malzeme ultraviyole ışınlarda floresans yayar.

Bu özellik sadece camlarda değil aynı zamanda uranyum sırlarında da kullanılmaktadır. İçlerindeki uranyum oksitler %0,3 ile %6 arasında değişmektedir.

Sonuç olarak arka plan güvenlidir ve saatte 30 mikronu geçmez. Uranyum elementlerinin fotoğrafı Daha doğrusu onun katılımıyla ürünler çok renkli. Cam ve tabakların parıltısı göze çarpıyor.

Uranyum fiyatı

Bir kilogram zenginleştirilmemiş uranyum oksit için yaklaşık 150 dolar veriyorlar. Zirve değerleri 2007 yılında gözlendi.

Daha sonra maliyet kilo başına 300 dolara ulaştı. Uranyum cevherlerinin geliştirilmesi, 90-100 konvansiyonel birim fiyatla bile karlı kalacaktır.

Uranyum elementini kim keşfetti, yer kabuğundaki rezervlerinin ne olduğunu bilmiyordu. Artık sayılıyorlar.

Kârlı üretim fiyatına sahip büyük mevduatlar 2030 yılına kadar tükenecek.

Yeni yataklar keşfedilmezse veya metale alternatif bulunamazsa maliyeti artacaktır.

TANIM

Uranüs- Periyodik Tablonun doksan ikinci elemanı. Tanım - Latince “uranyum”dan gelen U. Yedinci periyotta IIIB grubunda yer alır. Metalleri ifade eder. Nükleer yük 92'dir.

Uranyum, parlak yüzeye sahip gümüş renkli bir metaldir (Şekil 1). Ağır. Dövülebilir, esnek ve yumuşak. Paramıknatısların doğal özellikleri. Uranyum, her biri belirli bir sıcaklık aralığında bulunan üç modifikasyonun varlığıyla karakterize edilir: a-uranyum (ortorombik sistem), β-uranyum (dörtgen sistem) ve γ-uranyum (kübik sistem).

Pirinç. 1. Uranyum. Dış görünüş.

Uranyumun atomik ve moleküler kütlesi

Maddenin bağıl moleküler ağırlığı(Mr), belirli bir molekülün kütlesinin, bir karbon atomunun kütlesinin 1/12'sinden kaç kat daha büyük olduğunu gösteren bir sayıdır ve bir elementin bağıl atom kütlesi(A r) - bir kimyasal elementin ortalama atom kütlesinin, bir karbon atomunun kütlesinin 1/12'sinden kaç katı olduğu.

Serbest durumdaki uranyum, tek atomlu U molekülleri formunda mevcut olduğundan, atomik ve moleküler kütlelerinin değerleri çakışmaktadır. 238.0289'a eşittirler.

Uranyum izotopları

Uranyumun kararlı izotoplara sahip olmadığı biliniyor ancak doğal uranyum, radyoaktif olan 238 U (%99,27), 235 U ve 234 U izotoplarının karışımından oluşuyor.

Kütle numaraları 217'den 242'ye kadar olan kararsız uranyum izotopları vardır.

Uranyum iyonları

Uranyum atomunun dış enerji seviyesinde değerlik olan üç elektron vardır:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5p 6 5d 10 5f 3 6s 2 6p 6 6d 1 7s 2 .

Kimyasal etkileşimin bir sonucu olarak uranyum değerlik elektronlarından vazgeçer; onların donörüdür ve pozitif yüklü bir iyona dönüşür:

U 0 -3e → U 3+ .

Molekül ve uranyum atomu

Serbest durumda, uranyum tek atomlu U molekülleri formunda bulunur. Uranyum atomunu ve molekülünü karakterize eden bazı özellikler şunlardır:

Problem çözme örnekleri

ÖRNEK 1

ÖRNEK 2

Uranüs periyodik tablonun ağır metal elementlerinden biridir. Uranyum, enerji ve askeri endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Periyodik tabloda 92 numarada bulunur ve kütle numarası 238 olan Latin harfi U ile gösterilir.

Uranüs nasıl keşfedildi?

Genel olarak uranyum gibi bir kimyasal element çok uzun zamandır bilinmektedir. Çağımızdan önce bile seramiklerde sarı sır yapımında doğal uranyum oksitin kullanıldığı biliniyor. Bu elementin keşfi, Martin Heinrich Klaproth adlı Alman kimyagerin bir cevherden siyah metal benzeri bir malzeme elde ettiği 1789 yılına kadar uzanabilir. Martin, aynı adı taşıyan yeni keşfedilen gezegenin adını desteklemek için bu malzemeye Uranüs adını vermeye karar verdi (Uranüs gezegeni aynı yıl keşfedildi). 1840 yılında Klaproth tarafından keşfedilen bu malzemenin, karakteristik metalik parlaklığa rağmen uranyum oksit olduğu ortaya çıktı. Eugene Melchior Peligot oksitten atomik Uranyum sentezledi ve atom ağırlığını 120 AU olarak belirledi ve 1874'te Mendeleev bu değeri ikiye katlayarak masasının en uzak hücresine yerleştirdi. Sadece 12 yıl sonra Mendeleev'in kütleyi ikiye katlama kararı Alman kimyager Zimmermann'ın deneyleriyle doğrulandı.

Uranyum nerede ve nasıl çıkarılır?

Uranyum oldukça yaygın bir elementtir, ancak uranyum cevheri formunda da yaygındır. Anlayacağınız üzere, yerkabuğundaki içeriği Dünya'nın toplam kütlesinin %0,00027'sidir. Uranyum cevheri tipik olarak yüksek silikon içeriğine sahip asidik mineral kayalarda bulunur. Uranyum cevherlerinin ana türleri zift, karnotit, kasolit ve samarskittir. Rezerv mevduatları dikkate alındığında en büyük uranyum cevheri rezervleri Avustralya, Rusya ve Kazakistan gibi ülkelerde bulunmaktadır ve tüm bunlar arasında Kazakistan lider konumdadır. Uranyum madenciliği çok zor ve pahalı bir işlemdir. Tüm ülkelerin saf uranyum madenciliği ve sentezleme gücü yoktur. Üretim teknolojisi şu şekildedir: altın veya değerli taşlarla karşılaştırılabilecek madenlerde cevher veya mineraller çıkarılır. Çıkarılan kayalar eziliyor ve uranyum tozunu diğerlerinden ayırmak için suyla karıştırılıyor. Uranyum tozu çok ağırdır ve bu nedenle diğerlerinden daha hızlı çöker. Bir sonraki adım, asit veya alkali liç yoluyla uranyum tozunu diğer kayalardan arındırmaktır. Prosedür şuna benzer: Uranyum karışımı 150 °C'ye ısıtılır ve basınç altında saf oksijen sağlanır. Sonuç olarak, uranyumu diğer yabancı maddelerden arındıran sülfürik asit oluşur. Son aşamada ise saf uranyum parçacıkları seçiliyor. Uranyum tozunun yanı sıra başka yararlı mineraller de vardır.

Uranyumdan kaynaklanan radyoaktif radyasyon tehlikesi

Herkes radyoaktif radyasyon kavramının ve sağlığa onarılamaz zararlar vererek ölüme yol açtığının bilincindedir. Uranyum, belirli koşullar altında radyoaktif radyasyon yayan elementlerden biridir. Serbest formda çeşidine bağlı olarak alfa ve beta ışınları yayabilir. Alfa ışınları, bu radyasyonun nüfuz etme kabiliyeti düşük olduğundan, dışarıdan gelen bir ışınlama durumunda insanlar için büyük bir tehlike oluşturmaz, ancak vücuda girdiğinde onarılamaz zararlara neden olur. Bir sayfa yazı kağıdı bile dış alfa ışınlarını barındırmaya yeterlidir. Beta radyasyonunda işler daha ciddidir, ancak çok fazla değildir. Beta radyasyonunun nüfuz etme gücü alfa radyasyonundan daha yüksektir, ancak beta radyasyonunu içermek için 3-5 mm doku gerekli olacaktır. Bunun nasıl olduğunu bana söyleyebilir misin? Uranyum nükleer silahlarda kullanılan radyoaktif bir elementtir! Doğru, tüm canlılara büyük zarar veren nükleer silahlarda kullanılıyor. Sadece bir nükleer savaş başlığı patladığında, canlı organizmalara verilen asıl hasar gama radyasyonu ve nötron akışından kaynaklanır. Bu tür radyasyon, bir savaş başlığının patlaması sırasında uranyum parçacıklarını kararlı durumdan çıkaran ve dünyadaki tüm yaşamı yok eden termonükleer reaksiyonun bir sonucu olarak oluşur.

Uranyum çeşitleri

Yukarıda belirtildiği gibi uranyumun çeşitli çeşitleri vardır. Çeşitler izotopların varlığını ima eder, dolayısıyla izotopların aynı elementleri ancak farklı kütle numaralarını ima ettiğini anlarsınız.

Yani iki tür var:

1. Doğal;
2. Yapay;

Tahmin edebileceğiniz gibi doğal olan topraktan çıkarılan, yapay olan ise insanların kendi kendine yarattığıdır. Doğal izotoplar, kütle numaraları 238, 235 ve 234 olan uranyum izotoplarını içerir. Üstelik U-234, U-238'in kızıdır, yani birincisi, ikincisinin doğal koşullar altında bozunmasından elde edilir. Yapay olarak oluşturulan ikinci grup izotopların kütle numaraları 217'den 242'ye kadardır. İzotopların her biri farklı özelliklere sahiptir ve belirli koşullar altında farklı davranışlarla karakterize edilir. Her izotopun farklı bir enerji değeri olması nedeniyle nükleer bilimciler ihtiyaçlara bağlı olarak sorunlara her türlü çözümü bulmaya çalışırlar.

Yarı ömürler

Yukarıda bahsedildiği gibi uranyumun izotoplarının her biri farklı enerji değerine ve farklı özelliklere sahiptir; bunlardan biri yarı ömürdür. Ne olduğunu anlamak için bir tanımla başlamanız gerekir. Yarı ömür, radyoaktif atom sayısının yarı yarıya azaldığı süredir. Yarı ömür, enerji değeri veya tam saflaştırma gibi birçok faktörü etkiler. İkincisini örnek alırsak, dünyanın radyoaktif kirliliğinden tamamen temizlenmesinin ne kadar süreceğini hesaplayabiliriz. Uranyum izotoplarının yarı ömürleri:

Tablodan görülebileceği gibi izotopların yarı ömrü dakikalardan yüz milyonlarca yıla kadar değişmektedir. Her biri insanların yaşamlarının farklı alanlarında uygulama bulur.

Uranyumun kullanımı birçok faaliyet alanında oldukça yaygındır, ancak enerji ve askeri alanlarda en büyük değere sahiptir. İzotop U-235 büyük ilgi görmektedir. Avantajı, askeri işlerde nükleer silah üretiminde ve nükleer reaktörlerde yakıt olarak yaygın olarak kullanılan nükleer zincir reaksiyonunu bağımsız olarak sürdürebilmesidir. Ayrıca uranyum, jeolojide minerallerin ve kayaların yaşını belirlemek ve jeolojik süreçlerin seyrini belirlemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Otomotiv ve uçak endüstrilerinde seyreltilmiş uranyum, karşı ağırlık ve merkezleme elemanı olarak kullanılır. Uygulama aynı zamanda boyamada ve daha spesifik olarak porselen boyası olarak ve seramik sırları ve emayelerin imalatında da bulundu. Bir başka ilginç nokta da, kulağa ne kadar tuhaf gelse de, radyoaktif radyasyona karşı korunmak için seyreltilmiş uranyumun kullanılmasıdır.

92 numaralı element olan Uranyum, doğada bulunan en ağır elementtir. Çağımızın başlarında kullanılmış olup, Pompeii ve Herculaneum kalıntıları arasında sarı sırlı (%1'den fazla uranyum oksit içeren) seramik parçaları bulunmuştur.

Uranyum, 1781 yılında keşfedilen uranyum gezegeninden adını alan Alman kimyager Marton Heinrich Klaproth tarafından uranyum katranında 1789 yılında keşfedilmiştir. Metalik uranyum ilk olarak 1841 yılında Fransız kimyager Eugene Peligot tarafından susuz uranyum tetraklorürün potasyum ile indirgenmesiyle elde edilmiştir. 1896'da Antoine-Henri Becquerel, fotoğraf plakalarını yanlışlıkla yakındaki bir uranyum tuzu parçasından gelen iyonlaştırıcı radyasyona maruz bırakarak uranyum radyoaktivitesi olgusunu keşfetti.

Fiziksel ve kimyasal özellikler

Uranyum çok ağır, gümüşi beyaz, parlak bir metaldir. Saf haliyle çelikten biraz daha yumuşaktır, dövülebilir, esnektir ve hafif paramanyetik özelliklere sahiptir. Uranyumun üç allotropik formu vardır: alfa (prizmatik, 667,7 °C'ye kadar stabil), beta (dörtgen, 667,7 ila 774,8 °C arasında stabil), gama (774,8 °C'den erime noktasına kadar mevcut, vücut merkezli kübik yapıya sahip) ), uranyumun en dövülebilir ve işlenmesi kolay olanıdır. Alfa fazı, son derece asimetrik prizmatik bir kafes içindeki dalgalı atom katmanlarından oluşan çok dikkat çekici bir prizmatik yapı türüdür. Bu anizotropik yapı, uranyumun diğer metallerle alaşımlanmasını zorlaştırır. Yalnızca molibden ve niyobyum, uranyumla katı fazlı alaşımlar oluşturabilir. Doğru, uranyum metali birçok alaşımla etkileşime girerek metaller arası bileşikler oluşturabilir.

Uranyumun temel fiziksel özellikleri:
erime noktası 1132,2 °C (+/- 0,8);
kaynama noktası 3818 °C;
yoğunluk 18,95 (alfa fazında);
özgül ısı kapasitesi 6,65 cal/mol/°C (25 C);
çekme mukavemeti 450 MPa.

Kimyasal olarak uranyum çok aktif bir metaldir. Havada hızla oksitlenerek gökkuşağı renginde bir oksit filmiyle kaplanır. İnce uranyum tozu havada kendiliğinden tutuşur; 150-175 °C sıcaklıkta tutuşarak U oluşturur. 3 O 8 . 1000 °C'de uranyum nitrojenle birleşerek sarı uranyum nitrür oluşturur. Su, metali düşük sıcaklıklarda yavaşça, yüksek sıcaklıklarda ise hızla aşındırabilir. Uranyum hidroklorik, nitrik ve diğer asitlerde çözünerek dört değerlikli tuzlar oluşturur, ancak alkalilerle etkileşime girmez. Uranyum, inorganik asitlerdeki hidrojeni ve cıva, gümüş, bakır, kalay, platin ve altın gibi metallerin tuz çözeltilerini uzaklaştırır. Kuvvetli bir şekilde sallandığında uranyumun metal parçacıkları parlamaya başlar.
Uranyumun dört oksidasyon durumu vardır - III-VI. Altı değerlikli bileşikler arasında uranil trioksit UO bulunur 3 ve uranyum uranyum klorür UO 2 Cl 2 . Uranyum tetraklorür UCl 4 ve uranyum dioksit UO 2 - dört değerlik uranyum örnekleri. Dört değerlikli uranyum içeren maddeler genellikle kararsızdır ve uzun süre havayla temas ettiğinde altı değerlikli uranyuma dönüşür. Uranil klorür gibi uranil tuzları, parlak ışık veya organik madde varlığında ayrışır.

Uranyumun kararlı izotopları yoktur ancak radyoaktif izotoplarından 33 tanesi bilinmektedir. Doğal uranyum üç radyoaktif izotoptan oluşur: 238 U (%99,2739, T=4,47⋅10 9 yıl, α-yayıcı, radyoaktif serinin atası (4n+2)), 235 U (%0,7205, T=7,04⋅10 9 yıllar, radyoaktif serinin atası (4n+3)) ve 234 U (%0,0056, T=2,48⋅10 5 yıl, α-yayıcı). Son izotop birincil değil radyojeniktir; radyoaktif serinin bir parçasıdır; 238 U. Doğal uranyumun atom kütlesi 238.0289+0.0001'dir.

Doğal uranyumun radyoaktivitesi esas olarak izotoplardan kaynaklanmaktadır. 238 U ve 234 U, dengede spesifik aktiviteleri eşittir. Doğal uranyumun spesifik radyoaktivitesi 0,67 mikroküri/g olup, neredeyse yarı yarıya bölünmüştür. 234 U ve 238 U; 235 235 U küçük bir katkı sağlar (izotopun spesifik aktivitesi 238 Doğal uranyumdaki U 21 kat daha az aktiftir U). Doğal uranyum, bir fotoğraf plakasını yaklaşık bir saat içinde açığa çıkarabilecek kadar radyoaktiftir. Termal nötron yakalama kesiti 233 U 4,6 10 -27 m2, 235 U 9,8 10 -27 m2, 238 U 2,7 10 -28 m2; fisyon kesiti 233 U 5,27 10 -26 m2, 235 U 5,84 10 -26 m2, izotopların doğal karışımı 4,2 10

-28 m2. Uranyumun izotopları genellikle α-yayıcılardır. Ortalama α-radyasyon enerjisi 230 U, 231 U, 232 U, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 -4 U sırasıyla 5,97'ye eşittir; 3,05⋅10; 5.414; 4.909; 4.859; 4.679; 4.572; 4.270 MeV. Aynı zamanda izotoplar 233 U, 238 U ve 239

Alfaya ek olarak U, başka bir tür bozunmaya da uğrar - kendiliğinden fisyon, ancak fisyon olasılığı α bozunması olasılığından çok daha azdır. Pratik uygulamalar açısından doğal izotopların olması önemlidir. 233 U ve 235 235 Hem termal hem de hızlı nötronların etkisi altında U fisyonu ( 238 U kendiliğinden bölünme yeteneğine sahiptir) ve çekirdekler 238 U yalnızca 1 MeV'den büyük enerjilere sahip nötronları yakaladığında fisyon yapabilir. Daha düşük nükleer enerjiye sahip nötronları yakalarken 239 İlk önce çekirdeğe dönüşüyorsun Daha sonra β-bozunmasına uğrayan ve ilk önce dönüşen U 239 Np ve ardından - 239'da 235 Nükleer özellikleri birbirine yakın olan Pu U. Çekirdeklerin termal nötronları için etkili yakalama kesitleri 234 U, 235 U ve 238 U, 98⋅10 -28, 683⋅10 -28 ve 2,7⋅10 -28'e eşittir 235 sırasıyla m2. Bölmeyi tamamla U “termal enerji eşdeğeri”nin salınmasına yol açar 2⋅10

7 kWh/kg.

Uranyumun teknojenik izotopları Modern nükleer reaktörler, kütle numaraları 227'den 240'a kadar olan 11 yapay radyoaktif izotop üretir; bunlardan en uzun ömürlü olanı, yıllar); toryumun nötron ışınlaması ile elde edilir. Kütle numarası 240'tan büyük olan uranyum izotoplarının reaktörlerde oluşma zamanı yoktur. Uranyum-240'ın ömrü çok kısa ve bir nötron yakalayamadan bozunuyor. Bununla birlikte, termonükleer bir patlamanın süper güçlü nötron akışlarında, bir uranyum çekirdeği saniyenin milyonda biri içinde 19'a kadar nötron yakalamayı başarır. Bu durumda, kütle sayıları 239'dan 257'ye kadar olan uranyum izotopları doğar. Bunların varlığı, uranyumun ağır izotoplarının soyundan gelen uzak transuranyum elementlerinin termonükleer patlamasının ürünlerindeki görünümden öğrenildi. "Cinsin kurucuları", β-bozunması ve patlamayla karıştırılan kayadan nükleer reaksiyon ürünleri çıkarılmadan çok önce daha yüksek elementlere geçemeyecek kadar kararsızdır.

Termal nötron güç reaktörlerinde nükleer yakıt olarak izotoplar kullanılır 235 U ve 233 U ve hızlı nötron reaktörlerinde 238 U, yani Fisyon zincir reaksiyonunu destekleyebilen izotoplar.

U-232

232 U - teknojenik nüklid, doğada bulunmaz, α-yayıcı, T=68,9 yıl, ana izotoplar 236 Pu(α), 232 Np(β+) ve 232 Pa(β-), yavru çekirdek 228 Th. Kendiliğinden bölünme yeteneğine sahiptir. 232 U'nun kendiliğinden fisyon oranı 0,47 bölüm/s⋅kg'dır. Nükleer endüstride 232 U, toryum yakıt döngüsünde bölünebilir (silah sınıfı) nüklid 233U'nun sentezi sırasında bir yan ürün olarak üretilir. Işınlandığında 232 Ana reaksiyon şu şekilde gerçekleşir:

232 Bin + n → 233 Th → (22,2 dk, β-bozunması) → 233 Pa → (27,0 gün, β-bozunması) → 233 U

ve iki aşamalı bir yan reaksiyon:

232 Th + n → 231 Th + 2n, 231 Th → (25,5 sa, β) → 231 Pa + n → 232 Pa → (1,31 gün, β) → 232 Ü.

Çalışma süresi 232 İki aşamalı bir reaksiyon sırasında U, hızlı nötronların varlığına bağlıdır (enerjisi en az 6 MeV olan nötronlara ihtiyaç vardır), çünkü ilk reaksiyonun kesiti termal hızlar için küçüktür. Az sayıda fisyon nötronunun enerjileri 6 MeV'nin üzerindedir ve toryum üreme bölgesi, reaktörün orta derecede hızlı nötronlar (~ 500 keV) tarafından ışınlandığı bir bölümünde bulunuyorsa, bu reaksiyon pratik olarak hariç tutulabilir. Orijinal madde içeriyorsa 230 Peki, o zaman eğitim 232 U reaksiyonla tamamlanmaktadır: 230 Bin + n → 231 Th ve daha fazlası yukarıdaki gibi. Bu reaksiyon aynı zamanda termal nötronlarla da iyi çalışır. Bu nedenle eğitimin engellenmesi 232 U (ve bu aşağıda belirtilen nedenlerden dolayı gereklidir) toryumun minimum konsantrasyonda yüklenmesini gerektirir 230 Th.

Bir güç reaktöründe üretilen izotop 232 Parçalara bölündüğü için sağlık ve güvenlik sorunu teşkil ediyorsunuz 212 Bi ve 208 Yüksek enerjili γ-kuanta yayan Te. Bu nedenle büyük miktarlarda bu izotopu içeren preparatlar sıcak bir odada işlenmelidir. Kullanılabilirlik 232 Işınlanmış uranyumdaki U, atom silahlarının kullanılması açısından da tehlikelidir.

Birikim 232 Üretimde kaçınılmazsınız 233 Toryumun enerji döngüsünde yer alması enerji sektörüne girişini engellemektedir. Alışılmadık olan şey, izotopun eşit olmasıdır 232 U, nötronların etkisi altında yüksek bir fisyon kesitine (termal nötronlar için 75 ahır, rezonans integrali 380) ve ayrıca yüksek bir nötron yakalama kesitine - 73 ahıra (rezonans integrali 280) sahiptir.

232'nin faydaları da var U: Kimyasal ve fiziksel araştırmalarda radyotracer yönteminde sıklıkla kullanılır.

U-233

233 U, Seaborg, Hoffmann ve Stoughton tarafından keşfedildi. Uranyum-233 - α-yayıcı, T=1,585⋅105 yıl, ana nüklidler 237 Pu(α) 233 Np(β+) 233 Pa(β-), yavru çekirdek 229 Th. Uranyum-233 nükleer reaktörlerde toryumdan üretilir: 232Th bir nötronu yakalar ve ona dönüşür. 233 Th, parçalanıyor 233 Ra ve ardından 233 U. Çekirdek 233'te U (tek izotop), herhangi bir enerjinin nötronlarının etkisi altında hem kendiliğinden fisyon hem de fisyon yeteneğine sahiptir, bu da onu hem atom silahlarının hem de reaktör yakıtının üretimi için uygun kılar (nükleer yakıtın genişletilmiş şekilde çoğaltılması mümkündür). Uranyum-233 aynı zamanda gaz fazlı nükleer roket motorları için de en umut verici yakıttır. Hızlı nötronlar için etkili fisyon kesiti 533 ambar, yarılanma ömrü 1.585.000 yıldır ve doğada oluşmaz. Kritik kütle 233 U kritik kütleden üç kat daha azdır 235 U (yaklaşık 16 kg). 233

232 Bin + n → 233 Th → (22,2 dk, β-bozunması) → 233 U'nun kendiliğinden fisyon hızı 720 fisyon/s⋅kg'dır. 235U, 232Th'den nötron ışınlaması yoluyla elde edilebilir:

Pa → (27,0 gün, β-bozunması) → 233U 233 Bir nötron emildiğinde çekirdek 234 U genellikle fisyona uğrar, ancak ara sıra bir nötron yakalar ve U, fisyon dışı süreçlerin payı diğer fisil yakıtlara göre daha az olmasına rağmen ( 235 U, 239 Pu, 241 233 Pu) tüm nötron enerjilerinde küçük kalır. Protaktinyumun bir nötronu absorbe etme şansına sahip olmadan önce fiziksel olarak izole edildiği bir erimiş tuz reaktörü tasarımının bulunduğunu unutmayın. Rağmen 234 Bir nötronu soğuran U, genellikle bölünür, ancak bazen bir nötronu alıkoyarak ona dönüşür.

U (bu süreç fisyondan önemli ölçüde daha az olasıdır). Toryum endüstrisi için hammaddelerden elde edilen U, önemli toryum rezervlerine sahip olan Hindistan nükleer endüstrisinin geliştirilmesi için uzun vadeli bir stratejidir. Yetiştirme hızlı veya termal reaktörlerde gerçekleştirilebilir. Dünyadaki toryum rezervleri uranyum rezervlerinin üç katı olmasına rağmen Hindistan dışında toryum bazlı yakıt döngüsüne pek ilgi gösterilmemektedir. Nükleer reaktörlerde yakıtın yanı sıra kullanılabilmektedir. 233 Silah saldırısındasın. Her ne kadar şimdi bunu nadiren yapıyorlar. 1955'te Amerika Birleşik Devletleri silah kalitesini test etti 233 Çaydanlık Operasyonu'nda buna dayalı bir bombayı patlatarak U. Silah açısından 233 U, 239 ile karşılaştırılabilir Pu: radyoaktivitesi 1/7'dir (plütonyum için T=159200 yıl, plütonyum için 24100 yıl), kritik kütlesi %60 daha yüksektir (10 kg'a karşı 16 kg) ve kendiliğinden fisyon oranı 20 kat daha yüksektir (6⋅10-9'a karşı 3⋅10 -10 ). Ancak spesifik radyoaktivitesi daha düşük olduğundan nötron yoğunluğu 233 U bundan üç kat daha yüksek 239 Pu. Temelli bir nükleer yükün oluşturulması 233 U, plütonyumdan daha fazla çaba gerektirir ancak teknolojik çaba yaklaşık olarak aynıdır.

Temel fark, varlığıdır. 233 U safsızlıkları 232 U ile çalışmayı zorlaştıran 233 U ve bitmiş silahları keşfetmeyi kolaylaştırıyor.

Silah sınıfı 233'te 232 U içeriği U 5 ppm'yi (%0,0005) aşmamalıdır. Ticari nükleer yakıt çevriminde, 232 U, uranyumun silah amaçlı yayılması olasılığını azalttığı için, arzu edilen bir durum bile değildir. Seviyeyi geri dönüştürüp yeniden kullandıktan sonra yakıttan tasarruf etmek için 232 U %0,1-0,2'ye ulaşır. Özel olarak tasarlanmış sistemlerde bu izotop %0,5-1 konsantrasyonlarda birikir.

Üretimden sonraki ilk iki yılda 233 U içeren 232 U, 228 Th kendi bozunumuyla dengede kalarak sabit bir seviyede kalır. Bu dönemde γ-radyasyonunun arka plan değeri oluşturulur ve stabilize edilir. Bu nedenle ilk birkaç yıl seri üretim 233 U önemli miktarda γ radyasyonu yayar. On kilogramlık küre 233 Silah sınıfı U (5 ppm 232U), üretimden 1 ay sonra 1 m mesafede 11 milirem/saatlik bir arka plan üretir, 110

bir yıl sonra milirem/saat, 2 yıl sonra 200 milirem/saat. Yıllık 5 rem doz sınırı, bu tür malzemeyle yalnızca 25 saat çalışıldıktan sonra aşılır. Taze bile 233 U (üretim tarihinden itibaren 1 ay), montaj süresini haftada on saatle sınırlandırır. Tamamen monte edilmiş bir silahta, yükün vücut tarafından emilmesiyle radyasyon seviyesi azaltılır. Modern hafif cihazlarda azalma 10 katını geçmemekte ve güvenlik sorunları yaratmaktadır. Daha ağır yüklerde emilim daha güçlüdür - 100 - 1000 kat. Berilyum reflektör, nötron arka plan seviyesini artırır: 9Be + γ-kuantum → 8Be + n. γ ışınları 232 U karakteristik bir imza oluşturur, bunlar tespit edilebilir ve atom yükünün hareketleri ve varlığı takip edilebilir. Özel olarak denatüre edilmiş toryum döngüsü kullanılarak üretilmiştir 233 U (%0,5 - 1,0 232) U), daha da büyük bir tehlike yaratır. Bu malzemeden yapılmış 10 kilogramlık bir küre, 1 ay sonra 1 m uzaklıkta, 1 yıl sonra 11 rem/saat, 1 yıl sonra 110 rem/saat ve 2 yıl sonra 200 rem/saatlik bir arka plan oluşturur. Radyasyonun 1000 kat azalmasına rağmen böyle bir atom bombasıyla temas yılda 25 saatle sınırlıdır. Dikkat çekici bir payın varlığı 232 Bölünebilir malzemedeki U, onu askeri kullanım için son derece elverişsiz hale getiriyor.

Uranyumun doğal izotopları

U-234

Uranyum-234 (uranyum II) doğal uranyumun bir parçasıdır (%0,0055), T = 2,445⋅10 5 yıllar, α-yayıcı, ana radyonüklidler: 238 Pu(α), 234 Pa(β-), 234 Np(β+), yavru izotop 230 Th. İçindekiler 234 Nispeten kısa yarı ömründen dolayı cevherdeki U miktarı çok küçüktür. 234 U reaksiyonlarla oluşur:

238 U → (4,51 milyar yıl, alfa bozunması) → 234.Bölüm

234 Th → (24,1 gün, beta bozunması) → 234 Pa

234 Pa → (6,75 saat, beta bozunması) → 234 U

Genellikle 234 U ile dengededir 238 U, aynı oranda çürüyor ve oluşuyor. Ancak çürüyen atomlar 238 U bir süre toryum ve protaktinyum formunda bulunur, dolayısıyla cevherden kimyasal veya fiziksel olarak ayrılabilirler (yeraltı suyuyla süzülür). Çünkü 234 U'nun yarı ömrü nispeten kısadır; cevherde bulunan bu izotopların tümü son birkaç milyon yılda oluşmuştur. Doğal uranyumun radyoaktivitesinin yaklaşık yarısı, 234 Ü.

Konsantrasyon 234 Yüksek derecede zenginleştirilmiş uranyumdaki U, hafif izotoplardaki tercihli zenginleşme nedeniyle oldukça yüksektir. Çünkü 234 U güçlü bir γ yayıcıdır; yakıt olarak işlenmesi amaçlanan uranyumdaki konsantrasyonunda sınırlamalar vardır. Temel olarak, artan seviye 234 U, modern reaktörler için kabul edilebilir düzeydedir, ancak yeniden işlenmiş kullanılmış yakıt, bu izotopun kabul edilemez seviyelerini içerir.

Emme kesiti 234 Termal nötronların U'su 100 barn'dır ve çeşitli ara nötronlar üzerinden ortalaması alınan rezonans integrali için 700 barn'dır. Bu nedenle reaktörlerde

termal nötronlar bölünebilir hale dönüştürülür 235 U çok daha büyük bir miktardan daha hızlı bir oranda 238 U (2,7 ahır kesitli) şuna dönüştürülür: 239 Pu. Sonuç olarak kullanılmış nükleer yakıt daha az miktarda içerir. 234 U, daha taze.

U-235

Uranyum-235 (aktinouraniyum), hızla büyüyen bir fisyon zincir reaksiyonu üretebilen bir izotoptur. 1935 yılında Arthur Jeffrey Dempster tarafından keşfedilmiştir.

Bu, nötronların etkisi altında zorla nükleer fisyon reaksiyonunun keşfedildiği ilk izotoptur. Bir nötron absorbe etmek 235 U, 236'ya gidiyor İki parçaya bölünerek enerji açığa çıkaran ve birkaç nötron yayan U. Kendiliğinden bölünme yeteneğine sahip, herhangi bir enerjideki nötronlar tarafından bölünebilen bir izotop 235 U, doğal uranyumun bir parçasıdır (%0,72), α-yayıcı (enerji 4,679 MeV), T=7,038⋅10 8 yıllar, ana çekirdekler 235 Pa, 235 Np ve 239 Pu, kızı - 231 Th. Kendiliğinden fisyonun yoğunluğu 235 U 0,16 bölüm/s⋅kg. Bir çekirdek bölündüğünde 235 U 200 MeV enerji açığa çıkardı=3,2⋅10 -11 J, yani 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Ancak bu enerjinin %5'i neredeyse tespit edilemeyen nötronlar tarafından taşınıyor. Termal nötronlar için nükleer kesit yaklaşık 1000 barn ve hızlı nötronlar için yaklaşık 1 barn'dır.

Net 60kg kütle 235 U yalnızca 9,6 fisyon/s üretiyor, bu da onu top tasarımı kullanarak atom bombası yapmayı yeterince basit hale getiriyor. 238 U, kilogram başına 35 kat daha fazla nötron yaratıyor, dolayısıyla bu izotopun küçük bir yüzdesi bile bu rakamı birkaç kat artırıyor. 234 U 22 kat daha fazla nötron yaratır ve şuna benzer: 238 İstenmeyen eylem. Spesifik aktivite 235 U yalnızca 2,1 mikroküri/g'dır; kirliliği %0,8'dir 234 Bunu 51 mikroküri/g'a çıkarırsınız. Silah kalitesinde uranyumun kritik kütlesi. (%93,5) 235 U) sulu çözeltilerde açık bir top için 1 kg'dan az - yaklaşık 50 kg, reflektörlü bir top için - 15 - 23 kg.

Doğal uranyumda, atom bombasının çekirdeğini yapmak veya bir güç reaktöründe reaksiyonu sürdürmek için yalnızca nispeten nadir bir izotop uygundur. Zenginleştirme derecesi 235 Nükleer enerji santralleri için nükleer yakıttaki U, silah kullanımı için en az %80 ve daha tercihen %90 olmak üzere %2-4,5 arasında değişmektedir. ABD'de 235 Silah sınıfı U %93,5'e kadar zenginleştirilmiştir (endüstri %97,65 üretim kapasitesine sahiptir). Bu tür uranyum donanmaya ait reaktörlerde kullanılıyor.

Yorum. İçerikli Uranyum 235 U'nun% 85'inden fazlası,% 20'den fazla ve% 85'ten az içeriğe sahip silah kalitesinde uranyum olarak adlandırılır - "kötü" (etkisiz bir bomba) yapmak için kullanılabildiğinden silah kullanımına uygun uranyum. Ancak patlama, nötron reflektörleri ve bazı gelişmiş hileler kullanırsanız, ondan "iyi" bir bomba da yapabilirsiniz. Neyse ki dünyada sadece 2-3 ülke bu tür hileleri pratikte uygulayabiliyor. Günümüzde uranyumdan bombalar görünüşe göre hiçbir yerde üretilmiyor (nükleer silahlarda plütonyum uranyumun yerini aldı), ancak uranyum bombasının top tasarımının basitliği ve bu tür bombaların genişletilmiş üretimi olasılığı nedeniyle uranyum-235'e yönelik beklentiler devam ediyor. ihtiyaç aniden ortaya çıkar.

Daha hafif olmak 234 U orantılı olarak daha da fazla zenginleştirilmiştir 235 Doğal uranyum izotoplarının kütle farklılıklarına dayalı olarak ayrıştırılmasının tüm süreçlerinde, bu da atom bombası yüklerinin üretiminde belirli bir sorun teşkil etmektedir. Son derece zenginleştirilmiş 235 U genellikle %1,5-2,0 içerir 234 Ü.

Bölüm 235 U atom silahlarında, enerji üretiminde ve önemli aktinitlerin sentezinde kullanılır. Doğal uranyum nükleer reaktörlerde nötron üretmek için kullanılır. Zincirleme reaksiyon, fisyon sırasında üretilen nötronların fazlalığıyla sürdürülür. 235 U, aynı zamanda zincir reaksiyonunun talep etmediği fazla nötronları başka bir doğal izotop tarafından yakalanır, 238 Nötronların etkisi altında da fisyon yapabilen plütonyum üretimine yol açan U.

U-236

Doğada safsızlık miktarlarında bulunur, α-yayıcı, T=2,3415⋅10 7 yıllar, parçalara ayrılıyor 232 Th. Nötron bombardımanı sonucu oluştu 235 U daha sonra bir baryum izotopuna ve bir kripton izotopuna bölünerek iki nötron, gama ışınları ve enerji açığa çıkarır.

Küçük miktarlarda taze yakıtın bir parçasıdır; Uranyum bir reaktörde nötronlarla ışınlandığında birikir ve bu nedenle kullanılmış uranyum nükleer yakıtı için bir "sinyal cihazı" olarak kullanılır. 236 Kullanılmış nükleer yakıtın rejenerasyonu durumunda izotopların gaz difüzyonu ile ayrılması sırasında yan ürün olarak U oluşur. Bu izotopun nükleer reaktörlerde hedef malzeme olarak bir önemi vardır. Nükleer reaktörde geri dönüştürülmüş (işlenmiş) uranyum kullanıldığında, doğal uranyum kullanımına göre önemli bir fark vardır. Kullanılmış yakıttan izole edilen uranyum izotopu içerir 236 Taze yakıtta kullanıldığında izotop üretimini uyaran U (%0,5) 238 Pu. Bu, enerji sınıfı plütonyumun kalitesinde bir bozulmaya yol açar, ancak nükleer silahların yayılmasının önlenmesi sorunu bağlamında olumlu bir faktör olabilir.

Bir güç reaktöründe oluşturuldu 236 U bir nötron zehiridir; nükleer yakıttaki varlığı, daha yüksek düzeyde bir zenginleştirme ile telafi edilmelidir. 235 Ü.

U-238

Uranyum-238 (uranyum I) - kendiliğinden fisyon yapabilen yüksek enerjili nötronlar (1 MeV'den fazla) tarafından bölünebilir, doğal uranyumun (%99,27) temelini oluşturur, α-yayıcı, T = 4,468⋅10 9 yıllar doğrudan parçalanır 234 Th, genetik olarak ilişkili bir dizi radyonüklit oluşturur ve 18 ürün aracılığıyla 206 Pb. Serinin sabit bozunum hızı, radyometrik tarihlemede ana nüklidin konsantrasyonlarının yavruya olan oranının kullanılmasını mümkün kılar. Uranyum-238'in kendiliğinden fisyon yoluyla yarı ömrü kesin olarak belirlenmemiştir, ancak çok uzundur - yaklaşık 10 16 Yıllardır, dolayısıyla ana süreçle (bir alfa parçacığının emisyonu) ilgili olarak fisyon olasılığı yalnızca 10'dur -7 . Bir kilogram uranyum saniyede yalnızca 10 kendiliğinden fisyon üretir ve aynı zamanda α parçacıkları 20 milyon çekirdek yayar. Ana çekirdekler: 242 Pu(α), 238 Pa(β-) 234 Th, kızı - 234 Th.

Uranyum-238 birincil bölünebilir malzeme olarak kullanılamasa da fisyon için gerekli olan yüksek enerjili nötronlardan dolayı nükleer endüstride önemli bir yere sahiptir. Yoğunluğu ve atom ağırlığı yüksek olan, 238 U, atom ve hidrojen bombalarında yük/yansıtıcı kabukları yapmak için uygundur. Hızlı nötronlar tarafından bölünmesi gerçeği, yükün enerji çıkışını arttırır: dolaylı olarak, yansıyan nötronların çoğalmasıyla veya doğrudan yük kabuğunun çekirdeklerinin hızlı nötronlar tarafından bölünmesiyle (füzyon sırasında). Fisyon tarafından üretilen nötronların yaklaşık %40'ı ve füzyon nötronlarının tamamı fisyon için yeterlidir. 238 U enerjileri. 238 235 U'nun kendiliğinden fisyon oranı 35 kat daha yüksektir 238 U, 5,51 bölüm/s⋅kg. Bu, top tipi bombalarda yük/yansıtıcı mermi olarak kullanılmasını imkansız hale getiriyor çünkü uygun kütlesi (200-300 kg) çok yüksek bir nötron arka planı oluşturacaktır. Temiz 239 U'nun spesifik radyoaktivitesi 0,333 mikroküri/g'dir. Bu uranyum izotopunun önemli bir uygulama alanı üretimdir. 238 U nötron. 235. izotopta doğal veya kısmen zenginleştirilmiş uranyum içeren herhangi bir reaktör yakıtı, yakıt döngüsünün bitiminden sonra belirli bir oranda plütonyum içerir.

Seyreltilmiş uranyum

Ekstraksiyondan sonra 235 Doğal uranyumdan geriye kalan maddeye “seyreltilmiş uranyum” denir çünkü izotopları tükenmiştir 235 sen ve 234 U. Azaltılmış içerik 234 U (yaklaşık %0,001) radyoaktiviteyi doğal uranyumla karşılaştırıldığında neredeyse yarı yarıya azaltırken içeriğindeki azalma 235 U'nun tükenmiş uranyumun radyoaktivitesi üzerinde neredeyse hiçbir etkisi yoktur.

Dünyadaki tükenmiş uranyumun neredeyse tamamı hekzaflorür formunda depolanıyor. Amerika Birleşik Devletleri'nin üç gaz difüzyon zenginleştirme tesisinde 560.000 ton, Rusya'da ise yüzbinlerce ton tükenmiş uranyum heksaflorür (UF6) bulunmaktadır. Seyreltilmiş uranyum, doğal uranyumun yarısı kadar radyoaktiftir; bunun başlıca nedeni, 234 U. Uranyumun asıl kullanım alanı enerji üretimi olduğundan, termal nötronlu nükleer reaktörlerde tükenmiş uranyum, ekonomik değeri düşük, işe yaramaz bir üründür.

Güvenlik açısından bakıldığında, tükenmiş uranyum hekzaflorür gazının katı bir madde olan uranyum okside dönüştürülmesi yaygın bir uygulamadır. Uranyum oksit ya bir tür radyoaktif atık olarak gömülmeye tabi tutulur ya da hızlı nötron reaktörlerinde plütonyum üretmek için kullanılabilir.

Uranyum oksidin nasıl imha edileceğine ilişkin karar, bir ülkenin tükenmiş uranyumu nasıl gördüğüne bağlıdır: imha edilecek radyoaktif atık olarak mı yoksa daha fazla kullanıma uygun malzeme olarak mı? Örneğin ABD'de yakın zamana kadar tükenmiş uranyum daha fazla kullanım için hammadde olarak kabul ediliyordu. Ancak 2005'ten beri bu bakış açısı değişmeye başladı ve artık Amerika Birleşik Devletleri'nde tükenmiş uranyum oksidi gömmek mümkün. Fransa'da tükenmiş uranyum radyoaktif atık olarak kabul edilmiyor, ancak uranyum oksit formunda depolanması gerekiyor. Rusya'da Federal Atom Enerjisi Ajansı'nın liderliği, atık uranyum hekzaflorürün imha edilemeyecek değerli bir malzeme olduğunu düşünüyor. Atık uranyum hekzaflorürün uranyum okside dönüştürülmesine yönelik endüstriyel bir tesisin oluşturulması çalışmaları başladı. Ortaya çıkan uranyum oksitlerin, hızlı nötron reaktörlerinde daha sonra kullanılmak üzere veya daha fazla zenginleştirilmek üzere uzun süre saklanması bekleniyor. 235 U'yu termal reaktörlerde yakma takip eder.

Seyreltilmiş uranyumu kullanmanın yollarını bulmak, zenginleştirme tesisleri için büyük bir zorluk teşkil ediyor. Kullanımı esas olarak uranyumun yüksek yoğunluğu ve nispeten düşük maliyeti ile ilişkilidir. Seyreltilmiş uranyumun en önemli iki kullanımı, radyasyon kalkanı olarak ve uçak kontrol yüzeyleri gibi havacılık uygulamalarında balast olarak kullanılmasıdır. Her bir Boeing 747 uçağı, bu amaçlara yönelik olarak 1.500 kg seyreltilmiş uranyum içerir. Seyreltilmiş uranyum büyük ölçüde petrol sondajında ​​şok çubukları şeklinde kullanılır (kablolu sondajda), ağırlığı aleti sondaj sıvısıyla dolu kuyulara doğru yönlendirir. Bu malzeme, yüksek hızlı jiroskop rotorlarında, büyük volanlarda, uzay iniş araçlarında ve yarış yatlarında balast olarak kullanılır.

Ancak uranyumun en ünlü kullanımı zırh delici mermilerin çekirdeği olarak kullanılmasıdır. Diğer metallerle belirli bir alaşım ve ısıl işlemle (%2 Mo veya %0,75 Ti ile alaşımlama, 850°'ye kadar ısıtılan metalin su veya yağda hızla söndürülmesi, 450°'de 5 saat daha tutulması) uranyum metali sertleşir ve çelikten daha güçlüdür (boşluktaki mukavemet > 1600 MPa). Yüksek yoğunluğuyla birleştiğinde bu, sertleştirilmiş uranyumun zırhı delmede son derece etkili olmasını sağlar; etkinlik açısından çok daha pahalı olan monokristalin tungsten ile benzerdir. Zırh imha sürecine, uranyumun ana kısmının toza öğütülmesi, tozun korunan nesneye nüfuz etmesi ve orada tutuşması eşlik eder. Çöl Fırtınası sırasında savaş alanında 300 ton tükenmiş uranyum kaldı (çoğunlukla, her biri 272 g uranyum alaşımı içeren, A-10 saldırı uçağının 30 mm GAU-8 topundan mermi kalıntıları). Seyreltilmiş uranyum, tank zırhında, örneğin M-1 Abrams tankında (ABD) kullanılır. -4 Asidik magmatik kayaçlarda ağırlıkça % (bölgeye bağlı olarak 2-4 ppm) 3,5 10 -4 %, kil ve şeyllerde 3,2 10 -4 %, bazik kayalarda 5·10 -5 %, ultramafik manto kayalarında 3·10 -7 %. Litosferin 20 km kalınlığındaki tabakasındaki uranyum miktarının 1,3⋅10 olduğu tahmin edilmektedir. 14 t.Yer kabuğunu oluşturan tüm kayaların bir parçasıdır ve ayrıca doğal sularda ve canlı organizmalarda da bulunur. Kalın birikintiler oluşturmaz. Uranyumun büyük kısmı, yüksek silikon içeriğine sahip asidik kayalarda bulunur. En düşük uranyum konsantrasyonu ultramafik kayalarda, maksimumu ise tortul kayalarda (fosforitler ve karbonlu şeyller) meydana gelir. Okyanuslarda 10 tane var 10 t uranyum. Topraklardaki uranyum konsantrasyonu 0,7 - 11 ppm (fosforlu gübrelerle gübrelenen tarım topraklarında 15 ppm), deniz suyunda 0,003 ppm aralığında değişmektedir.

Uranyum yeryüzünde serbest halde bulunmaz. U içeriği %1'den fazla olan 100 bilinen uranyum minerali vardır. Bu minerallerin yaklaşık üçte birinde uranyum dört değerlik, geri kalanında ise altı değerliklidir. Bu uranyum minerallerinin 15'i basit oksitler veya hidroksiller, 20'si kompleks titanatlar ve niyobatlar, 14'ü silikatlar, 17'si fosfatlar, 10'u karbonatlar, 6'sı sülfatlar, 8'i vanadatlar, 8'i arsenatlardır. Uranyum bileşiklerinin belirlenemeyen formları, deniz kökenli bazı karbonlu şeyllerde, linyit ve kömürde ve ayrıca magmatik kayalardaki tanecikler arası filmlerde meydana gelir. 15 uranyum minerali endüstriyel öneme sahiptir.

Büyük cevher yataklarındaki ana uranyum mineralleri oksitler (uranyum zifti, uraninit, koffinit), vanadatlar (karnotit ve tyuyamunit) ve kompleks titanatlar (brannerit ve davidit) ile temsil edilir. Titanatlar aynı zamanda endüstriyel öneme sahiptir; örneğin brannerite UTi 2 veya 6 , silikatlar - ortak sonlu U 1-x(OH)4x , tantalonyum batları ve hidratlı fosfatlar ve uranil arsenatlar - uranyum mikaları. Uranyum doğada doğal bir element olarak oluşmaz. Uranyumun çeşitli oksidasyon aşamalarında bulunabilmesi nedeniyle çok çeşitli jeolojik ortamlarda meydana gelir.

Uranyum uygulamaları

Gelişmiş ülkelerde uranyum üretimi esas olarak bölünebilir nüklidlerin üretilmesine yöneliktir ( 235 U ve 233 U, 239 Pu) - hem silah sınıfı nüklidlerin hem de nükleer silah bileşenlerinin (stratejik ve taktik amaçlı atom bombaları ve mermiler, nötron bombaları, hidrojen bombası tetikleyicileri vb.) üretimine yönelik endüstriyel reaktörlerin yakıtı. Atom bombasındaki konsantrasyon 235 U %75'i aşıyor. Dünyanın geri kalanında, uranyum metali veya bileşikleri, nükleer reaktörlerin enerji ve araştırmalarında nükleer yakıt olarak kullanılıyor. Nükleer santrallerin sabit reaktörlerinde doğal veya az zenginleştirilmiş bir uranyum izotop karışımı kullanılır, nükleer santrallerde (termal, elektrik ve mekanik enerji, radyasyon veya ışık kaynakları) veya hızlı çalışan reaktörlerde yüksek derecede zenginleştirilmiş bir ürün kullanılır. nötronlar. Reaktörler genellikle alaşımlı ve alaşımsız uranyum metali kullanır. Bununla birlikte, bazı reaktör türleri yakıtı katı bileşikler formunda kullanır (örneğin, UO 2 ) ve ayrıca uranyumun sulu bileşikleri veya başka bir metalle sıvı bir uranyum alaşımı.

Uranyumun ana kullanımı nükleer santraller için nükleer yakıt üretimidir. 1.400 MW kurulu güce sahip basınçlı su nükleer reaktörü, 50 yeni yakıt elemanı üretmek için yılda 225 ton doğal uranyum gerektirir ve bunlar, karşılık gelen sayıda kullanılmış yakıt çubuğuyla değiştirilir. Bu reaktörü yüklemek için yaklaşık 130 ton SWU (ayırma çalışma ünitesi) ve yıllık 40 milyon dolarlık bir maliyet gerekiyor. Bir nükleer reaktörün yakıtındaki uranyum-235 konsantrasyonu %2-5'tir.

Uranyum cevherleri, onlardan radyumun (içeriği 3 ton cevher başına yaklaşık 1 g olan) ve diğer bazı doğal radyonüklidlerin çıkarılması açısından hala ilgi çekicidir. Uranyum bileşikleri cam endüstrisinde camları kırmızı veya yeşil renklendirmek veya onlara güzel bir yeşilimsi sarı renk tonu vermek için kullanılır. Floresan camların üretiminde de kullanılırlar: küçük bir uranyum ilavesi, cama güzel bir sarı-yeşil floresans verir.

1980'lere kadar doğal uranyum, seramiklerde de dahil olmak üzere diş hekimleri tarafından yaygın olarak kullanıldı; bu, onların doğal bir renk elde etmelerine ve protezlerde ve kronlarda orijinal floresans oluşturmalarına olanak sağladı. (Uranyum çenesi gülümsemenizi daha parlak hale getirir!) 1942 tarihli orijinal patent, %0,1'lik bir uranyum içeriği önermektedir. Daha sonra doğal uranyumun yerini tükenmiş uranyum aldı. Bunun iki avantajı vardı; daha ucuz ve daha az radyoaktif. Uranyum ayrıca lamba filamanlarında ve deri ve ahşap endüstrilerinde boyaların bir bileşeni olarak kullanıldı. Uranyum tuzları yün ve deri için mordan ve boyama çözeltilerinde kullanılır. Uranil asetat ve uranil format, transmisyon elektron mikroskobunda biyolojik nesnelerin ince kesitlerinin kontrastını arttırmak ve virüsleri, hücreleri ve makromolekülleri boyamak için elektron emici dekoratif maddeler olarak kullanılır.

Na 2 U 2 O 7 tipi uranatlar (“sarı uranil”) seramik sırları ve emayeler için pigment olarak kullanılır (oksidasyon derecesine bağlı olarak sarı, yeşil ve siyah renkli). Hayır 2 U 2 Ç 7 resimde sarı boya olarak da kullanılır. Bazı uranyum bileşikleri ışığa duyarlıdır. Yirminci yüzyılın başında uranil nitrat, negatifleri geliştirmek ve renkli fotoğraf baskıları (pozitifleri kahverengi veya kahverengiye boyamak) üretmek için titreşimli bir madde olarak yaygın şekilde kullanıldı. Uranil asetat UO 2 (H3COOH) 2 analitik kimyada kullanılır - sodyum ile çözünmeyen bir tuz oluşturur. Fosforlu gübreler oldukça büyük miktarlarda uranyum içerir. Uranyum metali, yüksek enerjili X-ışınları üretmek üzere tasarlanmış bir X-ışını tüpünde hedef olarak kullanılır.

Bazı uranyum tuzları, aromatik hidrokarbonların oksidasyonu, bitkisel yağların dehidrasyonu vb. gibi kimyasal reaksiyonlarda katalizör olarak kullanılır. Karbür 235 Niyobyum karbür ve zirkonyum karbür içeren bir alaşımdaki U, nükleer jet motorları için yakıt olarak kullanılır (çalışma sıvısı - hidrojen + heksan). Demir ve tükenmiş uranyum alaşımları ( 238 U) güçlü manyetostriktif malzemeler olarak kullanılır.

Ulusal ekonomide, uçak karşı ağırlıklarının ve tıbbi radyoterapi ekipmanları için radyasyon önleyici ekranların üretiminde seyreltilmiş uranyum kullanılmaktadır. Seyreltilmiş uranyum, radyoaktif kargo ve nükleer atıkların taşınmasına yönelik taşıma kaplarının yanı sıra güvenilir biyolojik korumaya yönelik ürünlerin (örneğin koruyucu ekranlar) yapımında kullanılır. γ-radyasyonunun emilmesi açısından uranyum, kurşundan beş kat daha etkilidir; bu, koruyucu ekranların kalınlığının önemli ölçüde azaltılmasını ve radyonüklitlerin taşınması için tasarlanan kapların hacminin azaltılmasını mümkün kılar. Radyoaktif atıklar için kuru depolama tesisleri oluşturmak amacıyla çakıl yerine tükenmiş uranyum oksit bazlı beton kullanılıyor.

Seyreltilmiş uranyum, doğal uranyumun yarısı kadar radyoaktiftir; bunun başlıca nedeni, 234 U. Özellikle mermilerin zırh delici özelliklerini geliştirmek için zırh çeliğini alaşımlamak için kullanılır. %2 Mo veya %0,75 Ti ile alaşımlandığında ve ısıl işlem uygulandığında (850°C'ye ısıtılan metalin su veya yağda hızla söndürülmesi, ayrıca 450°'de 5 saat tutulması), uranyum metali çelikten daha sert ve daha güçlü hale gelir (gerilme mukavemeti daha fazla) Saf uranyum için 450 MPa olmasına rağmen 1600 MPa'dan fazla). Yüksek yoğunluğuyla birleştiğinde bu, sertleştirilmiş uranyum külçesini, etkinlik açısından daha pahalı tungsten ile benzer şekilde son derece etkili bir zırh delici haline getirir. Ağır uranyum ucu aynı zamanda merminin kütle dağılımını da değiştirerek aerodinamik stabilitesini artırır. Böyle bir mermi (örneğin, titanyum ile uranyum alaşımı) zırha çarptığında kırılmaz, ancak kendini keskinleştiriyor gibi görünür, bu da daha fazla nüfuz sağlar. Zırh imha sürecine, uranyum domuzunun toz halinde öğütülmesi ve tankın içindeki havada ateşlenmesi eşlik ediyor. Modern tank zırhlarında seyreltilmiş uranyum kullanılıyor.

Çeliğe az miktarda uranyum eklenmesi, onu kırılgan hale getirmeden sertliğini arttırır ve asitlere karşı direncini arttırır. Kral suyuna göre bile özellikle aside dayanıklı, 1200 erime noktasına sahip bir uranyum ve nikel alaşımıdır (%66 uranyum ve %33 nikel) O . Seyreltilmiş uranyum aynı zamanda uçak kontrol yüzeyleri gibi havacılık uygulamalarında da balast olarak kullanılır. Bu malzeme yüksek hızlı jiroskop rotorlarında, büyük volanlarda, uzay iniş araçlarında ve yarış yatlarında balast olarak ve petrol sondajında ​​kullanılır.

Daha önce de belirtildiği gibi, zamanımızda uranyum atom bombaları üretilmiyor. Ancak modern plütonyum bombalarında 238 U (tükenmiş uranyum dahil) hala kullanılmaktadır. Yükün kabuğunu oluşturur, nötronları yansıtır ve patlayıcı bir patlama şemasında plütonyum yükünün sıkıştırılmasına atalet katar. Bu, silahın etkinliğini önemli ölçüde artırır ve kritik kütleyi azaltır (yani, zincirleme fisyon reaksiyonu oluşturmak için gereken plütonyum miktarını azaltır). Seyreltilmiş uranyum aynı zamanda hidrojen bombalarında da kullanılıyor; onu termonükleer bir yüke paketliyor, güçlü bir ultra hızlı nötron akışını nükleer fisyona yönlendiriyor ve böylece silahın enerji çıktısını artırıyor. Böyle bir bombaya, patlamanın üç aşamasından sonra fisyon-füzyon-fisyon silahı adı verilir. Böyle bir silahın patlamasından elde edilen enerjinin çoğu fisyondan gelir 238 U, önemli miktarda radyoaktif ürün üretiyor. Örneğin Ivy Mike testinde (1952) 10,4 megaton gücündeki hidrojen bombasının patlaması sırasındaki enerjinin %77'si uranyum kabuğundaki fisyon süreçlerinden geldi. Seyreltilmiş uranyumun kritik bir kütlesi olmadığı için bir bombaya sınırsız miktarda eklenebiliyor. 1961'de Novaya Zemlya'da patlayan Sovyet hidrojen bombasında (Çar Bomba - Kuzkina'nın annesi), "sadece" 50 megatonluk bir verimle patladı, verimin %90'ı termonükleer füzyon reaksiyonundan kaynaklanıyordu, çünkü kabuk plastikten yapılmıştı. 238 Patlamanın son aşamasında U'nun yerini kurşun aldı. Kabuk (başlangıçta monte edildiği gibi) 238 U, o zaman patlamanın gücü 100 megatonu aştı ve radyoaktif serpinti, tüm dünya nükleer silah testlerinin toplamının 1 / 3'ü kadardı.

Uranyumun doğal izotopları jeokronolojide kayaların ve minerallerin mutlak yaşını ölçmek için kullanılır. 1904 yılında Ernest Rutherford, Dünyanın ve en eski minerallerin yaşının, uranyumun yarı ömrüyle aynı büyüklükte olduğuna dikkat çekti. Aynı zamanda, yoğun kayanın içerdiği helyum ve uranyum miktarına göre yaşını belirlemeyi önerdi. Ancak yöntemin dezavantajı çok geçmeden ortaya çıktı: Son derece hareketli helyum atomları yoğun kayalarda bile kolayca yayılıyor. Çevredeki minerallere nüfuz ederler ve ana uranyum çekirdeğinin yakınında, radyoaktif bozunma yasalarına göre takip edilenden önemli ölçüde daha az helyum kalır. Bu nedenle kayaların yaşı, uranyum çekirdeğinin çürümesinin son ürünü olan uranyum ve radyojenik kurşun oranıyla hesaplanır. Bazı nesnelerin, örneğin mikaların yaşını belirlemek daha da kolaydır: malzemenin yaşı, içinde çürüyen uranyum atomlarının sayısıyla orantılıdır ve bu, izlerin sayısıyla belirlenir - parçaların bıraktığı izler. madde. Uranyum konsantrasyonunun iz konsantrasyonuna oranına dayanarak, herhangi bir antik hazinenin (vazolar, mücevherler vb.) yaşı hesaplanabilir. Jeolojide özel bir terim olan “uranyum saati” bile icat edildi. Uranyum saati çok yönlü bir alettir. Uranyumun izotopları birçok kayada bulunur. Yer kabuğundaki uranyum konsantrasyonu ortalama olarak milyonda üç parçadır. Bu, uranyumun kurşuna oranını ölçmek ve ardından mineralin kristalleşmesinden bu yana geçen süreyi hesaplamak için radyoaktif bozunma formüllerini kullanmak için yeterlidir. Uranyum-kurşun yöntemini kullanarak en eski minerallerin yaşını ölçmek mümkün oldu ve meteorların yaşına göre Dünya gezegeninin doğum tarihi belirlendi. Ay toprağının yaşı da bilinmektedir. Ay toprağının en genç parçaları en eski karasal minerallerden daha yaşlıdır.