urán -Uranium
Uránium | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Kiejtés |
/ j ʊˈ r eɪ n i ə m / ( yuu- RAY -nee-əm ) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kinézet | ezüstös szürke metál; levegőben repedező fekete oxidréteggé korrodálódik | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Szabványos atomsúly A r, std (U) | 238 028 91 (3) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Az urán a periódusos rendszerben | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomszám ( Z ) | 92 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Csoport | csoport n/a | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Időszak | időszak 7 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Blokk | f-blokk | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektron konfiguráció | [ Rn ] 5f 3 6d 1 7s 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronok száma héjonként | 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fizikai tulajdonságok | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fázis az STP -nél | szilárd | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Olvadáspont | 1405,3 K (1132,2 °C, 2070 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Forráspont | 4404 K (4131 °C, 7468 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sűrűség ( rt közel ) | 19,1 g/ cm3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
folyékony állapotban ( hőmérsékleten ) | 17,3 g/ cm3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Az egyesülés hője | 9,14 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Párolgási hő | 417,1 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Moláris hőkapacitás | 27,665 J/(mol·K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gőznyomás
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atom tulajdonságai | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxidációs állapotok | +1, +2, +3, +4 , +5, +6 ( amfoter oxid) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronegativitás | Pauling skála: 1,38 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ionizációs energiák | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomsugár | empirikus: 156 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kovalens sugár | 196±19 óra | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Van der Waals sugár | 186 óra | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Az urán spektrumvonalai | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Egyéb tulajdonságok | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Természetes előfordulás | ősi | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kristályos szerkezet | ortorombikus | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hangsebesség vékony rúd | 3155 m/s (20 °C-on) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hőtágulás | 13,9 µm/(m⋅K) (25 °C-on) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hővezető | 27,5 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektromos ellenállás | 0,280 µΩ⋅m (0 °C-on) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Mágneses rendezés | paramágneses | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Young-modulus | 208 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nyírási modulus | 111 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kompressziós modulus | 100 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Poisson arány | 0.23 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Vickers keménység | 1960-2500 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Brinell keménység | 2350-3850 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CAS szám | 7440-61-1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Történelem | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elnevezés | az Uránusz bolygóról , magát az Uránusz görög égistenről nevezték el | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Felfedezés | Martin Heinrich Klaproth (1789) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Első elszigeteltség | Eugène-Melchior Péligot (1841) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Az urán fő izotópjai | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Az urán egy kémiai elem , amelynek U szimbóluma és 92-es rendszáma . Ez egy ezüstös-szürke fém a periódusos rendszer aktinidák sorozatában . Egy uránatom 92 protonból és 92 elektronból áll, ebből 6 vegyértékelektron . Az urán gyengén radioaktív , mivel az urán összes izotópja instabil; természetesen előforduló izotópjainak felezési ideje 159 200 év és 4,5 milliárd év között van. A természetes uránban a leggyakoribb izotópok az urán -238 (amelynek 146 neutronja van , és a Föld urántartalmának több mint 99%-át teszi ki) és az urán-235 (amelynek 143 neutronja van). Az uránnak van a legnagyobb atomtömege az eredetileg előforduló elemek közül. Sűrűsége körülbelül 70%-kal nagyobb, mint az ólomé , és valamivel kisebb, mint az aranyé vagy a volfrámé . A természetben alacsony, néhány milliomodrészes koncentrációban fordul elő talajban, kőzetben és vízben, és kereskedelmi forgalomban urántartalmú ásványokból , például uraninitből nyerik ki .
A természetben az urán urán-238 (99,2739–99,2752%), urán-235 (0,7198–0,7202%) és nagyon kis mennyiségű urán-234 (0,0050–0,0059%) formájában található meg. Az urán lassan bomlik le egy alfa-részecske kibocsátásával . Az urán-238 felezési ideje körülbelül 4,47 milliárd év, az urán-235-é pedig 704 millió év, így hasznosak a Föld korának meghatározásában .
Az urán számos mai felhasználása egyedülálló nukleáris tulajdonságait használja ki. Az urán-235 az egyetlen természetben előforduló hasadó izotóp , ezért széles körben használják atomerőművekben és nukleáris fegyverekben . A természetben található kis mennyiségek miatt azonban az uránt dúsítani kell , hogy elegendő urán-235 legyen jelen . Az urán-238 gyors neutronokkal hasadható , és termékeny , ami azt jelenti, hogy egy atomreaktorban hasadó plutónium-239- lé alakulhat át . Egy másik hasadó izotóp, az urán-233 természetes tóriumból állítható elő, és tanulmányozzák a jövőbeni nukleáris technológiai ipari felhasználásra. Az urán-238-nak kicsi a valószínűsége a spontán hasadásra vagy akár a gyors neutronokkal indukált hasadásra; Az urán-235 és kisebb mértékben az urán-233 hasadási keresztmetszete sokkal nagyobb a lassú neutronok számára. Megfelelő koncentrációban ezek az izotópok hosszan tartó nukleáris láncreakciót tartanak fenn . Ez termeli a hőt az atomerőművekben, és előállítja a hasadóanyagot az atomfegyverekhez. A szegényített uránt ( 238 U) használják kinetikus energiájú behatolókban és páncélozásban . Az uránt színezőanyagként használják az uránüvegben , ami citromsárgától zöldig terjedő színeket eredményez. Az uránüveg ultraibolya fényben zölden fluoreszkál. A korai fotózás során színezésre és árnyékolásra is használták .
Az urán ásványi szurokkeverékben való 1789 -es felfedezése Martin Heinrich Klaproth nevéhez fűződik, aki az új elemet a nemrég felfedezett Uránusz bolygóról nevezte el . Eugène-Melchior Péligot volt az első ember, aki izolálta a fémet, és radioaktív tulajdonságait 1896-ban Henri Becquerel fedezte fel . Otto Hahn , Lise Meitner , Enrico Fermi és mások, például J. Robert Oppenheimer 1934-től kezdődő kutatásai az atomenergia- iparban és a Little Boyban , az első háborúban használt nukleáris fegyverként való felhasználásához vezettek . Az Egyesült Államok és a Szovjetunió közötti hidegháború alatti fegyverkezési verseny során több tízezer nukleáris fegyvert állítottak elő, amelyek fémuránt és uránból származó plutónium-239-et használtak . E fegyverek biztonságát szigorúan ellenőrzik. 2000 körül a hidegháborús bombák szétszerelésével nyert plutóniumot nukleáris reaktorok üzemanyagaként használják. Ezen atomreaktorok fejlesztése és telepítése globális szinten folytatódik, mivel a CO 2 -mentes energia hatékony forrásai.
Jellemzők
Finomítva az urán ezüstfehér, gyengén radioaktív fém . Mohs-keménysége 6 , ami elegendő az üveg megkarcolásához, és megközelítőleg megegyezik a titán , ródium , mangán és nióbium keménységével . Képlékeny , képlékeny , enyhén paramágneses , erősen elektropozitív és gyenge elektromos vezető . Az urán fém sűrűsége nagyon nagy , 19,1 g/cm 3 , sűrűbb, mint az ólom (11,3 g/cm 3 ), de valamivel kevésbé sűrű, mint a volfrám és az arany (19,3 g/cm 3 ).
Az uránfém szinte minden nemfémes elemmel (a nemesgázok kivételével ) és azok vegyületeivel reagál , reakciókészsége a hőmérséklettel nő. A sósav és a salétromsav oldja az uránt, de a sósavtól eltérő nem oxidáló savak nagyon lassan támadják meg az elemet. Finom eloszlás esetén hideg vízzel reagálhat; levegőben az uránfémet sötét urán-oxid réteggel vonják be . Az ércekben lévő uránt kémiai úton vonják ki, és urán-dioxiddá vagy más, az iparban használható kémiai formává alakítják .
Az urán-235 volt az első izotóp, amelyet hasadónak találtak . Más természetben előforduló izotópok hasadóak, de nem hasadók. Lassú neutronokkal történő bombázáskor az urán-235 izotóp legtöbbször két kisebb atommagra oszlik , így nukleáris kötési energia és több neutron szabadul fel. Ha túl sok ilyen neutront nyelnek el más urán-235 atommagok, nukleáris láncreakció lép fel, amely hőkitörést vagy (különleges körülmények között) robbanást eredményez. Az atomreaktorban az ilyen láncreakciót egy neutronméreg lassítja és szabályozza , elnyeli a szabad neutronok egy részét. Az ilyen neutronabszorbens anyagok gyakran a reaktorvezérlő rudak részét képezik (a reaktorszabályozás e folyamatának leírását lásd az atomreaktor fizikában ).
Akár 15 font (6,8 kg) urán-235 is használható atombomba készítéséhez. A Hirosima felett felrobbantott , Little Boy nevű nukleáris fegyver uránhasadáson alapult. Azonban az első nukleáris bomba (a Trinitynél használt kütyü ) és a Nagaszaki felett felrobbantott bomba ( Fat Man ) is plutóniumbombák voltak.
Az urán fémnek három allotróp formája van:
- α ( ortorombikus ) 668 °C-ig (1234 °F) stabil. Ortorombikus, 63. számú tércsoport, Cmcm , rácsparaméterek a = 285,4 pm, b = 587 pm, c = 495,5 pm.
- β ( tetragonális ) 668-775 °C (1234-1427 °F) stabil. Tetragonális, P 4 2 / mnm , P 4 2 nm vagy P 4 n 2 tércsoport, rácsparaméterek a = 565,6 pm, b = c = 1075,9 pm.
- γ ( testközpontú köbös ) 775 °C-tól (1427 °F) olvadáspontig – ez a leginkább képlékeny és képlékeny állapot. Testközpontú köbös, rácsparaméter a = 352,4 pm.
Alkalmazások
Katonai
Az urán fő felhasználási területe a katonai szektorban a nagy sűrűségű penetrátorokban. Ez a lőszer szegényített uránból (DU) áll, amelyet 1–2% egyéb elemekkel, például titánnal vagy molibdénnel ötvöznek . Nagy becsapódási sebességnél a lövedék sűrűsége, keménysége és piroforitása lehetővé teszi az erősen páncélozott célok megsemmisítését. A harckocsipáncélzat és más eltávolítható járműpáncélzat szegényített uránlemezekkel is edzett. A szegényített urán felhasználása politikai és környezetvédelmi szempontból vitássá vált, miután az Egyesült Államok, az Egyesült Királyság és más országok ilyen lőszerek használata a Perzsa-öbölben és a Balkánon folyó háborúk során kérdéseket vetett fel a talajban maradt uránvegyületekkel kapcsolatban (lásd Öbölháború szindróma ).
A szegényített uránt védőanyagként is használják egyes radioaktív anyagok tárolására és szállítására használt tartályokban. Míg maga a fém radioaktív, nagy sűrűsége miatt az ólomnál hatékonyabban gátolja az erős forrásokból, például a rádiumból származó sugárzást . A szegényített urán egyéb felhasználási területei közé tartozik a repülőgép vezérlőfelületeinek ellensúlya, a rakéták visszatérő járművei ballasztja és árnyékoló anyag. Nagy sűrűsége miatt ez az anyag megtalálható tehetetlenségi vezetőrendszerekben és giroszkópos iránytűben . A szegényített uránt előnyben részesítik a hasonló sűrűségű fémekkel szemben, mivel könnyen megmunkálható és önthető, valamint viszonylag alacsony költsége miatt. A szegényített uránnak való kitettség fő kockázata az urán-oxid által okozott vegyi mérgezés, nem pedig a radioaktivitás (az urán csak gyenge alfa-sugárzó ).
A második világháború későbbi szakaszaiban , az egész hidegháború alatt , majd kisebb mértékben az urán-235-öt hasadó robbanóanyagként használták nukleáris fegyverek előállításához. Kezdetben két fő típusú hasadóbombát építettek: egy viszonylag egyszerű eszközt, amely urán-235-öt használ, és egy bonyolultabb mechanizmust, amely urán-238-ból származó plutónium-239-et használ. Később egy sokkal bonyolultabb és sokkal erősebb típusú hasadó/fúziós bombát ( termonukleáris fegyvert ) építettek, amely egy plutónium alapú eszközzel trícium és deutérium keverékét magfúzióra készteti . Az ilyen bombák nem hasadó (dúsítatlan) urántokba vannak beépítve, és teljesítményük több mint felét ennek az anyagnak a magfúziós folyamatból származó gyors neutronok általi hasadásából nyerik.
Polgári
Az urán fő felhasználása a polgári szektorban az atomerőművek tüzelőanyaga . Egy kilogramm urán-235 elméletileg körülbelül 20 terajoule energiát tud termelni (2 × 1013 joule ), teljes hasadást feltételezve; annyi energia , mint 1,5 millió kilogramm (1500 tonna ) szén .
A kereskedelmi atomerőművek tipikusan 3% urán-235 dúsítású üzemanyagot használnak. A CANDU és a Magnox tervek az egyetlen olyan kereskedelmi reaktor, amely képes dúsítatlan urán üzemanyagot használni. Az Egyesült Államok haditengerészetének reaktoraiban használt üzemanyag jellemzően nagymértékben dúsított urán-235- ben (a pontos értékeket osztályozzák ). Nemesítő reaktorban az urán-238 plutóniummá alakítható a következő reakcióval:
A radioaktivitás felfedezése előtt (és esetenként azután is) az uránt elsősorban kis mennyiségben használták sárga üveghez és kerámia mázhoz, például uránüveghez és a Fiestaware -ben .
A rádium felfedezése és elkülönítése az uránércben (szurokkeverékben) Marie Curie által elindította az uránbányászat kifejlesztését a rádium kinyerésére, amelyet órák és repülőgépek számlapjaihoz használtak sötétben világító festékek készítésére. Így óriási mennyiségű urán maradt hulladéktermékként, mivel egy gramm rádium kinyeréséhez három tonna urán szükséges. Ezt a hulladékterméket az üvegezési iparba irányították, így az uránmáz nagyon olcsó és bőséges volt. A kerámia mázak mellett az uráncsempemázok adták a felhasználás nagy részét, köztük a közös fürdőszobai és konyhai csempék, amelyek zöld, sárga, mályva , fekete, kék, piros és egyéb színekben készülhetnek.
Az uránt fényképészeti vegyszerekben (különösen az urán-nitrátban festékként ), színpadi világító izzók izzószálaiban , a fogsorok megjelenésének javítására , valamint a bőr- és faiparban foltokhoz és festékekhez is használták. Az uránsók a selyem vagy a gyapjú maróanyagai . Az uranil-acetátot és az uranil-formiátot elektronsűrű "festékként" használják a transzmissziós elektronmikroszkópiában , a biológiai minták kontrasztjának növelésére ultravékony metszetekben, valamint vírusok , izolált sejtszervecskék és makromolekulák negatív festésére .
Az urán radioaktivitásának felfedezése az elem további tudományos és gyakorlati felhasználását nyitotta meg. Az urán-238 izotóp hosszú felezési ideje (4,47 × 109 év) alkalmassá teszi a legkorábbi magmás kőzetek korának becslésére és más típusú radiometriai kormeghatározásra , beleértve az urán–tórium , az urán–ólom és az urán–urán kormeghatározást . Az urán fémet röntgencélokhoz használják nagy energiájú röntgensugarak készítésekor.
Történelem
Felfedezés előtti használat
Az urán természetes oxid formájában történő felhasználása legalább i.sz. 79-ig nyúlik vissza , amikor is a Római Birodalomban használták a kerámia mázak sárga színének adására. RT Gunther, az Oxfordi Egyetem munkatársa 1912-ben 1% urán-oxidot tartalmazó sárga üveget talált a Nápolyi-öbölben, a Posillipo -fokon, egy római villában. A késő középkortól kezdve a szurokkeveréket a Habsburg ezüstbányákból vonták ki. Joachimsthalban , Csehországban (ma Jáchymov Csehországban) , és színezőanyagként használták a helyi üvegiparban . A 19. század elején a világ egyetlen ismert uránérc-forrása ezek a bányák voltak. Az uránbányászat az Érchegységben a hidegháború befejeződése és az SDAG Wismut felszámolása után a német oldalon megszűnt. A cseh oldalon a 2007-es uránárbuborék idején voltak kísérletek a bányászat újraindítására, de ezeket az uránárak esését követően gyorsan felhagyták.
Felfedezés
Az elem felfedezése Martin Heinrich Klaproth német kémikus nevéhez fűződik . Amíg 1789-ben berlini kísérleti laboratóriumában dolgozott , Klaproth egy sárga vegyületet (valószínűleg nátrium-diuranátot ) tudott kicsapni úgy, hogy a szurokkeveréket feloldotta salétromsavban , és az oldatot nátrium-hidroxiddal semlegesítette . Klaproth feltételezte, hogy a sárga anyag egy még fel nem fedezett elem oxidja, és szénnel hevítette , hogy fekete port kapjon, amelyről azt hitte, maga az újonnan felfedezett fém (valójában ez a por urán-oxid volt). Az újonnan felfedezett elemet az Uránusz bolygóról nevezte el (a görög égbolt ősistenéről nevezték el ), amelyet nyolc évvel korábban William Herschel fedezett fel .
1841-ben Eugène-Melchior Péligot , a párizsi Conservatoire National des Arts et Métiers (Central School of Arts and Manufacture) analitikai kémia professzora urán-tetraklorid káliummal való hevítésével izolálta az első fémuránmintát .
Henri Becquerel 1896-ban fedezte fel a radioaktivitást urán felhasználásával. Becquerel Párizsban fedezte fel úgy, hogy egy uránsó mintát, K 2 UO 2 (SO 4 ) 2 (kálium-uranil-szulfát) hagyott egy meg nem exponált fényképezőlap tetején egy fiókban. és megjegyezte, hogy a tányér „bepárásodott”. Megállapította, hogy az urán által kibocsátott láthatatlan fény vagy sugarak egy formája tette szabaddá a lemezt.
Az első világháború alatt, amikor a központi hatalmak molibdénhiányt szenvedtek a tüzérségi lövegcsövek és nagysebességű szerszámacélok előállításához, rutinszerűen helyettesítették a ferrouránötvözeteket , amelyek számos fizikai jellemzőt mutatnak. Amikor ez a gyakorlat 1916-ban ismertté vált, az Egyesült Államok kormánya több neves egyetemet felkért az urán ezen felhasználási módjainak kutatására, és az ezekkel a képletekkel készült eszközök évtizedekig használatban maradtak, majd a Manhattan Projekt és a hidegháború nagy igényt támasztott az urán hasadási céljára. kutatás és fegyverfejlesztés.
Hasadási kutatás
Egy Enrico Fermi vezette csapat 1934-ben megfigyelte, hogy az urán neutronokkal történő bombázása béta-sugarak kibocsátását idézi elő ( az előállított elemekből elektronok vagy pozitronok ; lásd béta-részecske ). A hasadási termékeket először 93-as és 94-es atomszámú új elemekkel tévesztették össze, amelyeket a Római Kar dékánja, Orso Mario Corbino ausóniumnak , illetve hesperiumnak keresztelt el. Otto Hahn és Fritz Strassmann végezte Hahn berlini laboratóriumában azokat a kísérleteket, amelyek az urán könnyebb elemekre hasadó (széttörő) képességének felfedezéséhez vezettek, és kötési energiát szabadít fel. Lise Meitner és unokaöccse, Otto Robert Frisch fizikus 1939 februárjában publikálták a fizikai magyarázatot, és a folyamatot „ maghasadásnak ” nevezték el. Nem sokkal ezután Fermi azt feltételezte, hogy az urán hasadása elegendő neutront szabadíthat fel a hasadási reakció fenntartásához. Ez a hipotézis 1939-ben megerősítést nyert, és a későbbi munkák azt találták, hogy átlagosan körülbelül 2,5 neutron szabadul fel a ritka urán-235 uránizotóp minden egyes hasadása során. Fermi sürgette Alfred OC Niert , hogy válassza le az uránizotópokat a hasadó komponens meghatározásához, és 1940. február 29-én Nier a Minnesotai Egyetemen épített műszerrel választotta le a világ első urán-235 mintáját a Tate Laboratoryban. Miután elküldték a Columbia Egyetem ciklotronjának , John Dunning március 1-jén megerősítette, hogy a minta az izolált hasadóanyag. A további munkák során kiderült, hogy a sokkal gyakoribb urán-238 izotóp plutóniummá alakítható, amely az urán-235-höz hasonlóan termikus neutronok hatására is hasadó. Ezek a felfedezések számos országot indítottak arra, hogy elkezdjenek dolgozni az atomfegyverek és az atomenergia fejlesztésén . Annak ellenére, hogy a hasadást Németországban fedezték fel, az Uranverein ("uránklub") németországi atomenergia és/vagy fegyverek kutatására irányuló háborús projektjét hátráltatta a korlátozott erőforrások, a belső harcok, a terület számos prominens tudósának száműzetése vagy bevonásának hiánya. döntő hibák, mint például a szennyeződések figyelmen kívül hagyása a rendelkezésre álló grafitmintákban, ami miatt kevésbé tűnt alkalmasnak neutronmoderátorként , mint amilyen valójában. Németország kísérletei egy természetes urán / nehézvíz reaktor építésére még közel sem értek kritikus szintre, mire az amerikaiak elérték Haigerloch -ot , az utolsó német háborús reaktorkísérlet helyszínét.
1942. december 2-án a Manhattan Project részeként egy másik csapat Enrico Fermi vezetésével elindította az első mesterséges önfenntartó nukleáris láncreakciót , a Chicago Pile-1- et . A dúsított urán-235-öt használó eredeti tervet elvetették, mivel még nem állt rendelkezésre elegendő mennyiségben. A Chicagói Egyetem Stagg Field lelátója alatti laborban a csapat 400 rövid tonna (360 tonna ) grafit és 58 rövid tonna (53 tonna) urán összehalmozásával teremtette meg az ilyen reakcióhoz szükséges feltételeket . oxidot és hat rövid tonna (5,5 tonna) fémuránt, amelyek többségét a Westinghouse Lamp Plant szállította rögtönzött gyártási folyamatban.
Nukleáris fegyverzet
Két fő típusú atombombát fejlesztett ki az Egyesült Államok a második világháború alatt : egy urán alapú eszközt (kódnevén " Little Boy "), amelynek hasadóanyaga erősen dúsított urán volt , és egy plutónium alapú eszközt (lásd a Szentháromság-tesztet és a " Zsírt "). Man "), akinek a plutóniumát urán-238-ból nyerték. Az uránalapú Little Boy eszköz lett az első háborúban használt nukleáris fegyver, amikor 1945. augusztus 6-án felrobbantották Hirosima japán városa felett. 12 500 tonna TNT -nek megfelelő hozammal robbant, a bomba robbanása és hőhulláma megsemmisült. közel 50 000 épület és körülbelül 75 000 ember halt meg (lásd Hirosima és Nagaszaki atombombázása ). Kezdetben azt hitték, hogy az urán viszonylag ritka, és az atomfegyver elterjedése elkerülhető az összes ismert uránkészlet felvásárlásával, de egy évtizeden belül a világ számos pontján nagy lelőhelyeket fedeztek fel belőle.
Reaktorok
A Tennessee állambeli Oak Ridge National Laboratory (ORNL) X-10 Graphite Reactor , korábban Clinton Pile és X-10 Pile volt, a világ második mesterséges atomreaktora (Enrico Fermi Chicago Pile után), és az első volt. folyamatos üzemre tervezett és épített reaktor. Az Argonne National Laboratory I. kísérleti tenyésztőreaktora , amely az Atomenergia Bizottság idahói Arco melletti Nemzeti Reaktorvizsgáló Állomásán található, 1951. december 20-án volt az első olyan atomreaktor, amely villamos energiát termelt. Kezdetben négy 150 wattos izzót világított meg a reaktor, de a fejlesztések végül lehetővé tették az egész létesítmény áramellátását (később Arco városa lett az első a világon, amelynek teljes villamos energiáját az Argonne National Laboratory által tervezett és üzemeltetett másik reaktor, a BORAX-III által termelt atomenergiából nyerték ). . A világ első kereskedelmi méretű atomerőműve , a Szovjetunióban található Obnyinszk , 1954. június 27-én kezdte meg a termelést AM-1 reaktorával. További korai atomerőművek voltak az angliai Calder Hall , amely 1956. október 17-én kezdte meg a termelést, és a Shippingport . Atomerőmű Pennsylvaniában , amely 1958. május 26-án kezdődött. Az atomenergiát először 1954- ben használtak meghajtásra egy tengeralattjáró , a USS Nautilus .
A történelem előtti természetben előforduló hasadás
1972-ben Francis Perrin francia fizikus tizenöt ősi és már nem aktív természetes maghasadási reaktort fedezett fel három különálló érctelepen a nyugat - afrikai Gabonban található Oklo-bányában , amelyek együttes nevén Oklo Fossil Reactors . Az érctelep 1,7 milliárd éves; akkor az urán-235 a Föld összes urántartalmának körülbelül 3%-át tette ki. Ez elég magas ahhoz, hogy lehetővé tegye egy tartós maghasadási láncreakció létrejöttét, feltéve, hogy más támogató feltételek is fennállnak. Az Egyesült Államok szövetségi kormánya a környező üledék nukleáris hulladéktermékek tárolására való képességét a Yucca Mountain nukleárishulladék -tárolójában való kiégett fűtőelemek tárolásának megvalósíthatóságának alátámasztására hivatkozott .
A szennyeződés és a hidegháborús örökség
A Szovjetunió és az Egyesült Államok által az 1950-es és 1960-as évek elején, valamint Franciaország által az 1970-es és 1980-as években végzett föld feletti nukleáris kísérletek jelentős mennyiségű urán-leányizotópból származó csapadékot terjesztettek szerte a világon. További csapadék és szennyezés több nukleáris balesetből származott .
Az uránbányászoknál nagyobb a rák előfordulása . Például a navahói uránbányászok tüdőrák kockázatát dokumentálták, és összefüggésbe hozták a foglalkozásukkal. A Radiation Exposure Compensation Act , egy 1990-es amerikai törvény, 100 000 dollár "együttérzési kifizetést" írt elő azoknak az uránbányászoknak, akiket rákkal vagy más légúti megbetegedésekkel diagnosztizáltak.
A Szovjetunió és az Egyesült Államok közötti hidegháború során hatalmas uránkészletek halmozódtak fel, és dúsított uránból és uránból készült plutóniumból nukleáris fegyverek tízezreit hoztak létre. A Szovjetunió 1991-es felbomlása óta a becslések szerint 600 rövid tonna (540 tonna) erősen dúsított fegyverminőségű uránt (elég 40 000 nukleáris robbanófej előállításához) tároltak gyakran nem megfelelően őrzött létesítményekben az Orosz Föderációban , és számos más volt szovjet államok. Ázsiában , Európában és Dél-Amerikában a rendőrség 1993 és 2005 között legalább 16 alkalommal fogott el bombaminőségű urán- vagy plutónium- szállítmányokat , amelyek többsége volt szovjet forrásokból származott. 1993 és 2005 között az Egyesült Államok szövetségi kormánya által működtetett Anyagvédelmi, Ellenőrzési és Számviteli Program körülbelül 550 millió USD -t költött az oroszországi urán- és plutóniumkészletek védelmére. Ezt a pénzt a kutatási és raktári létesítmények fejlesztésére és biztonsági javítására használták fel. A Scientific American 2006 februárjában arról számolt be, hogy egyes létesítmények biztonságát lánckerítések alkották, amelyek súlyosan leromlott állapotban voltak. A cikkből származó interjú szerint az egyik létesítmény dúsított (fegyverminőségű) uránmintákat tárolt egy seprűszekrényben a fejlesztési projekt előtt; egy másik nukleáris robbanófej-készletét egy cipősdobozban tartott indexkártyák segítségével követte nyomon.
Esemény
Eredet
A vasnál nagyobb atomtömegű elemek mellett az urán is csak a természetben képződik az r-folyamat (gyors neutronbefogás) során szupernóvák és neutroncsillagok egyesülése során . Az ősi tórium és urán csak az r-folyamatban keletkezik, mivel az s-folyamat (lassú neutronbefogás) túl lassú, és nem tudja átlépni a bizmut utáni instabilitási rést. A két fennmaradt ősurán izotóp, a 235 U és 238 U mellett az r-folyamat jelentős mennyiségű 236 U -t is előállított , amelynek rövidebb a felezési ideje, és így egy kihalt radionuklid , amely már régen teljesen lebomlott 232 Th-ra. Maga az urán-236 is feldúsult a 244 Pu bomlásával , ami a vártnál magasabb tórium- és a vártnál alacsonyabb uránbőséget okozza. Míg az urán természetes mennyiségét a kihalt 242 Pu (felezési idő 0,375 millió év) és 247 cm (felezési idő 16 millió év) bomlása egészítette ki, így 238 U, illetve 235 U képződik, ez szinte elhanyagolható mértékű volt. e szülők rövidebb felezési ideje és a 236 U-nál és 244 Pu-nál alacsonyabb termelésük miatt a tórium szülői: a Naprendszer kialakulásakor a 247 Cm: 235 U arány(7,0 ± 1,6) × 10 -5 .
Biotikus és abiotikus
Az urán egy természetben előforduló elem, amely kis mennyiségben megtalálható minden kőzetben, talajban és vízben. Az urán a földkéreg mennyiségi sorrendjében az 51. elem . Az urán emellett a legmagasabb számban előforduló elem, amely jelentős mennyiségben természetesen megtalálható a Földön, és szinte mindig más elemekkel kombinálva található. Úgy gondolják, hogy a Föld köpenyében az urán, a tórium és a kálium-40 bomlása a fő hőforrás, amely folyékony állapotban tartja a Föld külső magját , és elősegíti a köpeny konvekcióját , ami viszont a lemeztektonikát .
Az urán átlagos koncentrációja a földkéregben (a hivatkozástól függően) 2-4 ppm, vagyis körülbelül 40-szer annyi, mint az ezüst . A földkéreg a felszíntől 25 km-ig (15 mérföld) lefelé a számítások szerint 10 17 kg (2 × 10 )17 font uránt, míg az óceánok 10 13 kg (2 × 1013 font). Az urán koncentrációja a talajban 0,7 és 11 ppm között van (a foszfátműtrágyák használata miatt a mezőgazdasági területek talajában akár 15 ppm ) , a tengervízben pedig 3 ppm.
Az urán bőségesebb, mint az antimon , ón , kadmium , higany vagy ezüst, és körülbelül olyan bőséges, mint az arzén vagy a molibdén . Az urán ásványok százaiban található meg, köztük az uraninitben (a leggyakoribb uránérc ) , a karnotitban , az autunitban , az uranofánban , a torbernitben és a koffinitben . Az urán jelentős koncentrációban fordul elő egyes anyagokban, például foszfátkőzetlelőhelyekben , valamint ásványokban, például lignitben és monacithomokokban uránban gazdag ércekben (a kereskedelemben 0,1% uránt tartalmazó forrásokból nyerik ki).
Egyes baktériumok, például a Shewanella putrefaciens , Geobacter metallireducens és a Burkholderia fungorum egyes törzsei uránt használnak a növekedésükhöz, és az U(VI)-t U(IV)-vé alakítják. A legújabb kutatások azt sugallják, hogy ez az út magában foglalja az oldható U(VI) redukcióját egy köztes U(V) ötértékű állapoton keresztül.
Más élőlények, mint például a Trapelia involuta zuzmó vagy olyan mikroorganizmusok , mint a Citrobacter baktérium , a környezetük szintjének 300-szorosát meghaladó koncentrációban képesek felszívni az uránt. A Citrobacter fajok glicerin-foszfáttal (vagy más hasonló szerves foszfáttal) abszorbeálják az uranil - ionokat . Egy nap múlva egy gramm baktérium berakhatja magát kilenc gramm uranil-foszfát kristályokkal; ez megteremti annak lehetőségét, hogy ezeket az organizmusokat bioremediációban felhasználják az uránnal szennyezett víz dekontaminálására . A Geobacter proteobaktériumról kimutatták, hogy bioremediálja az uránt a talajvízben. A Glomus intraradices mikorrhiza gomba megnöveli szimbiotikus növénye gyökereiben az urántartalmat.
A természetben az urán(VI) lúgos pH-n jól oldódó karbonátkomplexeket képez. Ez az urán mobilitásának és hozzáférhetőségének növekedéséhez vezet a talajvízben és a talajban a nukleáris hulladékokból, ami egészségügyi kockázatokhoz vezet. Nehéz azonban az uránt foszfátként kicsapni karbonátfelesleg jelenlétében lúgos pH mellett. A Sphingomonas sp. A BSAR-1 törzsről azt találták, hogy nagy aktivitású alkalikus foszfatázt (PhoK) expresszál, amelyet az urán lúgos oldatokból uranil-foszfát formájában történő biokicsapására alkalmaztak. A kicsapási képességet fokozta a PhoK fehérje túlzott expressziója E. coliban .
A növények némi uránt szívnak fel a talajból. Az urán száraztömeg-koncentrációja a növényekben 5-60 ppm, az elégetett fából származó hamu pedig akár 4 ppm-t is elérheti. Az urán száraztömeg-koncentrációja az élelmiszerüzemekben jellemzően alacsonyabb, napi egy-két mikrogrammot az emberek által elfogyasztott élelmiszerekkel fogyasztanak el.
Termelés és bányászat
Az U 3 O 8 (sárga torta) termelése világszerte 2013-ban 70 015 tonna volt, amelyből 22 451 tonnát (32%) Kazahsztánban bányásztak . További fontos uránbányászati országok Kanada (9331 t), Ausztrália (6350 t), Niger (4518 t), Namíbia (4323 t) és Oroszország (3135 t).
Az uránércet többféle módon bányászják: külszíni fejtéssel , földalattival , in situ kilúgozással és fúrásos bányászattal (lásd uránbányászat ). A bányászott alacsony minőségű uránérc jellemzően 0,01-0,25% urán-oxidot tartalmaz. Széleskörű intézkedéseket kell alkalmazni a fém ércéből való kinyerésére. A kanadai Saskatchewan állam Athabasca-medence lelőhelyein található kiváló minőségű ércek átlagosan akár 23% urán-oxidot is tartalmazhatnak. Az uránércet összetörik és finom porrá alakítják, majd savval vagy lúggal kilúgítják . A csurgalékvizet a kicsapás, az oldószeres extrakció és az ioncsere egyikének vetik alá. A kapott elegy, az úgynevezett yellowcake , legalább 75% U 3 O 8 urán-oxidot tartalmaz . A Yellowcake-t ezután kalcinálják , hogy eltávolítsák az őrlési folyamatból származó szennyeződéseket a finomítás és az átalakítás előtt.
Kereskedelmi minőségű urán állítható elő uránhalogenidek alkáli- vagy alkáliföldfémekkel való redukálásával . Fém urán KUF elektrolízissel is előállítható
5vagy
UF
4olvadt kalcium-kloridban ( Ca Cl
2) és nátrium-klorid ( Na Cl) oldat. Nagyon tiszta uránt állítanak elő az uránhalogenidek forró szálon történő hőbontásával .
A Yellowcake urán-oxidok koncentrált keveréke, amelyet tovább finomítanak a tiszta urán kinyerésére.
Erőforrások és tartalékok
Becslések szerint 5,5 millió tonna urán található az érckészletekben, amelyek 59 USD/lb urán mellett gazdaságilag életképesek, míg 35 millió tonna ásványkincsnek minősül (ésszerű kilátások az esetleges gazdasági kitermelésre). Az árak a 2003. májusi körülbelül 10 dollár/lb-ról 2007 júliusában 138 dollárra emelkedtek. Ez a kutatási kiadások jelentős növekedését okozta, 2005-ben világszerte 200 millió USD-t költöttek el, ami 54%-os növekedés az előző évhez képest. Ez a tendencia 2006-ig folytatódott, amikor a kutatási kiadások 774 millió dollár fölé emelkedtek, ami több mint 250%-os növekedés 2004-hez képest. Az OECD Nukleáris Energia Ügynöksége szerint a 2007-es kutatási adatok valószínűleg megegyeznek a 2006-os kutatási adatokkal.
Ausztrália rendelkezik a világ ismert uránérckészleteinek 31%-ával és a világ legnagyobb egyedi uránlelőhelyével, amely a dél-ausztráliai olimpiai gátbányában található . Jelentős urántartalék található Bakoumában , amely a Közép-afrikai Köztársaság Mbomou prefektúrájának egyik alprefektúrája .
Egyes nukleáris üzemanyagok leszerelés alatt álló nukleáris fegyverekből származnak, például a Megatons to Megawatts programból .
A becslések szerint további 4,6 milliárd tonna urán található a tengervízben ( japán tudósok az 1980-as években kimutatták, hogy az urán kinyerése a tengervízből ioncserélők segítségével technikailag kivitelezhető). Voltak kísérletek urán kivonására a tengervízből, de a hozam alacsony volt a vízben jelen lévő karbonát miatt. A Pacific Northwest National Laboratory kutatói által igazolt eredmények szerint 2012-ben az ORNL kutatói bejelentették egy új, HiCap névre keresztelt abszorbens anyag sikeres kifejlesztését, amely szilárd vagy gázmolekulák, atomok vagy ionok felületi visszatartását végzi, és hatékonyan távolítja el a mérgező fémeket a vízből.
Kellékek
2005-ben tizenhét ország állított elő tömény urán-oxidot: Kanada (a világtermelés 27,9%-a), Ausztrália (22,8%), Kazahsztán (10,5%), Oroszország (8,0%), Namíbia (7,5%), Niger (7,4%), Üzbegisztán (5,5%), az Egyesült Államok (2,5%), Argentína (2,1%), Ukrajna (1,9%) és Kína (1,7%). 2008-ban az előrejelzések szerint Kazahsztán növeli a kitermelését, és 2009-re a világ legnagyobb urántermelőjévé válhat 12 826 tonnával, szemben Kanadával 11 100 tonnával és Ausztráliával 9 430 tonnával. A jóslatok valóra váltak. 2019-ben Kazahsztán állítja elő a bányákból származó urán legnagyobb részét, a világ kínálatának 42%-át, majd Kanada (13%) és Ausztrália (12%), Namíbia (10%), Üzbegisztán (6%), Niger (5%) és Oroszország. (5%), Kína (3%), Ukrajna (1,5%), USA (0,12%), India (0,6%), Irán (0,13%), a világ össztermelése 54752 tonna bányából. Meg kell azonban említeni, hogy 2019-ben az uránt nemcsak az ércek 43%-ának (54752 tonna) hagyományos földalatti bányászatával bányászták, ahol a mineralizált kőzetet eltávolítják a talajból, feldarabolják és kezelik a keresett ásványok eltávolítására. hanem in situ leaching módszerekkel (ISL) is a világtermelés 57%-a (64 566 tonna).
Az 1960-as évek végén az ENSZ geológusai jelentős uránlelőhelyeket és más ritka ásványi készleteket is felfedeztek Szomáliában . A lelet a maga nemében a legnagyobb, az iparági szakértők becslése szerint a lelőhelyek a világ akkor ismert, 800 000 tonnás uránkészletének több mint 25%-át teszik ki.
Úgy gondolják, hogy a rendelkezésre álló végső kínálat legalább a következő 85 évre elegendő lesz, bár egyes tanulmányok azt mutatják, hogy a huszadik század végén az alulberuházottság ellátási problémákat okozhat a 21. században. Úgy tűnik, hogy az uránlerakódások logaritmikusan normális eloszlásúak. Minden egyes tízszeres ércminőség-csökkenés után 300-szorosára nő a visszanyerhető urán mennyisége. Más szóval, kevés a kiváló minőségű érc, és arányosan sokkal több az alacsony minőségű érc.
Vegyületek
Oxidációs állapotok és oxidok
Oxidok
A sok nagy malomban előállított kalcinált uránsárga pogácsa az urán oxidációs fajtáit különböző formákban tartalmazza, a leginkább oxidálttól a legkevésbé oxidáltig. A rövid tartózkodási idővel rendelkező részecskék a kalcinálóban általában kevésbé oxidálódnak, mint a hosszú retenciós idővel rendelkező részecskék, vagy azok a részecskék, amelyek visszanyerhetők a gázmosóban. Az urántartalomra általában U -ra hivatkoznak
3O
8, amely a Manhattan Project idejére nyúlik vissza, amikor U
3O
8analitikai kémiai jelentési szabványként használták.
Az urán-oxigén rendszerben a fázisviszonyok összetettek . Az urán legfontosabb oxidációs állapota az urán(IV) és az urán(VI), két megfelelő oxidjuk pedig az urán-dioxid ( UO
2) és urán-trioxid ( UO
3). Egyéb urán-oxidok , például urán-monoxid (UO), diurán-pentoxid ( U
2O
5), és az urán-peroxid ( UO
4·2H
2O ) is léteznek.
Az urán-oxid leggyakoribb formája a triurán-oktoxid ( U
3O
8) és UO
2. Mindkét oxidforma szilárd anyag, amelyek vízben kevéssé oldódnak, és viszonylag stabilak a környezeti feltételek széles tartományában. A triurán-oktoxid (a körülményektől függően) az urán legstabilabb vegyülete, és a természetben leggyakrabban előforduló formája. Az urán-dioxid az a forma, amelyben az uránt leggyakrabban atomreaktorok üzemanyagaként használják. Környezeti hőmérsékleten UO
2fokozatosan átalakul U -re
3O
8. Stabilitásuk miatt az urán-oxidokat általában a tárolás vagy ártalmatlanítás előnyben részesített kémiai formájának tekintik.
Vizes kémia
Az urán számos oxidációs állapotú sói vízben oldódnak , és vizes oldatokban tanulmányozhatók . A leggyakoribb ionformák az U3+
(barna-piros), U4+
(zöld), UO+
2(instabil), és UO2+
2(sárga), U(III), U(IV), U(V) és U(VI) esetén. Létezik néhány szilárd és félfémes vegyület, például az UO és az US a formális oxidációs állapotú urán(II) esetében, de nem ismert, hogy ehhez az állapothoz egyszerű ionok léteznének oldatban. U ionjai3+
hidrogént szabadítanak fel a vízből , ezért rendkívül instabilnak tekinthetők. Az UO2+
2Az ion az urán(VI) állapotot képviseli, és ismert, hogy olyan vegyületeket képez, mint az uranil-karbonát , uranil-klorid és uranil-szulfát . UO2+
2komplexeket képez különféle szerves kelátképző szerekkel is, amelyek közül a leggyakrabban előforduló uranil-acetát .
Ellentétben az urán uranil sóival és a többatomos ion urán-oxid kationos formáival, az uránátok , a többatomos urán-oxid aniont tartalmazó sók általában nem oldódnak vízben.
Karbonátok
A karbonát anionok és az urán(VI) közötti kölcsönhatások miatt a Pourbaix diagram nagymértékben megváltozik, amikor a közeget vízről karbonáttartalmú oldatra cseréljük. Míg a karbonátok túlnyomó többsége vízben oldhatatlan (a diákokat gyakran tanítják, hogy az alkálifémek karbonátjain kívül minden karbonát nem oldódik vízben), az uránkarbonátok gyakran vízben oldódnak. Ennek az az oka, hogy egy U(VI)-kation két terminális oxidot és három vagy több karbonátot képes megkötni, hogy anionos komplexeket képezzen.
Urán nem komplexképző vizes közegben (pl . perklórsav /nátrium-hidroxid). | Urán karbonát oldatban |
Az urán különböző kémiai formáinak relatív koncentrációi nem komplexképző vizes közegben (pl . perklórsav /nátrium-hidroxid). | Az urán különböző kémiai formáinak relatív koncentrációi vizes karbonát oldatban. |
A pH hatásai
A karbonát jelenlétében készült uránfrakciódiagramok ezt tovább szemléltetik: az urán(VI)-oldat pH-értékének növekedésével az urán hidratált urán-oxid-hidroxiddá alakul, magas pH-n pedig anionos hidroxid komplexsé válik.
Karbonát hozzáadásakor az urán karbonátkomplexek sorozatává alakul, ha a pH-t növelik. E reakciók egyik hatása az urán megnövekedett oldhatósága a 6-8 pH-tartományban, amely tény közvetlen hatással van a kiégett urán-dioxid nukleáris üzemanyagok hosszú távú stabilitására.
Hidridok, karbidok és nitridek
A 250–300 °C (482–572 °F) hőmérsékletre melegített urán fém hidrogénnel urán-hidridet képez . Még magasabb hőmérséklet is reverzibilisen eltávolítja a hidrogént. Ez a tulajdonság az urán-hidrideket kényelmes kiindulási anyagokká teszi reaktív uránpor előállításához különféle uránkarbid- , nitrid- és halogenidvegyületekkel együtt . Az urán-hidridnek két kristálymódosulata létezik: egy α-forma, amelyet alacsony hőmérsékleten kapunk, és egy β-forma, amely akkor jön létre, amikor a képződési hőmérséklet 250 °C felett van.
Az urán-karbidok és az urán-nitridek egyaránt viszonylag közömbös félfémes vegyületek, amelyek minimális mértékben oldódnak savakban , reagálnak vízzel, és levegőben meggyulladhatnak, U - t képezve .
3O
8. Az uránkarbidok közé tartozik az urán-monokarbid ( UC ), az urán-dikarbid ( UC
2), és diurán-trikarbid ( U
2C
3). UC és UC is
2úgy keletkeznek, hogy szént adnak az olvadt uránhoz, vagy a fémet szén-monoxidnak teszik ki magas hőmérsékleten. 1800 °C alatt stabil, U
2C
3UC és UC melegített keverékének alávetésével állítják elő
2mechanikai igénybevételnek. A fém nitrogénnek való közvetlen kitételével nyert urán-nitridek közé tartozik az urán-mononitrid (UN), az urán-dinitrid ( UN )
2), és diurán-trinitrid ( U
2N
3).
Halogenidek
Az összes urán-fluoridot urán-tetrafluoriddal ( UF
4); UF
4magát az urán-dioxid hidrofluorozásával állítják elő. Az UF csökkentése
4hidrogénnel 1000 °C-on urán-trifluoridot ( UF
3). Megfelelő hőmérséklet- és nyomásviszonyok mellett a szilárd UF reakciója
4gáznemű urán-hexafluoriddal ( UF
6) képezheti az U közbenső fluoridokat
2F
9, U
4F
17, és UF
5.
Szobahőmérsékleten UF
6nagy gőznyomással rendelkezik , ami hasznossá teszi a gázdiffúziós folyamatban a ritka urán-235 elválasztását a közönséges urán-238 izotóptól. Ez a vegyület urán-dioxidból és urán-hidridből a következő eljárással állítható elő:
-
UO
2+ 4 HF → UF
4+ 2 H
2O (500 °C, endoterm) -
UF
4+ F
2→ UF
6(350 °C, endoterm)
A kapott UF
6, fehér szilárd anyag, nagyon reakcióképes (fluorozással), könnyen szublimál (közel ideális gázként viselkedő gőzt bocsát ki ), és az urán legillékonyabb vegyülete, amelyről ismert.
Az urán-tetraklorid ( UCl
4) a klór közvetlen egyesítése fémuránnal vagy urán-hidriddel. Az UCl csökkentése
4hidrogén hatására urán-triklorid ( UCl
3), míg az urán magasabb kloridjait további klórral reagáltatva állítják elő. Minden urán-klorid reakcióba lép vízzel és levegővel.
Az urán bromidjai és jodidjai brómnak és jódnak uránnal való közvetlen reakciójával vagy UH hozzáadásával keletkeznek.
3az elemek savaihoz. Ismert példák a következők: Ubr
3, Ubr
4, UI
3és UI
4. UI
5soha nem készült fel. Az urán-oxi-halogenidek vízben oldódnak, és UO -t is tartalmaznak
2F
2, UOCl
2, UO
2Cl
2, és UO
2Br
2. Az oxihalogenidek stabilitása csökken, ahogy a halogenid komponens atomtömege nő.
Izotópok
Természetes koncentrációk
A természetes urán három fő izotópból áll: urán-238 (99,28% természetes előfordulás), urán-235 (0,71%) és urán-234 (0,0054%). Mindhárom radioaktív , alfa-részecskéket bocsát ki , azzal az eltéréssel, hogy mindhárom izotóp kis valószínűséggel spontán hasadáson megy keresztül . Négy további izotóp is létezik: az urán-239, amely akkor keletkezik, amikor 238 U spontán hasadáson megy keresztül, neutronokat szabadítva fel, amelyeket egy másik 238 U atom fog be; urán-237, amely akkor keletkezik, amikor a 238 U befog egy neutront, de további kettőt bocsát ki, ami aztán neptunium-237-té bomlik ; urán-236 , amely nyomokban a 235 U neutronbefogás következtében és a plutónium-244 bomlástermékeként fordul elő ; és végül az urán-233, amely a neptunium-237 bomlási láncában képződik. Az is várható, hogy a tórium-232 kétszeres béta-bomláson megy keresztül , ami urán-232-t termelne, de ezt kísérletileg még nem figyelték meg. Az egyetlen jelentős eltérés az U-235: U-238 aránytól bármely ismert természetes mintában Okloban , Gabonban fordul elő, ahol a természetes maghasadási reaktorok körülbelül kétmilliárd éve fogyasztották az U-235 egy részét, amikor az U-235: U-arányt. A -238 jobban hasonlított az alacsony dúsítású uránhoz , lehetővé téve, hogy a normál ("könnyű") víz neutronmoderátorként működjön, hasonlóan az ember által készített könnyűvizes reaktorokban zajló folyamatokhoz . Az elméletileg előre megjósolt ilyen természetes hasadásos reaktorok létezését bebizonyította, hogy az U-235 koncentrációjának kismértékű eltérését a várt értékektől a franciaországi urándúsítás során fedezték fel. A későbbi vizsgálatok, amelyekkel kizárták az esetleges gonosz emberi cselekedeteket (például az U-235 ellopását), megerősítették az elméletet azzal, hogy megállapították, hogy a közönséges hasadási termékek (vagy inkább stabil leánynuklidjaik) izotóparánya összhangban van a hasadásra várt értékekkel, de eltér az értékektől. ezeknek az elemeknek a nem hasadásból származó mintáira.
Az urán-238 az urán legstabilabb izotópja, felezési ideje körülbelül 4,468 × 109 év, nagyjából a Föld kora . Az urán-235 felezési ideje körülbelül 7,13 × 108 év, az urán-234 felezési ideje pedig körülbelül 2,48 × 105 év. A természetes uránban lévő alfa-részecskék körülbelül 49%-át 238 U, 49%-át 234 U bocsátja ki(mivel az utóbbi az előbbiből keletkezik), és körülbelül 2%-át 235 U. Amikor a Föld fiatal volt, valószínűleg kb. uránjának ötöde urán-235 volt, de a 234 U százalékos aránya valószínűleg jóval alacsonyabb volt ennél.
Az urán-238 általában alfa-kibocsátó (alkalmanként spontán hasadáson megy keresztül) , amely a 18 tagú uránsorozaton keresztül bomlik ólom-206-tá , különféle bomlási útvonalakon.
A 235 U bomlási lánc, amelyet aktinium sorozatnak neveznek , 15 tagból áll, és végül ólom-207-té bomlik. Az állandó bomlási sebesség ezekben a bomlási sorozatokban hasznossá teszi a szülő és a leány elemek arányának összehasonlítását a radiometriás kormeghatározásban.
Az urán-234, amely az urán sorozat tagja (az urán-238 bomlási lánca), viszonylag rövid élettartamú izotópok sorozatán keresztül bomlik ólom-206-ra.
Az urán-233-at tórium-232- ből állítják elő neutronbombázással, általában atomreaktorban, és a 233 U is hasadó. Bomlási lánca a neptunium sorozat részét képezi, és a bizmut-209- nél és a tallium -205- nél végződik .
Az urán-235 az atomreaktorok és az atomfegyverek számára egyaránt fontos , mivel ez az egyetlen jelentős mennyiségben hasadó uránizotóp a Földön. Ez azt jelenti, hogy a termikus neutronok két vagy három részre ( hasadási termékekre ) oszthatják fel.
Az urán-238 nem hasadó, hanem termékeny izotóp, mert neutronaktiválás után plutónium-239-re, egy másik hasadó izotóppal alakulhat át. Valójában a 238 U atommag egy neutront képes elnyelni, hogy előállítsa az urán-239 radioaktív izotópot . A 239 U béta-emisszió révén bomlik le a neptunium -239-re, amely szintén béta-kibocsátó, ami viszont néhány napon belül plutónium-239-re bomlik. A 239 Pu-t hasadóanyagként használták fel az első atombombában , amelyet a „Trinity teszt” során robbantottak fel 1945. július 15-én Új-Mexikóban .
Dúsítás
A természetben az urán urán-238 (99,2742%) és urán-235 (0,7204%) formájában található. Az izotópleválasztás koncentrálja (dúsítja) a hasadó urán-235-öt az atomfegyverekhez és a legtöbb atomerőműhöz, kivéve a gázhűtéses reaktorokat és a túlnyomásos nehézvizes reaktorokat . Az urán-235 hasadó atomja által felszabaduló neutronok többségének más urán-235 atomokra kell hatnia, hogy fenntartsa a nukleáris láncreakciót . Az ehhez szükséges urán-235 koncentrációját és mennyiségét „ kritikus tömegnek ” nevezik.
Ahhoz, hogy „dúsítottnak” lehessen tekinteni, az urán-235-frakciónak 3% és 5% között kell lennie. Ez a folyamat hatalmas mennyiségű urán-235-től szegényített uránt termel, és ennek megfelelően megnövekedett urán-238-frakcióval, amelyet szegényített uránnak vagy „DU-nak” neveznek. Ahhoz, hogy „kimerültnek” minősüljön, az urán-235 izotóp koncentrációja nem haladhatja meg a 0,3%-ot. Az urán ára 2001 óta emelkedett, ezért a 0,35%-nál több urán-235-öt tartalmazó dúsítómaradékok újradúsítását fontolgatják, így a szegényített urán-hexafluorid kilogrammonkénti ára 2007 júliusában 130 dollár fölé emelkedett a 2001-es 5 dollárról.
A gázcentrifuga eljárás, ahol gáznemű urán-hexafluorid ( UF
6) a 235 UF 6 és 238 UF 6 közötti molekulatömeg-különbség választja el nagy sebességű centrifugák segítségével , ez a legolcsóbb és vezető dúsítási eljárás. A gázdiffúziós eljárás volt a dúsítás vezető módszere, és a Manhattan Projectben is alkalmazták . Ebben a folyamatban az urán-hexafluoridot ismételten átdiffundálják egy ezüst - cink membránon, és az urán különböző izotópjait diffúziós sebesség választja el (mivel az urán-238 nehezebb, kissé lassabban diffundál, mint az urán-235). A molekuláris lézeres izotópszétválasztási módszer precíz energiájú lézersugarat alkalmaz az urán-235 és a fluor közötti kötés megszakításához. Így az urán-238 fluorhoz kötődik, és lehetővé teszi az urán-235 fém kicsapódását az oldatból. A dúsítás egy alternatív lézeres módszere atomgőzlézeres izotóp-leválasztás (AVLIS) néven ismert, és látható hangolható lézereket , például festéklézereket alkalmaz . Egy másik alkalmazott módszer a folyékony termikus diffúzió.
Emberi expozíció
Egy személy ki lehet téve az uránnak (vagy radioaktív leányainak , például a radonnak ), ha belélegzi a levegőben lévő port, vagy szennyezett vizet és élelmiszert fogyaszt. A levegőben lévő urán mennyisége általában nagyon kicsi; mindazonáltal olyan személyek, akik foszfátműtrágyákat feldolgozó gyárakban dolgoznak, olyan kormányzati létesítmények közelében élnek, amelyek nukleáris fegyvereket készítettek vagy teszteltek, olyan modern csatatér közelében élnek vagy dolgoznak, ahol szegényített urántartalmú fegyvereket használnak, vagy széntüzelésű erőmű közelében élnek vagy dolgoznak , az uránércet bányászó vagy feldolgozó létesítmények, illetve uránt dúsító létesítmények reaktorüzemanyagként, fokozott uránexpozíciónak lehetnek kitéve. Azok a házak vagy építmények, amelyek uránlerakódások felett vannak (akár természetes, akár mesterséges salaklerakódások), fokozottan ki vannak téve a radongáznak. A Munkahelyi Biztonsági és Egészségügyi Hivatal (OSHA) a munkahelyi uránexpozíció megengedett expozíciós határértékét 0,25 mg/m 3 -ben határozta meg egy 8 órás munkanapon. Az Országos Munkahelyi Biztonsági és Egészségvédelmi Intézet (NIOSH) 0,2 mg/m 3 ajánlott expozíciós határértéket (REL) határozott meg egy 8 órás munkanapon, rövid távú határértéke pedig 0,6 mg/m 3 . 10 mg/m 3 - es szinten az urán azonnali veszélyt jelent az életre és az egészségre .
A lenyelt urán nagy része az emésztés során ürül ki . Az urán oldhatatlan formáinak, például oxidjának lenyelése esetén mindössze 0,5%-a szívódik fel, míg a jobban oldódó uranilion abszorpciója akár 5%-ot is elérhet. Az oldható uránvegyületek azonban hajlamosak gyorsan átjutni a szervezeten, míg az oldhatatlan uránvegyületek, különösen, ha porral belélegzik a tüdőbe , komolyabb expozíciós veszélyt jelentenek. A véráramba kerülve az abszorbeált urán hajlamos biológiai felhalmozódásra és sok éven át a csontszövetben maradni, mivel az urán affinitása a foszfátokhoz. Az urán nem szívódik fel a bőrön keresztül, és az urán által kibocsátott alfa-részecskék nem tudnak áthatolni a bőrön.
A beépült urán uranil -ionokká válik , amelyek felhalmozódnak a csontokban, a májban, a vesében és a reproduktív szövetekben. Az urán acélfelületekről és víztartó rétegekről fertőtleníthető .
Hatások és óvintézkedések
A vese , az agy , a máj , a szív és más rendszerek normális működését befolyásolhatja az uránexpozíció, mert amellett, hogy gyengén radioaktív, az urán mérgező fém . Az urán reproduktív toxikus is. A radiológiai hatások általában lokálisak, mivel az alfa-sugárzás, a 238 U bomlás elsődleges formája, nagyon rövid hatótávolságú, és nem hatol át a bőrön. Kimutatták, hogy a belélegzett urán alfa-sugárzása tüdőrákot okoz a kitett nukleáris munkásoknál. Uranil ( UO2+
2) az urán-trioxidból vagy az uranil-nitrátból és más hat vegyértékű uránvegyületekből származó ionok születési rendellenességeket és immunrendszeri károsodást okoznak laboratóriumi állatokban. Míg a CDC közzétett egy tanulmányt, amely szerint nem észleltek emberi rákot a természetes vagy szegényített uránnak való kitettség eredményeként, az uránnak és bomlástermékeinek, különösen a radonnak való kitettség széles körben ismert és jelentős egészségügyi veszélyt jelent. A stroncium-90 , jód-131 és más hasadási termékeknek való kitettség nincs összefüggésben az uránexpozícióval, de előfordulhat orvosi eljárásokból, kiégett reaktorfűtőanyagnak való kitettségből vagy nukleáris fegyverek csapadékából. Bár a nagy koncentrációjú urán-hexafluorid véletlen belélegzése ember halálát okozta, ezek a halálesetek a rendkívül mérgező hidrogén-fluorid és az uranil-fluorid képződésével voltak összefüggésben, nem pedig magával az uránnal. A finom eloszlású urán fém tűzveszélyes, mivel az urán piroforos ; a kis szemcsék szobahőmérsékleten levegőben spontán meggyulladnak.
Az urán fémet általában kesztyűben kell kezelni megfelelő óvintézkedésként. Az uránkoncentrátumot úgy kell kezelni és tárolni, hogy az emberek ne lélegezzék be vagy nyeljék le.
Testrendszer | Humán tanulmányok | Állattanulmányok | In vitro |
---|---|---|---|
Vese | Fokozott fehérjekiválasztás, vizelet-kataláz és diurézis | A proximális tekercses tubulusok károsodása, a tubuláris epitéliumból kivett nekrotikus sejtek, glomeruláris elváltozások ( veseelégtelenség ) | Nincsenek tanulmányok |
Agy/CNS | Csökkent teljesítmény a neurokognitív teszteken | Akut kolinerg toxicitás; Dózisfüggő felhalmozódás a kéregben, a középagyban és a vermisben; Elektrofiziológiai változások a hippocampusban | Nincsenek tanulmányok |
DNS | Megnövekedett rákos megbetegedések bejelentése | Fokozott mutagenitás (egerekben) és daganatok indukciója | Kétmagvú sejtek mikronukleuszokkal. A sejtciklus kinetikájának és proliferációjának gátlása; Sister kromatid indukció, tumorigén fenotípus |
Csont/izom | Nincsenek tanulmányok | A parodontális csontképződés gátlása; és alveoláris sebgyógyulás | Nincsenek tanulmányok |
Reproduktív | Az uránbányászoknak több elsőszülött lányuk van | Közepes vagy súlyos fokális tubuláris atrófia; Leydig sejtek vakuolizálása | Nincsenek tanulmányok |
Tüdő/légzés | Nem jelentettek káros egészségügyi hatásokat | Súlyos orrdugulás és -vérzés, tüdőléziók és -fibrózis, ödéma és duzzanat, tüdőrák | Nincsenek tanulmányok |
Gasztrointesztinális | Hányás, hasmenés, albuminuria | Nincsenek tanulmányok | Nincsenek tanulmányok |
Máj | Expozíciós dózisnál nem tapasztalható hatás | Zsírmáj, fokális nekrózis | Nincsenek tanulmányok |
Bőr | Nem állnak rendelkezésre expozíciós értékelési adatok | Duzzadt vakuolizált hámsejtek, a szőrtüszők és a faggyúmirigyek károsodása | Nincsenek tanulmányok |
A beágyazott DU-fragmenseket körülvevő szövetek | Emelkedett uránvizelet-koncentráció | Emelkedett uránvizelet-koncentráció, zavarok a biokémiai és neuropszichológiai vizsgálatokban | Nincsenek tanulmányok |
Immunrendszer | Krónikus fáradtság, kiütések, fül- és szemfertőzések, haj- és fogyás, köhögés. Inkább a kombinált vegyi expozíciónak köszönhető, mint önmagában a DU-nak | Nincsenek tanulmányok | Nincsenek tanulmányok |
Szemek | Nincsenek tanulmányok | Kötőhártya-gyulladás, irritációs gyulladás, ödéma, kötőhártya-tasakok fekélyesedése | Nincsenek tanulmányok |
Vér | Nincsenek tanulmányok | A vörösvértestek számának és a hemoglobin koncentrációjának csökkenése | Nincsenek tanulmányok |
Szív- és érrendszeri | Az urán lenyeléséből származó szívizomgyulladás, amely hat hónappal a lenyelés után ért véget | Nincsenek hatások | Nincsenek tanulmányok |
Lásd még
- K-65 maradékok
- Az országok listája urántermelés szerint
- Az országok listája uránkészletek szerint
- Az uránprojektek listája
- A nukleáris katasztrófák és radioaktív események listája
- Nukleáris és sugárzási balesetek és események
- Atomenergia mérnöki
- Nukleáris üzemanyag-ciklus
- Atommag fizika
- Tórium üzemanyagciklus
- Világ urán tárgyalás
Megjegyzések
Hivatkozások
- Emsley, John (2001). "Urán" . A természet építőkövei: Útmutató az A-tól Z-ig az elemekhez . Oxford : Oxford University Press . 476–482 . _ ISBN 978-0-19-850340-8.
- Seaborg, Glenn T. (1968). "Uránium". A Kémiai Elemek Enciklopédia . Skokie, Illinois : Reinhold Book Corporation. 773–786. LCCN 68029938 .
Külső linkek
- US EPA: Sugárzási információ az uránra vonatkozóan
- – Mi az az urán? a Nukleáris Világszövetségtől
- Nukleáris üzemanyagra vonatkozó adatok és elemzések az Egyesült Államok Energiainformációs Hivatalától
- Az urán jelenlegi piaci ára
- Világ urán lelőhely térképek
- Annotált bibliográfia az uránról az Alsos Digital Library-ból
- NLM Hazardous Substances Databank – urán, radioaktív
- CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards
- Uránbányászat a namíbiai Langer Heinrich bányában
- World Nuclear News
- ATSDR Esettanulmányok a Környezetgyógyászatban: Urántoxicitás Az Egyesült Államok Egészségügyi és Humánszolgáltatási Minisztériuma
- Urán a videók periódusos rendszerében (University of Nottingham)