Уран представляет собой радиоактивный металл. В природе уран состоит из трех изотопов: уран-238, уран-235 и уран-234. Наивысший уровень стабильности фиксируется у урана-238.
| Общие сведения | |
| Название, символ | Уран-238, 238U |
| Альтернативные названия | ура́н оди́н, UI |
| Нейтронов | 146 |
| Протонов | 92 |
| Свойства нуклида | |
| Атомная масса | 238,0507882(20)[1] а. е. м. |
| Избыток массы | 47 308,9(19)[1] кэВ |
| Удельная энергия связи (на нуклон) | 7 570,120(8)[1] кэВ |
| Изотопная распространённость | 99,2745(106) %[2] |
| Период полураспада | 4,468(3)·109[2] лет |
| Продукты распада | 234Th, 238Pu |
| Родительские изотопы | 238Pa (β−) 242Pu (α) |
| Спин и чётность ядра | 0+[2] |
| Канал распада | Энергия распада |
| α-распад | 4,2697(29)[1] МэВ |
| SF | |
| ββ | 1,1442(12)[1] МэВ |
Радиоактивный распад урана
Радиоакти́вным распа́дом называют процесс внезапного изменения состава или внутреннего строения атомных ядер, которые отличаются нестабильностью. При этом испускаются элементарные частицы, гамма-кванты и/или ядерные фрагменты. Радиоактивные вещества содержат радиоактивное ядро. Получившееся вследствие радиоактивного распада дочернее ядро может тоже стать радиоактивным и спустя определенное время подвергается распаду. Этот процесс происходит до того момента, пока не образуется стабильное ядро, лишенное радиоактивности. Э. Резерфорд методом эксперимента в 1899 доказал, что урановые соли испускают три вида лучей:
Радиоактивность урана
Естественная радиоактивность – вот что отличает радиоактивный уран от прочих элементов. Атомы урана не зависимо ни от каких факторов и условий постепенно изменяются. При этом испускаются невидимые лучи. После трансформаций, которые происходят с атомами урана, получается иной радиоактивный элемент и процесс повторяется.
Он будет повторять столько раз, сколько необходимо, чтобы получился не радиоактивный элемент. К примеру, некоторые цепочки превращений насчитывают до 14 стадий. При этом промежуточным элементом является радий, а последняя стадия – образование свинца. Этот металл не является радиоактивным элементом, поэтому ряд превращений прерывается. Однако для полного превращения урана в свинец необходимо несколько миллиардов лет.
Радиоактивная руда урана часто становится причиной отравлений на предприятиях, занимающихся добычей и переработкой уранового сырья. В человеческом организме уран — общеклеточный яд. Он поражает главным образом почки, но встречаются и поражения печени и желудочно-кишечного тракта.
Уран не имеет полностью стабильных изотопов. Наибольший период жизни отмечается у урана-238. Полу распад урана-238 происходит на протяжении 4,4 млрд лет. Чуть меньше одного миллиарда лет идет полу распад урана-235 — 0,7 млрд лет. Уран-238 занимает свыше 99% всего объема природного урана.
Вследствие его колоссального периода полураспада радиоактивность этого металла не высокая, к примеру, альфа-частицы не могут проникнуть через ороговевший слой кожи человека. После ряда проведенных исследований ученые выяснили, что главным источником радиации является не сам уран, а образуемый им газ радон, а также продукты его распада, попадающие в человеческий организм во время дыхания.
Источник: mining-prom.ru
УРАН (химический элемент)
УРАН, U (uranium), металлический химический элемент семейства актиноидов, которые включают Ac, Th, Pa, U и трансурановые элементы (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Уран приобрел известность благодаря использованию его в ядерном оружии и атомной энергетике. Оксиды урана применяются также для окрашивания стекла и керамики.
Нахождение в природе.
Также по теме:
Содержание урана в земной коре составляет 0,003%, он встречается в поверхностном слое земли в виде четырех видов отложений. Во-первых, это жилы уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO2), очень богатые ураном, но редко встречающиеся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий является прямым продуктом изотопного распада урана.
Такие жилы встречаются в Заире, Канаде (Большое Медвежье озеро), Чехии и Франции. Вторым источником урана являются конгломераты ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов. Конгломераты обычно содержат достаточные для извлечения количества золота и серебра, а сопутствующими элементами становятся уран и торий.
Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и Австралии. Третьим источником урана являются осадочные породы и песчаники, богатые минералом карнотитом (уранил-ванадат калия), который содержит, кроме урана, значительное количество ванадия и других элементов. Такие руды встречаются в западных штатах США.
Железоурановые сланцы и фосфатные руды составляют четвертый источник отложений. Богатые отложения обнаружены в глинистых сланцах Швеции. Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, а фосфатные залежи в Анголе и Центральноафриканской Республике еще более богаты ураном. Большинство лигнитов и некоторые угли обычно содержат примеси урана. Богатые ураном отложения лигнитов обнаружены в Северной и Южной Дакоте (США) и битумных углях Испании и Чехии.
Открытие.
Уран был открыт в 1789 немецким химиком М.Клапротом, который присвоил имя элементу в честь открытия за 8 лет перед этим планеты Уран. (Клапрот был ведущим химиком своего времени; он открыл также другие элементы, в том числе Ce, Ti и Zr.) В действительности вещество, полученное Клапротом, было не элементным ураном, но окисленной формой его, а элементный уран был впервые получен французским химиком Э.Пелиго в 1841. С момента открытия и до 20 в. уран не имел того значения, какое он имеет сейчас, хотя многие его физические свойства, а также атомная масса и плотность были определены. В 1896 А.Беккерель установил, что соли урана обладают излучением, которое засвечивает фотопластинку в темноте. Это открытие активизировало химиков к исследованиям в области радиоактивности и в 1898 французские физики супруги П.Кюри и М.Склодовская-Кюри выделили соли радиоактивных элементов полония и радия, а Э.Резерфорд, Ф.Содди, К.Фаянс и другие ученые разработали теорию радиоактивного распада, что заложило основы современной ядерной химии и атомной энергетики.
Первые применения урана.
Также по теме:
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ
Хотя радиоактивность солей урана была известна, его руды в первой трети нынешнего столетия использовались лишь для получения сопутствующего радия, а уран считался нежелательным побочным продуктом. Его использование было сосредоточено в основном в технологии керамики и в металлургии; оксиды урана широко применяли для окраски стекла в цвета от бледножелтого до темнозеленого, что способствовало развитию недорогих стекольных производств. Сегодня изделия этих производств идентифицируют как флуоресцирующие под ультрафиолетовыми лучами. Во время Первой мировой войны и вскоре после нее уран в виде карбида применяли в производстве инструментальных сталей, аналогично Mo и W; 4–8% урана заменяли вольфрам, производство которого в то время было ограничено. Для получения инструментальных сталей в 1914–1926 ежегодно производили по нескольку тонн ферроурана, содержащего до 30% (масс.) U. Однако такое применение урана продолжалось недолго.
Современное применение урана.
Промышленность урана начала складываться в 1939, когда было осуществлено деление изотопа урана 235 U, что привело к технической реализации контролируемых цепных реакций деления урана в декабре 1942. Это было рождение эры атома, когда уран из незначительного элемента превратился в один из наиболее важных элементов в жизни общества.
Военное значение урана для производства атомной бомбы и использование в качестве топлива в ядерных реакторах вызвали спрос на уран, который возрос в астрономических размерах. Интересна хронология роста потребности в уране по истории отложений в Большом Медвежьем озере (Канада).
В 1930 в этом озере была обнаружена смоляная обманка – смесь оксидов урана, а в 1932 на этом участке была налажена технология очистки радия. Из каждой тонны руды (смоляной обманки) получали 1 г радия и около половины тонны побочного продукта – уранового концентрата. Однако радия было мало и его добыча была прекращена.
С 1940 по 1942 разработку возобновили и начали отправку урановой руды в США. В 1949 аналогичная очистка урана с некоторыми усовершенствованиями была применена для производства чистого UO2. Это производство росло, и в настоящее время оно является одним из наиболее крупных производств урана.
| СВОЙСТВА УРАНА | |
| Атомный номер | 92 |
| Атомная масса | 238,03 |
| Изотопы | |
| стабильные | нет |
| нестабильные | 226–242 |
| в т. ч. природные | 234, 235, 236 (следы), 238 |
| Температура плавления, °С | 1132 |
| Температура кипения, °С | 3818 |
| Плотность, г/см 3 | 18,7 |
| Твердость (по Моосу) | 4,0 |
| Содержание в земной коре, % (масс.) | 0,003 |
| Степени окисления | +3, +4, +5, +6 |
Свойства.
Уран – один из наиболее тяжелых элементов, встречающихся в природе. Чистый металл очень плотный, пластичный, электроположительный с малой электропроводностью и высокореакционноспособный.
Уран имеет три аллотропные модификации: a -уран (орторомбическая кристаллическая решетка), существует в интервале от комнатной температуры до 668 ° С; b -уран (сложная кристаллическая решетка тетрагонального типа), устойчивый в интервале 668–774 ° С; g -уран (объемноцентрированная кубическая кристаллическая решетка), устойчивый от 774 ° С вплоть до температуры плавления (1132 ° С). Поскольку все изотопы урана нестабильны, все его соединения проявляют радиоактивность.
Изотопы урана
238 U, 235 U, 234 U встречаются в природе в соотношении 99,3:0,7:0,0058, а 236 U – в следовых количествах. Все другие изотопы урана от 226 U до 242 U получают искусственно. Изотоп 235 U имеет особо важное значение. Под действием медленных (тепловых) нейтронов он делится с освобождением огромной энергии. Полное деление 235 U приводит к выделению «теплового энергетического эквивалента» 2 Ч 10 7 кВт Ч ч/кг.
Деление 235 U можно использовать не только для получения больших количеств энергии, но также для синтеза других важных актиноидных элементов. Уран природного изотопного состава можно использовать в ядерных реакторах для производства нейтронов, образующихся при делении 235 U, в то же время избыточные нейтроны, не востребуемые цепной реакцией, могут захватываться другим природным изотопом, что приводит к получению плутония:
При бомбардировке 238 U быстрыми нейтронами протекают следующие реакции:
Согласно этой схеме, наиболее распространенный изотоп 238 U может превращаться в плутоний-239, который, подобно 235 U, также способен делиться под действием медленных нейтронов.
В настоящее время получено большое число искусственных изотопов урана. Среди них 233 U особенно примечателен тем, что он также делится при взаимодействии с медленными нейтронами.
Некоторые другие искусственные изотопы урана часто применяются в качестве радиоактивных меток (индикаторов) в химических и физических исследованиях; это прежде всего b -излучатель 237 U и a -излучатель 232 U.
Соединения.
Уран – высокореакционноспособный металл – имеет степени окисления от +3 до +6, близок бериллию в ряду активности, взаимодействует со всеми неметаллами и образует интерметаллические соединения с Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg, Mg, Ni, Pb, Sn и Zn. Тонкораздробленный уран особенно реакционноспособен и при температурах выше 500 ° С часто вступает в реакции, характерные для гидрида урана.
Кусковой уран или стружка ярко сгорает при 700–1000 ° С, а пары урана горят уже при 150–250 ° С, с HF уран реагирует при 200–400 ° С, образуя UF4 и H2. Уран медленно растворяется в концентрированной HF или H2SO4 и 85%-ной H3PO4 даже при 90 ° С, но легко реагирует с конц. HCl и менее активно с HBr или HI.
Наиболее активно и быстро протекают реакции урана с разбавленной и концентрированной HNO3 с образованием нитрата уранила (см. ниже). В присутствии HCl уран быстро растворяется в органических кислотах, образуя органические соли U 4+ . В зависимости от степени окисления уран образует несколько типов солей (наиболее важные среди них с U 4+ , одна из них UCl4 – легко окисляемая соль зеленого цвета); соли уранила (радикала UO2 2+ ) типа UO2(NO3)2 имеют желтую окраску и флуоресцируют зеленым цветом.
Соли уранила образуются при растворении амфотерного оксида UO3 (желтая окраска) в кислой среде. В щелочной среде UO3 образует уранаты типа Na2UO4 или Na2U2O7. Последнее соединение («желтый уранил») применяют для изготовления фарфоровых глазурей и в производстве флуоресцентных стекол. См. также КЕРАМИКА ПРОМЫШЛЕННАЯ.
Галогениды урана широко изучались в 1940–1950, так как на их основе были разработаны методы разделения изотопов урана для атомной бомбы или ядерного реактора. Трифторид урана UF3 был получен восстановлением UF4 водородом, а тетрафторид урана UF4 получают разными способами по реакциям HF с оксидами типа UO3 или U3O8 или электролитическим восстановлением соединений уранила.
Гексафторид урана UF6 получают фторированием U или UF4 элементным фтором либо действием кислорода на UF4. Гексафторид образует прозрачные кристаллы с высоким коэффициентом преломления при 64 ° С (1137 мм рт. ст.); соединение летуче (в условиях нормального давления возгоняется при 56,54 ° С). Оксогалогениды урана, например, оксофториды, имеют состав UO2F2 (фторид уранила), UOF2 (оксид-дифторид урана). См. также ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ; РАДИОАКТИВНОСТЬ; УРАНИНИТ; УРАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.
Источник: www.krugosvet.ru
Уран
Уран — это радиоактивный химический элемент, который можно найти в природе. В основном он используется для производства электрической энергии. Впрочем, его также используют в медицинских целях и, к сожалению, при производстве ядерных бомб.
Этот элемент был открыт на территории Германской империи в 1789 году. Он назван в честь планеты Уран, которая была обнаружена на 8 лет раньше. Однако радиоактивность урана была открыта лишь в 1896 году.
Уран — последний элемент в таблице Менделеева. Он ещё и самый тяжёлый элемент, существующий в естественном виде на Земле. Именно при расщеплении его атома получается электричество.
Электричество, которое производится из урана, является альтернативой горючим ископаемым, таким как нефть и уголь. Сегодня 16% электричества в мире получается из урана.
Уран и производство электричества
Символ урана в периодической таблице — U. Уран состоит в основном из двух изотопов — 235U и 238U. Уран на 99,7 % состоит из изотопа 238U и только оставшиеся 0,7 % — это изотоп 235U.
Именно изотоп 235U, который составляет столь малый процент урана, позволяет получить энергию посредством расщепления ядра атома. Для производства электричества концентрация изотопа 235U должна составлять 3–4 %. Поэтому химики обогащают уран.
Обогащение урана можно провести двумя способами: с помощью ультрацентрифугирования или газовой диффузии. Оба метода разделяют изотопы и в результате концентрация 235U повышается.
Ядерная энергия считается чистой, потому что она не выделяет парниковые газы и её отходы достаточно малы. Другим преимуществом этой энергии то, что её легко транспортировать и она не требует много места для хранения.
Обогащённый уран прессуют в таблетки размером 1х1 см. Энергоотдача такой таблетки очень высока: две таблетки способны обеспечить энергией семью из 4 человек на 1 месяц.
Таким образом, уран является отличной альтернативой нефти и углю: чтобы произвести столько же электроэнергии, сколько производит 1 килограмм урана, потребуется 10 тонн нефти и 20 тонн угля. Это помимо негативных эффектов, которые последние оказывают на окружающую среду. К тому же нефть и уголь требуют много места.
Недостатки ядерной энергии
Одним из основных недостатков является риск аварий и их последствия для окружающей среды. Зоны, заражённые радиоактивностью урана, становятся непригодными для жилья.
Ядерные отходы — ещё одно негативное последствие. Остатки производства не могут быть использованы повторно и должны быть правильно утилизированы. Контакт людей с такими отходами может вызвать генетическую мутацию, болезни и даже немедленную смерть.
Нахождение и применение урана
После того, как урановую руду извлекают из земли, её измельчают, перерабатывают и делают небольшие урановые таблетки. Таблетки урана подвергаются высоким температурам, чтобы они стали более прочными.
Таблетки помещают в трубки, как правило, циркониевые. Каждая трубка вмещает до 335 таблеток. 236 трубок образуют топливную сборку или ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент), которую затем помещают в ядерный реактор.
После того как топливо закладывается в реактор, начинается процесс ядерного деления. Деление происходит в результате бомбардировки нейтронами атомного ядра урана.
Когда нейтрон сталкивается с атомом урана, последний расщепляется на два других атома. Происходит выделение большого количества энергии и других нейтронов. Они сталкиваются с атомами и порождают цепную реакцию.
Выделяемая энергия становится теплотой, которая нагревает воду в реакторе. Пар от горячей воды активирует турбины, а те, в свою очередь, запускают электрогенераторы. Такие генераторы и производят электроэнергию.
Характеристики урана
- в обычных температурных условиях и под обычным давлением имеет твёрдую форму;
- имеет серебристо-серый цвет;
- является радиоактивным. Его радиоактивность возрастает при нагревании;
- имеет высокую плотность атомов.
Ядерная (атомная) энергетика России
В России функционируют 10 атомных электростанций.
Основные залежи урана в России находятся рядом с городом Краснокаменском. Там же находятся основные горно-химическое объединения и крупнейшее уранодобывающее предприятие.
По объёму добытого урана Россия занимает 5 место. А вот по запасам урана — 3 место.
Уран в мире
Самые большие запасы урана находятся в Австралии. Затем идут Казахстан, Россия, Канада, ЮАР, Нигер и Бразилия.
Что касается производства электроэнергии с помощью атомных электростанций, то Канада, Казахстан и Австралия занимают лидирующие позиции. Эти три страны вместе производят более чем половину ядерной энергии в мире.
Смотрите таблицу с данными по производству и запасам урана каждой из перечисленных стран.
| Страна | Запасы урана (тысяч тонн / в год) | Производство обогащённого урана (тонн / в год) |
| Австралия | 1 661 | 7 743 |
| Казахстан | 629 | 7 994 |
| Россия | 487 | 3 239 |
| Канада | 468 | 10 485 |
| Нигер | 421 | 3 355 |
| Бразилия | 276 | 238 |
Уран и ядерные бомбы
Когда уран обогащён до таких показателей, ядерное деление путём нейтронной бомбардировки представляет собой серьёзный процесс. При аварии на ядерном реакторе последствия будут катастрофическими.
Бомба, сброшенная США на Хиросиму (город в Японии) в конце Второй мировой войны, называлась «Малыш» (от англ. Little boy). Она содержала 64 кг обогащённого урана. Разрушительная сила этой бомбы была равна 15 000 тоннам тротилового эквивалента.
«Малыш» произвёл тепловую волну, температура которой достигла 4000 градусов, а её скорость равнялась 440 метрам в секунду.
Взрыв стал причиной гибели 80 000 человек. Тысячи людей подверглись радиации.
Помимо того, что атомная бомба прервала жизни многих людей, последствия радиации будут испытывать на себе бессчётное количество поколений жертв бомбардировки.
Дата обновления 11/02/2021.
Источник: www.uznaychtotakoe.ru
Сколько урана на земле и каковы запасы на будущее
Элемент Уран является основным ядерным топливом и сколько урана на земле и каковы запасы люди должны знать. Элемент уран встречается в ряде различных форм или изотопов. Изотопы данного элемента имеют одинаковое число протонов в ядре, но различное число нейтронов. Двумя наиболее важными изотопами урана (U) являются U-235 и U-238.
Изотопы распадаются естественным образом, U-238 с периодом полураспада 4,51 млрд лет-через 4,51 млрд лет половина атомов распадется, испуская альфа—частицу (ядро атома гелия) в процессе, а еще через 4,51 млрд лет-половину оставшихся атомов и так далее. (Его период полураспада в 4,51 миллиарда лет близок к возрасту самой Земли и составляет около трети возраста Вселенной, что объясняет, почему некоторые из них все еще остаются. Ядерный топливный цикл для обычной ядерной энергетики начинается с добычи урана. Добыча этого ядерного топлива, как подземным, так и поверхностным способом, аналогична добыче угля.
Ресурсы урана ограничены
Хотя ядерная энергия не является ископаемым топливом на основе углерода и поэтому не производит CO2 при эксплуатации, она, как и ископаемое топливо, является невозобновляемым источником энергии. Как и ископаемое топливо, мы должны знать, каковы запасы урана и как долго они будут сохраняться при различных темпах использования. Согласно последним официальным оценкам, конвенционные ресурсы или сколько урана на Земле составляет 5,5 млн. тонн, которые могут быть добыты по ценам ≤ 130 долл. США за кг. Из этой цифры разумно гарантированные ресурсы составили 3,3 млн. тонн, а предполагаемые, но еще не обнаруженные ресурсы-2,2 млн. тонн. Кроме того, были неразведанные ресурсы оцениваются в 10,5 млн т.
Таким образом, общее количество урана на Земле 16 млн. тонн.
Реакторы обычно используют 20,7 тонн природного ядерного топлива для производства одного ТВтч электроэнергии (0,0036 Эдж). Если бы все мировое производство электроэнергии в объеме 20 202 ТВтч было произведено на атомных станциях, то доказанный извлекаемый запас урана в размере 3,3 млн т. продержался бы всего 7,9 года, а все 16 млн т.—чуть более 38 лет — срок службы типичного реактора.
При темпах производства ядерной электроэнергии 16 млн. тонн хватит почти на 300 лет.
Некоторые утверждали, что официальные оценки слишком высоки и должны быть сокращены. Тем не менее, если ядерная энергетика только сохранит свою нынешнюю долю первичной энергии, U-резервы не должны стать проблемой в ближайшее время и проблема нехватки сырья не выявится. Основная часть запасов находится в Австралии (40%), Канада (15%), Казахстан (13%), Бразилия (8%) и Южная Африка (6,5%).
Энергозатраты на добычу и измельчение этого вида топлива также растут экспоненциально по мере уменьшения сортов руды. Для концентраций ниже 0,02% утверждается, что энергетические затраты становятся настолько высокими, что выбросы CO2 от атомных электростанций, использующих эти низкосортные руды, будут превышать выбросы от установки природного газа равной мощности.
Кроме того, экологические затраты на добычу, измельчение и утилизацию огромных объемов грунта или горных пород будут значительными; переход от 0,2% руды к 0,о2% означает, что в 10 раз больше руды должно быть переработано. Чтобы проиллюстрировать, что потребуется для низкосортных руд, рассмотрим энергетические потребности для добычи существующих высокосортных руд на руднике олимпийской плотины в Южной Австралии. Ожидается, что после завершения работ на этом руднике будет добываться 730 тыс. тонн рафинированной меди и 19 тыс. тонн оксида урана в год. Для этого рудник будет потреблять почти 1,4 миллиона литров дизельного топлива и мазута в день, что примерно эквивалентно 2,7 % всего потребления австралийского дизельного топлива и почти одному % годовой электроэнергии. Общие ежегодные выбросы парниковых газов, как ожидается, составят около 4,7 млн. тонн CO2.
Нетрадиционные ресурсы урана
Нетрадиционные ресурсы урана значительно больше, чем обычные источники. Фосфатные породы содержат, по оценкам, еще 22 млн. тонн урана. Вместе со сланцами концентрация руды может составлять 0,01 %. Для очень низких концентраций, обнаруженных в фосфатной породе, представляется маловероятным, что чистая энергия будет получена в результате ее использования в существующем реакторном парке. Энергетические, экономические и экологические издержки также будут высокими, хотя некоторые издержки могут быть разделены с производством фосфатов. Требуемая программа добычи будет огромной.
Ресурсы урана в Мировом океане
Но земные ресурсы сколько урана на Земле ничтожно малы по сравнению с ресурсами Мирового океана, которые содержат приблизительно 4-5 миллиардов тонн урана, что составляет 3 грамма/литр. Для морской воды максимальная плотность энергии, которая может быть получена из растворенного U-235, является низкой, 1,8 МДж/м3 морской воды, хотя использование концентрированного рассола из опреснительных установок может снизить энергетические потребности. Просто обеспечение мирового валового производства электроэнергии повлечет за собой переработку почти 50 тыс. км3 океана каждый год, даже при условии 100% сбора. Воздействие на экосистемы океанической поверхности и затраты на отделение истощенной морской воды от необработанной—исключают добычу этого ядерного топлива в ближайшую перспективу.
Источник: beelead.com