Уран, элемент с порядковым номером 92, самый тяжелый из встречающихся в природе. Использовался он еще в начале нашей эры, осколки керамики с желтой глазурью (содержащие более 1% оксида урана) находились среди развалин Помпеи и Геркуланума.

Уран был открыт в 1789 году в урановой смолке немецким химиком Мартоном Генрихом Клапротом, назвавшего его в честь планеты уран, открытой в 1781. Впервые получил металлический уран французский химик Юджин Пелиго в 1841, восстановив безводный тетрахлорид урана калием. В 1896 году Антуан-Анри Беккерель открывает явление радиоактивности урана случайным засвечиванием фотопластинок ионизирующим излучением от оказавшегося поблизости кусочка соли урана.

Физические и химические свойства

Уран очень тяжелый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667.7 °C), бета (четырехугольная, стабильна от 667.7 до 774.8 °C), гамма (с объемно центрированной кубической структурой, существующей от 774.8 °C до точки плавления), в которых уран наиболее податлив и удобен для обработки. Альфа-фаза - очень примечательный тип призматической структуры, состоящей из волнистых слоев атомов в чрезвычайно асимметричной призматической решетке. Такая анизотропная структура затрудняет сплав урана с другими металлами. Только молибден и ниобий могут создавать с ураном твердофазные сплавы. Правда, металлический уран может вступать во взаимодействие со многими сплавами, образуя интерметаллические соеденинения.

Основные физические свойства урана:
температура плавления 1132.2 °C (+/- 0.8);
температура кипения 3818 °C;
плотность 18.95 (в альфа-фазе);
удельная теплоемкость 6.65 кал/моль/°C (25 C);
прочность на разрыв 450 МПа.

Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150-175 °C, образуя U 3 O 8 . При 1000 °C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой. Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя четырехвалентные соли, зато не взаимодействует с щелочами. Уран вытесняет водород из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.
Уран имеет четыре степени окисления - III-VI. Шестивалентные соединения включают в себя триокись уранила UO 3 и уранилхлорид урана UO 2 Cl 2 . Тетрахлорид урана UCl 4 и диоксид урана UO 2 - примеры четырехвалентного урана. Вещества, содержащие четырехвалентный уран обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные при длительном пребывании на воздухе. Ураниловые соли, такие как уранилхлорид распадаются в присутствии яркого света или органики.

Уран стабильных изотопов не имеет, но известно 33 его радиоактивных изотопа. Природный уран состоит из трёх радиоактивных изотопов: 238 U (99,2739%, T=4.47⋅10 9 лет, α-излучатель, родоначальник радиоактивного ряда (4n+2)), 235 U (0.7205%, T=7,04⋅10 9 лет, родоначальник радиоактивного ряда (4n+3)) и 234 U (0.0056%, T=2.48⋅10 5 лет, α-излучатель). Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда 238 U. Атомная масса природного урана 238,0289+0,0001.

Радиоактивность природного урана обусловлена в основном изотопами 238 U и 234 U, в равновесии их удельные активности равны. Удельная радиоактивность природного урана 0.67 микрокюри/г, разделяется практически пополам между 234 U и 238 U; 235 U вносит малый вклад (удельная активность изотопа 235 U в природном уране в 21 раз меньше активности 238 U). Природный уран достаточно радиоактивен для засвечивания фотопластинки за время около часа. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 233 U 4,6·10 -27 м2, 235 U 9,8 10 -27 м2, 238 U 2,7 10 -28 м2; сечение деления 233 U 5,27·10 -26 м2, 235 U 5,84·10 -26 м2, природной смеси изотопов 4,2·10 -28 м2.

Изотопы урана, как правило, α-излучатели. Средняя энергия α-излучения 230 U, 231 U, 232 U, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U равна соответственно 5,97; 3,05⋅10 -4 ; 5,414; 4,909; 4,859; 4,679; 4,572; 4,270 МэВ. В тоже время такие изотопы, как 233 U, 238 U и 239 U помимо альфа- испытывают и другой тип распада – спонтанное деление, хотя вероятность деления намного меньше вероятности α-распада.

С точки зрения практических приложений важно, что природные изотопы 233 U и 235 U делятся под действием как тепловых, так и быстрых нейтронов ( 235 U способен к спонтанному делению), а ядра 238 U способны к делению только при захвате нейтронов с энергией более 1 МэВ. При захвате нейтронов с меньшей энергией ядра 238 U превращаются сначала в ядра 239 U, которые далее испытывают β-распад и переходят сначала в 239 Np, а затем - в 239 Pu, ядерные свойства которого близки к 235 U. Эффективные сечения захвата тепловых нейтронов ядер 234 U, 235 U и 238 U равны 98⋅10 -28 , 683⋅10 -28 и 2,7⋅10 -28 м2 соответственно. Полное деление 235 U приводит к выделению «теплового энергетического эквивалента» 2⋅10 7 кВт.ч/кг.

Техногенные изотопы урана

В современных атомных реакторах нарабатываются 11 искусственных радиоактивных изотопов с массовыми числами от 227 до 240, из которых самый долгоживущий – 233 U (T = 1,62·10 5 лет); он получается при нейтронном облучении тория. Изотопы урана с массовым числом больше 240 в реакторах не успевают образоваться. Слишком мало времени жизни урана-240, и он распадается, не успев захватить нейтрон. Однако, в сверхмощных нейтронных потоках термоядерного взрыва ядро урана за миллионную долю секунды успевает захватить до 19 нейтронов. При этом рождаются изотопы урана с массовыми числами от 239 до 257. Об их существовании узнали по появлению в продуктах термоядерного взрыва далеких трансурановых элементов – потомков тяжёлых изотопов урана. Сами «основатели рода» слишком неустойчивы к β-распаду и переходят в высшие элементы задолго до извлечения продуктов ядерных реакций из перемешанной взрывом породы.

В энергетических реакторах на тепловых нейтронах качестве ядерного топлива используют изотопы 235 U и 233 U, а в реакторах на быстрых нейтронах 238 U, т.е. изотопы, способные поддерживать цепную реакцию деления.

U-232

232 U – техногенный нуклид, в природе не встречается, α-излучатель, Т=68,9 лет, материнские изотопы 236 Pu(α), 232 Np(β+) и 232 Pa(β-), дочерний нуклид 228 Тh. Способен к спонтанному делению. 232 U имеет интенсивность спонтанного деления 0.47 делений/с⋅кг. В ядерной индустрии 232 U нарабатывается как побочный продукт при синтезе делящегося (оружейного) нуклида 233U в ториевом топливном цикле. При облучении 232 Th происходит основная реакция:

232 Th + n → 233 Th → (22.2 мин, β--распад) → 233 Pa → (27.0 дней, β--распад) → 233 U

и побочная двухстадийная реакция:

232 Th + n → 231 Th + 2n, 231 Th → (25.5 ч, β) → 231 Pa + n → 232 Pa → (1.31 дней, β) → 232 U.

Наработка 232 U в ходе двухстадийной реакции зависит от присутствия быстрых нейтронов (нужны нейтроны с энергией не менее 6 МэВ), ибо сечение первой реакции мало для тепловых скоростей. Энергиями более 6 МэВ обладает небольшое число нейтронов деления и если зона воспроизводства тория находится в такой части реактора, где она облучается умеренно быстрыми нейтронами (~ 500 кэВ) то эта реакция может быть практически исключена. Если в исходном веществе находится 230 Th, то образование 232 U дополняется реакцией: 230 Th + n → 231 Th и далее как указано выше. Эта реакция превосходно идет и с тепловыми нейтронами. Поэтому подавление образования 232 U (а это нужно по указанным ниже причинам) требует загрузки тория с минимальной концентрацией 230 Th.

Образующийся в энергетическом реакторе изотоп 232 U представляет проблему для охраны труда, поскольку он распадается на 212 Bi и 208 Te, которые излучают γ-кванты высоких энергий. Поэтому препараты, содержащие большое количество этого изотопа следует перерабатывать в горячей камере. Наличие 232 U в облучённом уране опасно и с точки зрения обращения с атомным оружием.

Накопление 232 U неизбежно при производстве 233 U в ториевом энергетическом цикле, что сдерживает внедрение его в энергетику. Необычным является то, что чётный изотоп 232 U имеет высокое сечение деления под действием нейтронов (для тепловых нейтронов 75 барн, резонансный интеграл 380), а также высокое сечение захвата нейтронов – 73 барна (резонансный интеграл 280).

Есть и польза от 232 U: он часто применяется в методе радиоактивных индикаторов в химических и физических исследованиях.

U-233

233 U открыт Сиборгом, Гофманом и Стоутоном. Уран-233 - α-излучатель, Т=1,585⋅105 лет, материнские нуклиды 237 Pu(α) 233 Np(β+) 233 Pa(β-), дочерний нуклид 229 Th. Уран-233 получается в атомных реакторах из тория: 232Th захватывает нейтрон и превращается в 233 Th, который распадается на 233 Ра, а затем в 233 U. Ядра 233 U (нечётный изотоп) способны как к спонтанному делению, так и к делению под действием нейтронов любых энергий, что делает его пригодным к производству как атомного оружия, так и реакторного топлива (возможно расширенное воспроизводство ядерного горючего). Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей. Эффективное сечение деления быстрыми нейтронами 533 барн, период полураспада 1585000 лет, в природе не встречается. Критическая масса 233 U в три раза меньше критической массы 235 U (около 16 кг). 233 U имеет интенсивность спонтанного деления равную 720 делений/с⋅кг. 235U можно получить из 232Th, облучением нейтронами:

232 Th + n → 233 Th → (22.2 мин, β--распад) → 233 Pa → (27.0 дней, β--распад) → 233U

При поглощении нейтрона, ядро 233 U обычно делится, но изредка захватывает нейтрон, переходя в 234 U, хотя доля процессов неделения меньше, чем в других делящихся топлив ( 235 U, 239 Pu, 241 Pu) она остаётся малой при всех энергиях нейтронов. Отметим, что существует проект реактора на основе расплава солей, в котором протактиний физически изолируют, прежде чем он успеет поглотить нейтрон. Хотя 233 U, поглотив нейтрон, обычно делится, всё же он иногда сохраняет нейтрон, переходя в 234 U (этот процесс существенно менее вероятен, чем деление).

Наработка 233 U из сырья для ториевой промышленности - долгосрочная стратегия развития ядерной индустрии Индии, имеющей существенные запасы тория. Бридинг можно осуществить или в быстрых или в тепловых реакторах. Вне Индии, интерес к топливному циклу на основе тория не слишком велик, хотя мировые запасы тория в три раза превосходят запасы урана.Помимо топлива в атомных реакторах, можно использовать 233 U в оружейном заряде. Хотя сейчас это делают редко. В 1955 США проверили оружейные качества 233 U, взорвав бомбу на его основе в операции Teapot (заварной чайник). С оружейной точки зрения 233 U, сравним с 239 Pu: его радиоактивность – 1/7 (Т=159200 лет против 24100 лет у плутония), его критическая масса на 60% выше (16 кг против 10 кг), а скорость спонтанного деления выше в 20 раз (6⋅10 -9 против 3⋅10 -10 ). Однако, но так как его удельная радиоактивность ниже, то нейтронная плотность 233 U в три раза выше, чем у 239 Pu. Создание ядерного заряда на основе 233 U требует больших усилий, чем на плутонии, но технологические усилия примерно те же.

Основное различие – наличие в 233 U примеси 232 U, которая затрудняет работы с 233 U и позволяет легко обнаружить готовое оружие.

Содержание 232 U в оружейном 233 U не должно превышать 5 частей на миллион (0.0005%). В коммерческом ядерном топливном цикле наличие 232 U не представляет собой большого недостатка, даже желательно, поскольку это снижает возможность распространения урана для оружейных целей. Для экономии топлива, после его переработки и повторного использования уровень 232 U достигает 0.1-0.2%. В специально спроектированных системах этот изотоп накапливается в концентрациях 0.5-1%.

В течение первых двух лет после производства 233 U, содержащего 232 U, 228 Th сохраняется на постоянном уровне, находясь в равновесии с собственным распадом. В этом периоде фоновое значение γ-излучения устанавливается и стабилизируется. Поэтому первые несколько лет произведенная масса 233 U испускает значительное γ-излучение. Десятикилограммовая сфера 233 U оружейной чистоты (5 миллионных долей 232U) создает фон 11 миллибэр/час на расстоянии 1 м спустя 1 месяц после производства, 110

миллибэр/ч через год, 200 миллибэр/ч через 2 года. Ежегодная предельная доза в 5 бэр превышается уже через 25 часов работы с таким материалом. Даже свежий 233 U (1 месяц со дня изготовления) ограничивает время сборки десятью часами в неделю. В полностью собранном оружии уровень радиации снижают поглощением корпусом заряда. В современных облегченных устройствах снижение не превышает 10 раз, создавая проблемы с безопасностью. В более тяжеловесных зарядах поглощение более сильное - в 100 - 1000 раз. Рефлектор из бериллия увеличивает уровень нейтронного фона: 9Be + γ-квант → 8Be + n. γ-лучи 232 U образуют характерную сигнатуру, их можно обнаружить и отследить передвижения и наличие атомного заряда. Нарабатываемый по ториевому циклу специально денатурированный 233 U (0.5 - 1.0% 232 U), создает ещё большую опасность. 10-килограмовая сфера, изготовленная из такого материала, на расстоянии 1 м через 1 месяц создает фон 11 бэр/час, 110 бэр/ч через год и 200 бэр/ч через 2 года. Контакт с такой атомной бомбой, даже при сокращении излучения в 1000 раз, ограничивается 25 часами в год. Наличие заметной доли 232 U в делящемся веществе делает его крайне неудобным для военного применения.

Природные изотопы урана

U-234

Уран-234 (уран II) входит в состав природного урана (0,0055%), Т=2,445⋅10 5 лет, α-излучатель, материнские радионуклиды: 238 Pu(α), 234 Pa(β-), 234 Np(β+), дочерний изотоп в 230 Th. Содержание 234 U в руде очень незначительно из-за его сравнительно короткого периода полураспада. 234 U образуется по реакциям:

238 U → (4.51 миллиарда лет, альфа-распад) → 234 Th

234 Th → (24.1 дней, бета-распад) → 234 Pa

234 Pa → (6.75 часов, бета-распад) → 234 U

Обычно 234 U находится в равновесии с 238 U, распадаясь и образуясь с одинаковой скоростью. Однако распадающиеся атомы 238 U существуют некоторое время в виде тория и протактиния, поэтому могут химически или физически отделиться от руды (выщелачиваться подземными водами). Поскольку 234 U обладает относительно коротким временем полураспада, весь этот изотоп, находящийся в руде, образовался в последние несколько миллионов лет. Примерно половину радиоактивности природного урана составляет вклад 234 U.

Концентрация 234 U в высокообогащённом уране довольно высока из-за предпочтительного обогащения легкими изотопами. Поскольку 234 U является сильным γ-излучателем, имеются ограничения на его концентрацию в уране, предназначенном для переработки в топливо. В принципе, повышенный уровень 234 U приемлем для современных реакторов, но подвергнутое переработке отработанное топливо содержит уже неприемлемые уровни этого изотопа.

Сечение поглощения 234 U тепловых нейтронов 100 барн, а для резонансного интеграла, усреднённого по различным промежуточным нейтронам 700 барн. Поэтому в реакторах на

тепловых нейтронах он конвертируется в делящийся 235 U с большей скоростью, чем намного большее количество 238 U (с поперечным сечением 2,7 барн) конвертируется в 239 Pu. В результате, отработанное ядерное топливо содержит меньше 234 U, чем свежее.

U-235

Уран-235 (актиноуран) – изотоп, способный давать быстроразвивающуюся цепную реакцию деления. Открыт Демпстером (Arthur Jeffrey Dempster) в 1935.

Это – первый изотоп, на котором была открыта реакция вынужденного деления ядер под действием нейтронов. Поглощая нейтрон, 235 U переходит в 236 U, который делится на две части, выделяя энергию и испуская несколько нейтронов. Делящийся нейтронами любых энергий, способный к самопроизвольному делению, изотоп 235 U входит в состав природного урана (0,72%), α-излучатель (энергия 4.679 МэВ), Т=7,038⋅10 8 лет, материнские нуклиды 235 Pa, 235 Np и 239 Pu, дочерний - 231 Th. Интенсивность спонтанного деления 235 U 0.16 делений/с⋅кг. При делении одного ядра 235 U выделяется 200 МэВ энергии=3,2⋅10 -11 Дж, т.е. 18 ТДж/моль=77 ТДж/кг. Однако 5% этой энергии уносится виртуально недектируемыми нейтронами. Ядерное сечение тепловыми нейтронами составляет примерно 1000 барн, а быстрыми нейтронами – около 1 барна.

Чистая 60-килограмовая масса 235 U производит всего 9.6 делений/с, делая достаточно простой для изготовления атомной бомбы по пушечной схеме. 238 U создает в 35 раз больше нейтронов на килограмм, так что даже маленький процент этого изотопа поднимает этот показатель в несколько раз. 234 U создает в 22 раза больше нейтронов и имеет похожее с 238 U нежелательное действие. Удельная активность 235 U всего 2.1 микрокюри/г; загрязнение его 0.8% 234 U поднимают ее до 51 микрокюри/г. Критическая масса оружейного урана. (93,5% 235 U) в водных растворах составляет менее 1 кг, для открытого шара – около 50 кг, для шара с отражателем – 15 – 23 кг.

В природном уране только один, относительно редкий, изотоп подходит для изготовления ядра атомной бомбы или поддержания реакции в энергетическом реакторе. Степень обогащения по 235 U в ядерном топливе для АЭС колеблется в пределах 2-4.5%, для оружейного использования - минимум 80%, а более предпочтительно 90%. В США 235 U оружейного качества обогащен до 93.5% (промышленность способна выдать 97.65%). Такой уран используется в реакторах для военно-морского флота.

Замечание . Уран с содержанием 235 U более 85% называется оружейным ураном, с содержанием более 20% и менее 85% - ураном, годным к оружейному применению, поскольку из него можно приготовить «плохую» (неэффективную бомбу). Но из него можно изготовить и «хорошую» бомбу, если применить имплозию, нейтронные отражатели и некоторые дополненные ухищрения. К счастью, реализовать такие ухищрения на практике пока могут только 2-3 страны в мире. Сейчас, бомбы из урана, по-видимому, нигде не производятся (плутоний вытеснил уран из ядерного оружия), но перспективы урана-235 сохраняются благодаря простоте пушечной схемы урановой бомбы и возможности расширенного производства таких бомб при неожиданно возникшей необходимости.

Будучи более легким, 234 U пропорционально обогащается даже ещё в большей степени, чем 235 U во всех процессах разделения природных изотопов урана, основанных на разнице в массах, что представляет определённую проблему при производстве зарядов атомных бомб. Высокообогащенный 235 U обычно содержит 1.5-2.0% 234 U.

Деление 235 U используется в атомном оружии, для производства энергии и для синтеза важных актинидов. Уран природного состава используется в ядерных реакторах для производства нейтронов. Цепная реакция поддерживается благодаря избытку нейтронов, образующихся при делении 235 U, в то же время избыточные нейтроны, невостребованные цепной реакцией, захватываются другим природным изотопом, 238 U, что приводит к получению плутония, также способного делиться под действием нейтронов.

U-236

Встречается в природе в примесных количествах, α-излучатель, Т=2,3415⋅10 7 лет, распадается на 232 Th. Образуется при бомбардировке нейтронами 235 U, затем делится на изотоп бария и изотоп криптона с выделением двух нейтронов, гамма-лучей и высвобождением энергии.

В незначительных количествах входит в состав свежего топлива; накапливается при облучении урана нейтронами в реакторе, и потому используется как «сигнализатор» отработанного уранового ядерного топлива. 236 U образуется как побочный продукт при сепарации изотопов методом газовой диффузии в случае регенерации использованного ядерного горючего. Этот изотоп имеет определённое значение как материал для мишени в ядерных реакторах. При использовании рециклированного (переработанного) урана в атомном реакторе возникает важное отличие по сравнению с использованием природного урана. Выделенный из ОЯТ уран содержит изотоп 236 U (0,5%), который при его использовании в свежем топливе стимулирует наработку изотопа 238 Pu. Это приводит к ухудшению качества энергетического плутония, но может быть положительным фактором в контексте проблемы ядерного нераспространения.

Образующийся в энергетическом реакторе 236 U - нейтронный яд, его присутствие в ядерном топливе приходится компенсировать более высоким уровнем обогащения 235 U.

U-238

Уран-238 (уран I) - делящийся нейтронами высоких энергий (более 1 МэВ), способный к самопроизвольному делению, составляет основу природного урана (99,27%), α-излучатель, Т=4,468⋅10 9 лет, непосредственно распадается на 234 Th, образует ряд генетически связных радионуклидов, и через 18 продуктов превращается в 206 Pb. Постоянная скорость распада ряда даёт возможность использования отношения концентраций материнского нуклида к дочернему в радиометрическом датировании. Период полураспада урана-238 по спонтанному делению точно не установлен, но он очень большой – порядка 10 16 лет, так что вероятность деления по отношению к основному процессу - испусканию альфа-частицы - составляет всего 10 -7 . Один килограмм урана дает всего 10 спонтанных делений в секунду, а за это же время α-частицы излучают 20 миллионов ядер. Материнские нуклиды: 242 Pu(α), 238 Pa(β-) 234 Th, дочерний - 234 Th.

Хотя уран-238 не может быть использован как первичный делящийся материал, из-за высокой энергии нейтронов, необходимых для его деления, он занимает важное место в ядерной отрасли. Имея высокую плотность и атомный вес, 238 U пригоден для изготовления из него оболочек заряда/рефлектора в атомной и водородной бомбах. Тот факт, что он делится быстрыми нейтронами, увеличивает энерговыход заряда: косвенно, размножением отраженных нейтронов или непосредственно при делении ядер оболочки заряда быстрыми нейтронами (при синтезе). Примерно 40% нейтронов, образованных при делении и все нейтроны синтеза обладают достаточными для деления 238 U энергиями. 238 U имеет интенсивность спонтанного деления в 35 раз более высокую, чем 235 U, 5.51 делений/с⋅кг. Это делает невозможным применение его в качестве оболочки заряда/рефлектора в бомбах пушечной схемы, ибо подходящая его масса (200-300 кг) создаст слишком высокий нейтронный фон. Чистый 238 U имеет удельную радиоактивность 0.333 микрокюри/г. Важная область применения этого изотопа урана - производство 239 Pu. Плутоний образуется в ходе нескольких реакций, начинающихся после захвата атомом 238 U нейтрона. Любое реакторное топливо, содержащее природный или частично обогащенный по 235-му изотопу уран, после окончания топливного цикла содержит в себе определенную долю плутония.

Обедненный уран

После извлечения 235 U из природного урана, оставшийся материал носит название «обедненный уран», т.к. он обеднен изотопам 235 U и 234 U. Уменьшенное содержание 234 U (порядка 0,001%) снижает радиоактивность почти вдвое по сравнению с природным ураном, при этом уменьшение содержания 235 U практически не сказывается на радиоактивности обеднённого урана.

В мире практически весь обеднённый уран хранится в виде гексафторида. США располагают 560000 тонн обедненного гексафторида урана (UF6) на трех газодиффузионных обогатительных производствах, в России – сотни тысяч тонн. Обедненный уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счет удаления из него 234 U. Из-за того, что основное использование урана - производство энергии, на атомных реакторах тепловыми нейтронами, обедненный уран бесполезный продукт с низкой экономическое ценностью.

С точки зрения безопасности, общепринято переводить газообразный гексафторид обеднённого урана в оксид урана, который является твердым веществом. Оксид урана либо подлежит захоронению, как вид радиоактивных отходов, либо может быть использован в реакторах на быстрых нейтронах для наработки плутония.

Решение о способе утилизации оксида урана зависит от того, как та или иная страна рассматривает обедненный уран: как радиоактивные отходы, подлежащие захоронению, или как материал, пригодный для дальнейшего использования. Например, в США обедненный уран до недавнего времени рассматривался как сырье для дальнейшего использования. Но с 2005 года такая точка зрения начала меняться и сейчас в США возможно захоронение обедненного оксида урана. Во Франции обедненный уран не рассматривается как радиоактивные отходы, но предполагается к хранению в форме оксида урана. В России руководство Федерального агентства по атомной энергии считает отвальный гексафторид урана ценным материалом, не подлежащим захоронению. Начаты работы по созданию промышленной установки по переводу отвального гексафторида урана в оксид урана. Получаемые оксиды урана предполагается хранить длительное время для дальнейшего их использования в реакторах на быстрых нейтронах или дообогащение его 235 U с последующим сжиганием в тепловых реакторах.

Нахождение путей использования обедненного урана представляет собой большую проблему для обогатительных предприятий. В основном его использование связано с большой плотностью урана и относительно низкой его стоимостью. Две важнейшие сферы использования обедненного урана: в качестве радиационной защиты и как балластной массы в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В каждом самолете Боинг-747 содержится 1500 кг обедненного урана для этих целей. Обедненный уран в значительной степени применяется при бурении нефтяных скважин в виде ударных штанг (при канатном бурении), его вес погружает инструмент в скважины, наполненные буровым раствором. Этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах.

Но самое известное применение урана - в качестве сердечников для бронебойных снарядов. При определенном сплаве с другими металлами и термической обработке (сплавление с 2% Mo или 0.75% Ti, быстрая закалка разогретого до 850° металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450° 5 часов) металлический уран становиться тверже и прочнее стали (прочность на разрыв > 1600 МПа). В сочетании с большой плотностью, это делает закаленный уран чрезвычайно эффективным для пробивания брони, аналогичным по эффективности существенно более дорогому монокристаллическому вольфраму. Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль основной части урана, проникновением пыли внутрь защищенного объекта и воспламенением его там. 300 тонн обедненного урана остались на поле боя во время Бури в Пустыне (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолетов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава). Обедненный уран используется в танковой броне, например, танка M-1 "Абрамс" (США). -4 % по массе (2-4 ppm в зависимости от региона), в кислых изверженных породах 3,5·10 -4 %, в глинах и сланцах 3,2·10 -4 %, в основных породах 5·10 -5 %, в ультраосновных породах мантии 3·10 -7 %. Количество урана в слое литосферы толщиной 20 км оценивают в 1.3⋅10 14 т. Он входит в состав всех пород, слагающих земную кору, а также присутствует в природных водах и живых организмах. Мощных месторождений не образует. Основная масса урана содержится в кислых, с высоким содержанием кремния, породах. Наименьшая концентрация урана имеет место в ультраосновных породах, максимальная – в осадочных породах (фосфоритах и углистых сланцах). В океанах содержится 10 10 т урана. Концентрация урана в почвах варьируется в интервале 0,7 – 11 ppm (15 ppm в сельскохозяйственных почвах, удобряемыми фосфорными удобрениями), в морской воде 0,003 ррm.

В свободном виде уран в земле не встречается. Известно 100 минералов урана с содержанием U более 1%. Примерно в одной трети этих минералов уран четырёхвалентен, в остальных – шестивалентен. 15 из этих урановых минералов являются простыми оксидами или гидроксилами, 20 – комплексными титанатами и ниобатами, 14 – силикатами, 17 – фосфатами, 10 – карбонатами, 6 – сульфатами, 8 – ванадатами, 8 – арсенатами. Неопределённые формы урановых соединений встречаются в некоторых углистых сланцах морского происхождения, лигните и угле, а также в межзёрновых плёнках в изверженных породах. Промышленное значение имеют 15 минералов урана.

Главные урановые минералы в крупных рудных месторождениях представлены оксидами (урановая смолка, уранинит, коффинит), ванадатами (карнотит и тюямунит) и комплексными титанатами (браннерит и давидит). Промышленное значение имеют также титанаты, например, браннерит UTi 2 O 6 , силикаты - коффинит U 1-x (OH) 4x , танталониобаты и гидритированные фосфаты и арсенаты уранила - урановые слюдки. Уран не встречается в природе как самородный элемент. Вследствие того, что уран может находиться в нескольких стадиях окисления, он встречается в весьма разнообразной геологической обстановке.

Применение урана

В развитых странах производство урана в основном направлено на генерацию делящихся нуклидов ( 235 U и 233 U, 239 Pu) - топлива промышленных реакторов, предназначенных для наработки как оружейных нуклидов, так и компонентов ядерного оружия (атомные бомбы и снаряды стратегического и тактического назначения, нейтронные бомбы, триггеры водородных бомб и т.д.). В атомной бомбе концентрация 235 U превышает 75%. В остальных странах мира металлический уран или его соединения используются в качестве ядерного горючего в энергетических и исследовательских ядерных реакторах. Природная или малообогащённая смесь изотопов урана применяется в стационарных реакторах атомных электростанций, продукт высокой степени обогащения – в ядерных силовых установках (источниках тепловой, электрической и механической энергии, излучения или света) или в реакторах, работающих на быстрых нейтронах. В реакторах часто используют металлический уран, легированный и нелегированный. Однако в некоторых типах реакторов применяют горючее в форме твердых соединений (например, UO 2 ), а также водных соединений урана или жидкого сплава урана с другим металлом.

Основное применение урана – производство ядерного топлива для АЭС. Для ядерного реактора с водой под давлением установленной мощностью 1400 МВт требуется в год 225 тонн природного урана для изготовления 50 новых топливных элементов, которые обмениваются на соответствующее число использованных ТВЭЛов. Для загрузки данного реактора необходимо около 130 тонн ЕРР (единица работы разделения) и уровень затрат в 40 млн долл. в год. Концентрация урана-235 в топливе для атомного реактора 2–5%.

По-прежнему определённый интерес урановые руды представляют с точки зрения извлечения из них радия (содержание которого примерно 1 г в 3 т руды) и некоторых других природных радионуклидов. Урановые соединения применяются в стекольной промышленности, для окраски стёкол в красный или зелёный цвет, или придания им красивого зеленовато-жёлтого оттенка. Используют их и в производстве флуоресцентных стёкол: небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу.

До 1980-ых, естественный уран широко применяли дантисты, включая его в состав керамики, что позволяло добиться естественного цвета и вызвать оригинальную флуоресценцию зубных протезов и коронок. (Урановая челюсть делает вашу улыбку ярче!) Оригинальный патент от 1942 рекомендует содержание урана 0.1%. Впоследствии естественный уран заменили обеднённым. Это дало два преимущества – дешевле и менее радиоактивно. Уран также использовался в нитях ламп, и в кожевенной и деревообрабатывающей промышленности в составе красителей. Соли урана применяют в растворах протравы и морения шерсти и кожи. Уранилацетат и уранилформиат используются как поглощающие электроны декорирующие вещества в просвечивающей электронной микроскопии, для увеличения контраста тонких срезов биологических объектов, а также для окрашивания вирусов, клеток и макромолекул.

Уранаты типа Na 2 U 2 O 7 («желтый уранил») нашли применение в качестве пигментов для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета жёлтый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления). Na 2 U 2 O 7 используется также как жёлтая краска в живописи. Некоторые соединения урана светочувствительны. В начале ХХ века уранилнитрат широко применялся в качестве вирирующего агента для усиления негативов и получения тонированных фотографических отпечатков (окрашивание позитивов в коричневый или бурый цвет). Уранилацетат UO 2 (H 3 COOH) 2 используется в аналитической химии – он образует нерастворимую соль с натрием. Фосфорные удобрения содержат довольно большие количества урана. Металлический уран используется в качестве мишени в рентгеновской трубке, предназначенной для генерации высокоэнергетичного рентгеновского излучения.

Некоторые соли урана используются в качестве катализаторов при химических реакциях, таких, как окисление ароматических углеводородов, обезвоживание растительных масел, и др. Карбид 235 U в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело - водород + гексан). Сплавы железа и обедненного урана ( 238 U) применяются как мощные магнитострикционные материалы.

В народном хозяйстве обедненный уран используется при изготовлении самолетных противовесов и противорадиационных экранов медицинской радиотерапевтической аппаратуры. Из обедненного урана изготавливают транспортные контейнеры для перевозки радиоактивных грузов и ядерных отходов, а также изделия надежной биологической защиты (например, защитные экраны). С точки зрения поглощения γ-излучения, уран в пять раз эффективнее свинца, что позволяет существенно снизить толщину защитных экранов и уменьшить объём контейнеров, предназначенных для транспортировки радионуклидов. Бетон на основе оксида обеднённого урана используют вместо гравия для создания сухих хранилищ радиоактивных отходов.

Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него 234 U. Его используют для легирования броневой стали, в частности, для улучшения бронебойных характеристик снарядов. При сплавлении с 2% Mo или 0,75% Ti и термической обработке (быстрая закалка разогретого до 850°C металла в воде или масле, дальнейшее выдерживание при 450° 5 часов) металлический уран становится твёрже и прочнее стали (прочность на разрыв больше 1600 МПа, при том, что у чистого урана она равна 450 МПа). В сочетании с большой плотностью, это делает закалённую урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому вольфраму. Тяжёлый урановый наконечник также изменяет распределение масс в снаряде, улучшая его аэродинамическую устойчивость. При попадании в броню такой снаряд (например, сплав урана с титаном) не ломается, а как бы самозатачивается, чем и достигается большая пробиваемость. Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль урановой болванки и воспламенением её на воздухе внутри танка. Обеднённый уран используется в современной танковой броне.

Добавление небольших количеств урана к стали увеличивает её твёрдость, не сообщая ей хрупкости и повышая её кислотоустойчивость. Особенно кислотоустойчивым, даже по отношению к царской водке, является сплав урана с никелем (66% урана и 33% никеля) с точкой плавления 1200 о . Обеднённый уран используется и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. Этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.

Как уже упоминалось, в наше время урановые атомные бомбы не изготавливаются. Однако в современных плутониевых бомбах 238 U (в том числе – обеднённый уран) всё же применяется. Он составляет оболочку заряда, отражая нейтроны и добавляя инерцию в сжатие плутониевого заряда в имплозивной схеме подрыва. Это существенно повышает эффективность оружия и уменьшает критическую массу (т.е. уменьшает количество плутония, необходимого для создания цепной реакции деления). Применяют обеднённый уран и в водородных бомбах, запаковывая им термоядерный заряд, направляя сильнейший поток сверхбыстрых нейтронов на деление ядер и увеличивая тем самым энергетический выход оружия. Такая бомба называется оружием деление-синтез-деление в честь трёх стадий взрыва. Большая часть энергетического выхода при взрыве подобного оружия приходится как раз на деление 238 U, производящее значительное количество радиоактивных продуктов. Например, 77% энергии при взрыве водородной бомбы в испытании Ivy Mike (1952) мощностью 10,4 мегатонн пришлось именно на процессы деления в урановой оболочке. Поскольку обеднённый уран не имеет критической массы, его можно добавлять в бомбу в неограниченных количествах. В советской водородной бомбе (Царь Бомба – Кузькина мать), взорванной на Новой Земле в 1961 мощностью «только» 50 мегатонн 90% выхода пришлось на реакцию термоядерного синтеза, поскольку оболочку из 238 U на конечной стадии взрыва заменили на свинец. Если бы оболочку изготовили (как и собирались в начале) из 238 U, то мощность взрыва превыcила 100 мегатонн и выпадения радиоактивных осадков составило 1/3 от суммы всех мировых испытаний ядерного оружия.

Природные изотопы урана нашли применение в геохронологии для измерения абсолютного возраста горных пород и минералов. Еще в 1904 Эрнест Резерфорд обратил внимание на то, что возраст Земли и древнейших минералов – величина того же порядка, что и период полураспада урана. Тогда же он предложил по количеству гелия и урана, содержащихся в плотной породе, определять её возраст. Но вскоре выяснились недостаток метода: крайне подвижные атомы гелия легко диффундируют даже в плотных породах. Они проникают в окружающие минералы, а вблизи материнских урановых ядер остается значительно меньше гелия, чем следует по законам радиоактивного распада. Поэтому возраст пород вычисляют по соотношению урана и радиогенного свинца – конечного продукта распада урановых ядер. Возраст некоторых объектов, например, слюд, определить ещё проще: возраст материала пропорционален числу распавшихся в нём атомов урана, которое определяется числом следов – треков, оставляемых осколками в веществе. По отношению концентрации урана к концентрации треков можно вычислить возраст любого древнего сокровища (вазы, украшения и т.п.). В геологии даже изобрели специальный термин «урановые часы». Урановые часы – весьма универсальный инструмент. Изотопы урана содержатся во многих породах. Концентрация урана в земной коре в среднем равна трем частям на миллион. Этого достаточно, чтобы измерить соотношение урана и свинца, а затем по формулам радиоактивного распада рассчитать время, прошедшее с момента кристаллизации минерала. Урано-свинцовым способом удалось измерить возраст древнейших минералов, а по возрасту метеоритов определили дату рождения планеты Земля. Известен и возраст лунного грунта. Самые молодые куски лунного грунта старее древнейших земных минералов.

УРАН (названием в честь открытой незадолго до него планеты Уран; лат. uranium * а. uranium; н. Uran; ф. uranium; и. uranio), U, — радиоактивный химический элемент III группы периодической системы Менделеева , атомный номер 92, атомная масса 238,0289, относится к актиноидам. Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238 U (99,282%, Т 1/2 4,468.10 9 лет), 235 U (0,712%, Т 1/2 0,704.10 9 лет), 234 U (0,006%, Т 1/2 0,244.10 6 лет). Известно также 11 искусственного радиоактивных изотопов урана с массовыми числами от 227 до 240. 238 U и 235 U — родоначальники двух естественные рядов распада, в результате которого они превращаются в стабильные изотопы 206 Pb и 207 Pb соответственно.

Уран открыт в 1789 в виде UO 2 немецким химиком М. Г. Клапротом. Металлический уран получен в 1841 французским химиком Э. Пелиго. Длительное время уран имел очень ограниченное применение, и только с открытием в 1896 радиоактивности началось его изучение и использование.

Свойства урана

В свободном состоянии уран представляет собой металл светло-серого цвета; ниже 667,7°С для него характерна ромбическая (а=0,28538 нм, b=0,58662 нм, с=0,49557 нм) кристаллическая решётка (а-модификация), в интервале температур 667,7-774°С — тетрагональная (а=1,0759 нм, с=0,5656 нм; Я-модификация), при более высокой температуре — объёмноцентрированная кубическая решётка (а=0,3538 нм, g-модификация). Плотность 18700 кг/м 3 , t плавления 1135°С, t кипения около 3818°С, молярная теплоёмкость 27,66 Дж/(моль.К), удельное электрическое сопротивление 29,0.10 -4 (Ом.м), теплопроводность 22,5 Вт/(м.К), температурный коэффициент линейного расширения 10,7.10 -6 К -1 . Температура перехода урана в сверхпроводящее состояние 0,68 К; слабый парамагнетик, удельная магнитная восприимчивость 1,72.10 -6 . Ядра 235 U и 233 U делятся спонтанно, а также при захвате медленных и быстрых нейтронов, 238 U делится только при захвате быстрых (более 1 МэВ) нейтронов. При захвате медленных нейтронов 238 U превращается в 239 Pu. Критическая масса урана (93,5% 235U) в водных растворах менее 1 кг, для открытого шара около 50 кг; для 233 U критического Масса составляет примерно 1/3 от критической массы 235 U.

Образование и содержание в природе

Основной потребитель урана — ядерная энергетика (ядерные реакторы, ядерные силовые установки). Кроме того, уран применяется для производства ядерного оружия. Все остальные области использования урана имеют резко подчинённое значение.

Ядерные технологии в значительной степени основаны на использовании методов радиохимии, которые в свою очередь базируются на ядерно-физических, физических, химических и токсических свойствах ра- диоактиных элементов.

В данной главе мы ограничимся кратким описанием свойств основных делящихся изотопов - урана и плутония.

Уран

Уран (uranium ) U - элемент группы актинидов, 7-0Й период периодической системы, Z=92, атомная масса 238,029; самый тяжёлый из встречающихся в природе.

Известно 25 изотопов урана, все они радиоактивны. Самый лёгкий 217U (Tj/ 2 =26 мс), самый тяжелый 2 4 2 U (7 T J / 2 =i6,8 мин). Имеется 6 ядерных изомеров. В природном уране три радиоактивных изотопа: 2 з 8 и (99, 2 739%, Ti/ 2 =4,47109 л), 2 35U (0.7205%, Г,/2=7,04-109 лет) и 2 34U (0.0056%, Ti/ 2=2,48-юз л). Удельная радиоактивность природного урана 2,48104 Бк, разделяется практически пополам между 2 34U и 288 U; 2 35U вносит малый вклад (удельная активность изотопа 2 ззи в природном уране в 21 раз меньше активности 2 3 8 U). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 46, 98 и 2,7 барн для 2 ззи, 2 35U и 2 3 8 U, соответственно; сечение деления 527 и 584 барн для 2 ззи и 2 з 8 и, соответственно; природной смеси изотопов (0,7% 235U) 4,2 барн.

Табл. 1. Ядерно-физические свойства 2 з9Ри и 2 35Ц.

Табл. 2. Захват нейтронов 2 35Ц и 2 з 8 Ц.

Шесть изотопов урана способны к спонтанному делению: 282 U, 2 ззи, 234U, 235U, 2 з 6 и и 2 з 8 и. Природные изотопы 2 ззи и 2 35U делятся под действием как тепловых, так и быстрых нейтронов, а ядра 2 з 8 и способны к делению только при захвате нейтронов с энергией более 1,1 МэВ. При захвате нейтронов с меньшей энергией ядра 288 U превращаются сначала в ядра 2 -i9U, которые далее испытывают p-распад и переходят сначала в 2 -"*9Np, а затем - в 2 39Pu. Эффективные сечения захвата тепловых нейтронов ядер 2 34U, 2 35U и 2 з 8 и равны 98, 683 и 2,7-барн соответственно. Полное деление 2 35U приводит к «тепловому энергетическому эквиваленту» 2-107 кВтч/кг. В качестве ядерного топлива используют изотопы 2 35U и 2 ззи, способные поддерживать цепную реакцию деления.

В атомных реакторах нарабатываются п искусственных изотопов урана с массовыми числами 227-^240, из которых самый долгоживущий - 233U (7V 2 =i,62*io 5 лет); он получается при нейтронном облучении тория. В сверхмощных нейтронных потоках термоядерного взрыва рождаются изотопы урана с массовыми числами 239^257.

Уран-232 - техногенный нуклид, а-излучатель, Т х / 2=68,9 лет, материнские изотопы 2 з 6 Ри(а), 23 2 Np(p*) и 23 2 Ра(р), дочерний нуклид 228 Th. Интенсивность спонтанного деления 0,47 дел./с кг.

Уран-232 образуется в результате следующих распадов:

Р + -распад нуклида *3 a Np (Ti/ 2 =14,7 мин):

В ядерной промышленности 2 3 2 U нарабатывается как побочный продукт при синтезе делящегося (оружейного) нуклида 2 ззи в ториевом топливном цикле. При облучении 2 3 2 Th нейтронами происходит основная реакция:

и побочная двухстадийная реакция:

Наработка 232 U из тория идёт только на быстрых нейтронах (Е „>6 МэВ). Если в исходном веществе находится 2 з°ТЬ, то образование 2 3 2 U дополняется реакцией: 2 з°ТЬ+и-> 2 3‘ТЬ. Эта реакция идёт на тепловых нейтронах. Генерация 2 3 2 U по ряду причин нежелательна. Её подавляют путём использования тория с минимальной концентрацией 2 з°ТЬ.

Распад 2 з 2 и происходит по следующим направлениям:

А-распад в 228 Th (вероятность юо%, энергия распада 5,414 МэВ):

энергия испускаемых а-частиц 5,263 МэВ (в 31,6% случаев) и 5,320 МэВ (в 68,2% случаев).

• - спонтанное деление (вероятность менее мо~ 12 %);
• - кластерный распад с образованием нуклида 28 Mg (вероятность распада менее 5*10" 12 %):

Кластерный распад с образованием нуклида 2

Уран-232 является родоначальником длинной цепочки распада, в которую входят нуклиды - излучатели жёстких у-квантов:

^U-(3,64 дн, a,y)-> 220 Rn-> (55,6 с, а)-> 21б Ро->(0,155 с, а)-> 212 РЬ->(10,64 ч, р, y)-> 212 Bi ->(60,6 м, р, у)-> 212 Ро а, у)->208x1, 212 Ро->(3"Ю‘ 7 с, а)-> 2о8 РЬ (стаб), 2о8 Т1->(3,06 м, р, у-> 2о8 РЬ.

Накопление 2 3 2 U неизбежно при производстве 2 ззи в ториевом энергетическом цикле. Интенсивное у-излучение, возникающее при распаде 2 3 2 U сдерживает развитие ториевой энергетики. Необычным является то, что чётный изотоп 2 з 2 11 имеет высокое сечение деления под действием нейтронов (для тепловых нейтронов 75 барн), а также высокое сечение захвата нейтронов - 73 барна. 2 3 2 U применяется в методе радиоактивных индикаторов в химических исследованиях.

2 з 2 и является родоначальником длинной цепочки распада (по схеме 2 з 2 ТЬ), в которую входят нуклиды-излучатели жёстких у-квантов. Накопление 2 3 2 U неизбежно при производстве 2 ззи в ториевом энергетическом цикле. Интенсивное у-излучение, возникающее при распаде 232 U сдерживает развитие ториевой энергетики. Необычным является то, что чётный изотоп 2 3 2 U имеет высокое сечение деления под действием нейтронов (для тепловых нейтронов 75 барн), а также высокое сечение захвата нейтронов - 73 барна. 2 3 2 U часто применяется в методе радиоактивных индикаторов в химических и физических исследованиях.

Уран-233 - техногенный радионуклид, а-излучатель (энергии 4,824 (82,7%) и 4,783 МэВ (14,9%),), Tvi= 1,585105 лет, материнские нуклиды 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +)-> 2 ззРа(р), дочерний нуклид 22 9Th. 2 ззи получается в атомных реакторах из тория: 2 з 2 ТЬ захватывает нейтрон и превращается в 2 ззТЬ, который распадается на 2 ззРа, а затем в 2 ззи. Ядра 2 ззи (нечётный изотоп) способны как к спонтанному делению, так и к делению под действием нейтронов любых энергий, что делает его пригодным к производству как атомного оружия, так и реакторного топлива. Эффективное сечение деления 533 барн, сечение захвата - 52 барн, выход нейтронов: на один акт деления - 2,54, на один поглощенный нейтрон - 2,31. Критическая масса 2 ззи в три раза меньше критической массы 2 35U (-16 кг). Интенсивность спонтанного деления 720 дел./с кг.

Уран-233 образуется в результате следующих распадов:

- (3 + -распад нуклида 2 33Np (7^=36,2 мин):

В промышленных масштабах 2 ззи получают из 2 32Th, облучением нейтронами:

При поглощении нейтрона, ядро 2 ззи обычно делится, но изредка захватывает нейтрон, переходя в 2 34U. Хотя 2 ззи, поглотив нейтрон, обычно делится, всё же он иногда сохраняет нейтрон, переходя в 2 34U. Наработку 2 ззи проводят как в быстрых, так и в тепловых реакторах.

С оружейной точки зрения 2 ззи, сравним с 2 39Ри: его радиоактивность - 1/7 от активности 2 39Pu (Ti/ 2 =159200 л против 24100 л у Ри), критическая масса 2 ззи на 6о% выше, чем у ^Ри (16 кг против ю кг), а скорость спонтанного деления выше в 20 раз (б-ю - ’ против 310 10). Нейтронный поток от 2 ззи в з раза выше, чем у 2 39Ри. Создание ядериого заряда на основе 2 ззи требует больших усилий, чем на ^Ри. Основное препятствие - наличие в 2ззи примеси 232 U, у-излучение проектов распада которого затрудняет работы с 2 ззи и позволяет легко обнаружить готовое оружие. К тому же, короткий период полураспада у 2 3 2 U делает его активным источником а- частиц. 2 ззи с 1% 232 и имеет в з раза более сильную a-активность, чем оружейный плутоний и, соответственно, большую радиотоксичность. Эта а- активность вызывает рождение нейтронов в лёгких элементах оружейного заряда. Для минимизации этой проблемы присутствие таких элементов как Be, В, F, Li должно быть минимальным. Наличие нейтронного фона не влияет на работу" имплозионные системы, но для пушечных схемы требуется высокий уровень чистоты по лёгким элементам. Содержание 23 2 U в оружейном 2 ззи не должно превышать 5 частей на миллион (0.0005%). В топливе энергетических тепловых реакторов наличие 2 зги не вредно, а даже желательно, т.к. снижает возможность применения урана для оружейных целей. После переработки ОЯТ и повторного использования топлива содержание 232U достигает о, 1+0,2%.

Распад 2 ззи происходит по следующим направлениям:

А-распад в 22 9Th (вероятность юо%, энергия распада 4,909 МэВ):

энергия испускаемых яг-частиц 4,729 МэВ (в 1,61% случаев), 4,784 МэВ (в 13,2% случаев) и 4,824 МэВ (в 84,4% случаев).

• - спонтанное деление (вероятность
• - кластерный распад с образованием нуклида 28 Mg (вероятность распада менее 1,з*10 _1 з%):

Кластерный распад с образованием нуклида 24 Ne (вероятность распада 7,3-10-“%):

Цепочка распада 2 ззи относится к нептуниевому ряду.

Удельная радиоактивность 2 ззи 3,57-ю 8 Бк/г, что соответствует a-активности (и радиотоксичиости) -15% от плутония. Всего 1% 2 3 2 U увеличивает радиоактивность до 212 мКи/г.

Уран-234 (уран II, UII) входит в состав природного урана (0,0055%), 2,445105 лет, а-излучатель (энергия а-частиц 4,777 (72%) и

4,723 (28 %) МэВ), материнские радионуклиды: 2 з 8 Ри(а), 234 Pa(P), 234 Np(p +),

дочерний изотоп в 2 з»ть.

Обычно 234 U находится в равновесии с 2 з 8 и, распадаясь и образуясь с одинаковой скоростью. Примерно половину радиоактивности природного урана составляет вклад 234U. Обычно 234U получают ионно-обменной хроматографией старых препаратов чистого 2 з 8 Ри. При а-распаде *звРи поддается 2 34U, поэтому старые препараты 2 з 8 Ри представляют собой хорошие источники 2 34U. юо г 2з8Ри содержат через год 776 мг 2 34U, через 3 года

2,2 г 2 34U. Концентрация 2 34U в высокообогащённом уране довольно высока из-за предпочтительного обогащения лёгкими изотопами. Поскольку 2 34и - сильный у-излучатель, имеются ограничения на его концентрацию в уране, предназначенном для переработки в топливо. Повышенный уровень 234и приемлем для реакторов, но переработанное ОЯТ содержит уже неприемлемые уровни этого изотопа.

Распад 234и происходит по следующим направлениям:

А-распад в 2 з°ТЬ (вероятность 100%, энергия распада 4,857 МэВ):

энергия испускаемых а-частиц 4,722 МэВ (в 28,4% случаев) и 4,775 МэВ (в 71,4% случаев).

• - спонтанное деление (вероятность 1,73-10-9%).
• - кластерный распад с образованием нуклида 28 Mg (вероятность распада 1,4-10" п %, по другим данным 3,9-10-“%):

• - кластерный распад с образованием нуклидов 2 4Ne и 26 Ne (вероятность распада 9-10" ,2 %, по другим данным 2,з-10 _11 %):

Известен единственный изомер 2 34ти (Тх/ 2 = 33,5 мкс).

Сечение поглощения 2 34U тепловых нейтронов юо барн, а для резонансного интеграла, усреднённого по различным промежуточным нейтронам 700 барн. Поэтому в реакторах на тепловых нейтронах он конвертируется в делящийся 235U с большей скоростью, чем намного большее количество 238U (с поперечным сечением 2,7 барн) конвертируется в 2 з9Ри. В результате, ОЯТ содержит меньше 2 34U, чем свежее топливо.

Уран-235 относится к семейству 4П+3, способен давать цепную реакцию деления. Это - первый изотоп, на котором была открыта реакция вынужденного деления ядер под действием нейтронов. Поглощая нейтрон, 235U переходит в 2 зби, который делится на две части, выделяя энергию и испуская несколько нейтронов. Делящийся нейтронами любых энергий, способный к самопроизвольному делению, изотоп 2 35U входит в состав природного уфана (0,72%), а-излучатель (энергии 4,397 (57%) и 4,367 (18%) МэВ), Ti/j=7,038-ю 8 лет, материнские нуклиды 2 35Ра, 2 35Np и 2 39Ри, дочерний - 23«Th. Интенсивность спонтанного деления 2 3su 0,16 делений/с кг. При делении одного ядра 2 35U выделяется 200 МэВ энергии=з,2Ю п Дж, т.е. 18 ТДж/моль=77 ТДж/кг. Поперечное сечение деления тепловыми нейтронами составляет 545 барн, а быстрыми нейтронами - 1,22 барна, выход нейтронов: на один акт деления - 2,5, на один поглощенный нейтрон - 2,08.

Замечание. Поперечное сечение захвата медленных нейтронов с образованием изотопа 2 зи (юо барн), так что общее поперечное сечение поглощения медленных нейтронов составляет 645 барн.

• - спонтанное деление (вероятность 7*10~9%);
• - кластерный распад с образованием нуклидов 2 °Ne, 2 5Ne и 28 Mg (вероятности соответственно составляют 8-io _10 %, 8-кг 10 %, 8*Ю" ,0 %):

Рис. 1.

Известен единственный изомер 2 35n»u (7/ 2 =2б мин).

Удельная активность 2 35Ц 7,77-ю 4 Бк/г. Критическая масса оружейного урана (93,5% 2 35U) для шара с отражателем - 15-7-23 кг.

Деление 2 »5U используется в атомном оружии, для производства энергии и для синтеза важных актинидов. Цепная реакция поддерживается благодаря избытку нейтронов, образующихся при делении 2 35Ц.

Уран-236 встречается на Земле природе в следовых количествах (на Луне его больше), а-излучатель (?

Рис. 2. Радиоактивное семейство 4/7+2 (включая -з 8 и).

В атомном реакторе 2 ззи поглощает тепловой нейтрон, после чего он с вероятностью 82% делится, а с вероятностью 18% испускает у-квант и превращается в 2 з б и (на юо разделившихся ядер 2 35U приходится 22 образовавшихся ядер 2 3 6 U). В незначительных количествах входит в состав свежего топлива; накапливается при облучении урана нейтронами в реакторе, и потому используется как «сигнализатор» ОЯТ. 2 з б и образуется как побочный продукт при сепарации изотопов методом газовой диффузии при регенерации использованного ядерного горючего. Образующийся в энергетическом реакторе 236 U - нейтронный яд, его присутствие в ядерном топливе компенсируют высоким уровнем обогащения 2 35U.

2 з б и используется как трассер смешения океанических вод.

Уран-237, Т&= 6,75 дн, бета- и гамма-излучатель, может быть получен по ядерным реакциям:

Детектрирование 287 и проводят по линиям с Еу= о,об МэВ (36%), 0,114 МэВ (0,06%), 0,165 МэВ (2,0%), 0,208 МэВ (23%)

237U применяется в методе радиоактивных индикаторов в химических исследованиях. Измерение концентрации (2 4°Am) в осадках, выпадающих после испытания атомного оружия, даёт ценную информацию о типе заряда и использованной аппаратуре.

Уран-238 - относится к семейству 4П+2, делится нейтронами высоких энергий (более 1,1 МэВ), способен к самопроизвольному делению, составляет основу природного урана (99,27%), а-излучатель, 7’ ; /2=4>4б8-109 лет, непосредственно распадается на 2 34Th, образует ряд генетически связанных радионуклидов, и через 18 продуктов превращается в 20б РЬ. Чистый 2 3 8 U имеет удельную радиоактивность 1,22-104 Бк. Период полураспада очень большой - порядка ю 16 лет, так что вероятность деления по отношению к основному процессу - испусканию а-частицы - составляет всего Ю" 7 . Один килограмм урана даёт всего ю спонтанных делений в секунду, а за это же время а-частицы излучают 20 миллионов ядер. Материнские нуклиды: 2 4 2 Ри(а), *з8ра(р-) 234Th, дочерний T,/ 2 = 2 :i 4 Th.

Уран-238 образуется в результате следующих распадов:

2 (V0 4) 2 ] 8Н 2 0. Из вторичных минералов распространён гидратированный уранилфосфат кальция Ca(U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0. Часто урану в минералах сопутствуют другие полезные элементы - титан, тантал, редкие земли. Поэтому естественно стремление к комплексной переработке ураисодержащих руд.

Основные физические свойства урана: атомная масса 238,0289 а.е.м. (г/моль); радиус атома 138 пм (1 пм=ю 12 м); энергия ионизации (первый электрон 7,11 эВ; электронная конфигурация -5f36d‘7s 2 ; степени окисления 6, 5, 4, 3; Г П л=113 2 , 2 °; Т т ,1=3818°; плотность 19,05; удельная теплоёмкость 0,115 ДжДКмоль); прочность на разрыв 450 МПа, Теплота плавления 12,6 кДж/моль, теплота испарения 417 кДж/моль, удельная теплоёмкость 0,115 Дж/(моль-К); молярный объём 12,5 смз/моль; характеристическая температура Дебая © Д =200К, температура перехода в сверхпроводящее состояние о,68К.

Уран - тяжёлый, серебристо-белый глянцевитый металл. Он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами, в порошкообразном состоянии пирофорен. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (ромбическая, a-U, параметры решётки 0=285, Ь= 587, с=49б пм, стабильна до 667,7°), бета (тетрагональная, p-U, стабильна от 667,7 до 774,8°), гамма (с кубической объёмно центрированной решёткой, y-U, существующей от 774,8° до точки плавления, frm=ii34 0), в которых уран наиболее податлив и удобен для обработки.

При комнатной температуре устойчива ромбическая a-фаза, призматическая структура состоит из волнистых атомных слоёв, параллельных плоскости abc, в чрезвычайно асимметричной призматической решётке. В пределах слоёв, атомы тесно связаны, в то время как прочность связей между атомами смежных слоёв намного слабее (рис. 4). Такая анизотропная структура затрудняет сплавление урана с другими металлами. Только молибден и ниобий создают с ураном твёрдофазные сплавы. Всё же металлический уран может вступать во взаимодействие со многими сплавами, образуя интерметаллические соединения.

В интервале 668^775° существует (3-уран. Тетрагонального типа решётка имеет слоистую структуру со слоями, параллельными плоскости ab в позициях 1/4С, 1/2с и 3/4С элементарной ячейки. При температуре выше 775° образуется у-уран с объёмноцентрированной кубической решёткой. Добавление молибдена позволяет иметь у-фазу при комнатной температуре. Молибден образует обширный ряд твёрдых растворов с у-ураном и стабилизирует у-фазу при комнатной температуре. у-Уран намного мягче и более ковкий, чем хрупкие а- и (3-фазы.

Существенное влияние на физико-механические свойства урана оказывает облучение нейтронами, вызывающее увеличение размеров образца, изменение формы, а также резкое ухудшение механических свойств (ползучесть, охрупчивание) урановых блоков в процессе работы ядерного реактора. Увеличение объёма обусловлено накоплением в уране при делении примесей элементов с меньшей плотностью (перевод 1% урана в осколочные элементы увеличивает объём на 3,4%).

Рис. 4. Некоторые кристаллические структуры урана: а - а-уран, б - р-уран.

Наиболее распространенными методами получения урана в металлическом состоянии является восстановление их фторидов щёлочными или щелочноземельными металлами или электролиз расплавов их солей. Уран может быть получен также металлотермическим восстановлением из карбидов вольфрамом или танталом.

Способность легко отдавать электроны определяет восстановительные свойства урана и его большую химическую активность. Уран может взаимодействовать почти со всеми элементами, кроме благородных газов, приобретая при этом степени окисления +2, +3, +4, +5, +6. В растворе основная валентность 6+.

Быстро окисляясь на воздухе, металлический уран покрывается радужной плёнкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе (при температурах 1504-175°), образуя и;} Ов. При 1000° уран соединяется с азотом, образуя жёлтый нитрид урана. Вода способна реагировать с металлом, медленно при низкой температуре и быстро при высокой. Уран бурно реагирует с кипящей водой и водяным паром с выделением водорода, который с ураном образует гидрид

Эта реакция проходит более энергично, чем горение урана в кислороде. Такая химическая активность урана заставляет защищать уран в ядерных реакторах от контакта с водой.

Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя соли U(IV), зато не взаимодействует со щелочами. Уран вытесняет водород из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.

Особенности структуры электронных оболочек атома урана (наличие ^/-электронов) и некоторые его физико-химические свойства служат основанием для отнесения урана к ряду актинидов. Однако есть химическая аналогия урана с Сг, Мо и W. Уран отличается высокой химической активностью и реагирует со всеми элементами за исключением благородных газов. В твёрдой фазе примерами U(VI) являются триоксид уранила U0 3 и уранилхлорид U0 2 C1 2 . Тетрахлорид урана UC1 4 и диоксид урана U0 2

Примеры U(IV). Вещества, содержащие U(IV) обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные при длительном пребывании на воздухе.

В системе уран-кислород установлены шесть оксидов: UO, U0 2 , U 4 0 9 , и 3 Ов, U0 3 . Для них характерна широкая область гомогенности. U0 2 - основной оксид, тогда как U0 3 - амфотерна. U0 3 - взаимодействует с водой с образованием ряда гидратов, из них важнейшие - диурановая кислота H 2 U 2 0 7 и урановая кислота Н 2 1Ю 4 . Со щелочами U0 3 образует соли этих кислот - уранаты. При растворении U0 3 в кислотах образуются соли двухзарядного катиона уранила U0 2 a+ .

Диоксид урана, U0 2 , стехиометрического состава имеет коричневый цвет. При увеличении содержания кислорода в оксиде цвет изменяется от темнокоричневого до чёрного. Кристаллическая структура типа CaF 2 , а = 0,547 нм; плотность 10,96 г/см"* (самая большая плотность среди оксидов урана). Т , пл =2875 0 , Т кн „ = 3450°, Д#°298 =-1084,5 кДж/моль. Диоксид урана является полупроводником с дырочной проводимостью, сильный парамагнетик. ПДК = о,015мг/мз. Не растворим в воде. При температуре -200° присоединяет кислород, достигая состава U0 2>25 .

Оксид урана (IV) можно полущить по реакциям:

Диоксид урана проявляет только основные свойства, ему соответствует основной гидроксид U(OH) 4 , который далее превращается в гидратированный гидроксид U0 2 Н 2 0. Диоксид урана медленно растворяется в сильных кислотах-неокислителях в отсутствие кислорода воздуха с образованием ионов Ш + :

U0 2 + 2H 2 S0 4 ->U(S0 4) 2 + 2Н 2 0. (38)

Он растворим в концентрированных кислотах, причём скорость растворения можно значительно увеличить добавлением фтор-иона.

При растворении в азотной кислоте происходит образование ура- нил-иона 1Ю 2 2+ :

Триурана октаоксид U 3 0s (закись-окись урана) - порошок, окраска которого меняется от чёрной до темно-зелёной; при сильном измельчении - оливково-зелёного цвета. Крупные кристаллы чёрного цвета, оставляют на фарфоре зеленые штрихи. Известны три кристаллические модификации U 3 0h: a-U 3 C>8 - кристаллическая структура ромбическая (пр. гр. С222; 0=0,671 нм; 6=1,197 нм; с=о,8з нм; d =0,839 нм); p-U 3 0e - кристаллическая структура ромбическая (пространственная группа Стст; 0=0,705 нм; 6=1,172 нм; 0=0,829 нм. Начало разложения юоо° (переходит в 1Ю 2), ПДК= 0,075 мг/мз.

U 3 C>8 можно получить по реакции:

Прокаливанием U0 2 , U0 2 (N0 3) 2 , U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 или (NH 4) 2 U 2 0 7 при 750 0 на воздухе или в атмосфере кислорода (р=150+750 мм рт. ст.) полущают стехиометрически чистый U 3 08.

При прокаливании U 3 0s при Т>юоо° идёт восстановление до 1Ю 2 , однако при остывании на воздухе происходит возврат в U 3 0s. U 3 0e растворяется только в концентрированных сильных кислотах. В соляной и серной кислотах образуется смесь U(IV) и U(VI), а в азотной кислоте - нитрат ура- нила. Разбавленная серная и соляная кислоты очень слабо реагируют с U 3 Os даже при нагревании, добавка окислителей (азотной кислоты, пиролюзита) резко увеличивает скорость растворения. Концентрированная H 2 S0 4 растворяет U 3 Os с образованием U(S0 4) 2 и U0 2 S0 4 . Азотная кислота растворяет U 3 Oe с образованием уранилнитрата.

Триоксид урана, U0 3 - кристаллическое или аморфное вещество ярко жёлтого цвета. Реагирует с водой. ПДК = 0,075 мг/м 3 .

Получается при прокаливании полиуранатов аммония, пероксида урана, оксалата уранила при 300-^-500° и шестиводного уранилнитрата. При этом образуется оранжевый порошок аморфной структуры с плотностью

6,8 г/смз. Кристаллическая форма 1Ю 3 может быть получена окислением U 3 0 8 при температурах 450°ч-750° в токе кислорода. Существуют шесть кристаллических модификаций U0 3 (а, (3, у> §> ?, п)- U0 3 гигроскопичен и во влажном воздухе превращается в гидроксид уранила. Его нагрев при 520°-^6оо° даёт соединение состава 1Ю 2>9 , дальнейшее нагревание до 6оо° позволяет получить U 3 Os.

Водород, аммиак, углерод, щелочные и щёлочноземельные металлы восстанавливают U0 3 до U0 2 . При пропускании смеси газов HF и NH 3 образуется UF 4 . В высшей валентности уран проявляет амфотерные свойства. При действии кислот U0 3 или на его гидраты образуются соли уранила (U0 2 2+), окрашенные в жёлто-зелёный цвет:

Большинство солей уранила хорошо растворимы в воде.

Со щелочами при сплавлении U0 3 образует соли урановой кислоты - уранаты МДКХ,:

Со щелочными растворами триоксид урана образует соли полиура- новых кислот - полиуранаты дгМ 2 0у1Ю 3 пН^О.

Соли урановой кислоты практически нерастворимы в воде.

Кислотные свойства U(VI) выражены более слабо, чем основные.

С фтором уран реагирует при комнатной температуре. Стабильность высших галогенидов падает от фторидов к иодидам. Фториды UF 3 , U4F17, U2F9 и UF 4 нелетучи, a UFe летучь. Важнейшими из фторидов являются UF 4 и UFe.

Фтппиппиянир окгиля т»яня ппптркярт по прякттии:

Реакция в кипящем слое осуществляется по уравнению:

Возможно использование фторирующих агентов: BrF 3 , CC1 3 F (фреон-11) или CC1 2 F 2 (фреон-12):

Фторид урана(1У) UF 4 («зелёная соль») - порошок от голубоватозеленоватого до изумрудного цвета. Г 11Л =юз6°; Г к,«,.=-1730°. ДЯ° 29 8= 1856 кДж/моль. Кристаллическая структура моноклинная (пр. гп. С2/с; 0=1,273 нм; 5=1,075 нм; 0=0,843 нм; d= 6,7 нм; р=12б°20"; плотность 6,72 г/смз. UF 4 - устойчивое, неактивное, нелетучее соединение плохо растворимое в воде. Лучший растворитель для UF 4 - дымящая хлорная кислота НС10 4 . В кислотах-окислителях растворяется с образованием соли уранила; быстро растворяется в горячем растворе Al(N0 3) 3 или А1С1 3 , а также в растворе борной кислоты, подкисленной H 2 S0 4 , НС10 4 или НС1. Комплексооб- разователи, связывающие фторид-ионы, например, Fe3 + , А1з + или борная кислота, также способствуют растворению UF 4 . С фторидами других металлов образует ряд малорастворимых двойных солей (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7 и др.). Промышленное значение имеет NH 4 UF 5 .

Фторид U(IV) является промежуточным продуктом при получении

как UF6, так и металлического урана.

UF 4 можно полущить по реакциям:

или путём электролитического восстановления фторида уранила.

Гексафторид урана UFe - при комнатной температуре кристаллы цвета слоновой кости с высоким коэффициентом преломления. Плотность

5,09 г/смз, плотность жидкого UFe - 3,63 г/смз. Летучее соединение. Твоаг = 5^>5°> Гил=б4,5° (под давлением). Давление насыщенных паров достигает атмосферы при 560°. Энтальпия образования АЯ° 29 8=-211б кДж/моль. Кристаллическая структура ромбическая (пр. гр. Рпта; 0=0,999 нм; fe= 0,8962 нм; с=о,5207 нм; d 5,060 нм (25 0). ПДК - 0,015 мг/мз. Из твердого состояния UF6 может возгоняться из твёрдой фазы (сублимировать) в газ, минуя жидкую фазу при широком диапазоне давлений. Теплота сублимации при 50 0 50 кДж/мг. Молекула не имеет дипольного момента, поэтому UF6 не ассоциирует. Пары UFr, - идеальный газ.

Получается при действии фтора на U его соединения:

Помимо газофазных реакций существуют и жидкофазные реакции

получения UF6 с помощью галогенфторидов, например

Существует способ получения UF6 без использования фтора - окислением UF 4:

UFe не реагирует с сухим воздухом, кислородом, азотом и С0 2 , но при контакте с водой, даже с её следами, подвергается гидролизу:

Взаимодействует он с большинством металлов, образуя их фториды, что осложняет способы его хранения. В качестве материалов сосудов для работы с UF6 пригодны: при нагревании Ni, монель и Pt, на холоду - ещё и тефлон, абсолютно сухие кварц и стекло, медь и алюминий. При температурах 25-ьюо 0 образует комплексные соединения с фторидами щелочных металлов и серебра типа 3NaFUFr>, 3KF2UF6.

Хорошо растворяется в различных органических жидкостях, в неорганических кислотах и во всех галогеифторидах. Инертен к сухим 0 2 , N 2 , С0 2 , С1 2 , Вг 2 . Для UFr, характерны реакции восстановления с большинством чистых металлов. С углеводородами и другими органическими веществами UF6 энергично реагирует, поэтому закрытые сосуды с UFe могут взрываться. UF6 в интервале 25 -гЮО° образует комплексные соли с фторидами щелочных и других металлов. Это свойство используют в технологии для избирательного извлечения UF

Гидриды урана UH 2 и UH 3 занимают промежуточное положение между солеподобными гидридами и гидридами типа твердых растворов водорода в металле.

При взаимодействии урана с азотом образуются нитриды. В системе U-N известны четыре фазы: UN (нитрид урана), a-U 2 N 3 (сесквинитрид), р- U 2 N 3 и UN If90 . Достичь состава UN 2 (динитрид) не удаётся. Надёжными и хорошо управляемыми являются синтезы мононитрида урана UN, которые лучше осуществлять непосредственно из элементов. Нитриды урана - порошкообразные вещества, окраска которых меняется от темно-серой до серой; похожи на металл. UN обладает кубической гранецентрированной кристаллической структурой, типа NaCl (0=4,8892 А); (/=14,324, 7^=2855°, устойчив в вакууме до 1700 0 . Его получают взаимодействием U или гидрида U с N 2 или NH 3 , разложением высших нитридов U при 1300° или их восстановлением металлическим ураном. U 2 N 3 известен в двух полиморфных модификациях: кубической а и гексагональной р (0=0,3688 нм, 6=0,5839 нм), выделяет N 2 в вакууме выше 8оо°. Его получают восстановлением UN 2 водородом. Динитрид UN 2 синтезируют реакцией U с N 2 при высоком давлении N 2 . Нитриды урана легко растворимы в кислотах и в растворах щелочей, но разлаются расплавленными щелочами.

Нитрид урана получают двустадийным карботермическим восстановлением оксида урана:

Нагрев в аргоне при 7М450 0 в течение 10*20 час

Получить нитрид урана состава, близкого к динитриду, UN 2 , можно воздействием аммиаком на UF 4 при высокой температуре и давлении.

Динитрид урана при нагреве разлагается:

Нитрид урана, обогащённый по 2 35U, обладает более высокой плотностью деления, теплопроводностью и температурой плавления, чем оксиды урана - традиционное топливо современных энергетических реакторов. Он также обладает хорошей механической и стабильностью, превышающей традиционное топливо. Поэтому это соединение рассматривается как перспективная основа для ядерное горючего реакторов на быстрых нейтронах (поколение IV ядерных реакторов).

Замечание. UN весьма полезно обогатить по ‘5N, т.к. ,4 N склонен захватывать нейтроны, генерируя по реакции (п,р) радиоактивный изотоп 14 С.

Карбид урана UC 2 (?-фаза) - светло-серое с металлическим блеском кристаллическое вещество. В системе U-C (карбиды урана) существуют UC 2 (?-фаза), UC 2 (б 2 -фаза), U 2 C 3 (е-фаза), UC (б 2 -фаза) - карбиды урана. Дикарбид урана UC 2 может быть получен по реакциям:

U + 2C^UC 2 (54в)

Карбиды урана используются как топливо атомных реакторов, они перспективны как топливо для космических ракетных двигателей.

Нитрат уранила, уранил азотнокислый, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Роль металла в этой соли исполняет катион уранила 2+ . Кристаллы жёлтого цвета с зеленоватым отблеском, легко растворимые в воде. Водный раствор имеет кислую реакцию. Растворим в этаноле, ацетоне и эфире, нерастворим в бензоле, толуоле и хлороформе. При нагревании кристаллы плавятся и выделяют HN0 3 и Н 2 0. Кристаллогидрат легко выветриваются на воздухе. Характерная реакция - при действии NH 3 образуется жёлтый осадок урановокислого аммония.

Уран способен образовывать металл органические соединения. Примерами являются циклопен-тадиенильные производные состава U(C 5 H 5) 4 и их галогензамещенные и(С 5 Н 5) 3 Г или и(С 5 Н 5) 2 Г 2 .

В водных растворах уран наиболее устойчив в состоянии окисления U(VI) в виде иона уранила U0 2 2+ . В меньшей степени для него характерно состояние U(IV), но он может находиться даже в виде U(III). Состояние окисления U(V) может существовать как ион 1Ю 2 + , но это состояние редко наблюдается из-за склонности к диспропорционированию и гидролизу.

В нейтральных и кислых растворах U(VI) существует в виде U0 2 2+ - иона уранила, окрашенного в жёлтый цвет. К хорошо растворимым солям уранила относятся нитрат U0 2 (N0 3) 2 , сульфат U0 2 S0 4 , хлорид U0 2 C1 2 , фторид U0 2 F 2 , ацетат U0 2 (CH 3 C00) 2 . Эти соли выделяются из растворов в виде кристаллогидратов с различным числом молекул воды. Малорастворимыми солями уранила являются: оксалат U0 2 C 2 0 4 , фосфаты U0 2 HP0., и UO2P2O4, уранилфосфат аммония UO2NH4PO4, уранилванадат натрия NaU0 2 V0 4 , ферроцианид (U0 2) 2 . Для иона уранила характерна склонность к образованию комплексных соединений. Так известны комплексы с ионами фтора типа -, 4- ; нитратные комплексы ‘ и 2 *; сернокислые комплексы 2 " и 4-; карбонатные комплексы 4 " и 2 " и др. При действии щелочей на растворы солей уранила выделяются труднорастворимые осадки диуранатов типа Me 2 U 2 0 7 (моноуранаты Me 2 U0 4 не выделяются из растворов, они получаются сплавлением оксидов урана с щелочами). Известны полиуранаты Me 2 U n 0 3 n+i (например, Na 2 U60i 9).

U(VI) восстанавливается в кислых растворах до U(IV) железом, цинком, алюминием, гидросульфитом натрия, амальгамой натрия. Растворы окрашены в зелёный цвет. Щёлочи осаждают из них гидроокись и0 2 (0Н) 2 , плавиковая кислота - фторид UF 4 -2,5H 2 0, щавелевая кислота - оксалат U(C 2 0 4) 2 -6H 2 0. Склонность к комплексообразованию у иона U 4+ меньше, чем у ионов уранила.

Уран (IV) в растворе находится в виде ионов U 4+ , которые сильно гидролизованы и гидратированы:

В кислых растворах гидролиз подавляется.

Уран (VI) в растворе образует оксокатион уранил - U0 2 2+ Известны многочисленные уранил-соединения, примерами которых являются: U0 3 , U0 2 (C 2 H 3 0 2) 2 , U0 2 C0 3 -2(NH 4) 2 C0 3 U0 2 C0 3 , U0 2 C1 2 , U0 2 (0H) 2 , U0 2 (N0 3) 2 , UO0SO4, ZnU0 2 (CH 3 C00) 4 и др.

При гидролизе уранил-иона образуется ряд многоядерных комплексов:

При дальнейшем гидролизе возникает U 3 0s(0H) 2 и затем U 3 0 8 (0H) 4 2 -.

Для качественного обнаружения урана применяют методы химического, люминисцентного, радиометрического и спектрального анализов. Химические методы преимущественно основаны на образовании окрашенных соединений (например, красно-бурая окраска соединения с ферроцианидом, жёлтая - с перекисью водорода, голубая - реактивом арсеназо). Люминисцентный метод основан на способности многих соединений урана под действием УФ-лучей давать желтовато-зеленоватое свечение.

Количественное определение урана производится различными методами. Важнейшие из них: объёмные методы, состоящие в восстановлении U(VI) до U(IV) с последующим титрованием растворами окислителей; весовые методы - осаждение уранатов, пероксида, купферранатов U(IV), оксихинолята, оксалата и т.п. с последующей их прокалкой при юоо° и взвешиванием U 3 0s; полярографические методы в растворе нитрата позволяют определить 10*7-гЮ-9 г урана; многочисленные колориметрические методы (например, с Н 2 0 2 в щелочной среде, с реактивом арсеназо в присутствии ЭДТА, с дибензоилметаном, в виде роданидного комплекса и др.); люминесцентный метод, позволяющий определить при сплавлении с NaF до ю 11 г урана.

235U относится к группе А радиационной опасности, минимально значимая активность МЗА=3,7-Ю 4 Бк, 2 з 8 и - к группе Г, МЗА=3,7-ю 6 Бк (300 г).

Уран не очень типичный актиноид, известно пять его валентных состояний - от 2+ до 6+ . Некоторые соединения урана имеют характерную окраску. Так, растворы трехвалентного урана - красного цвета, четырехвалентного - зеленого, а шестивалентный уран - он существует в форме уранил-иона (UO 2) 2+ - окрашивает растворы в желтый цвет... Тот факт, что шестивалентный уран образует соединения со многими органическими комплексообразователями, оказался очень важным для технологии извлечения элемента № 92.

Характерно, что внешняя электронная оболочка ионов урана всегда заполнена целиком; валентные электроны находятся в предыдущем электронном слое, в подоболочке 5f. Если сравнивать уран с другими элементами, то очевидно, что больше всего на него похож плутоний. Основное различие между ними - большой ионный радиус урана. Кроме того, плутоний наиболее устойчив в четырехвалентном состоянии, а уран - в шестивалентном. Это помогает разделить их, что очень важно: ядерное горючее плутоний-239 получают исключительно из урана, балластного с точки зрения энергетики урана-238. Плутоний образуется в массе урана, и их надо разделить!

Впрочем, раньше нужно получить эту самую массу урана, пройдя длинную технологическую цепочку, начинающуюся с руды. Как правило, многокомпонентной, бедной ураном руды.

Легкий изотоп тяжелого элемента

Рассказывая о получении элемента № 92, мы умышленно опустили одну важную стадию. Как известно, не всякий уран способен поддерживать цепную ядерную реакцию. Уран-238, на долю которого в природной смеси изотопов приходится 99,28%, на это не способен. Из-за того и превращают в плутоний уран-238, а природную смесь изотопов урана стремятся либо разделить, либо обогатить изотопом уран-235, способным делиться тепловыми нейтронами.

Способов разделения урана-235 и урана-238 разработано немало. Чаще всего пользуются методом газовой диффузии. Суть его в том, что если через пористую перегородку пропускать смесь двух газов, то легкий будет проходить быстрее. Еще в 1913 г. Ф. Астон таким путем частично разделил изотопы неона .

Большинство соединений урана при нормальных условиях - твердые тела и в газообразное состояние могут быть переведены только при очень высоких температурах, когда ни о каких тонких процессах разделения изотопов не может идти и речи. Однако бесцветное соединение урана с фтором - гексафторид UF 6 возгоняется уже при 56,5°С (при атмосферном давлении). UF 6 - самое летучее соединение урана, и оно лучше всего подходит для разделения его изотопов методом газовой диффузии.

Гексафториду урана свойственна большая химическая активность. Коррозия труб, насосов, емкостей, взаимодействие со смазкой механизмов - небольшой, но внушительный перечень неприятностей, которые пришлось преодолеть создателям диффузионных заводов. Встретились трудности и посерьезнее.

Гексафторид урана, получаемый фторированием естественной смеси изотопов урана, с «диффузионной» точки зрения можно рассматривать как смесь двух газов с очень близкими молекулярными массами - 349 (235+19*6) и 352 (238+19*6). Максимальный теоретический коэффициент разделения на одной диффузионной ступени для газов, столь незначительно отличающихся по молекулярной массе, равен всего 1,0043. В реальных условиях эта величина еще меньше. Получается, что повысить концентрацию урана-235 от 0,72 до 99% можно только с помощью нескольких тысяч диффузионных ступеней. Поэтому заводы по разделению изотопов урана занимают территорию в несколько десятков гектаров. Площадь пористых перегородок в разделительных каскадах заводов - величина примерно того же порядка.

Коротко о других изотопах урана

В естественный уран, кроме урана-235 и урана-238, входит уран-234. Содержание этого редкого изотопа выражается числом с четырьмя нулями после запятой. Гораздо доступнее искусственный изотоп - уран-233. Его получают, облучая в нейтронном потоке ядерного реактора торий:

232 90 Th + 10n → 233 90 Th -β-→ 233 91 Pa -β-→ 233 92 U
По всем правилам ядерной физики уран-233, как изотоп нечетный, делится тепловыми нейтронами. И самое главное, в реакторах с ураном-233 может происходить (и происходит) расширенное воспроизводство ядерного горючего. В обычном реакторе на тепловых нейтронах! Расчеты показывают, что при выгорании в ториевом реакторе килограмма урана-233 в нем же должно накопиться 1,1 кг нового урана-233. Чудо, да и только! Сожгли килограмм горючего, а горючего-то не убавилось.

Впрочем, подобные чудеса возможны лишь с ядерным горючим.

Уран-ториевый цикл в реакторах на тепловых нейтронах - главный конкурент уран-плутониевого цикла воспроизводства ядерного горючего в реакторах на быстрых нейтронах... Собственно, только из-за этого отнесли к числу стратегических материалов элемент № 90 - торий.

Другие искусственные изотопы урана не играют заметной роли. Стоит упомянуть еще лишь об уране-239 - первом изотопе в цепи превращений уран-238 плутоний-239. Его период полураспада всего 23 минуты.

Изотопы урана с массовым числом больше 240 в современных реакторах не успевают образоваться. Слишком мало время жизни урана-240, и он распадается, не успев захватить нейтрон.

В сверхмощных нейтронных потоках термоядерного взрыва ядро урана за миллионную долю секунды успевает захватить до 19 нейтронов. При этом рождаются изотопы урана с массовыми числами от 239 до 257. Об их существовании узнали по появлению в продуктах термоядерного взрыва далеких трансурановых элементов - потомков тяжелых изотопов урана. Сами «основатели рода» слишком неустойчивы к бета-распаду и переходят в высшие элементы задолго до извлечения продуктов ядерных реакций из перемешанной взрывом породы.

В современных тепловых реакторах сгорает уран-235. В уже существующих реакторах на быстрых нейтронах освобождается энергия ядер распространенного изотопа - урана-238, и если энергия - подлинное богатство, то урановые ядра уже в недалеком будущем облагодетельствуют человечество: энергия элемента N° 92 станет основой нашего существования.

Жизненно важно сделать так, чтобы уран и его производные сгорали только в атомных реакторах мирных энергетических установок, сгорали медленно, без дыма и пламени.

ЕЩЕ ОДИН ИСТОЧНИК УРАНА. В наши дни им стала морская вода. Уже действуют опытно-промышленные установки для извлечения урана из воды специальными сорбентами: окисью титана или акриловым волокном, обработанным определенными реактивами.

КТО СКОЛЬКО. В начале 80-х годов производство урана в капиталистических странах составляло около 50 000 г в год (в пересчете на U3Os). Примерно треть этого количества давала промышленность США. На втором месте - Канада, далее ЮАР. Нигор, Габон, Намибия. Из европейских стран больше всего урана и его соединений производит Франция, однако ее доля была почти в семь раз меньше, чем США.

НЕТРАДИЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Хотя не лишено оснований утверждение о том, что в наши дни химия урана и плутония изучена лучше, чем химия таких традиционных элементов, как железо, однако и в наши дни химики получают новые урановые соединения. Так, в 1977 г. журнал «Радиохимия» т. XIX, вып. 6 сообщил о двух новых соединениях уранила. Их состав - MU02(S04)2-SH20, где М - ион двухвалентного марганца или кобальта. О том, что новые соединения - именно двойные соли, а не смесь двух похожих солей, свидетельствовали рентгенограммы.

В нормальных условиях радиоактивный элемент уран – это металл, имеющий большую атомную (молекулярную) массу – 238,02891 г/моль. По этому показателю он занимает второе место, т.к. тяжелее него только плутоний. Получение урана связано с последовательным выполнением целого ряда технологических операций:

• концентрирование породы, её дробление и осаждение тяжелых фракций в воде
• выщелачивание концентрата или кислородная продувка
• перевод урана в твёрдое состояние (оксид либо тетрафторид UF 4)
• получение уранилнитрата UO 2 (NO 3) 2 путем растворения сырья в азотной кислоте
• кристаллизация и прокаливание до получения оксида UO 3
• восстановление водородом до получения UO 2
• получение тетрафторида UF 4 путем добавления газообразного фтористого водорода
• восстановление металлического урана при помощи магния или кальция

Минералы урана

Наиболее распространенные минералы U:

• Настуран (уранинит) – самый известный оксид, который называют «тяжелой водой»
• Карнотит
• Тюямунит
• Торбернит
• Самарскит
• Браннерит
• Казолит
• Клевеит

Производство урана

По данным российской компании Росатом, входящей в число мировых лидеров глобального уранового рынка, всего на планете в 2014 году было добыто свыше 3 тысяч тонн урана. При этом, по словам представителей горнорудного дивизиона данной госкорпорации, объем российских запасов этого металла составляет 727,2 тысяч тонн (3-е место в мире), что гарантирует бесперебойную поставку необходимого сырья в течение многих десятилетий.

Основные химические свойства урана представлены в таблице:

Элемент U, подобно кюрию и плутонию, является искусственно получаемым элементом семейства актиноидов. Его химические свойства во многом схожи с характеристиками фольфрама, молибдена и хрома. Для урана характерна переменная валентность, а также склонность к образованию (UO 2)+2 – уранила, являющегося комплексным ионом.

Методы обогащение урана

Как известно, природный U содержит 3 изотопа:

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

Под обогащением урана понимается увеличение в металле доли изотопа 235U – единственного, который способен на самостоятельную цепную ядерную реакцию.

Чтобы понять, как обогащают уран, необходимо учитывать степень его обогащения:

• содержание 0,72% – может использоваться в некоторых энергетических реакторах
• 2-5% – применяется в большинстве энергетических реакторов
• до 20% (низкообогащенный) – для экспериментальных реакторов
• более 20% (высокообогащенный или оружейный) – ядерные реакторы, оружие.

Как обогащают уран? Существует множество методов обогащения урана, но наиболее применимыми являются следующие:

• электромагнитный – разгон элементарных частиц в специальном ускорителе и их закручивание в магнитном поле
• аэродинамический – продувка газообразного урана через специальные сопла
• газовое центрифугирование – находящийся в центрифуге урановый газ движется и по инерции отталкивает тяжелые молекулы к стенкам центрифуги
• газодиффузионный метод обогащения урана – «просеивание» легких изотопов урана через мелкие поры специальных мембран

Основная сфера применения урана – топливо для ядерных реакторов, реакторов атомных электростанций, ядерных силовых установок. Кроме этого, изотоп 235U используется в ядерном оружии, в то время как необогащенный металл с высокой долей 238U позволяет получать вторичное ядерное топливо – плутоний.