Uran, chemisches Element: Entdeckungsgeschichte und Kernspaltungsreaktion. Uranerz: Eigenschaften, Anwendung, Bergbau

Uran ist ein radioaktives Metall. In der Natur besteht Uran aus drei Isotopen: Uran-238, Uran-235 und Uran-234. Die höchste Stabilität weist Uran-238 auf.

Radioaktiver Zerfall von Uran

Unter radioaktivem Zerfall versteht man den Prozess einer plötzlichen Veränderung der Zusammensetzung oder inneren Struktur von Atomkernen, die durch Instabilität gekennzeichnet sind. Dabei werden Elementarteilchen, Gammastrahlen und/oder Kernfragmente emittiert. Radioaktive Stoffe enthalten einen radioaktiven Kern. Auch der beim radioaktiven Zerfall entstandene Tochterkern kann radioaktiv werden und zerfällt nach einer gewissen Zeit. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis sich ein stabiler Kern ohne Radioaktivität gebildet hat. E. Rutherford bewies 1899 experimentell, dass Uransalze drei Arten von Strahlen aussenden:

• α-Strahlen – ein Strom positiv geladener Teilchen
• β-Strahlen – ein Strom negativ geladener Teilchen
• γ-Strahlen erzeugen keine Abweichungen im Magnetfeld.

Radioaktivität von Uran

Die natürliche Radioaktivität unterscheidet radioaktives Uran von anderen Elementen. Uranatome verändern sich allmählich, unabhängig von irgendwelchen Faktoren und Bedingungen. Dabei werden unsichtbare Strahlen ausgesendet. Nach den Umwandlungen, die bei Uranatomen stattfinden, wird ein anderes radioaktives Element erhalten und der Vorgang wiederholt sich. Er wird den Vorgang so oft wie nötig wiederholen, um ein nicht radioaktives Element zu erhalten. Beispielsweise haben einige Transformationsketten bis zu 14 Stufen. In diesem Fall ist das Zwischenelement Radium und die letzte Stufe ist die Bildung von Blei. Da es sich bei diesem Metall nicht um ein radioaktives Element handelt, ist die Reihe der Umwandlungen unterbrochen. Allerdings dauert es mehrere Milliarden Jahre, bis sich Uran vollständig in Blei verwandelt.
Radioaktives Uranerz führt häufig zu Vergiftungen in Unternehmen, die Uran-Rohstoffe abbauen und verarbeiten. Im menschlichen Körper ist Uran ein allgemeines Zellgift. Betroffen sind vor allem die Nieren, aber auch die Leber und der Magen-Darm-Trakt.
Uran hat keine völlig stabilen Isotope. Die längste Lebensdauer wird für Uran-238 beobachtet. Der Halbzerfall von Uran-238 findet über einen Zeitraum von 4,4 Milliarden Jahren statt. Etwas weniger als eine Milliarde Jahre dauert der Halbzerfall von Uran-235 – 0,7 Milliarden Jahre. Uran-238 macht über 99 % des Gesamtvolumens des natürlichen Urans aus. Aufgrund seiner enormen Halbwertszeit ist die Radioaktivität dieses Metalls nicht hoch; Alpha-Partikel können beispielsweise nicht in die Hornschicht der menschlichen Haut eindringen. Nach einer Reihe von Studien stellten Wissenschaftler fest, dass die Hauptstrahlungsquelle nicht Uran selbst ist, sondern das von ihm erzeugte Radongas sowie seine Zerfallsprodukte, die beim Atmen in den menschlichen Körper gelangen.

Nukleartechnologien basieren größtenteils auf der Verwendung radiochemischer Methoden, die wiederum auf den kernphysikalischen, physikalischen, chemischen und toxischen Eigenschaften radioaktiver Elemente basieren.

In diesem Kapitel beschränken wir uns auf eine kurze Beschreibung der Eigenschaften der wichtigsten spaltbaren Isotope – Uran und Plutonium.

Uranus

Uranus ( Uran) U – Element der Actinidengruppe, 7. Periode des Periodensystems, Z=92, Atommasse 238,029; das schwerste, das es in der Natur gibt.

Es sind 25 Uranisotope bekannt, die alle radioaktiv sind. Das einfachste 217U (Tj/ 2 =26 ms), das schwerste 2 4 2 U (7 T J / 2 =i6,8 min). Es gibt 6 Kernisomere. Natürliches Uran enthält drei radioaktive Isotope: 2 8 und (99, 2 739 %, Ti/ 2 = 4,47109 l), 2 35 U (0,7205 %, G, / 2 = 7,04-109 Jahre) und 2 34 U ( 0,0056 %, Ti/ 2=2,48-yuz l). Die spezifische Radioaktivität von natürlichem Uran beträgt 2,48104 Bq und verteilt sich fast zur Hälfte auf 2 34 U und 288 U; 2 35U leistet einen kleinen Beitrag (die spezifische Aktivität des 2 zi-Isotops in natürlichem Uran ist 21-mal geringer als die Aktivität von 2 3 8 U). Die Einfangquerschnitte für thermische Neutronen betragen 46, 98 und 2,7 Scheunen für 2 Zzi, 2 35U bzw. 2 3 8 U; Teilungsabschnitt 527 und 584 Scheune für 2 Zzi und 2 Z 8 bzw.; natürliche Isotopenmischung (0,7 % 235U) 4,2 Scheune.

Tisch 1. Kernphysikalische Eigenschaften 2 h9 Ri und 2 35T.

Tisch 2. Neutroneneinfang 2 35Ts und 2 bis 8 °C.

Sechs Uranisotope sind zur spontanen Spaltung fähig: 282 U, 2 zzi, 234 U, 235 U, 2 z 6 i und 2 z 8 i. Die natürlichen Isotope 2 33 und 2 35 U spalten sich unter dem Einfluss sowohl thermischer als auch schneller Neutronen, und 2 3 8-Kerne sind nur dann zur Spaltung fähig, wenn sie Neutronen mit einer Energie von mehr als 1,1 MeV einfangen. Beim Einfangen von Neutronen mit niedrigerer Energie wandeln sich die 288 U-Kerne zunächst in 2 -i9U-Kerne um, die dann einen p-Zerfall durchlaufen und sich zunächst in 2 -"*9Np und dann in 2 39Pu umwandeln. Die effektiven Wirkungsquerschnitte für die thermische Einfangung Neutronen von 2 34U, 2 Kernen 35U und 2 3 8 und entsprechen 98, 683 bzw. 2,7 barn. Die vollständige Spaltung von 2 35 U führt zu einem „Wärmeenergieäquivalent“ von 2-107 kWh/kg. Die Isotope 2 Als Kernbrennstoffe werden 35 U und 2 Zzi verwendet, die die Spaltungskettenreaktion unterstützen können.

Kernreaktoren produzieren n künstliche Uranisotope mit den Massenzahlen 227-^240, von denen das langlebigste 233U (7) ist V 2 =i.62 *io 5 Jahre); es wird durch Neutronenbestrahlung von Thorium gewonnen. In den superstarken Neutronenflüssen einer thermonuklearen Explosion entstehen Uranisotope mit Massenzahlen von 239^257.

Uran-232- technogenes Nuklid, A-Strahler, T x / 2=68,9 Jahre, Elternisotope 2 h 6 Pu(a), 23 2 Np(p*) und 23 2 Ra(p), Tochternuklid 228 Th. Die Intensität der spontanen Spaltung beträgt 0,47 Teilungen/s kg.

Uran-232 entsteht durch folgende Zerfälle:

P + -Zerfall des Nuklids *3 a Np (Ti/ 2 =14,7 min):

In der Nuklearindustrie entsteht 2 3 2 U als Nebenprodukt bei der Synthese des spaltbaren (waffenfähigen) Nuklids 2 Zi im Thorium-Brennstoffkreislauf. Bei der Bestrahlung von 2 3 2 Th mit Neutronen findet die Hauptreaktion statt:

und eine zweistufige Nebenreaktion:

Die Herstellung von 232 U aus Thorium erfolgt nur mit schnellen Neutronen (E„>6 MeV). Enthält die Ausgangssubstanz 2 3°TH, so wird die Bildung von 2 3 2 U durch die Reaktion ergänzt: 2 3°TH + u-> 2 3'TH. Diese Reaktion erfolgt mithilfe thermischer Neutronen. Die Erzeugung von 2 3 2 U ist aus mehreren Gründen unerwünscht. Es wird durch die Verwendung von Thorium mit einer Mindestkonzentration von 2 3°TH unterdrückt.

Der Zerfall von 2 × 2 erfolgt in folgende Richtungen:

Ein Zerfall in 228 Th (Wahrscheinlichkeit 10 %, Zerfallsenergie 5,414 MeV):

Die Energie der emittierten Alphateilchen beträgt 5,263 MeV (in 31,6 % der Fälle) und 5,320 MeV (in 68,2 % der Fälle).

• - spontane Spaltung (Wahrscheinlichkeit weniger als ~ 12 %);
• - Clusterzerfall unter Bildung des Nuklids 28 Mg (Zerfallswahrscheinlichkeit weniger als 5*10" 12 %):

Clusterzerfall unter Bildung des Nuklids 2

Uran-232 ist der Begründer einer langen Zerfallskette, zu der auch Nuklide gehören – Emittenten harter y-Quanten:

^U-(3,64 Tage, a,y)-> 220 Rn-> (55,6 s, a)-> 21b Po->(0,155 s, a)-> 212 Pb->(10,64 Stunden, p, y) - > 212 Bi -> (60,6 m, p, y) -> 212 Po a, y) -> 208x1, 212 Po -> (3 "Yu' 7 s, a) -> 2o8 Pb (stab), 2o8 T1- >(3,06 m, p, y-> 2o8 Pb.

Die Anreicherung von 2 3 2 U ist bei der Produktion von 2 Zi im Thorium-Energiekreislauf unvermeidlich. Intensive y-Strahlung, die beim Zerfall von 2 3 2 U entsteht, behindert die Entwicklung der Thoriumenergie. Ungewöhnlich ist, dass das gerade Isotop 2 3 2 11 einen hohen Spaltungsquerschnitt unter dem Einfluss von Neutronen (75 Barns für thermische Neutronen) sowie einen hohen Neutroneneinfangquerschnitt – 73 Barns – aufweist. 2 3 2 U wird bei der radioaktiven Tracer-Methode in der chemischen Forschung verwendet.

2 h 2 und ist der Begründer einer langen Zerfallskette (gemäß dem 2 h 2 T-Schema), zu der Nuklide gehören, die harte y-Quanten emittieren. Die Anreicherung von 2 3 2 U ist bei der Produktion von 2 Zi im Thorium-Energiekreislauf unvermeidlich. Intensive y-Strahlung, die beim Zerfall von 232 U entsteht, behindert die Entwicklung der Thoriumenergie. Ungewöhnlich ist, dass das gerade Isotop 2 3 2 U einen hohen Spaltungsquerschnitt unter dem Einfluss von Neutronen (75 Barns für thermische Neutronen) sowie einen hohen Neutroneneinfangquerschnitt – 73 Barns – aufweist. 2 3 2 U wird häufig in der radioaktiven Tracer-Methode in der chemischen und physikalischen Forschung verwendet.

Uran-233- künstliches Radionuklid, A-Strahler (Energie 4,824 (82,7 %) und 4,783 MeV (14,9 %)), Tvi= 1,585105 Jahre, Ausgangsnuklide 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +)-> 2 ззРа(р), Tochternuklid 22 9Th. 2 zzi wird in Kernreaktoren aus Thorium gewonnen: 2 z 2 Th fängt ein Neutron ein und verwandelt sich in 2 zzT, das in 2 zzRa und dann in 2 zzi zerfällt. Die Kerne von 2 Zi (ungerades Isotop) sind sowohl zur spontanen Spaltung als auch zur Spaltung unter dem Einfluss von Neutronen beliebiger Energie fähig, was sie für die Herstellung von Atomwaffen und Reaktorbrennstoff geeignet macht. Der effektive Spaltquerschnitt beträgt 533 Barn, der Einfangquerschnitt beträgt 52 Barn, die Neutronenausbeute beträgt pro Spaltereignis 2,54 und pro absorbiertem Neutron 2,31. Die kritische Masse von 2 Zzi ist dreimal kleiner als die kritische Masse von 2 35U (-16 kg). Die Intensität der spontanen Spaltung beträgt 720 Teilungen/s kg.

Uran-233 entsteht durch folgende Zerfälle:

- (3 + -Zerfall des Nuklids 2 33Np (7^=36,2 min):

Im industriellen Maßstab wird 2 zi aus 2 32Th durch Bestrahlung mit Neutronen gewonnen:

Wenn ein Neutron absorbiert wird, spaltet sich der 2-Zzi-Kern normalerweise, fängt aber gelegentlich ein Neutron ein und verwandelt sich in 2 34U. Obwohl sich 2 zzi normalerweise nach der Absorption eines Neutrons teilt, behält es manchmal ein Neutron zurück und verwandelt sich in 2 34U. Die Herstellung von 2 Zirs erfolgt sowohl in schnellen als auch in thermischen Reaktoren.

Aus waffentechnischer Sicht ist 2 ZZI mit 2 39Pu vergleichbar: Seine Radioaktivität beträgt 1/7 der Aktivität von 2 39Pu (Ti/ 2 = 159200 Liter gegenüber 24100 Litern für Pu), die kritische Masse von 2zi ist 60 % höher als die von ^Pu (16 kg gegenüber 10 kg) und die Rate der spontanen Spaltung ist 20-mal höher (bth - ' versus 310 10). Der Neutronenfluss von 2 zzi ist dreimal höher als der von 2 39Pi. Die Erstellung einer Kernladung auf Basis von 2zi erfordert mehr Aufwand als auf ^Pi. Das Haupthindernis ist das Vorhandensein von 232 U-Verunreinigungen in 2ZZI, deren Y-Strahlung bei Zerfallsprojekten die Arbeit mit 2ZZI erschwert und die Erkennung fertiger Waffen erleichtert. Darüber hinaus ist 2 3 2 U aufgrund seiner kurzen Halbwertszeit eine aktive Quelle für Alphateilchen. 2 Zi mit 1 % 232 und weist eine dreimal stärkere A-Aktivität als waffenfähiges Plutonium und dementsprechend eine höhere Radiotoxizität auf. Diese a-Aktivität führt zur Entstehung von Neutronen in den leichten Elementen der Waffenladung. Um dieses Problem zu minimieren, sollte die Anwesenheit von Elementen wie Be, B, F, Li minimal sein. Das Vorhandensein eines Neutronenhintergrunds hat keinen Einfluss auf den Betrieb von Implosionssystemen, Kanonenkreise erfordern jedoch ein hohes Maß an Reinheit für leichte Elemente. Der Gehalt an 23 2 U in Zis der Waffenklasse 2 sollte 5 Teile pro Million (0,0005 %) nicht überschreiten. ). Im Brennstoff von Wärmekraftreaktoren ist das Vorhandensein von 2 3G nicht schädlich und sogar wünschenswert, da es die Möglichkeit der Verwendung von Uran für Waffenzwecke verringert. Nach der Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente und der Wiederverwendung von Brennelementen erreicht der 232U-Gehalt etwa 1+ 0,2 %.

Der Zerfall von 2 zi erfolgt in folgende Richtungen:

Ein Zerfall in 22 9Th (Wahrscheinlichkeit 10 %, Zerfallsenergie 4,909 MeV):

Die Energie der emittierten Yahr-Partikel beträgt 4,729 MeV (in 1,61 % der Fälle), 4,784 MeV (in 13,2 % der Fälle) und 4,824 MeV (in 84,4 % der Fälle).

• - spontane Teilung (Wahrscheinlichkeit
• - Clusterzerfall unter Bildung des Nuklids 28 Mg (Zerfallswahrscheinlichkeit kleiner als 1,3*10_13 %):

Clusterzerfall unter Bildung des Nuklids 24 Ne (Zerfallswahrscheinlichkeit 7,3-10 %):

Die Zerfallskette von 2 zzi gehört zur Neptuniumreihe.

Die spezifische Radioaktivität von 2 Zi beträgt 3,57-8 Bq/g, was einer a-Aktivität (und Radiotoxizität) von -15 % von Plutonium entspricht. Nur 1 % 2 3 2 U erhöht die Radioaktivität auf 212 mCi/g.

Uran-234(Uranus II, UII) Teil des natürlichen Urans (0,0055 %), 2,445105 Jahre, A-Strahler (Energie der A-Teilchen 4,777 (72 %) und

4,723 (28 %) MeV), Ausgangsradionuklide: 2 h 8 Pu(a), 234 Pa(P), 234 Np(p +),

Tochterisotop in 2 z”th.

Typischerweise steht 234 U im Gleichgewicht mit 2 h 8 u und zerfällt und bildet sich mit der gleichen Geschwindigkeit. Ungefähr die Hälfte der Radioaktivität von natürlichem Uran wird von 234U verursacht. Typischerweise wird 234U durch Ionenaustauschchromatographie aus alten Präparaten von reinem 2 × 8 Pu gewonnen. Beim a-Zerfall ergibt *zRi 2 34U, daher sind alte Präparate von 2 h 8 Ru gute Quellen für 2 34U. yuo g 238Pi enthalten nach einem Jahr 776 mg 2 34U, nach 3 Jahren

2,2 g 2 34U. Die Konzentration von 2 34U in hochangereichertem Uran ist aufgrund der bevorzugten Anreicherung mit leichten Isotopen recht hoch. Da 2 34u ein starker Y-Strahler ist, gibt es Beschränkungen hinsichtlich seiner Konzentration in Uran, das zu Brennstoff verarbeitet werden soll. Erhöhte Konzentrationen von 234i sind für Reaktoren akzeptabel, aber wiederaufbereitete abgebrannte Brennelemente enthalten bereits inakzeptable Konzentrationen dieses Isotops.

Der Zerfall von 234i erfolgt in folgende Richtungen:

A-Zerfall bei 2 3°Т (Wahrscheinlichkeit 100 %, Zerfallsenergie 4,857 MeV):

Die Energie der emittierten Alphateilchen beträgt 4,722 MeV (in 28,4 % der Fälle) und 4,775 MeV (in 71,4 % der Fälle).

• - spontane Teilung (Wahrscheinlichkeit 1,73-10-9 %).
• - Clusterzerfall unter Bildung des Nuklids 28 Mg (Zerfallswahrscheinlichkeit 1,4-10 %, nach anderen Angaben 3,9-10 %):

• - Clusterzerfall unter Bildung der Nuklide 2 4Ne und 26 Ne (Zerfallswahrscheinlichkeit 9-10", 2 %, nach anderen Angaben 2,3-10_11 %):

Das einzige bekannte Isomer ist 2 34ti (Tx/ 2 = 33,5 μs).

Der Absorptionsquerschnitt von 2 thermischen 34U-Neutronen beträgt 100 Barn, und für das über verschiedene Zwischenneutronen gemittelte Resonanzintegral beträgt er 700 Barn. Daher wird es in thermischen Neutronenreaktoren schneller in spaltbares 235U umgewandelt, als die viel größere Menge an 238U (mit einem Querschnitt von 2,7 barn) in 2·39Ru umgewandelt wird. Infolgedessen enthalten abgebrannte Brennelemente weniger 2 34 U als frische Brennelemente.

Uran-235 gehört zur 4P+3-Familie und ist in der Lage, eine Spaltkettenreaktion auszulösen. Dies ist das erste Isotop, bei dem die Reaktion der erzwungenen Kernspaltung unter dem Einfluss von Neutronen entdeckt wurde. Durch die Absorption eines Neutrons wird 235U zu 2 zbi, das in zwei Teile geteilt wird, dabei Energie freisetzt und mehrere Neutronen emittiert. Das durch Neutronen jeder Energie spaltbare und zur spontanen Spaltung fähige Isotop 2 35U ist Teil des natürlichen Ufan (0,72 %), eines A-Strahlers (Energien 4,397 (57 %) und 4,367 (18 %) MeV). Ti/j=7,038-8 Jahre, Mutternuklide 2 35Pa, 2 35Np und 2 39Pu, Tochter - 23Th. Spontane Spaltungsrate 2 3su 0,16 Spaltung/s kg. Bei der Spaltung von zwei 35U-Kernen werden 200 MeV Energie = 3,210 p J freigesetzt, d.h. 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Der Spaltungsquerschnitt durch thermische Neutronen beträgt 545 Barns und durch schnelle Neutronen - 1,22 Barns, Neutronenausbeute: pro Spaltungsakt - 2,5, pro absorbiertem Neutron - 2,08.

Kommentar. Der Wirkungsquerschnitt für den langsamen Neutroneneinfang zur Erzeugung des Isotops 2 sii (oo barn), sodass der gesamte Absorptionsquerschnitt für langsame Neutronen 645 barn beträgt.

• - spontane Spaltung (Wahrscheinlichkeit 7*10~9 %);
• - Clusterzerfall unter Bildung der Nuklide 2 °Ne, 2 5Ne und 28 Mg (die Wahrscheinlichkeiten betragen jeweils 8-io_10%, 8-kg 10%, 8*10",0%):

Reis. 1.

Das einzige bekannte Isomer ist 2 35n»u (7/ 2 = 2b min).

Spezifische Aktivität 2 35C 7,77-4 Bq/g. Die kritische Masse an waffenfähigem Uran (93,5 % 2 35U) für eine Kugel mit Reflektor beträgt 15-7-23 kg.

Spaltung 2 » 5U wird in Atomwaffen, zur Energieerzeugung und zur Synthese wichtiger Aktiniden verwendet. Die Kettenreaktion wird durch den Überschuss an Neutronen aufrechterhalten, die bei der Spaltung von 2 · 35C entstehen.

Uran-236 natürlicherweise auf der Erde in Spuren vorkommt (es gibt mehr davon auf dem Mond), a-Emitter (?

Reis. 2. Radioaktive Familie 4/7+2 (einschließlich -з 8 è).

In einem Atomreaktor absorbiert 2 sz ein thermisches Neutron, spaltet sich anschließend mit einer Wahrscheinlichkeit von 82 % und emittiert mit einer Wahrscheinlichkeit von 18 % ein y-Quantum und verwandelt sich in 2 sb und (für 100 gespaltene Kerne 2 35U dort). sind 22 gebildete Kerne 2 3 6 U) . In geringen Mengen ist es Bestandteil von Frischkraftstoff; reichert sich an, wenn Uran in einem Reaktor mit Neutronen bestrahlt wird, und wird daher als „Signalgeber“ für abgebrannte Kernbrennstoffe verwendet. 2 hb und entsteht als Nebenprodukt bei der Isotopentrennung durch Gasdiffusion bei der Regeneration von verbrauchtem Kernbrennstoff. 236 U ist ein Neutronengift, das in einem Leistungsreaktor entsteht; sein Vorhandensein im Kernbrennstoff wird durch eine hohe Anreicherung 2 35 U ausgeglichen.

2 z b und wird als Indikator für die Vermischung von Meerwasser verwendet.

Uran-237,T&= 6,75 Tage, Beta- und Gammastrahler, können aus Kernreaktionen gewonnen werden:

Erkennung 287 und im Einklang mit durchgeführt Ey= o,ob MeV (36 %), 0,114 MeV (0,06 %), 0,165 MeV (2,0 %), 0,208 MeV (23 %)

237U wird in der Radiotracer-Methode in der chemischen Forschung eingesetzt. Die Messung der Konzentration (2-4°Am) im Fallout von Atomwaffentests liefert wertvolle Informationen über die Art der Ladung und die verwendete Ausrüstung.

Uran-238- gehört zur 4P+2-Familie, ist spaltbar durch hochenergetische Neutronen (mehr als 1,1 MeV), zur spontanen Spaltung fähig, bildet die Grundlage für natürliches Uran (99,27 %), a-Emitter, 7‘; /2=4>468-109 Jahre, zerfällt direkt in 2 34Th, bildet eine Reihe genetisch verwandter Radionuklide und verwandelt sich nach 18 Produkten in 206 Рb. Reines 2 3 8 U hat eine spezifische Radioaktivität von 1,22-104 Bq. Die Halbwertszeit ist sehr lang - etwa 10 16 Jahre, daher beträgt die Wahrscheinlichkeit einer Spaltung im Verhältnis zum Hauptprozess - der Emission eines Alphateilchens - nur 10" 7. Ein Kilogramm Uran führt nur zu 10 spontanen Spaltungen pro Sekunde. und gleichzeitig emittieren Alphateilchen 20 Millionen Kerne. Mutternuklide: 2 4 2 Pu(a), *38ra(p-) 234Th, Tochter T,/ 2 = 2 :ich 4 Th.

Uran-238 entsteht durch folgende Zerfälle:

2 (V0 4) 2 ] 8H 2 0. Unter den Sekundärmineralien ist hydratisiertes Calciumuranylphosphat Ca(U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0 häufig. Oft wird Uran in Mineralien von anderen nützlichen Elementen begleitet – Titan , Tantal, Seltene Erden. Daher ist es naheliegend, eine komplexe Verarbeitung uranhaltiger Erze anzustreben.

Grundlegende physikalische Eigenschaften von Uran: Atommasse 238,0289 amu. (g/mol); Atomradius 138 Uhr (1 Uhr = 12 m); Ionisierungsenergie (erstes Elektron 7,11 eV; elektronische Konfiguration -5f36d‘7s 2; Oxidationsstufen 6, 5, 4, 3; GP l = 113 2, 2 °; T t,1=3818°; Dichte 19,05; spezifische Wärmekapazität 0,115 JDKmol); Zugfestigkeit 450 MPa, Schmelzwärme 12,6 kJ/mol, Verdampfungswärme 417 kJ/mol, spezifische Wärme 0,115 J/(mol-K); Molvolumen 12,5 cm3/mol; charakteristische Debye-Temperatur © D =200K, Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand ca. 68K.

Uran ist ein schweres, silberweiß glänzendes Metall. Es ist etwas weicher als Stahl, formbar, flexibel, hat leicht paramagnetische Eigenschaften und ist in Pulverform pyrophor. Uran hat drei allotrope Formen: Alpha (orthorhombisch, a-U, Gitterparameter 0=285, b= 587, c=49b pm, stabil bis 667,7°), Beta (tetragonal, p-U, stabil von 667,7 bis 774,8°), Gamma (mit einem kubisch-raumzentrierten Gitter, y-U, bestehend von 774,8° bis zu Schmelzpunkten, frm= ii34 0), bei dem Uran am formbarsten und bequemsten für die Verarbeitung ist.

Bei Raumtemperatur ist die orthorhombische a-Phase stabil; die prismatische Struktur besteht aus wellenförmigen Atomschichten parallel zur Ebene ABC, in einem extrem asymmetrischen Prismengitter. Innerhalb von Schichten sind Atome eng miteinander verbunden, während die Stärke der Bindungen zwischen Atomen in benachbarten Schichten viel schwächer ist (Abbildung 4). Diese anisotrope Struktur erschwert die Legierung von Uran mit anderen Metallen. Nur Molybdän und Niob bilden mit Uran Festphasenlegierungen. Allerdings kann Uranmetall mit vielen Legierungen interagieren und intermetallische Verbindungen bilden.

Im Bereich 668^775° gibt es (3-Uran. Das tetragonale Gitter hat eine Schichtstruktur mit Schichten parallel zur Ebene ab in den Positionen 1/4С, 1/2 Mit und 3/4C der Elementarzelle. Bei Temperaturen über 775° entsteht Y-Uran mit einem kubisch raumzentrierten Gitter. Durch den Zusatz von Molybdän kann die y-Phase bei Raumtemperatur vorliegen. Molybdän bildet mit Y-Uran eine Vielzahl fester Lösungen und stabilisiert die Y-Phase bei Raumtemperatur. y-Uran ist viel weicher und formbarer als die spröden a- und (3-Phasen.

Neutronenbestrahlung hat einen erheblichen Einfluss auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Uran und führt zu einer Vergrößerung der Probe, einer Formänderung sowie einer starken Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften (Kriechen, Versprödung) von Uranblöcken während der Probe Betrieb eines Kernreaktors. Die Volumenzunahme ist auf die Anreicherung von Verunreinigungen von Elementen mit geringerer Dichte im Uran bei der Spaltung zurückzuführen (Übersetzung). 1% Die Umwandlung von Uran in Fragmentierungselemente erhöht das Volumen um 3,4 %.

Reis. 4. Einige Kristallstrukturen von Uran: a - a-Uran, b - p-Uran.

Die gebräuchlichsten Methoden zur Gewinnung von Uran im metallischen Zustand sind die Reduktion seiner Fluoride mit Alkali- oder Erdalkalimetallen oder die Elektrolyse geschmolzener Salze. Uran kann auch durch metallotherme Reduktion aus Karbiden mit Wolfram oder Tantal gewonnen werden.

Die Fähigkeit, Elektronen leicht abzugeben, bestimmt die reduzierenden Eigenschaften von Uran und seine größere chemische Aktivität. Uran kann mit fast allen Elementen außer Edelgasen interagieren und die Oxidationsstufen +2, +3, +4, +5, +6 annehmen. In Lösung beträgt die Hauptvalenz 6+.

Metallisches Uran oxidiert an der Luft schnell und ist mit einem schillernden Oxidfilm bedeckt. Feines Uranpulver entzündet sich spontan an der Luft (bei Temperaturen von 1504-175°) und bildet und;) Ov. Bei 1000° verbindet sich Uran mit Stickstoff und bildet gelbes Urannitrid. Wasser kann mit Metall reagieren, bei niedrigen Temperaturen langsam und bei hohen Temperaturen schnell. Uran reagiert heftig mit kochendem Wasser und Dampf unter Freisetzung von Wasserstoff, der mit Uran ein Hydrid bildet

Diese Reaktion ist energiereicher als die Verbrennung von Uran in Sauerstoff. Diese chemische Aktivität von Uran macht es erforderlich, Uran in Kernreaktoren vor dem Kontakt mit Wasser zu schützen.

Uran löst sich in Salz-, Salpeter- und anderen Säuren und bildet U(IV)-Salze, interagiert jedoch nicht mit Alkalien. Uran verdrängt Wasserstoff aus anorganischen Säuren und Salzlösungen von Metallen wie Quecksilber, Silber, Kupfer, Zinn, Platin und Gold. Bei kräftigem Schütteln beginnen die Metallpartikel des Urans zu glühen.

Die Strukturmerkmale der Elektronenhüllen des Uranatoms (das Vorhandensein von ^/-Elektronen) und einige seiner physikalisch-chemischen Eigenschaften dienen als Grundlage für die Klassifizierung von Uran als Mitglied der Aktinidenreihe. Es besteht jedoch eine chemische Analogie zwischen Uran und Cr, Mo und W. Uran ist hochreaktiv und reagiert mit allen Elementen außer Edelgasen. In der festen Phase sind Beispiele für U(VI) Uranyltrioxid U0 3 und Uranylchlorid U0 2 C1 2. Urantetrachlorid UC1 4 und Urandioxid U0 2

Beispiele für U(IV). Stoffe, die U(IV) enthalten, sind in der Regel instabil und werden sechswertig, wenn sie längere Zeit der Luft ausgesetzt werden.

Im Uran-Sauerstoff-System sind sechs Oxide verbaut: UO, U0 2, U 4 0 9 und 3 Ov, U0 3. Sie zeichnen sich durch eine große Homogenität aus. U0 2 ist ein basisches Oxid, während U0 3 amphoter ist. U0 3 – interagiert mit Wasser unter Bildung einer Reihe von Hydraten, von denen die wichtigsten Diuransäure H 2 U 2 0 7 und Uransäure H 2 1U 4 sind. Mit Alkalien bildet U0 3 Salze dieser Säuren – Uranate. Beim Lösen von U0 3 in Säuren entstehen Salze des doppelt geladenen Uranylkations U0 2 a+.

Urandioxid, U0 2, stöchiometrischer Zusammensetzung ist braun. Mit zunehmendem Sauerstoffgehalt im Oxid ändert sich die Farbe von dunkelbraun nach schwarz. Kristallstruktur vom Typ CaF 2 , A = 0,547 nm; Dichte 10,96 g/cm³* (die höchste Dichte unter den Uranoxiden). T , pl =2875 0 , Tk „ = 3450°, D#°298 = -1084,5 kJ/mol. Urandioxid ist ein Halbleiter mit Lochleitfähigkeit und einem starken Paramagneten. MPC = 0,015 mg/m3. Nicht in Wasser löslich. Bei einer Temperatur von -200° fügt es Sauerstoff hinzu und erreicht die Zusammensetzung U0 2>25.

Uran(IV)-oxid kann durch folgende Reaktionen hergestellt werden:

Urandioxid weist nur basische Eigenschaften auf; es entspricht dem basischen Hydroxid U(OH) 4, das dann in hydriertes Hydroxid U0 2 H 2 0 umgewandelt wird. Urandioxid löst sich in starken, nicht oxidierenden Säuren unter Abwesenheit von Luftsauerstoff langsam mit dem Bildung von III+-Ionen:

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

Es ist in konzentrierten Säuren löslich und die Auflösungsgeschwindigkeit kann durch Zugabe von Fluorionen deutlich erhöht werden.

Beim Auflösen in Salpetersäure kommt es zur Bildung des Uranylions 1O 2 2+:

Triuranoctaoxid U 3 0s (Uranoxid) ist ein Pulver, dessen Farbe von schwarz bis dunkelgrün variiert; Bei starkem Zerkleinern verfärbt es sich olivgrün. Große schwarze Kristalle hinterlassen grüne Streifen auf dem Porzellan. Von U 3 0 sind drei Kristallmodifikationen bekannt h: a-U 3 C>8 – rhombische Kristallstruktur (Raumgruppe C222; 0 = 0,671 nm; 6 = 1,197 nm; c = o,83 nm; D =0,839 nm); p-U 3 0e - rhombische Kristallstruktur (Raumgruppe Stst; 0=0,705 nm; 6=1,172 nm; 0=0,829 nm. Der Zersetzungsbeginn liegt bei oooo° (Übergänge auf 100 2), MPC = 0,075 mg/m3.

U 3 C>8 kann durch die Reaktion erhalten werden:

Durch Kalzinierung U0 2, U0 2 (N0 3) 2, U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 oder (NH 4) 2 U 2 0 7 bei 750 0 in Luft oder in einer Sauerstoffatmosphäre ( p = 150+750 mmHg) erhalten stöchiometrisch reines U 3 08.

Wenn U 3 0s bei T>oooo° kalziniert wird, wird es auf 10 2 reduziert, aber beim Abkühlen an der Luft kehrt es zu U 3 0s zurück. U 3 0e löst sich nur in konzentrierten starken Säuren. In Salz- und Schwefelsäure entsteht ein Gemisch aus U(IV) und U(VI) und in Salpetersäure Uranylnitrat. Verdünnte Schwefel- und Salzsäuren reagieren auch beim Erhitzen nur sehr schwach mit U 3 Os; die Zugabe von Oxidationsmitteln (Salpetersäure, Pyrolusit) erhöht die Auflösungsgeschwindigkeit stark. Konzentriertes H 2 S0 4 löst U 3 Os unter Bildung von U(S0 4) 2 und U0 2 S0 4 . Salpetersäure löst U 3 Oe unter Bildung von Uranylnitrat.

Urantrioxid, U0 3 – eine kristalline oder amorphe Substanz von leuchtend gelber Farbe. Reagiert mit Wasser. MPC = 0,075 mg/m3.

Es wird durch Kalzinieren von Ammoniumpolyuranaten, Uranperoxid, Uranyloxalat bei 300–500°C und Uranylnitrat-Hexahydrat gewonnen. Dadurch entsteht ein orangefarbenes Pulver mit amorpher Struktur und einer Dichte

6,8 g/cmz. Die kristalline Form von IU 3 kann durch Oxidation von U 3 0 8 bei Temperaturen von 450°h-750°C im Sauerstoffstrom erhalten werden. Es gibt sechs kristalline Modifikationen von U0 3 (a, (3, y> §> ?, n) – U0 3 ist hygroskopisch und wandelt sich in feuchter Luft in Uranylhydroxid um. Durch Erhitzen auf 520°-^6oo° entsteht eine Verbindung der Zusammensetzung 1U 2>9, weiteres Erhitzen auf 6oo° ermöglicht die Gewinnung von U 3 Os.

Wasserstoff, Ammoniak, Kohlenstoff, Alkali- und Erdalkalimetalle reduzieren U0 3 zu U0 2. Beim Durchleiten eines Gasgemisches HF und NH 3 entsteht UF 4. Bei höherer Wertigkeit weist Uran amphotere Eigenschaften auf. Bei Einwirkung von Säuren U0 3 oder deren Hydraten entstehen Uranylsalze (U0 2 2+), gelbgrün gefärbt:

Die meisten Uranylsalze sind in Wasser gut löslich.

Beim Schmelzen mit Alkalien bildet U0 3 Uransäuresalze – MDKH-Uranate:

Mit alkalischen Lösungen bildet Urantrioxid Salze von Polyuransäuren – Polyuranate DHM 2 0y1U 3 pH^O.

Uransäuresalze sind in Wasser praktisch unlöslich.

Die sauren Eigenschaften von U(VI) sind weniger ausgeprägt als die basischen.

Uran reagiert bei Raumtemperatur mit Fluor. Die Stabilität höherer Halogenide nimmt von Fluoriden zu Iodiden ab. Die Fluoride UF 3, U4F17, U2F9 und UF 4 sind nichtflüchtig und UFe ist flüchtig. Die wichtigsten Fluoride sind UF 4 und UFe.

Ftppippiyanir okgilya t"yanya ppptrkart gemäß der Praxis:

Die Reaktion im Wirbelbett erfolgt nach der Gleichung:

Es können Fluorierungsmittel verwendet werden: BrF 3, CC1 3 F (Freon-11) oder CC1 2 F 2 (Freon-12):

Uranfluorid (1U) UF 4 („grünes Salz“) ist ein bläulich-grünliches bis smaragdfarbenes Pulver. G 11L = yuz6°; Гк,«,.=-1730°. DN° 29 8= 1856 kJ/mol. Die Kristallstruktur ist monoklin (sp. gp. C2/s; 0=1,273 nm; 5=1,075 nm; 0=0,843 nm; d= 6,7 nm; p=12b°20"; Dichte 6,72 g/cm3. UF 4 ist eine stabile, inaktive, nichtflüchtige Verbindung, die in Wasser schlecht löslich ist. Das beste Lösungsmittel für UF 4 ist rauchende Perchlorsäure HC10 4. Löst sich in oxidierenden Säuren unter Bildung ein Uranylsalz; löst sich schnell in einer heißen Lösung von Al(N0 3) 3 oder AlCl 3 sowie in einer mit H 2 S0 4, HC10 4 oder HC1 angesäuerten Lösung von Borsäure. Komplexbildner, die Fluoridionen binden, z B. Fe3 +, Al3 + oder Borsäure, tragen ebenfalls zur Auflösung von UF 4 bei. Mit Fluoriden anderer Metalle bildet es eine Reihe schwerlöslicher Doppelsalze (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7 usw.). NH 4 UF 5 ist von industrieller Bedeutung.

U(IV)-Fluorid ist ein Zwischenprodukt bei der Herstellung

sowohl UF6 als auch Uranmetall.

UF 4 kann durch Reaktionen erhalten werden:

oder durch elektrolytische Reduktion von Uranylfluorid.

Uranhexafluorid UFe – bei Raumtemperatur elfenbeinfarbene Kristalle mit hohem Brechungsindex. Dichte

5,09 g/cmz, Dichte von flüssigem UFe - 3,63 g/cmz. Flüchtige Verbindung. Tvoag = 5^>5°> Gil=b4,5° (unter Druck). Der Sättigungsdampfdruck erreicht die Atmosphäre bei 560°. Bildungsenthalpie AH° 29 8 = -211b kJ/mol. Die Kristallstruktur ist orthorhombisch (Raumgruppe). Rpt; 0=0,999 nm; fe= 0,8962 nm; c=0,5207 nm; D 5,060 nm (25 0). MPC – 0,015 mg/m3. Aus dem festen Zustand kann UF6 in ein Gas sublimieren (sublimieren) und dabei die flüssige Phase über einen weiten Druckbereich umgehen. Sublimationswärme bei 50 0 50 kJ/mg. Das Molekül hat kein Dipolmoment, daher assoziiert UF6 nicht. UFr-Dampf ist ein ideales Gas.

Es wird durch die Einwirkung von Fluor auf seine U-Verbindung erhalten:

Neben Gasphasenreaktionen gibt es auch Flüssigphasenreaktionen

Herstellung von UF6 beispielsweise mithilfe von Halofluoriden

Es gibt eine Möglichkeit, UF6 ohne den Einsatz von Fluor zu erhalten – durch Oxidation von UF 4:

UFe reagiert nicht mit trockener Luft, Sauerstoff, Stickstoff und CO 2, aber bei Kontakt mit Wasser, auch mit Spuren davon, wird es hydrolysiert:

Es interagiert mit den meisten Metallen und bildet deren Fluoride, was die Lagerungsmöglichkeiten erschwert. Geeignete Gefäßmaterialien für die Arbeit mit UF6 sind: im erhitzten Zustand Ni, Monel und Pt, in der Kälte auch Teflon, absolut trockener Quarz und Glas, Kupfer und Aluminium. Bei Temperaturen von 25-0°C bildet es Komplexverbindungen mit Fluoriden von Alkalimetallen und Silber vom Typ 3NaFUFr>, 3KF2UF6.

Es löst sich gut in verschiedenen organischen Flüssigkeiten, anorganischen Säuren und allen Halofluoriden. Inert gegenüber dem Trocknen von 0 2, N 2, C0 2, C1 2, Br 2. UFr zeichnet sich durch Reduktionsreaktionen mit den meisten reinen Metallen aus. UF6 reagiert heftig mit Kohlenwasserstoffen und anderen organischen Substanzen, sodass geschlossene Behälter mit UFe explodieren können. UF6 im Bereich von 25–r100° bildet komplexe Salze mit Fluoriden von Alkali und anderen Metallen. Diese Eigenschaft wird in der Technologie zur selektiven Extraktion von UF genutzt

Die Uranhydride UH 2 und UH 3 nehmen eine Zwischenstellung zwischen salzartigen Hydriden und Hydriden vom Typ fester Lösungen von Wasserstoff im Metall ein.

Bei der Reaktion von Uran mit Stickstoff entstehen Nitride. Im U-N-System sind vier Phasen bekannt: UN (Urannitrid), a-U 2 N 3 (Sesquinitrid), p-U 2 N 3 und UN If90. Es ist nicht möglich, die Zusammensetzung UN 2 (Dinitrid) zu erreichen. Synthesen von Uranmononitrid UN sind zuverlässig und gut kontrolliert und werden am besten direkt aus den Elementen durchgeführt. Urannitride sind pulverförmige Stoffe, deren Farbe von dunkelgrau bis grau variiert; sehen aus wie Metall. UN hat eine kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur wie NaCl (0 = 4,8892 A); (/=14,324, 7^=2855°, stabil im Vakuum bis 1700 0. Es wird durch Reaktion von U oder U-Hydrid mit N 2 hergestellt oder NH 3 , Zersetzung höherer U-Nitride bei 1300° oder deren Reduktion mit Uranmetall. U 2 N 3 ist in zwei polymorphen Modifikationen bekannt: kubisch a und hexagonal p (0 = 0,3688 nm, 6 = 0,5839 nm), setzt N 2 im Vakuum über 8oo° frei. Es wird durch Reduktion von UN 2 mit Wasserstoff gewonnen. UN2-Dinitrid wird durch Reaktion von U mit N2 unter hohem N2-Druck synthetisiert. Urannitride sind in Säuren und Laugen leicht löslich, werden jedoch durch geschmolzene Laugen zersetzt.

Urannitrid wird durch zweistufige carbothermische Reduktion von Uranoxid gewonnen:

Erhitzen in Argon bei 7M450 0 für 10*20 Stunden

Urannitrid mit einer Zusammensetzung ähnlich dem Dinitrid, UN 2, kann erhalten werden, indem UF 4 bei hoher Temperatur und hohem Druck Ammoniak ausgesetzt wird.

Urandinitrid zersetzt sich beim Erhitzen:

Urannitrid, angereichert mit 2 35 U, hat eine höhere Spaltdichte, Wärmeleitfähigkeit und einen höheren Schmelzpunkt als Uranoxide – der traditionelle Brennstoff moderner Leistungsreaktoren. Es verfügt außerdem über gute mechanische Eigenschaften und eine bessere Stabilität als herkömmliche Kraftstoffe. Daher gilt diese Verbindung als vielversprechende Basis für Kernbrennstoff in schnellen Neutronenreaktoren (Kernreaktoren der Generation IV).

Kommentar. Es ist sehr nützlich, UN um „5N“ zu bereichern, weil .4 N neigt dazu, Neutronen einzufangen und durch die (n,p)-Reaktion das radioaktive Isotop 14 C zu erzeugen.

Urancarbid UC 2 (?-Phase) ist eine hellgraue kristalline Substanz mit metallischem Glanz. Im U-C-System (Urancarbide) gibt es UC 2 (?-Phase), UC 2 (b 2-Phase), U 2 C 3 (e-Phase), UC (b 2-Phase) – Urancarbide. Urandicarbid UC 2 kann durch die Reaktionen erhalten werden:

U + 2C^UC 2 (54 V)

Urancarbide werden als Brennstoff für Kernreaktoren verwendet und sind vielversprechend als Treibstoff für Weltraumraketentriebwerke.

Uranylnitrat, Uranylnitrat, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Die Rolle des Metalls in diesem Salz spielt das Uranyl 2+-Kation. Gelbe Kristalle mit grünlicher Tönung, leicht wasserlöslich. Eine wässrige Lösung ist sauer. Löslich in Ethanol, Aceton und Ether, unlöslich in Benzol, Toluol und Chloroform. Beim Erhitzen schmelzen die Kristalle und setzen HN0 3 und H 2 0 frei. Kristallines Hydrat verdampft leicht an der Luft. Eine charakteristische Reaktion besteht darin, dass unter Einwirkung von NH 3 ein gelber Niederschlag von Ammoniumuran entsteht.

Uran ist in der Lage, metallorganische Verbindungen zu bilden. Beispiele sind Cyclopentadienyl-Derivate der Zusammensetzung U(C 5 H 5) 4 und deren Halogen-substituierte u(C 5 H 5) 3 G oder u(C 5 H 5) 2 G 2.

In wässrigen Lösungen ist Uran in der Oxidationsstufe U(VI) in Form des Uranylions U0 2 2+ am stabilsten. In geringerem Maße ist es durch den U(IV)-Zustand gekennzeichnet, es kann aber auch in der U(III)-Form vorkommen. Der Oxidationszustand von U(V) kann als IO2+-Ion vorliegen, dieser Zustand wird jedoch aufgrund seiner Neigung zur Disproportionierung und Hydrolyse selten beobachtet.

In neutralen und sauren Lösungen liegt U(VI) in Form von U0 2 2+ vor – einem gelben Uranylion. Zu den gut löslichen Uranylsalzen gehören Nitrat U0 2 (N0 3) 2, Sulfat U0 2 S0 4, Chlorid U0 2 C1 2, Fluorid U0 2 F 2, Acetat U0 2 (CH 3 C00) 2. Diese Salze werden aus Lösungen in Form von kristallinen Hydraten mit unterschiedlicher Anzahl an Wassermolekülen freigesetzt. Schwerlösliche Uranylsalze sind: Oxalat U0 2 C 2 0 4, Phosphate U0 2 HP0. und UO2P2O4, Ammoniumuranylphosphat UO2NH4PO4, Natriumuranylvanadat NaU0 2 V0 4, Ferrocyanid (U0 2) 2. Das Uranylion zeichnet sich durch eine Tendenz zur Bildung komplexer Verbindungen aus. So sind Komplexe mit Fluorionen vom -, 4-Typ bekannt; Nitratkomplexe‘ und 2 *; Schwefelsäurekomplexe 2 " und 4-; Carbonatkomplexe 4 " und 2 " usw. Bei Einwirkung von Alkalien auf Lösungen von Uranylsalzen werden schwerlösliche Niederschläge von Diuranaten vom Typ Me 2 U 2 0 7 freigesetzt (Monouranate Me 2 U0 4). werden nicht aus Lösungen isoliert, sondern durch Fusion von Uranoxiden mit Alkalien gewonnen. Me 2 U n 0 3 n+i-Polyuranate sind bekannt (z. B. Na 2 U60i 9).

U(VI) wird in sauren Lösungen durch Eisen, Zink, Aluminium, Natriumhydrosulfit und Natriumamalgam zu U(IV) reduziert. Die Lösungen sind grün gefärbt. Aus ihnen fallen Alkalien aus: Hydroxid U0 2 (0H) 2, Flusssäure - Fluorid UF 4 -2,5H 2 0, Oxalsäure - Oxalat U(C 2 0 4) 2 -6H 2 0. Das U 4+ -Ion neigt dazu bilden weniger Komplexe als Uranylionen.

Uran (IV) in Lösung liegt in Form von U 4+-Ionen vor, die stark hydrolysiert und hydratisiert sind:

In sauren Lösungen wird die Hydrolyse unterdrückt.

Uran (VI) bildet in Lösung das Uranyloxokation - U0 2 2+. Es sind zahlreiche Uranylverbindungen bekannt, Beispiele hierfür sind: 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 usw.

Bei der Hydrolyse von Uranylionen entstehen eine Reihe mehrkerniger Komplexe:

Bei weiterer Hydrolyse erscheinen U 3 0s(0H) 2 und dann U 3 0 8 (0H) 4 2 -.

Zum qualitativen Nachweis von Uran werden Methoden der chemischen, lumineszierenden, radiometrischen und spektralen Analyse eingesetzt. Chemische Methoden basieren überwiegend auf der Bildung farbiger Verbindungen (z. B. rotbraune Farbe einer Verbindung mit Ferrocyanid, gelb mit Wasserstoffperoxid, blau mit Arsenazo-Reagens). Die Lumineszenzmethode basiert auf der Fähigkeit vieler Uranverbindungen, bei Einwirkung von UV-Strahlen ein gelblich-grünliches Leuchten zu erzeugen.

Die quantitative Bestimmung von Uran erfolgt nach verschiedenen Methoden. Die wichtigsten davon sind: volumetrische Methoden, bestehend aus der Reduktion von U(VI) zu U(IV) und anschließender Titration mit Lösungen von Oxidationsmitteln; gravimetrische Methoden – Fällung von Uranaten, Peroxiden, U(IV)-Cupferranaten, Hydroxychinolat, Oxalat usw. gefolgt von einer Kalzinierung bei 00° und einem Wiegen von U 3 0s; polarographische Methoden in Nitratlösung ermöglichen die Bestimmung von 10*7-g10-9 g Uran; zahlreiche kolorimetrische Methoden (z. B. mit H 2 0 2 in alkalischem Medium, mit dem Arsenazo-Reagens in Gegenwart von EDTA, mit Dibenzoylmethan, in Form eines Thiocyanatkomplexes usw.); Lumineszenzmethode, die es ermöglicht, zu bestimmen, wann mit NaF verschmolzen wird Yu 11 Guran.

235U gehört zur Strahlengefährdungsgruppe A, die minimale signifikante Aktivität beträgt MZA = 3,7-10 4 Bq, 2 3 8 und - zur Gruppe D, MZA = 3,7-6 Bq (300 g).

Uran ist ein chemisches Element aus der Familie der Aktiniden mit der Ordnungszahl 92. Es ist der wichtigste Kernbrennstoff. Seine Konzentration in der Erdkruste beträgt etwa 2 Teile pro Million. Wichtige Uranmineralien sind Uranoxid (U 3 O 8), Uraninit (UO 2), Carnotit (Kaliumuranylvanadat), Otenit (Kaliumuranylphosphat) und Torbernit (wasserhaltiges Kupferuranylphosphat). Diese und andere Uranerze sind Kernbrennstoffquellen und enthalten ein Vielfaches an Energie als alle bekannten förderbaren Vorkommen fossiler Brennstoffe. 1 kg Uran 92 U liefert die gleiche Energie wie 3 Millionen kg Kohle.

Geschichte der Entdeckung

Das chemische Element Uran ist ein dichtes, hartes Metall mit einer silberweißen Farbe. Es ist duktil, formbar und polierbar. In der Luft oxidiert Metall und entzündet sich beim Zerkleinern. Leitet Strom relativ schlecht. Die elektronische Formel von Uran lautet 7s2 6d1 5f3.

Obwohl das Element 1789 vom deutschen Chemiker Martin Heinrich Klaproth entdeckt und nach dem kürzlich entdeckten Planeten Uranus benannt wurde, wurde das Metall selbst 1841 vom französischen Chemiker Eugene-Melchior Peligot durch Reduktion aus Urantetrachlorid (UCl 4) isoliert Kalium.

Radioaktivität

Die Schaffung des Periodensystems durch den russischen Chemiker Dmitri Mendelejew im Jahr 1869 lenkte die Aufmerksamkeit auf Uran als schwerstes bekanntes Element, das es bis zur Entdeckung von Neptunium im Jahr 1940 blieb. Im Jahr 1896 entdeckte der französische Physiker Henri Becquerel darin das Phänomen der Radioaktivität. Diese Eigenschaft wurde später in vielen anderen Substanzen gefunden. Mittlerweile ist bekannt, dass Uran, das in all seinen Isotopen radioaktiv ist, aus einer Mischung von 238 U (99,27 %, Halbwertszeit – 4.510.000.000 Jahre), 235 U (0,72 %, Halbwertszeit – 713.000.000 Jahre) und 234 U (0,006) besteht %, Halbwertszeit - 247.000 Jahre). Dadurch lässt sich beispielsweise das Alter von Gesteinen und Mineralien bestimmen, um geologische Prozesse und das Alter der Erde zu untersuchen. Dazu messen sie die Menge an Blei, das Endprodukt des radioaktiven Zerfalls von Uran. In diesem Fall ist 238 U das Ausgangselement und 234 U eines der Produkte. 235 U führt zur Zerfallsreihe von Actinium.

Entdeckung einer Kettenreaktion

Das chemische Element Uran erregte großes Interesse und intensive Forschung, nachdem die deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann Ende 1938 durch den Beschuss mit langsamen Neutronen die Kernspaltung darin entdeckten. Anfang 1939 vermutete der italienisch-amerikanische Physiker Enrico Fermi, dass sich unter den Produkten der Atomspaltung Elementarteilchen befinden könnten, die eine Kettenreaktion auslösen könnten. 1939 bestätigten die amerikanischen Physiker Leo Szilard und Herbert Anderson sowie der französische Chemiker Frederic Joliot-Curie und ihre Kollegen diese Vorhersage. Nachfolgende Studien zeigten, dass bei der Spaltung eines Atoms durchschnittlich 2,5 Neutronen freigesetzt werden. Diese Entdeckungen führten zur ersten selbsttragenden nuklearen Kettenreaktion (02.12.1942), zur ersten Atombombe (16.07.1945), zu ihrem ersten Einsatz in der Kriegsführung (06.08.1945), zum ersten Atom-U-Boot ( 1955) und das erste vollwertige Kernkraftwerk (1957).

Oxidationsstufen

Das chemische Element Uran ist ein stark elektropositives Metall und reagiert mit Wasser. Es löst sich in Säuren, nicht jedoch in Laugen. Wichtige Oxidationsstufen sind +4 (wie in UO 2 -Oxid, Tetrahalogeniden wie UCl 4 und dem grünen Wasserion U4+) und +6 (wie in UO 3 -Oxid, UF 6 -Hexafluorid und dem Uranylion UO 2 2+). In einer wässrigen Lösung ist Uran in der Zusammensetzung des Uranylions am stabilsten, das eine lineare Struktur [O = U = O] 2+ aufweist. Das Element hat auch die Zustände +3 und +5, diese sind jedoch instabil. Rotes U 3+ oxidiert langsam in Wasser, das keinen Sauerstoff enthält. Die Farbe des UO 2+ -Ions ist unbekannt, da es selbst in sehr verdünnten Lösungen einer Disproportionierung unterliegt (UO 2+ wird sowohl zu U 4+ reduziert als auch zu UO 2 2+ oxidiert).

Kernbrennstoff

Wenn es langsamen Neutronen ausgesetzt wird, kommt es zur Spaltung des Uranatoms in das relativ seltene Isotop 235 U. Dies ist das einzige natürlich vorkommende spaltbare Material und muss vom Isotop 238 U getrennt werden. Nach Absorption und negativem Beta-Zerfall entsteht jedoch Uran -238 wird zum synthetischen Element Plutonium, das unter dem Einfluss langsamer Neutronen gespalten wird. Daher kann natürliches Uran in Konverter- und Brutreaktoren verwendet werden, in denen die Spaltung durch seltenes 235 U unterstützt wird und gleichzeitig Plutonium mit der Transmutation von 238 U erzeugt wird. Das spaltbare 233 U kann aus dem weit verbreiteten, natürlich vorkommenden Isotop Thorium-232 zur Verwendung als Kernbrennstoff synthetisiert werden. Uran ist auch als Ausgangsstoff für die Gewinnung synthetischer Transurane wichtig.

Andere Verwendungen von Uran

Verbindungen des chemischen Elements wurden früher als Farbstoffe für Keramik verwendet. Hexafluorid (UF 6) ist ein Feststoff mit einem ungewöhnlich hohen Dampfdruck (0,15 atm = 15.300 Pa) bei 25 °C. UF 6 ist chemisch sehr reaktiv, aber trotz seiner korrosiven Natur im Dampfzustand wird UF 6 häufig in Gasdiffusions- und Gaszentrifugenverfahren zur Herstellung von angereichertem Uran verwendet.

Organometallische Verbindungen sind eine interessante und wichtige Gruppe von Verbindungen, bei denen Metall-Kohlenstoff-Bindungen das Metall mit organischen Gruppen verbinden. Uranocen ist eine Organouranverbindung U(C 8 H 8) 2, in der das Uranatom zwischen zwei Schichten organischer Ringe eingebettet ist, die mit Cyclooctatetraen C 8 H 8 verbunden sind. Seine Entdeckung im Jahr 1968 eröffnete ein neues Gebiet der metallorganischen Chemie.

Abgereichertes Natururan wird als Strahlenschutz, Ballast, in panzerbrechenden Granaten und Panzerpanzerungen verwendet.

Recycling

Das chemische Element ist zwar sehr dicht (19,1 g/cm3), aber eine relativ schwache, nicht brennbare Substanz. Tatsächlich scheint Uran aufgrund seiner metallischen Eigenschaften irgendwo zwischen Silber und den anderen echten Metallen und Nichtmetallen einzuordnen, sodass es nicht als Strukturmaterial verwendet wird. Der Hauptwert von Uran liegt in den radioaktiven Eigenschaften seiner Isotope und ihrer Fähigkeit zur Spaltung. In der Natur besteht fast das gesamte Metall (99,27 %) aus 238 U. Der Rest besteht aus 235 U (0,72 %) und 234 U (0,006 %). Von diesen natürlichen Isotopen werden nur 235 U direkt durch Neutronenbestrahlung gespalten. Bei der Absorption bildet sich jedoch 238 U zu 239 U, das schließlich in 239 Pu zerfällt, ein spaltbares Material von großer Bedeutung für die Kernenergie und Atomwaffen. Ein weiteres spaltbares Isotop, 233 U, kann durch Neutronenbestrahlung von 232 Th gebildet werden.

Kristallformen

Die Eigenschaften von Uran führen dazu, dass es auch unter normalen Bedingungen mit Sauerstoff und Stickstoff reagiert. Bei höheren Temperaturen reagiert es mit einer Vielzahl von Legierungsmetallen unter Bildung intermetallischer Verbindungen. Die Bildung fester Lösungen mit anderen Metallen ist aufgrund der besonderen Kristallstrukturen, die von den Atomen des Elements gebildet werden, selten. Zwischen Raumtemperatur und dem Schmelzpunkt von 1132 °C liegt Uranmetall in drei kristallinen Formen vor, die als Alpha (α), Beta (β) und Gamma (γ) bekannt sind. Die Umwandlung vom α- in den β-Zustand erfolgt bei 668 °C und vom β- in den γ-Zustand bei 775 °C. γ-Uran hat eine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur, während β eine tetragonale Kristallstruktur hat. Die α-Phase besteht aus Atomschichten in einer hochsymmetrischen orthorhombischen Struktur. Diese anisotrope verzerrte Struktur verhindert, dass legierende Metallatome Uranatome ersetzen oder den Raum zwischen ihnen im Kristallgitter besetzen. Es wurde festgestellt, dass nur Molybdän und Niob feste Lösungen bilden.

Erz

Die Erdkruste enthält etwa 2 Teile pro Million Uran, was auf sein weit verbreitetes Vorkommen in der Natur hinweist. Schätzungen zufolge enthalten die Ozeane 4,5 × 10 9 Tonnen dieses chemischen Elements. Uran ist ein wichtiger Bestandteil von mehr als 150 verschiedenen Mineralien und ein untergeordneter Bestandteil von weiteren 50. Zu den primären Mineralien, die in magmatischen hydrothermalen Adern und Pegmatiten vorkommen, gehören Uraninit und seine Variante Pechblende. In diesen Erzen kommt das Element in Form von Dioxid vor, das aufgrund der Oxidation zwischen UO 2 und UO 2,67 liegen kann. Weitere wirtschaftlich bedeutende Produkte aus Uranbergwerken sind Autunit (hydratisiertes Calciumuranylphosphat), Tobernit (hydratisiertes Kupferuranylphosphat), Coffinit (schwarzes hydratisiertes Uransilikat) und Carnotit (hydratisiertes Kaliumuranylvanadat).

Schätzungen zufolge befinden sich mehr als 90 % der bekannten kostengünstigen Uranreserven in Australien, Kasachstan, Kanada, Russland, Südafrika, Niger, Namibia, Brasilien, China, der Mongolei und Usbekistan. Große Vorkommen finden sich in den Konglomeratgesteinsformationen des Elliot Lake nördlich des Huronsees in Ontario, Kanada, und in der südafrikanischen Goldmine Witwatersrand. Sandformationen im Colorado-Plateau und im Wyoming-Becken im Westen der USA enthalten ebenfalls bedeutende Uranreserven.

Produktion

Uranerze kommen sowohl in oberflächennahen als auch in tiefen (300–1200 m) Lagerstätten vor. Unterirdisch erreicht die Mächtigkeit des Flözes 30 m. Wie bei Erzen anderer Metalle wird Uran an der Oberfläche mit großen Erdbewegungsgeräten abgebaut, und die Erschließung tiefer Lagerstätten erfolgt mit traditionellen vertikalen und geneigten Methoden Minen. Die weltweite Produktion von Urankonzentrat belief sich 2013 auf 70.000 Tonnen. Die produktivsten Uranminen befinden sich in Kasachstan (32 % der gesamten Produktion), Kanada, Australien, Niger, Namibia, Usbekistan und Russland.

Uranerze enthalten typischerweise nur geringe Mengen uranhaltiger Mineralien und können nicht mit direkten pyrometallurgischen Methoden geschmolzen werden. Stattdessen müssen hydrometallurgische Verfahren zur Gewinnung und Reinigung des Urans eingesetzt werden. Durch die Erhöhung der Konzentration wird die Belastung der Verarbeitungskreisläufe erheblich reduziert, aber keine der herkömmlichen Aufbereitungsmethoden, die üblicherweise für die Mineralverarbeitung verwendet werden, wie Schwerkraft, Flotation, elektrostatische und sogar manuelle Sortierung, sind anwendbar. Mit wenigen Ausnahmen führen diese Methoden zu erheblichen Uranverlusten.

Verbrennung

Der hydrometallurgischen Verarbeitung von Uranerzen geht häufig eine Hochtemperatur-Kalzinierungsstufe voraus. Durch das Brennen wird der Ton entwässert, kohlenstoffhaltige Materialien entfernt, Schwefelverbindungen zu harmlosen Sulfaten oxidiert und alle anderen Reduktionsmittel oxidiert, die die nachfolgende Verarbeitung beeinträchtigen könnten.

Auslaugen

Uran wird aus gerösteten Erzen sowohl durch saure als auch alkalische wässrige Lösungen gewonnen. Damit alle Laugungssysteme erfolgreich funktionieren, muss das chemische Element entweder zunächst in der stabileren sechswertigen Form vorliegen oder während der Verarbeitung in diesen Zustand oxidiert werden.

Die Säurelaugung erfolgt üblicherweise durch 4–48-stündiges Rühren einer Mischung aus Erz und Auslaugmittel bei Umgebungstemperatur. Außer in besonderen Fällen wird Schwefelsäure verwendet. Es wird in ausreichenden Mengen zugeführt, um die Endlauge mit einem pH-Wert von 1,5 zu erhalten. Bei Schwefelsäurelaugungssystemen wird typischerweise entweder Mangandioxid oder Chlorat verwendet, um vierwertiges U4+ zu sechswertigem Uranyl (UO22+) zu oxidieren. Typischerweise reichen für die U 4+ -Oxidation etwa 5 kg Mangandioxid oder 1,5 kg Natriumchlorat pro Tonne aus. In beiden Fällen reagiert oxidiertes Uran mit Schwefelsäure unter Bildung des Uranylsulfat-Komplexanions 4-.

Erz, das erhebliche Mengen an essentiellen Mineralien wie Calcit oder Dolomit enthält, wird mit einer 0,5-1 molaren Natriumcarbonatlösung ausgelaugt. Obwohl verschiedene Reagenzien untersucht und getestet wurden, ist Sauerstoff das Hauptoxidationsmittel für Uran. Typischerweise wird das Erz in Luft bei atmosphärischem Druck und einer Temperatur von 75–80 °C für einen Zeitraum ausgelaugt, der von der spezifischen chemischen Zusammensetzung abhängt. Alkali reagiert mit Uran unter Bildung des leicht löslichen Komplexions 4-.

Lösungen, die durch Säure- oder Carbonatauslaugung entstehen, müssen vor der Weiterverarbeitung geklärt werden. Eine großflächige Trennung von Ton und anderen Erzschlämmen wird durch den Einsatz wirksamer Flockungsmittel erreicht, darunter Polyacrylamide, Guarkernmehl und tierischer Leim.

Extraktion

Die 4- und 4-Komplexionen können aus ihren jeweiligen Ionenaustauschharz-Auslaugungslösungen sorbiert werden. Diese Spezialharze zeichnen sich durch ihre Adsorptions- und Elutionskinetik, Partikelgröße, Stabilität und hydraulischen Eigenschaften aus und können in einer Vielzahl von Verarbeitungstechnologien eingesetzt werden, wie z. B. Festbett-, Bewegtbett-, Korbharz- und kontinuierliche Harzverfahren. Typischerweise werden Lösungen aus Natriumchlorid und Ammoniak oder Nitraten verwendet, um sorbiertes Uran zu eluieren.

Uran kann durch Lösungsmittelextraktion aus sauren Erzlösungen isoliert werden. In der Industrie werden Alkylphosphorsäuren sowie sekundäre und tertiäre Alkylamine eingesetzt. Im Allgemeinen wird die Lösungsmittelextraktion bei Säurefiltraten mit mehr als 1 g/L Uran den Ionenaustauschmethoden vorgezogen. Diese Methode ist jedoch nicht auf die Karbonatauslaugung anwendbar.

Anschließend wird das Uran durch Auflösen in Salpetersäure zu Uranylnitrat gereinigt, extrahiert, kristallisiert und zu UO 3 -Trioxid kalziniert. Reduziertes Dioxid UO2 reagiert mit Fluorwasserstoff zu Thetafluorid UF4, aus dem bei einer Temperatur von 1300 °C Uranmetall durch Magnesium oder Calcium reduziert wird.

Tetrafluorid kann bei 350 °C fluoriert werden, um UF 6 -Hexafluorid zu bilden, das zur Abtrennung von angereichertem Uran-235 durch Gasdiffusion, Gaszentrifugation oder flüssige Thermodiffusion verwendet wird.

Der Artikel spricht darüber, wann das chemische Element Uran entdeckt wurde und in welchen Industrien dieser Stoff heutzutage verwendet wird.

Uran ist ein chemisches Element der Energie- und Militärindustrie

Zu allen Zeiten haben Menschen versucht, hocheffiziente Energiequellen zu finden und im Idealfall die sogenannten zu schaffen. Leider wurde die Unmöglichkeit ihrer Existenz bereits im 19. Jahrhundert theoretisch bewiesen und gerechtfertigt, aber die Wissenschaftler haben immer noch nie die Hoffnung auf die Erkenntnis verloren der Traum von einem Gerät, das über einen sehr langen Zeitraum große Mengen „sauberer“ Energie liefern kann.

Dies wurde teilweise mit der Entdeckung einer Substanz wie Uran realisiert. Das chemische Element mit diesem Namen bildete die Grundlage für die Entwicklung von Kernreaktoren, die in unserer Zeit ganze Städte, U-Boote, Polarschiffe usw. mit Energie versorgen. Ihre Energie kann zwar nicht als „sauber“ bezeichnet werden, aber in den letzten Jahren haben viele Unternehmen kompakte „Atombatterien“ auf Tritiumbasis für den breiten Verkauf entwickelt – sie haben keine beweglichen Teile und sind gesundheitlich unbedenklich.

In diesem Artikel werden wir jedoch die Geschichte der Entdeckung des chemischen Elements Uran und der Spaltungsreaktion seiner Kerne im Detail untersuchen.

Definition

Uran ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 92 im Periodensystem. Seine Atommasse beträgt 238,029. Es wird mit dem Symbol U bezeichnet. Unter normalen Bedingungen ist es ein dichtes, schweres Metall mit silbriger Farbe. Wenn wir über seine Radioaktivität sprechen, dann ist Uran selbst ein Element mit schwacher Radioaktivität. Es enthält auch keine völlig stabilen Isotope. Und das stabilste der existierenden Isotope gilt als Uran-338.

Wir haben herausgefunden, was dieses Element ist, und schauen uns nun die Geschichte seiner Entdeckung an.

Geschichte

Eine Substanz wie natürliches Uranoxid ist den Menschen seit der Antike bekannt, und alte Handwerker verwendeten es zur Herstellung von Glasuren, mit denen verschiedene Keramiken beschichtet wurden, um Gefäße und andere Produkte wasserdicht zu machen, sowie zu deren Dekoration.

Ein wichtiges Datum in der Geschichte der Entdeckung dieses chemischen Elements war 1789. Damals gelang es dem Chemiker und gebürtigen Deutschen Martin Klaproth, das erste metallische Uran zu gewinnen. Und das neue Element erhielt seinen Namen zu Ehren des Planeten, der acht Jahre zuvor entdeckt wurde.

Fast 50 Jahre lang galt das damals gewonnene Uran als reines Metall, doch 1840 konnte der französische Chemiker Eugene-Melchior Peligo nachweisen, dass das von Klaproth gewonnene Material trotz geeigneter äußerer Anzeichen kein Metall war alle außer Uranoxid. Wenig später erhielt derselbe Peligo echtes Uran – ein sehr schweres graues Metall. Damals wurde erstmals das Atomgewicht einer Substanz wie Uran bestimmt. Das chemische Element wurde 1874 von Dmitri Mendelejew in sein berühmtes Periodensystem der Elemente aufgenommen, wobei Mendelejew das Atomgewicht der Substanz verdoppelte. Und nur 12 Jahre später wurde experimentell bewiesen, dass er sich in seinen Berechnungen nicht geirrt hatte.

Radioaktivität

Das wirklich weit verbreitete Interesse an diesem Element in wissenschaftlichen Kreisen begann jedoch im Jahr 1896, als Becquerel die Tatsache entdeckte, dass Uran Strahlen aussendet, die nach dem Forscher benannt wurden – Becquerels Strahlen. Später nannte Marie Curie, eine der berühmtesten Wissenschaftlerinnen auf diesem Gebiet, dieses Phänomen Radioaktivität.

Als nächstes wichtiges Datum in der Erforschung von Uran gilt das Jahr 1899: Damals entdeckte Rutherford, dass die Strahlung von Uran inhomogen ist und in zwei Arten unterteilt wird – Alpha- und Betastrahlen. Ein Jahr später entdeckte Paul Villar (Villard) die dritte und letzte uns heute bekannte Art radioaktiver Strahlung – die sogenannten Gammastrahlen.

Sieben Jahre später, im Jahr 1906, führte Rutherford auf der Grundlage seiner Radioaktivitätstheorie die ersten Experimente durch, deren Ziel es war, das Alter verschiedener Mineralien zu bestimmen. Diese Studien legten unter anderem den Grundstein für die Ausbildung von Theorie und Praxis

Kernspaltung von Uran

Aber die wahrscheinlich wichtigste Entdeckung, dank derer der weit verbreitete Abbau und die Anreicherung von Uran sowohl für friedliche als auch für militärische Zwecke begann, ist der Prozess der Spaltung von Urankernen. Dies geschah im Jahr 1938, die Entdeckung wurde von den deutschen Physikern Otto Hahn und Fritz Strassmann durchgeführt. Später wurde diese Theorie in den Werken mehrerer weiterer deutscher Physiker wissenschaftlich bestätigt.

Der Kern des von ihnen entdeckten Mechanismus war wie folgt: Wenn man den Kern des Uran-235-Isotops mit einem Neutron bestrahlt, beginnt es, indem man ein freies Neutron einfängt, zu spalten. Und wie wir alle inzwischen wissen, geht dieser Prozess mit der Freisetzung enormer Energiemengen einher. Dies geschieht hauptsächlich aufgrund der kinetischen Energie der Strahlung selbst und von Kernfragmenten. Jetzt wissen wir also, wie die Spaltung von Urankernen abläuft.

Die Entdeckung dieses Mechanismus und seiner Ergebnisse ist der Ausgangspunkt für die Nutzung von Uran sowohl für friedliche als auch für militärische Zwecke.

Wenn wir über seine Verwendung für militärische Zwecke sprechen, dann wurde zum ersten Mal die Theorie aufgestellt, dass es möglich ist, Bedingungen für einen solchen Prozess wie die kontinuierliche Spaltungsreaktion eines Urankerns zu schaffen (da für die Detonation einer Atombombe enorme Energie erforderlich ist). bewiesen durch die sowjetischen Physiker Zeldovich und Khariton. Um eine solche Reaktion hervorzurufen, muss Uran jedoch angereichert werden, da es im Normalzustand nicht über die erforderlichen Eigenschaften verfügt.

Wir haben uns mit der Geschichte dieses Elements vertraut gemacht und wollen nun herausfinden, wo es verwendet wird.

Anwendungen und Arten von Uranisotopen

Nach der Entdeckung eines Prozesses wie der Kettenspaltungsreaktion von Uran standen Physiker vor der Frage, wo dieser eingesetzt werden kann.

Derzeit gibt es zwei Hauptbereiche, in denen Uranisotope verwendet werden. Dies sind die friedliche (oder Energie-)Industrie und das Militär. Sowohl der erste als auch der zweite nutzen die Reaktion des Uran-235-Isotops, nur die Ausgangsleistung unterscheidet sich. Einfach ausgedrückt besteht in einem Kernreaktor keine Notwendigkeit, diesen Prozess mit der gleichen Leistung zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, die zur Explosion einer Atombombe erforderlich ist.

Daher wurden die wichtigsten Industrien aufgelistet, die die Uranspaltungsreaktion nutzen.

Doch die Gewinnung des Uran-235-Isotops ist eine ungewöhnlich komplexe und kostspielige technische Aufgabe, und nicht jeder Staat kann es sich leisten, Anreicherungsfabriken zu bauen. Um beispielsweise zwanzig Tonnen Uranbrennstoff zu erhalten, in dem der Gehalt des Uran-235-Isotops 3-5 % beträgt, müssen mehr als 153 Tonnen natürliches „rohes“ Uran angereichert werden.

Das Uran-238-Isotop wird hauptsächlich bei der Konstruktion von Atomwaffen verwendet, um deren Leistung zu erhöhen. Wenn es außerdem ein Neutron einfängt und anschließend den Prozess des Betazerfalls einleitet, kann dieses Isotop schließlich in Plutonium-239 umgewandelt werden, einen üblichen Brennstoff für die meisten modernen Kernreaktoren.

Trotz aller Nachteile solcher Reaktoren (hohe Kosten, Wartungsaufwand, Unfallgefahr) amortisiert sich ihr Betrieb sehr schnell und sie produzieren unvergleichlich mehr Energie als klassische Wärme- oder Wasserkraftwerke.

Die Reaktion ermöglichte auch die Entwicklung nuklearer Massenvernichtungswaffen. Es zeichnet sich durch seine enorme Stärke, relative Kompaktheit und die Tatsache aus, dass es in der Lage ist, große Landflächen für die Besiedlung durch Menschen ungeeignet zu machen. Es stimmt, dass moderne Atomwaffen Plutonium und nicht Uran verwenden.

Abgereichertes Uran

Es gibt auch eine Art Uran, das als abgereichertes Uran bezeichnet wird. Es weist eine sehr geringe Radioaktivität auf und ist daher für den Menschen ungefährlich. Im militärischen Bereich wird es erneut eingesetzt, beispielsweise wird es der Panzerung des amerikanischen Abrams-Panzers hinzugefügt, um ihm zusätzliche Festigkeit zu verleihen. Darüber hinaus findet man in fast allen High-Tech-Armeen verschiedene. Neben ihrer hohen Masse haben sie eine weitere sehr interessante Eigenschaft: Nach der Zerstörung eines Projektils entzünden sich dessen Fragmente und Metallstaub spontan. Übrigens wurde ein solches Projektil erstmals im Zweiten Weltkrieg eingesetzt. Wie wir sehen, ist Uran ein Element, das in den unterschiedlichsten Bereichen der menschlichen Tätigkeit Anwendung findet.

Abschluss

Nach Prognosen von Wissenschaftlern werden etwa im Jahr 2030 alle großen Uranvorkommen vollständig erschöpft sein, danach wird die Erschließung seiner schwer zugänglichen Schichten beginnen und der Preis wird steigen. Für den Menschen ist es übrigens völlig ungefährlich – einige Bergleute arbeiten seit Generationen an seiner Gewinnung. Jetzt verstehen wir die Geschichte der Entdeckung dieses chemischen Elements und wie die Spaltungsreaktion seiner Kerne genutzt wird.

Übrigens ist eine interessante Tatsache bekannt: Uranverbindungen wurden lange Zeit als Farben für Porzellan und Glas (sogenannte bis in die 1950er Jahre) verwendet.

Uranus ist eines der Schwermetallelemente des Periodensystems. Uran wird häufig in der Energie- und Militärindustrie eingesetzt. Im Periodensystem ist es unter der Nummer 92 zu finden und wird mit dem lateinischen Buchstaben U mit der Massenzahl 238 bezeichnet.

Wie Uranus entdeckt wurde

Im Allgemeinen ist ein chemisches Element wie Uran seit sehr langer Zeit bekannt. Es ist bekannt, dass natürliches Uranoxid bereits vor unserer Zeitrechnung zur Herstellung gelber Glasuren für Keramik verwendet wurde. Die Entdeckung dieses Elements lässt sich bis ins Jahr 1789 zurückverfolgen, als ein deutscher Chemiker namens Martin Heinrich Klaproth ein schwarzmetallähnliches Material aus einem Erz gewann. Martin beschloss, dieses Material Uranus zu nennen, um den Namen des neu entdeckten Planeten mit demselben Namen zu unterstützen (der Planet Uranus wurde im selben Jahr entdeckt). Im Jahr 1840 wurde bekannt, dass es sich bei diesem von Klaproth entdeckten Material trotz des charakteristischen metallischen Glanzes um Uranoxid handelte. Eugene Melchior Peligot synthetisierte atomares Uran aus Oxid und bestimmte sein Atomgewicht auf 120 AE. 1874 verdoppelte Mendelejew diesen Wert und platzierte ihn in der hintersten Zelle seiner Tabelle. Nur 12 Jahre später wurde Mendelejews Entscheidung, die Masse zu verdoppeln, durch die Experimente des deutschen Chemikers Zimmermann bestätigt.

Wo und wie wird Uran abgebaut?

Uran ist ein ziemlich häufiges Element, kommt jedoch häufig in Form von Uranerz vor. Damit Sie verstehen, beträgt sein Anteil in der Erdkruste 0,00027 % der Gesamtmasse der Erde. Uranerz kommt typischerweise in sauren Mineralgesteinen mit hohem Siliziumgehalt vor. Die Hauptarten von Uranerzen sind Pechblende, Carnotit, Casolith und Samarskit. Die größten Uranerzreserven, wenn man Reservevorkommen berücksichtigt, befinden sich in Ländern wie Australien, Russland und Kasachstan, und von allen nimmt Kasachstan eine Spitzenposition ein. Der Uranabbau ist ein sehr schwieriges und teures Verfahren. Nicht alle Länder können es sich leisten, reines Uran abzubauen und zu synthetisieren. Die Produktionstechnologie ist wie folgt: In Minen werden Erze oder Mineralien abgebaut, vergleichbar mit Gold oder Edelsteinen. Das abgebauten Gestein wird zerkleinert und mit Wasser vermischt, um den Uranstaub vom Rest zu trennen. Uranstaub ist sehr schwer und fällt daher schneller aus als andere. Der nächste Schritt besteht darin, den Uranstaub durch saure oder alkalische Auslaugung von anderen Gesteinen zu reinigen. Der Vorgang sieht etwa so aus: Das Urangemisch wird auf 150 °C erhitzt und unter Druck reiner Sauerstoff zugeführt. Dabei entsteht Schwefelsäure, die Uran von anderen Verunreinigungen reinigt. Nun, im letzten Schritt werden reine Uranpartikel ausgewählt. Neben Uranstaub gibt es noch weitere nützliche Mineralien.

Die Gefahr der radioaktiven Strahlung von Uran

Jeder kennt das Konzept der radioaktiven Strahlung und die Tatsache, dass sie irreparable Gesundheitsschäden verursacht, die zum Tod führen. Uran ist ein solches Element, das unter bestimmten Bedingungen radioaktive Strahlung freisetzen kann. In freier Form kann es je nach Sorte Alpha- und Betastrahlen aussenden. Alphastrahlen stellen für den Menschen keine große Gefahr dar, wenn die Strahlung von außen erfolgt, da diese Strahlung nur eine geringe Durchdringungskraft hat. Wenn sie jedoch in den Körper eindringen, verursachen sie irreparablen Schaden. Schon ein Blatt Schreibpapier reicht aus, um externe Alphastrahlen einzudämmen. Bei Betastrahlung sind die Dinge ernster, aber nicht viel. Die Durchdringungskraft der Betastrahlung ist höher als die der Alphastrahlung, es sind jedoch 3–5 mm Gewebe erforderlich, um die Betastrahlung einzudämmen. Können Sie mir sagen, wie das ist? Uran ist ein radioaktives Element, das in Atomwaffen verwendet wird! Richtig, es wird in Atomwaffen eingesetzt, die allen Lebewesen enormen Schaden zufügen. Es ist nur so, dass bei der Detonation eines Atomsprengkopfs der Hauptschaden für lebende Organismen durch Gammastrahlung und einen Neutronenfluss verursacht wird. Diese Arten von Strahlung entstehen durch eine thermonukleare Reaktion bei der Explosion eines Sprengkopfes, die Uranpartikel aus einem stabilen Zustand entfernt und alles Leben auf der Erde zerstört.

Sorten von Uran

Wie oben erwähnt, gibt es verschiedene Arten von Uran. Sorten implizieren das Vorhandensein von Isotopen. Isotope implizieren also die gleichen Elemente, jedoch mit unterschiedlichen Massenzahlen.

Es gibt also zwei Arten:

1. Natürlich;
2. Künstlich;

Wie Sie vielleicht schon vermutet haben, handelt es sich bei der natürlichen um diejenige, die aus der Erde gewonnen wird, und um die künstliche, die von den Menschen selbst geschaffen wird. Zu den natürlichen Isotopen gehören Uranisotope mit den Massenzahlen 238, 235 und 234. Darüber hinaus ist U-234 eine Tochtergesellschaft von U-238, das heißt, das erste entsteht aus dem Zerfall des zweiten unter natürlichen Bedingungen. Die zweite Gruppe künstlich erzeugter Isotope hat Massenzahlen von 217 bis 242. Jedes der Isotope hat unterschiedliche Eigenschaften und zeichnet sich durch ein unterschiedliches Verhalten unter bestimmten Bedingungen aus. Je nach Bedarf versuchen Nuklearwissenschaftler, alle möglichen Lösungen für Probleme zu finden, da jedes Isotop einen anderen Energiewert hat.

Halbwertszeiten

Wie oben erwähnt, hat jedes Uranisotop einen anderen Energiewert und unterschiedliche Eigenschaften, darunter die Halbwertszeit. Um zu verstehen, was es ist, müssen Sie mit einer Definition beginnen. Die Halbwertszeit ist die Zeit, in der sich die Zahl der radioaktiven Atome halbiert. Die Halbwertszeit beeinflusst viele Faktoren, beispielsweise den Energiewert oder die vollständige Reinigung. Wenn wir Letzteres als Beispiel nehmen, können wir berechnen, wie lange es dauern wird, bis die radioaktive Verseuchung der Erde vollständig beseitigt ist. Halbwertszeiten von Uranisotopen:

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, variiert die Halbwertszeit von Isotopen zwischen Minuten und Hunderten von Millionen Jahren. Jeder von ihnen findet Anwendung in verschiedenen Lebensbereichen der Menschen.

Anwendung

Der Einsatz von Uran ist in vielen Tätigkeitsbereichen weit verbreitet, den größten Wert hat es jedoch im Energie- und Militärsektor. Von größtem Interesse ist das Isotop U-235. Sein Vorteil besteht darin, dass es in der Lage ist, selbstständig eine nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, die in militärischen Angelegenheiten häufig zur Herstellung von Atomwaffen und als Brennstoff in Kernreaktoren eingesetzt wird. Darüber hinaus wird Uran in der Geologie häufig zur Altersbestimmung von Mineralien und Gesteinen sowie zur Bestimmung des Verlaufs geologischer Prozesse eingesetzt. In der Automobil- und Flugzeugindustrie wird abgereichertes Uran als Gegengewicht und Zentrierelement eingesetzt. Anwendung fand es auch in der Malerei, insbesondere als Farbe für Porzellan und zur Herstellung keramischer Glasuren und Emails. Ein weiterer interessanter Punkt ist die Verwendung von abgereichertem Uran zum Schutz vor radioaktiver Strahlung, so seltsam es auch klingen mag.