Uranyum, kimyasal element: keşif tarihi ve nükleer fisyon reaksiyonu. Uranyum cevheri: özellikleri, uygulaması, madencilik

Uranyum radyoaktif bir metaldir. Doğada uranyum üç izotoptan oluşur: uranyum-238, uranyum-235 ve uranyum-234. En yüksek stabilite seviyesi uranyum-238'de kaydedilmiştir.

Uranyumun radyoaktif bozunması

Radyoaktif bozunma, atom çekirdeğinin bileşiminde veya iç yapısında kararsızlıkla karakterize edilen ani değişim sürecidir. Bu durumda temel parçacıklar, gama ışınları ve/veya nükleer parçalar yayılır. Radyoaktif maddeler radyoaktif bir çekirdek içerir. Radyoaktif bozunma sonucu oluşan yavru çekirdek de radyoaktif hale gelebilir ve belli bir süre sonra bozunmaya uğrayabilir. Bu süreç, radyoaktivite içermeyen kararlı bir çekirdek oluşana kadar devam eder. E. Rutherford, 1899'da uranyum tuzlarının üç tür ışın yaydığını deneysel olarak kanıtladı:

• α-ışınları - pozitif yüklü parçacıkların akışı
• β-ışınları - negatif yüklü parçacıkların akışı
• γ-ışınları manyetik alanda sapmalar yaratmaz.

Uranyumun radyoaktivitesi

Doğal radyoaktivite, radyoaktif uranyumu diğer elementlerden ayıran özelliktir. Uranyum atomları, herhangi bir faktör ve koşuldan bağımsız olarak yavaş yavaş değişir. Bu durumda görünmez ışınlar yayılır. Uranyum atomları ile meydana gelen dönüşümler sonrasında farklı bir radyoaktif element elde edilerek işlem tekrarlanır. Radyoaktif olmayan bir element elde etmek için bunu gerektiği kadar tekrarlayacaktır. Örneğin, bazı dönüşüm zincirlerinin 14'e kadar aşaması vardır. Bu durumda ara element radyumdur ve son aşama kurşun oluşumudur. Bu metal radyoaktif bir element olmadığından dönüşüm serisi kesintiye uğrar. Ancak uranyumun tamamen kurşuna dönüşmesi birkaç milyar yıl alır.
Radyoaktif uranyum cevheri, uranyum hammaddelerinin madenciliği ve işlenmesiyle uğraşan işletmelerde sıklıkla zehirlenmelere neden olur. İnsan vücudunda uranyum genel bir hücresel zehirdir. Öncelikle böbrekleri etkiler, ancak aynı zamanda karaciğeri ve gastrointestinal sistemi de etkiler.
Uranyumun tamamen kararlı izotopları yoktur. En uzun yaşam süresi uranyum-238'de görülmektedir. Uranyum-238'in yarı bozunması 4,4 milyar yılda gerçekleşir. Uranyum-235'in yarı bozunması bir milyar yıldan biraz daha kısa bir sürede gerçekleşir - 0,7 milyar yıl. Uranyum-238, doğal uranyumun toplam hacminin %99'undan fazlasını kaplar. Muazzam yarı ömrü nedeniyle bu metalin radyoaktivitesi yüksek değildir; örneğin alfa parçacıkları insan derisinin stratum korneumuna nüfuz edemez. Bir dizi çalışmanın ardından bilim adamları, radyasyonun ana kaynağının uranyumun kendisi değil, ürettiği radon gazı ve nefes alma sırasında insan vücuduna giren bozunma ürünleri olduğunu buldular.

Nükleer teknolojiler büyük ölçüde radyokimya yöntemlerinin kullanımına dayanmaktadır ve bu yöntemler de radyoaktif elementlerin nükleer fiziksel, fiziksel, kimyasal ve toksik özelliklerine dayanmaktadır.

Bu bölümde kendimizi ana bölünebilir izotopların (uranyum ve plütonyum) özelliklerinin kısa bir açıklamasıyla sınırlayacağız.

Uranüs

Uranüs ( uranyum) U - aktinit grubunun elementi, periyodik sistemin 7-0. periyodu, Z=92, atom kütlesi 238.029; doğada bulunan en ağır madde.

Uranyumun bilinen 25 izotopu vardır ve bunların hepsi radyoaktiftir. Kolay 217U (Tj/ 2 =26 ms), en ağır 2 4 2 U (7 T J/2 =i6,8 dk). 6 nükleer izomer vardır. Doğal uranyum üç radyoaktif izotop içerir: 2 8 ve (%99, 2 739, Ti/ 2 = 4,47109 l), 2 35 U (%0,7205, G, / 2 = 7,04-109 yıl) ve 2 34 U (%0,0056, ti/ 2=2,48-yuz1). Doğal uranyumun spesifik radyoaktivitesi 2,48104 Bq olup, neredeyse yarısı 234 U ile 288 U arasında bölünmüştür; 2 35U küçük bir katkı sağlar (doğal uranyumdaki 2 zi izotopunun spesifik aktivitesi, 2 3 8 U'nun aktivitesinden 21 kat daha azdır). Termal nötron yakalama kesitleri 2 zzi, 2 35U ve 2 3 8 U için sırasıyla 46, 98 ve 2,7 barn'dır; bölme bölümü 527 ve 584 ahır için sırasıyla 2 zzi ve 2 z 8 ve; izotopların doğal karışımı (%0,7 235U) 4,2 ahır.

Masa 1. Nükleer fiziksel özellikler 2 sa9 Ri ve 2 35T.

Masa 2. Nötron yakalama 2 35T ve 2z8C.

Uranyumun altı izotopu kendiliğinden fisyon yeteneğine sahiptir: 282 U, 2 zzi, 234 U, 235 U, 2 z 6 i ve 2 z 8 i. Hem termal hem de hızlı nötronların etkisi altında doğal izotoplar 2 33 ve 2 35 U fisyonu ve 2 3 8 çekirdekler, yalnızca 1,1 MeV'den daha fazla enerjiye sahip nötronları yakaladıklarında fisyon yapabilirler. Daha düşük enerjiye sahip nötronları yakalarken, 288 U çekirdeği önce 2 -i9U çekirdeğine dönüşür, daha sonra p-bozunumuna uğrar ve önce 2 -"*9Np'ye, ardından 2 39Pu'ya dönüşür. Termal nötronların yakalanması için etkili kesitler 2 34U nötron, 2 çekirdek 35U ve 2 3 8 ve sırasıyla 98, 683 ve 2,7 barn'a eşittir.2 35 U'nun tam fisyonu, 2-107 kWh / kg'lık bir “termal enerji eşdeğerine” yol açar.İzotoplar 2 35 U ve 2 zzi, fisyon zincir reaksiyonunu destekleyebilen nükleer yakıt olarak kullanılır.

Nükleer reaktörler kütle numaraları 227-^240 olan n adet yapay uranyum izotopu üretir; bunların en uzun ömürlü olanı 233U'dur (7 V2 =i.62 *io 5 yıl); toryumun nötron ışınlaması ile elde edilir. Termonükleer bir patlamanın süper güçlü nötron akışlarında kütle numarası 239^257 olan uranyum izotopları doğar.

Uran-232- teknojenik nüklid, a-yayıcı, T x / 2=68,9 yıl, ana izotoplar 2 saat 6 Pu(a), 23 2 Np(p*) ve 23 2 Ra(p), yavru çekirdek 228 Th. Kendiliğinden fisyonun yoğunluğu 0,47 bölüm/s kg'dir.

Uranyum-232 aşağıdaki bozunmaların bir sonucu olarak oluşur:

Nüklit *3 a Np'nin P + - bozunması (Ti/ 2 =14,7 dk):

Nükleer endüstride, toryum yakıt döngüsünde bölünebilir (silah sınıfı) nüklid 2zi'nin sentezi sırasında bir yan ürün olarak 2 3 2 U üretilir. 2 3 2 Th nötronlarla ışınlandığında ana reaksiyon meydana gelir:

ve iki aşamalı bir yan reaksiyon:

Toryumdan 232 U üretimi yalnızca hızlı nötronlarla gerçekleşir (E">6 MeV). Başlangıç ​​maddesi 2 3°TH içeriyorsa, 2 3 2 U'nun oluşumu şu reaksiyonla tamamlanır: 2 3°TH + u-> 2 3'TH. Bu reaksiyon termal nötronlar kullanılarak gerçekleşir. 2 3 2 U'nun oluşturulması çeşitli nedenlerden dolayı istenmemektedir. Minimum 2 3°TH konsantrasyonuna sahip toryum kullanılarak bastırılır.

2 × 2'nin bozunumu aşağıdaki yönlerde gerçekleşir:

228 Th'deki bir bozunum (olasılık %10, bozunma enerjisi 5,414 MeV):

yayılan alfa parçacıklarının enerjisi 5,263 MeV (vakaların %31,6'sında) ve 5,320 MeV'dir (vakaların %68,2'sinde).

• - kendiliğinden bölünme (olasılık ~%12'den az);
• - 28 Mg nüklid oluşumu ile küme bozunması (bozunma olasılığı 5*10" %12'den az):

Nüklit 2 oluşumuyla küme bozulması

Uranyum-232, sert y-kuanta yayıcıları olan nüklitleri içeren uzun bir bozunma zincirinin kurucusudur:

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

Toryum enerji döngüsünde 2zi üretimi sırasında 2 3 2 U'nun birikmesi kaçınılmazdır. 2 3 2 U'nun bozunmasından kaynaklanan yoğun y-radyasyonu toryum enerjisinin gelişimini engellemektedir. Alışılmadık olan şey, 2 3 2 11 izotopunun, nötronların etkisi altında yüksek bir fisyon kesitine (termal nötronlar için 75 ahır) ve ayrıca yüksek bir nötron yakalama kesitine - 73 ahıra sahip olmasıdır. 2 3 2 U, kimyasal araştırmalarda radyoaktif izleyici yönteminde kullanılır.

2 saat 2 ve sert y-kuantanın nüklid yayıcılarını içeren uzun bir bozunma zincirinin kurucusudur (2 saat 2 T şemasına göre). Toryum enerji döngüsünde 2zi üretimi sırasında 2 3 2 U'nun birikmesi kaçınılmazdır. 232 U'nun bozunmasından kaynaklanan yoğun y-radyasyonu toryum enerjisinin gelişimini engellemektedir. Alışılmadık olan şey, 2 3 2 U izotopunun, nötronların etkisi altında yüksek bir fisyon kesitine (termal nötronlar için 75 ahır) ve ayrıca yüksek bir nötron yakalama kesitine - 73 ahıra sahip olmasıdır. 2 3 2 U, kimyasal ve fiziksel araştırmalarda radyoaktif izleyici yönteminde sıklıkla kullanılır.

Uran-233- insan yapımı radyonüklid, a-yayıcı (enerji 4,824 (%82,7) ve 4,783 MeV (%14,9), Tvi= 1,585105 yıl, ana çekirdekler 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +)-> 2 ззРа(р), yavru çekirdek 22 9Th. Toryumdan nükleer reaktörlerde 2 zzi elde edilir: 2 z 2 Th bir nötron yakalar ve 2 zzT'ye dönüşür, bu da 2 zzRa'ya ve ardından 2 zzi'ye bozunur. 2zi'nin (tek izotop) çekirdekleri, herhangi bir enerjideki nötronların etkisi altında hem kendiliğinden fisyon hem de fisyon yeteneğine sahiptir, bu da onu hem atom silahlarının hem de reaktör yakıtının üretimi için uygun kılar. Etkili fisyon kesiti 533 ahırdır, yakalama kesiti 52 ahırdır, nötron verimi: fisyon olayı başına - 2,54, emilen nötron başına - 2,31. 2 zzi'nin kritik kütlesi, 2 35U'nun (-16 kg) kritik kütlesinden üç kat daha azdır. Kendiliğinden fisyonun yoğunluğu 720 bölüm/s kg'dir.

Uranyum-233 aşağıdaki bozunmaların bir sonucu olarak oluşur:

- (nüklid 2 33Np'nin 3 + - bozunması (7^=36,2 dk):

Endüstriyel ölçekte, 2 32Th'den nötronlarla ışınlama yoluyla 2 zi elde edilir:

Bir nötron emildiğinde, 2 zzi çekirdeği genellikle bölünür, ancak ara sıra bir nötron yakalayarak 2 34U'ya dönüşür. 2 zzi genellikle bir nötron emdikten sonra bölünse de bazen bir nötronu tutarak 2 34U'ya dönüşür. 2 zir üretimi hem hızlı hem de termal reaktörlerde gerçekleştirilmektedir.

Silah açısından bakıldığında 2 ZZI, 2 39Pu ile karşılaştırılabilir: radyoaktivitesi 2 39Pu aktivitesinin 1/7'sidir. (Ti/ 2 = 159200 litreye karşılık Pu için 24100 litre), 2zi'nin kritik kütlesi ^Pu'nunkinden %60 daha yüksektir (16 kg'a karşı 10 kg) ve kendiliğinden fisyon oranı 20 kat daha yüksektir (bth - ' 310 10'a karşı). 2 zzi'den gelen nötron akışı, 2 39Pi'den üç kat daha yüksektir. 2zi'ye dayalı bir nükleer yük oluşturmak ^Pi'ye göre daha fazla çaba gerektirir. Ana engel, 2ZZI'de 232 U safsızlığının varlığıdır; bozunma projelerinin y-radyasyonu, 2ZZI ile çalışmayı zorlaştırır ve bitmiş silahların tespit edilmesini kolaylaştırır. Ayrıca 2 3 2 U'nun kısa yarı ömrü onu aktif bir alfa parçacıkları kaynağı yapar. %1 232 içeren 2zi ve silah sınıfı plütonyumdan üç kat daha güçlü a-aktiviteye ve buna bağlı olarak daha fazla radyotoksisiteye sahiptir. Bu a-aktivite, silah yükünün hafif elementlerinde nötronların oluşmasına neden olur. Bu sorunu en aza indirmek için Be, B, F, Li gibi elementlerin varlığının minimum düzeyde olması gerekir. Bir nötron arka planının varlığı, patlama sistemlerinin çalışmasını etkilemez, ancak top devreleri, hafif elementler için yüksek düzeyde saflık gerektirir.Silah sınıfı 2 z'deki 23 2 U içeriği, milyonda 5 parçayı (%0,0005) geçmemelidir. Termik güç reaktörlerinin yakıtında, 2 3G'nin varlığı zararlı değildir ve hatta arzu edilir, çünkü uranyumun silah amacıyla kullanılma olasılığını azaltır.Harcanan yakıtın yeniden işlenmesi ve yakıtın yeniden kullanılmasından sonra, 232U içeriği yaklaşık 1+ değerine ulaşır. %0,2.

2zi'nin bozunumu aşağıdaki yönlerde meydana gelir:

22 9Th'deki bir bozunma (%10 olasılık, bozunma enerjisi 4,909 MeV):

yayılan yahr parçacıklarının enerjisi 4,729 MeV (vakaların %1,61'inde), 4,784 MeV (vakaların %13,2'sinde) ve 4,824 MeV'dir (vakaların %84,4'ünde).

• - kendiliğinden bölünme (olasılık
• - 28 Mg nüklid oluşumu ile küme bozunması (bozunma olasılığı %1,3*10_13'ten az):

24 Ne nüklit oluşumu ile küme bozunması (bozunma olasılığı 7,3-10-“%):

2 zzi'nin bozunma zinciri neptunyum serisine aittir.

2zi'nin spesifik radyoaktivitesi 3.57-8 Bq/g'dir ve bu, plütonyumun -%15'lik a-aktivitesine (ve radyotoksisitesine) karşılık gelir. Sadece %1 2 3 2 U, radyoaktiviteyi 212 mCi/g'ye yükseltir.

Uran-234(Uranüs II, UIII) doğal uranyumun bir kısmı (%0,0055), 2,445105 yıl, a-yayıcı (a-parçacıklarının enerjisi 4,777 (%72) ve

4,723 (%28 MeV), ana radyonüklidler: 2 saat 8 Pu(a), 234 Pa(P), 234 Np(p +),

2 z”deki yavru izotop.

Tipik olarak 234 U, 2 saat 8 u ile dengededir ve aynı oranda bozunur ve oluşur. Doğal uranyumun radyoaktivitesinin yaklaşık yarısı 234U'dan kaynaklanmaktadır. Tipik olarak 234U, saf 2x8 Pu'nun eski preparatlarının iyon değişim kromatografisi ile elde edilir. A-bozunması sırasında, *zRi 2 34U verir, dolayısıyla 2 saatlik 8 Ru'luk eski preparatlar iyi 2 34U kaynaklarıdır. yuo g 238Pi, bir yıl sonra 776 mg 2 34U, 3 yıl sonra içerir

2,2 gr 2 34U. Yüksek derecede zenginleştirilmiş uranyumdaki 2 34U konsantrasyonu, hafif izotoplarla tercihli zenginleştirme nedeniyle oldukça yüksektir. 2 34u güçlü bir y yayıcı olduğundan, yakıt olarak işlenmesi amaçlanan uranyumdaki konsantrasyonu konusunda kısıtlamalar vardır. Reaktörler için artan 234i seviyeleri kabul edilebilir, ancak yeniden işlenmiş kullanılmış yakıt zaten bu izotopun kabul edilemez seviyelerini içermektedir.

234i'nin bozunması aşağıdaki yönlerde meydana gelir:

2 3°Т'de A bozunması (olasılık %100, bozunma enerjisi 4,857 MeV):

yayılan alfa parçacıklarının enerjisi 4,722 MeV (vakaların %28,4'ünde) ve 4,775 MeV'dir (vakaların %71,4'ünde).

• - kendiliğinden bölünme (olasılık %1,73-10-9).
• - 28 Mg nüklid oluşumu ile küme bozunması (diğer verilere göre bozunma olasılığı %1,4-10, %3,9-10):

• - 2 4Ne ve 26 Ne nüklidlerinin oluşumu ile küme bozunması (bozunma olasılığı 9-10", %2, diğer verilere göre %2,3-10_11):

Bilinen tek izomer 2 34ti'dir (Tx/ 2 = 33,5 μs).

2 34U termal nötronun soğurma kesiti 100 barn'dır ve çeşitli ara nötronlar üzerinden ortalaması alınan rezonans integrali için 700 barn'dır. Bu nedenle, termal nötron reaktörlerinde, çok daha büyük miktardaki 238U'nun (2,7 barn kesitli) 2 39Ru'ya dönüştürülmesinden daha hızlı bir şekilde bölünebilir 235U'ya dönüştürülür. Sonuç olarak kullanılmış yakıt, taze yakıttan daha az 2 34U içerir.

Uran-235 4P+3 ailesine ait olup, fisyon zincirleme reaksiyonu üretebilmektedir. Bu, nötronların etkisi altında zorla nükleer fisyon reaksiyonunun keşfedildiği ilk izotoptur. Bir nötron emildiğinde, 235U iki parçaya bölünerek enerji açığa çıkaran ve birkaç nötron yayan 2 zbi haline gelir. Herhangi bir enerjideki nötronlar tarafından bölünebilen ve kendiliğinden bölünme yeteneğine sahip olan izotop 2 35U, doğal ufanın (%0,72) bir parçasıdır, bir a-yayıcıdır (enerjiler 4,397 (%57) ve 4,367 (%18 MeV), Ti/j=7,038-8 yıl, anne nüklidleri 2 35Pa, 2 35Np ve 2 39Pu, kız çocuğu - 23Th. Kendiliğinden fisyon hızı 2 3su 0,16 fisyon/s kg. Bir adet 2 adet 35U çekirdek fisyonunda 200 MeV enerji = 3,210 p J açığa çıkar; 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Termal nötronlar tarafından fisyonun kesiti 545 ahırdır ve hızlı nötronlar tarafından - 1,22 ahır, nötron verimi: fisyon eylemi başına - 2,5, emilen nötron başına - 2,08.

Yorum. İzotop 2 sii'yi (oo ahır) üretmek için yavaş nötron yakalamaya yönelik kesit, böylece toplam yavaş nötron absorpsiyon kesiti 645 ahırdır.

• - kendiliğinden bölünme (olasılık 7*10~%9);
• - 2 °Ne, 2 5Ne ve 28 Mg nüklitlerin oluşumuyla küme bozunması (olasılıklar sırasıyla %8-io_10, 8-kg %10, 8*10",%0'dır):

Pirinç. 1.

Bilinen tek izomer 2 35n»u'dur (7/ 2 = 2b dk).

Spesifik aktivite 2 35C 7.77-4 Bq/g. Reflektörlü bir top için silah kalitesinde uranyumun kritik kütlesi (%93,5 2 35U) 15-7-23 kg'dır.

Fisyon 2 » 5U atom silahlarında, enerji üretiminde ve önemli aktinitlerin sentezinde kullanılır. Zincirleme reaksiyon, 2°35C'deki fisyon sırasında üretilen nötronların fazlalığıyla sürdürülür.

Uran-236 Dünya'da doğal olarak eser miktarlarda bulunur (Ay'da daha fazlası vardır), a-yayıcı (?

Pirinç. 2. Radyoaktif aile 4/7+2 (-з 8 и dahil).

Bir atomik reaktörde, 2 sz termal bir nötronu emer, ardından% 82 olasılıkla fisyona uğrar ve% 18 olasılıkla bir y-kuantumu yayar ve 2 sb'ye dönüşür ve (100 fisyon çekirdeği için 2 35U var) 22 tane oluşturulmuş çekirdek 2 3 6 U) . Küçük miktarlarda taze yakıtın bir parçasıdır; Uranyum bir reaktörde nötronlarla ışınlandığında birikir ve bu nedenle kullanılmış nükleer yakıt için bir "sinyal cihazı" olarak kullanılır. 2 hb ve kullanılmış nükleer yakıtın rejenerasyonu sırasında izotopların gaz difüzyonu ile ayrılması sırasında bir yan ürün olarak oluşur. 236 U, bir güç reaktöründe oluşan bir nötron zehiridir; nükleer yakıttaki varlığı, yüksek düzeyde zenginleştirme 2 35 U ile telafi edilir.

2 z b ve okyanus sularının karışmasının izleyicisi olarak kullanılır.

Uranyum-237,T&= 6,75 gün, beta ve gama yayıcı, nükleer reaksiyonlardan elde edilebilir:

Tespit 287 ve aynı doğrultuda gerçekleştirildi Ey= o,ob MeV (%36), 0,114 MeV (%0,06), 0,165 MeV (%2,0), 0,208 MeV (%23)

237U, kimyasal araştırmalarda radyotracer yönteminde kullanılır. Atom silah testlerinden kaynaklanan serpintideki konsantrasyonun (2-4°Am) ölçülmesi, şarjın türü ve kullanılan ekipman hakkında değerli bilgiler sağlar.

Uran-238- 4P+2 ailesine aittir, yüksek enerjili nötronlar (1,1 MeV'den fazla) tarafından bölünebilir, kendiliğinden bölünebilir, doğal uranyumun temelini oluşturur (%99,27), a-yayıcı, 7'; /2=4>468-109 yıl, doğrudan 2 34Th'ye bozunur, genetik olarak ilişkili bir dizi radyonüklit oluşturur ve 18 üründen sonra 206 Рb'ye dönüşür. Saf 2 3 8 U'nun spesifik radyoaktivitesi 1,22-104 Bq'dur. Yarı ömür çok uzundur - yaklaşık 10-16 yıl, dolayısıyla ana süreçle (bir alfa parçacığının emisyonu) ilişkili olarak fisyon olasılığı yalnızca 10" 7'dir. Bir kilogram uranyum, saniyede yalnızca 10 kendiliğinden fisyon sağlar, ve aynı zamanda alfa parçacıkları 20 milyon çekirdek yayar Ana çekirdekler: 2 4 2 Pu(a), *38ra(p-) 234Th, yavru T,/ 2 = 2 :Ben 4 Th.

Uranyum-238 aşağıdaki bozunmaların bir sonucu olarak oluşur:

2 (V0 4) 2 ] 8H 2 0. İkincil mineraller arasında, hidratlanmış kalsiyum uranil fosfat Ca(U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0 yaygındır. Minerallerdeki uranyuma genellikle diğer yararlı elementler eşlik eder - titanyum , tantal, nadir topraklar. Bu nedenle uranyum içeren cevherlerin karmaşık işlenmesi için çabalamak doğaldır.

Uranyumun temel fiziksel özellikleri: atom kütlesi 238.0289 amu. (g/mol); atom yarıçapı 138 pm (1 pm = 12 m); iyonlaşma enerjisi (ilk elektron 7,11 eV; elektronik konfigürasyon -5f36d‘7s 2; oksidasyon durumları 6, 5, 4, 3; GP l = 113 2, 2 °; T t,1=3818°; yoğunluk 19.05; özgül ısı kapasitesi 0,115 JDKmol); gerilme mukavemeti 450 MPa, füzyon ısısı 12,6 kJ/mol, buharlaşma ısısı 417 kJ/mol, özgül ısı 0,115 J/(mol-K); molar hacim 12,5 cm3/mol; karakteristik Debye sıcaklığı © D =200K, süperiletken duruma geçiş sıcaklığı yaklaşık.68K.

Uranyum ağır, gümüşi beyaz, parlak bir metaldir. Çelikten biraz daha yumuşaktır, dövülebilir, esnektir, hafif paramanyetik özelliklere sahiptir ve toz halinde piroforiktir. Uranyumun üç allotropik formu vardır: alfa (ortorombik, a-U, kafes parametreleri 0=285, b= 587, c=49b pm, 667,7°'ye kadar kararlı), beta (dörtgen, p-U, 667,7'den 774,8°'ye kadar kararlı), gama (kübik gövde merkezli kafes ile, y-U, 774,8°'den erime noktalarına kadar mevcut, frm= ii34 0), burada uranyum en dövülebilir ve işlenmeye en uygun olanıdır.

Oda sıcaklığında ortorombik a-fazı stabildir; prizmatik yapı düzleme paralel dalgalı atomik katmanlardan oluşur. ABC, son derece asimetrik prizmatik bir kafes içinde. Katmanlar içinde atomlar sıkı bir şekilde bağlanırken, bitişik katmanlardaki atomlar arasındaki bağların gücü çok daha zayıftır (Şekil 4). Bu anizotropik yapı, uranyumun diğer metallerle alaşımlanmasını zorlaştırır. Yalnızca molibden ve niyobyum, uranyumla katı fazlı alaşımlar oluşturur. Ancak uranyum metali birçok alaşımla etkileşime girerek intermetalik bileşikler oluşturabilir.

668^775° aralığında (3-uranyum) bulunur. Dörtgen tip kafes, düzleme paralel katmanlardan oluşan katmanlı bir yapıya sahiptir. ab 1/4С, 1/2 konumlarında İle ve birim hücrenin 3/4C'si. 775°'nin üzerindeki sıcaklıklarda vücut merkezli kübik kafesli y-uranyum oluşur. Molibden ilavesi, y fazının oda sıcaklığında mevcut olmasını sağlar. Molibden, y-uranyum ile geniş bir yelpazede katı çözeltiler oluşturur ve y-fazını oda sıcaklığında stabilize eder. y-Uranyum, kırılgan a- ve (3-fazlarından) çok daha yumuşak ve daha dövülebilirdir.

Nötron ışınlaması, uranyumun fiziksel ve mekanik özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir; numunenin boyutunda bir artışa, şekil değişikliğine ve ayrıca uranyum bloklarının mekanik özelliklerinde (sürünme, gevrekleşme) keskin bir bozulmaya neden olur. nükleer reaktörün işletilmesi. Hacimdeki artış, daha düşük yoğunluğa sahip elementlerin safsızlıklarının bölünmesi sırasında uranyumun birikmesinden kaynaklanmaktadır (çeviri). 1% Uranyumun parçalanma elemanlarına dönüştürülmesi hacmi %3,4 artırır.

Pirinç. 4. Uranyumun bazı kristal yapıları: a - a-uranyum, b - p-uranyum.

Uranyumun metalik halde elde edilmesinin en yaygın yöntemleri, florürlerinin alkali veya toprak alkali metallerle indirgenmesi veya erimiş tuzların elektrolizidir. Uranyum ayrıca tungsten veya tantal içeren karbürlerden metalotermik indirgeme yoluyla da elde edilebilir.

Elektronları kolayca verme yeteneği, uranyumun indirgeyici özelliklerini ve daha büyük kimyasal aktivitesini belirler. Uranyum, soy gazlar hariç hemen hemen tüm elementlerle etkileşime girebilir ve +2, +3, +4, +5, +6 oksidasyon durumlarını elde edebilir. Çözümde ana değer 6+'dır.

Havada hızla oksitlenen metalik uranyum, yanardöner bir oksit filmi ile kaplanır. İnce uranyum tozu havada (1504-175° sıcaklıklarda) kendiliğinden tutuşarak oluşur ve;) Ov. 1000°C'de uranyum nitrojenle birleşerek sarı uranyum nitrür oluşturur. Su, metalle düşük sıcaklıklarda yavaş, yüksek sıcaklıklarda hızlı bir şekilde reaksiyona girebilir. Uranyum, kaynar su ve buharla şiddetli reaksiyona girerek uranyumla bir hidrit oluşturan hidrojeni açığa çıkarır.

Bu reaksiyon uranyumun oksijende yanmasından daha enerjiktir. Uranyumun bu kimyasal aktivitesi, nükleer reaktörlerdeki uranyumun suyla temasından korunmasını gerekli kılmaktadır.

Uranyum hidroklorik, nitrik ve diğer asitlerde çözünerek U(IV) tuzlarını oluşturur, ancak alkalilerle etkileşime girmez. Uranyum, inorganik asitlerdeki hidrojeni ve cıva, gümüş, bakır, kalay, platin ve altın gibi metallerin tuz çözeltilerini uzaklaştırır. Kuvvetli bir şekilde sallandığında uranyumun metal parçacıkları parlamaya başlar.

Uranyum atomunun elektron kabuklarının yapısal özellikleri (^/-elektronların varlığı) ve bazı fizikokimyasal özellikleri, uranyumun aktinit serisinin bir üyesi olarak sınıflandırılmasının temelini oluşturur. Ancak uranyum ile Cr, Mo ve W arasında kimyasal bir benzerlik vardır. Uranyum oldukça reaktiftir ve soy gazlar dışındaki tüm elementlerle reaksiyona girer. Katı fazda U(VI) örnekleri, uranil trioksit U03 ve uranil klorür U02C12'dir. Uranyum tetraklorür UC1 4 ve uranyum dioksit U0 2

U(IV) örnekleri. U(IV) içeren maddeler genellikle kararsızdır ve uzun süre havaya maruz kaldığında altı değerlikli hale gelir.

Uranyum-oksijen sisteminde altı oksit bulunur: UO, U0 2, U 4 0 9 ve 3 Ov, U0 3. Geniş bir homojenlik yelpazesi ile karakterize edilirler. U0 2 bazik bir oksittir, U0 3 ise amfoteriktir. U0 3 - en önemlileri diuranik asit H2 U207 ve uranik asit H21U4 olan bir dizi hidrat oluşturmak üzere suyla etkileşime girer. Alkalilerle U0 3, bu asitlerin - uranatların tuzlarını oluşturur. U03 asitler içinde çözündüğünde çift yüklü uranil katyonu U02a+'nın tuzları oluşur.

Stokiyometrik bileşime sahip Uranyum dioksit, U0 2 kahverengidir. Oksitteki oksijen içeriği arttıkça renk koyu kahverengiden siyaha döner. CaF 2 tipinin kristal yapısı, A = 0,547 nm; yoğunluk 10,96 g/cm"* (uranyum oksitler arasında en yüksek yoğunluk). T , pl =2875 0 , Teşekkürler = 3450°, D#°298 = -1084,5 kJ/mol. Uranyum dioksit delik iletkenliğine ve güçlü bir paramanyetik özelliğe sahip bir yarı iletkendir. MPC = 0,015 mg/m3. Suda çözünmez. -200° sıcaklıkta oksijen ekleyerek U0 2>25 bileşimine ulaşır.

Uranyum (IV) oksit aşağıdaki reaksiyonlarla hazırlanabilir:

Uranyum dioksit yalnızca temel özellikler gösterir; daha sonra hidratlanmış hidroksit U0 2 H 2 0'ya dönüştürülen bazik hidroksit U(OH) 4'e karşılık gelir. Uranyum dioksit, atmosferik oksijenin yokluğunda güçlü oksitleyici olmayan asitlerde yavaş yavaş çözünür. III + iyonlarının oluşumu:

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

Konsantre asitlerde çözünür ve flor iyonu eklenerek çözünme hızı önemli ölçüde arttırılabilir.

Nitrik asit içinde çözündüğünde uranil iyonu 1O22+ oluşumu meydana gelir:

Triuran oktaoksit U 3 0s (uranyum oksit), rengi siyahtan koyu yeşile kadar değişen bir tozdur; kuvvetlice ezildiğinde zeytin yeşili rengine döner. Büyük siyah kristaller porselen üzerinde yeşil çizgiler bırakır. U 3 0'un üç kristal modifikasyonu bilinmektedir h: a-U3C>8 - eşkenar dörtgen kristal yapısı (uzay grubu C222; 0 = 0,671 nm; 6 = 1,197 nm; c = 0,83 nm; D =0,839 nm); p-U 3 0e - eşkenar dörtgen kristal yapısı (uzay grubu Stst; 0=0,705 nm; 6=1,172 nm; 0=0,829 nm. Ayrışmanın başlangıcı oooo°'dir (100 2'ye geçiş), MPC = 0,075 mg/m3.

U 3 C>8 aşağıdaki reaksiyonla elde edilebilir:

U0 2, U0 2 (N0 3) 2, U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 veya (NH 4) 2 U 2 0 7'nin havada veya oksijen atmosferinde 750 0'de kalsinasyonuyla ( p = 150+750 mmHg) stokiyometrik olarak saf U 3 08 elde edilir.

U 3 0'lar T>oooo°'de kalsine edildiğinde 10 2'ye düşürülür, ancak havada soğutulduğunda U 3 0'lara geri döner. U 3 0e yalnızca konsantre güçlü asitlerde çözünür. Hidroklorik ve sülfürik asitlerde U(IV) ve U(VI) karışımı, nitrik asitte ise uranil nitrat oluşur. Seyreltik sülfürik ve hidroklorik asitler ısıtıldığında bile U3O'larla çok zayıf reaksiyona girer; oksitleyici maddelerin (nitrik asit, pirolusit) eklenmesi çözünme hızını keskin bir şekilde artırır. Konsantre H2S04, U3Os'u çözerek U(S04)2 ve U02S04'ü oluşturur. Nitrik asit U3Oe'yi çözerek uranil nitratı oluşturur.

Uranyum trioksit, U0 3 - parlak sarı renkte kristal veya amorf bir madde. Su ile reaksiyona girer. MPC = 0,075 mg/m3.

Amonyum poliuranatların, uranyum peroksitin, uranil oksalatın 300-500°'de ve uranil nitrat hekzahidratın kalsine edilmesiyle elde edilir. Bu, yoğunlukta amorf bir yapıya sahip turuncu bir toz üretir.

6,8 g/cm2. IU3'ün kristal formu, U308'in 450°saat-750° sıcaklıklarda bir oksijen akışında oksidasyonu yoluyla elde edilebilir. U0 3'ün altı kristal modifikasyonu vardır (a, (3, y> §> ?, n) - U0 3 higroskopiktir ve nemli havada uranil hidroksite dönüşür. 520°-^6oo°'de ısıtılması bileşimin bir bileşiğini verir. 1U 2>9, 6oo°'ye daha fazla ısıtmak U3Os elde edilmesini sağlar.

Hidrojen, amonyak, karbon, alkali ve alkalin toprak metalleri U0 3'ü U0 2'ye düşürür. HF ve NH3 gazlarının bir karışımını geçerken UF 4 oluşur. Daha yüksek değerlikte uranyum amfoterik özellikler sergiler. U0 3 asitlerine veya hidratlarına maruz kaldığında sarı-yeşil renkte uranil tuzları (U0 2 2+) oluşur:

Uranil tuzlarının çoğu suda oldukça çözünür.

Alkalilerle birleştirildiğinde U0 3, uranik asit tuzları oluşturur - MDKH uranatlar:

Alkali çözeltilerle uranyum trioksit, poliuranik asitlerin tuzlarını oluşturur - poliuranatlar DHM 2 0y1U 3 pH^O.

Uranik asit tuzları suda pratik olarak çözünmez.

U(VI)'nın asidik özellikleri bazik olanlardan daha az belirgindir.

Uranyum oda sıcaklığında flor ile reaksiyona girer. Yüksek halojenürlerin stabilitesi florürlerden iyodürlere doğru azalır. UF 3, U4F17, U2F9 ve UF 4 florürleri uçucu değildir ve UFe uçucudur. En önemli florürler UF 4 ve UFe'dir.

Uygulamaya göre Ftppippiyanir okgilya t"yanya ppptrkart:

Akışkan yataktaki reaksiyon aşağıdaki denkleme göre gerçekleştirilir:

Florlama maddelerinin kullanılması mümkündür: BrF 3, CC1 3 F (Freon-11) veya CC1 2 F2 (Freon-12):

Uranyum florür (1U) UF 4 (“yeşil tuz”) mavimsi-yeşilimsi ila zümrüt renginde bir tozdur. G11L = yuz6°; Гк,«,.=-1730°. DN° 29 8= 1856 kJ/mol. Kristal yapısı monokliniktir (sp. gp. C2/s; 0=1.273 nm; 5=1.075 nm; 0=0.843 nm; d= 6,7 nm; p=12b°20"; yoğunluk 6,72 g/cm3. UF 4 kararlı, inaktif, uçucu olmayan bir bileşiktir, suda az çözünür. UF 4 için en iyi çözücü dumanlı perklorik asit HC10 4'tür. Oksitleyici asitlerde çözünerek oluşturmak üzere bir uranil tuzu, sıcak bir Al(N03)3 veya AlCl3 çözeltisinin yanı sıra H2S04, HC104 veya HC1 ile asitlendirilmiş bir borik asit çözeltisi içinde hızla çözünür. örneğin Fe3 +, Al3 + veya borik asit de UF 4'ün çözünmesine katkıda bulunur. Diğer metallerin florürleri ile bir dizi zayıf çözünen çift tuz (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7, vb.) oluşturur. NH 4 UF 5 endüstriyel öneme sahiptir.

U(IV) florür preparasyonda bir ara üründür

hem UF6 hem de uranyum metali.

UF 4 reaksiyonlarla elde edilebilir:

veya uranil florürün elektrolitik indirgenmesi yoluyla.

Uranyum hekzaflorür UFe - oda sıcaklığında, yüksek kırılma indeksine sahip fildişi renkli kristaller. Yoğunluk

5,09 g/cm2, sıvı UFe'nin yoğunluğu - 3,63 g/cm2. Uçucu bileşik. Tvoag = 5^>5°> Gil=b4,5° (basınç altında). Doymuş buhar basıncı atmosfere 560°'de ulaşır. Oluşum entalpisi AH° 29 8 = -211b kJ/mol. Kristal yapısı ortorombiktir (uzay grubu. Rpt; 0=0,999 nm; fe= 0,8962 nm; c=o.5207 nm; D 5.060 nm (25 0). MPC - 0,015 mg/m3. UF6, katı halden geniş bir basınç aralığında sıvı fazı atlayarak bir gaza süblimleşebilir (süblimleşebilir). 50 0 50 kJ/mg'de süblimleşme ısısı. Molekülün dipol momenti yoktur, dolayısıyla UF6 birleşmez. UFr buharı ideal bir gazdır.

Florun U bileşiği üzerindeki etkisi ile elde edilir:

Gaz fazı reaksiyonlarının yanı sıra sıvı faz reaksiyonları da vardır.

örneğin haloflorürler kullanarak UF6 üretmek

UF6'yı flor kullanmadan elde etmenin bir yolu vardır - UF4'ün oksidasyonu ile:

UFe kuru hava, oksijen, nitrojen ve C0 2 ile reaksiyona girmez, ancak su ile temas ettiğinde, hatta izleri bile hidrolize uğrar:

Çoğu metalle etkileşime girerek florürlerini oluşturur ve bu da depolama yöntemlerini zorlaştırır. UF6 ile çalışmak için uygun kap malzemeleri şunlardır: ısıtıldığında Ni, Monel ve Pt, soğukta - ayrıca Teflon, tamamen kuru kuvars ve cam, bakır ve alüminyum. 25-0°C sıcaklıklarda alkali metallerin florürleri ve 3NaFUFr>, 3KF2UF6 tipi gümüş ile kompleks bileşikler oluşturur.

Çeşitli organik sıvılarda, inorganik asitlerde ve tüm haloflorürlerde iyi çözünür. Kurumaya karşı inert 0 2, N 2, C0 2, C1 2, Br 2. UFr, çoğu saf metalle indirgeme reaksiyonları ile karakterize edilir. UF6, hidrokarbonlar ve diğer organik maddelerle güçlü bir şekilde reaksiyona girer, bu nedenle UFe içeren kapalı kaplar patlayabilir. 25 -r100° aralığındaki UF6, alkali ve diğer metallerin florürleri ile kompleks tuzlar oluşturur. Bu özellik, UF'nin seçici ekstraksiyonu teknolojisinde kullanılır.

Uranyum hidritler UH2 ve UH3, tuz benzeri hidritler ile metaldeki katı hidrojen çözeltileri tipindeki hidritler arasında bir ara pozisyonda bulunur.

Uranyum nitrojenle reaksiyona girdiğinde nitrürler oluşur. U-N sisteminde bilinen dört faz vardır: UN (uranyum nitrür), a-U 2 N 3 (seskuinitrid), p- U 2 N 3 ve BM If90. UN 2 (dinitrid) bileşimine ulaşmak mümkün değildir. Uranyum mononitrür UN sentezleri güvenilirdir ve iyi kontrol edilir; bunlar en iyi şekilde doğrudan elementlerden gerçekleştirilir. Uranyum nitrürler, rengi koyu griden griye değişen toz halindeki maddelerdir; metale benziyor. UN, NaCl (0 = 4,8892 A) gibi kübik yüzey merkezli bir kristal yapıya sahiptir; (/=14.324, 7^=2855°, vakumda 1700 0'a kadar stabildir. U veya U hidrürün N2 ile reaksiyona sokulmasıyla hazırlanır. veya NH3, daha yüksek U nitrürlerin 1300°'de ayrışması veya bunların uranyum metali ile indirgenmesi. U2N3'ün iki polimorfik modifikasyonu bilinmektedir: kübik a ve altıgen p (0 = 0,3688 nm, 6 = 0,5839 nm), 800°'nin üzerindeki bir vakumda N2'yi serbest bırakır. UN 2'nin hidrojen ile indirgenmesiyle elde edilir. UN2 dinitrid, U'nun yüksek N2 basıncı altında N2 ile reaksiyona sokulmasıyla sentezlenir. Uranyum nitrürler asitlerde ve alkali çözeltilerde kolayca çözünür, ancak erimiş alkaliler tarafından ayrıştırılır.

Uranyum nitrür, uranyum oksidin iki aşamalı karbotermik indirgenmesiyle elde edilir:

Argonda 7M450 0'da 10*20 saat ısıtma

UN 2 dinitride yakın bir bileşime sahip uranyum nitrür, UF 4'ün yüksek sıcaklık ve basınçta amonyağa maruz bırakılmasıyla elde edilebilir.

Uranyum dinitrür ısıtıldığında ayrışır:

2 35 U'da zenginleştirilmiş uranyum nitrür, modern güç reaktörlerinin geleneksel yakıtı olan uranyum oksitlerden daha yüksek bir fisyon yoğunluğuna, termal iletkenliğe ve erime noktasına sahiptir. Aynı zamanda geleneksel yakıtlara göre üstün mekanik özelliklere ve stabiliteye sahiptir. Bu nedenle, bu bileşiğin hızlı nötron reaktörlerinde (IV. nesil nükleer reaktörler) nükleer yakıt için umut verici bir temel olduğu düşünülmektedir.

Yorum. BM’yi ‘5N’ ile zenginleştirmek çok faydalı çünkü .4 N, (n,p) reaksiyonu yoluyla radyoaktif izotop 14 C'yi üreterek nötronları yakalama eğilimindedir.

Uranyum karbür UC 2 (?-fazı), metalik parlaklığa sahip açık gri kristalli bir maddedir. U-C sisteminde (uranyum karbürler), UC2 (?-fazı), UC2 (b 2-fazı), U2C3 (e-fazı), UC (b 2-fazı) - uranyum karbürleri vardır. Uranyum dikarbür UC 2 aşağıdaki reaksiyonlarla elde edilebilir:

U + 2C^UC 2 (54v)

Uranyum karbürler nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanılıyor; uzay roketi motorları için de umut verici yakıt olarak kullanılıyorlar.

Uranil nitrat, uranil nitrat, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Bu tuzdaki metalin rolü, uranil 2+ katyonu tarafından oynanır. Yeşilimsi bir renk tonuna sahip sarı kristaller, suda kolayca çözünür. Sulu bir çözelti asidiktir. Etanol, aseton ve eterde çözünür, benzen, toluen ve kloroformda çözünmez. Isıtıldığında kristaller erir ve HN03 ve H20 açığa çıkar. Kristalin hidrat havada kolayca buharlaşır. Karakteristik bir reaksiyon, NH3'ün etkisi altında sarı bir amonyum uranyum çökeltisinin oluşmasıdır.

Uranyum metal-organik bileşikler oluşturma yeteneğine sahiptir. Örnekler U(C5H5)4 bileşiminin siklopentadienil türevleri ve bunların halojenle ikame edilmiş u(C5H5)3G veya u(C5H5)2G2'dir.

Sulu çözeltilerde uranyum, U0 2 2+ uranil iyonu formundaki U(VI)'nın oksidasyon durumunda en kararlıdır. Daha az bir ölçüde U(IV) durumuyla karakterize edilir, ancak U(III) formunda da oluşabilir. U(V)'nin oksidasyon durumu IO2+ iyonu olarak mevcut olabilir, ancak bu durum orantısızlığa ve hidrolize eğilimi nedeniyle nadiren gözlemlenir.

Nötr ve asidik çözeltilerde U(VI), sarı bir uranil iyonu olan U0 2 2+ formunda bulunur. İyi çözünür uranil tuzları arasında nitrat U0 2 (N0 3) 2, sülfat U0 2 S0 4, klorür U0 2 C1 2, florür U0 2 F2, asetat U0 2 (CH3 C00) 2 bulunur. Bu tuzlar, farklı sayıda su molekülüne sahip kristalin hidratlar formundaki çözeltilerden salınır. Hafifçe çözünür uranil tuzları şunlardır: oksalat U0 2 C 2 0 4, fosfatlar U0 2 HP0 ve UO2P2O4, amonyum uranil fosfat UO2NH4PO4, sodyum uranil vanadat NaU0 2 V0 4, ferrosiyanür (U0 2) 2. Uranil iyonu, karmaşık bileşikler oluşturma eğilimi ile karakterize edilir. Böylece -, 4- tipi flor iyonlarına sahip kompleksler bilinmektedir; nitrat kompleksleri ' ve 2 *; sülfürik asit kompleksleri 2 " ve 4-; karbonat kompleksleri 4 " ve 2 ", vb. Alkaliler, uranil tuzlarının çözeltileri üzerinde etkili olduğunda, Me 2 U 2 0 7 tipi diuranatların az çözünür çökeltileri açığa çıkar (monouranatlar Me 2 U0 4 çözeltilerden izole edilmezler, uranyum oksitlerin alkalilerle füzyonu yoluyla elde edilirler. Me 2 U n 0 3 n+i poliuranatlar bilinmektedir (örneğin, Na 2 U60i 9).

U(VI), asidik çözeltilerde demir, çinko, alüminyum, sodyum hidrosülfit ve sodyum amalgam ile U(IV)'e indirgenir. Çözümler yeşil renktedir. Alkaliler bunlardan çökelir: hidroksit U0 2 (0H) 2, hidroflorik asit - florür UF 4 -2.5H 2 0, oksalik asit - oksalat U(C 2 0 4) 2 -6H 2 0. U 4+ iyonunun eğilimi vardır: uranil iyonlarından daha az kompleks oluşturur.

Çözeltideki Uranyum (IV), yüksek oranda hidrolize ve hidratlanmış U 4+ iyonları formundadır:

Asidik çözeltilerde hidroliz baskılanır.

Çözeltideki Uranyum (VI), uranil oksokasyonu oluşturur - U0 2 2+ Çok sayıda uranil bileşiği bilinmektedir; bunların örnekleri şunlardır: U0 3, U0 2 (C 2 H 3 0 2) 2, U0 2 C0 3 -2(NH4) ) 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, vb.

Uranil iyonunun hidrolizi üzerine bir dizi çok çekirdekli kompleks oluşur:

Daha fazla hidroliz ile U3 0s(0H)2 ve ardından U3 0 8 (0H)4 2 - ortaya çıkar.

Uranyumun niteliksel tespiti için kimyasal, ışıldayan, radyometrik ve spektral analiz yöntemleri kullanılır. Kimyasal yöntemler ağırlıklı olarak renkli bileşiklerin oluşumuna dayanmaktadır (örneğin, ferrosiyanürlü bir bileşiğin kırmızı-kahverengi rengi, hidrojen peroksitli sarı, arsenazo reaktifi ile mavi). Lüminesans yöntemi, birçok uranyum bileşiğinin UV ışınlarına maruz kaldığında sarımsı-yeşilimsi bir parıltı üretme yeteneğine dayanmaktadır.

Uranyumun kantitatif tespiti çeşitli yöntemlerle gerçekleştirilir. Bunlardan en önemlileri şunlardır: U(VI)'nın U(IV)'e indirgenmesini ve ardından oksitleyici ajanların çözeltileriyle titrasyonunu içeren hacimsel yöntemler; gravimetrik yöntemler - uranatların, peroksitin, U(IV) cupferranatların, hidroksikinolat, oksalatın vb. çökeltilmesi. ardından oooo°'de kalsinasyon yapılır ve U 3 0s tartılır; nitrat çözeltisindeki polarografik yöntemler, 10*7-g10-9 g uranyumun belirlenmesini mümkün kılar; çok sayıda kolorimetrik yöntem (örneğin, bir alkalin ortamda H202 ile, EDTA varlığında arsenazo reaktifi ile, dibenzoilmetan ile, bir tiyosiyanat kompleksi formunda vb.); NaF ile ne zaman kaynaştığını belirlemeyi mümkün kılan ışıldayan yöntem Yu 11 g uranyum.

235U, radyasyon tehlikesi grubu A'ya aittir, minimum önemli aktivite MZA = 3,7-10 4 Bq, 2 3 8'dir ve - grup D'ye göre MZA = 3,7-6 Bq (300 g).

Uranyum, aktinit ailesinden, atom numarası 92 olan kimyasal bir elementtir. En önemli nükleer yakıttır. Yerkabuğundaki konsantrasyonu yaklaşık milyonda 2 parçadır. Önemli uranyum mineralleri arasında uranyum oksit (U3O8), uraninit (UO2), karnotit (potasyum uranil vanadat), otenit (potasyum uranil fosfat) ve torbernit (sulu bakır uranil fosfat) bulunur. Bunlar ve diğer uranyum cevherleri nükleer yakıt kaynaklarıdır ve bilinen tüm geri kazanılabilir fosil yakıt yataklarından kat kat daha fazla enerji içerirler. 1 kg uranyum 92 U, 3 milyon kg kömürle aynı enerjiyi sağlar.

Keşif tarihi

Kimyasal element uranyum, gümüşi beyaz renkte, yoğun, sert bir metaldir. Sünek, dövülebilir ve cilalanabilir. Havada metal oksitlenir ve ezildiğinde tutuşur. Elektriği nispeten zayıf iletir. Uranyumun elektronik formülü 7s2 6d1 5f3'tür.

Element, 1789 yılında, kendisine yakın zamanda keşfedilen gezegen Uranüs'ün adını veren Alman kimyager Martin Heinrich Klaproth tarafından keşfedilmiş olsa da, metalin kendisi 1841 yılında Fransız kimyager Eugene-Melchior Peligot tarafından uranyum tetraklorürün (UCl 4) indirgenmesiyle izole edildi. potasyum.

Radyoaktivite

Periyodik tablonun 1869'da Rus kimyager Dmitri Mendeleev tarafından oluşturulması, dikkatleri bilinen en ağır element olarak uranyuma yöneltti ve 1940'ta neptunyumun keşfine kadar bu uranyumda kaldı. 1896'da Fransız fizikçi Henri Becquerel, uranyumdaki radyoaktivite olgusunu keşfetti. Bu özellik daha sonra başka birçok maddede de bulundu. Artık tüm izotopları radyoaktif olan uranyumun 238 U (%99,27, yarı ömür - 4.510.000.000 yıl), 235 U (%0,72, yarı ömür - 713.000.000 yıl) ve 234 U'nun (0.006) karışımından oluştuğu bilinmektedir. %, yarı ömür - 247.000 yıl). Bu, örneğin jeolojik süreçleri ve Dünya'nın yaşını incelemek için kayaların ve minerallerin yaşını belirlemeye olanak tanır. Bunu yapmak için uranyumun radyoaktif bozunmasının son ürünü olan kurşun miktarını ölçerler. Bu durumda 238 U başlangıç ​​elemanı, 234 U ise ürünlerden biridir. 235 U, aktinyumun bozunma serisine yol açar.

Zincirleme reaksiyonun keşfi

Kimyasal element uranyum, Alman kimyagerler Otto Hahn ve Fritz Strassmann'ın 1938'in sonunda yavaş nötronlarla bombardıman edildiğinde uranyumda nükleer fisyon keşfettikten sonra yaygın ilginin ve yoğun çalışmanın konusu haline geldi. 1939'un başlarında İtalyan-Amerikalı fizikçi Enrico Fermi, atomik fisyon ürünleri arasında zincirleme reaksiyon oluşturabilecek temel parçacıkların bulunabileceğini öne sürdü. 1939'da Amerikalı fizikçiler Leo Szilard ve Herbert Anderson'ın yanı sıra Fransız kimyager Frederic Joliot-Curie ve meslektaşları da bu öngörüyü doğruladılar. Daha sonraki çalışmalar, bir atomun bölünmesi sırasında ortalama 2,5 nötronun salındığını gösterdi. Bu keşifler, kendi kendine yeten ilk nükleer zincir reaksiyonuna (12/02/1942), ilk atom bombasına (07/16/1945), ilk savaşta kullanımına (08/06/1945), ilk nükleer denizaltıya (08/06/1945) yol açtı. 1955) ve ilk tam ölçekli nükleer santral (1957).

Oksidasyon durumları

Güçlü bir elektropozitif metal olan kimyasal element uranyum suyla reaksiyona girer. Asitlerde çözünür, ancak alkalilerde çözünmez. Önemli oksidasyon durumları +4 (UO2 oksit, UCl4 gibi tetrahalidler ve yeşil su iyonu U4+'da olduğu gibi) ve +6'dır (UO3 oksit, UF6 heksaflorür ve uranil iyonu UO22+'da olduğu gibi). Sulu bir çözeltide uranyum, doğrusal bir yapıya [O = U = O] 2+ sahip olan uranil iyonunun bileşiminde en kararlı olanıdır. Elementin ayrıca +3 ve +5 durumları vardır, ancak bunlar kararsızdır. Kırmızı U 3+ oksijen içermeyen suda yavaş yavaş oksitlenir. UO 2+ iyonunun rengi bilinmemektedir çünkü çok seyreltik çözeltilerde bile orantısızlığa uğrar (UO 2+ hem U 4+'ya indirgenir hem de UO 2 2+'ya oksitlenir).

Nükleer yakıt

Yavaş nötronlara maruz kaldığında, uranyum atomunun bölünmesi nispeten nadir izotop 235 U'da meydana gelir. Bu, doğal olarak oluşan tek bölünebilir malzemedir ve izotop 238 U'dan ayrılması gerekir. Bununla birlikte, emilim ve negatif beta bozunmasından sonra uranyum, -238, yavaş nötronların etkisi altında parçalanan sentetik element plütonyuma dönüşür. Bu nedenle, fisyonun nadir 235 U ile desteklendiği ve plütonyumun 238 U'nun dönüşümü ile eş zamanlı olarak üretildiği dönüştürücü ve besleyici reaktörlerde doğal uranyum kullanılabilir. Bölünebilir 233 U, nükleer yakıt olarak kullanılmak üzere yaygın olarak oluşan doğal olarak oluşan izotop toryum-232'den sentezlenebilir. Uranyum, sentetik uranyum ötesi elementlerin elde edildiği birincil malzeme olarak da önemlidir.

Uranyumun diğer kullanımları

Kimyasal elementin bileşikleri daha önce seramik boyası olarak kullanılıyordu. Heksaflorür (UF 6), 25 °C'de alışılmadık derecede yüksek buhar basıncına (0,15 atm = 15.300 Pa) sahip bir katıdır. UF 6 kimyasal olarak çok reaktiftir, ancak buhar halindeki aşındırıcı doğasına rağmen UF 6, zenginleştirilmiş uranyum üretmek için gaz difüzyonu ve gaz santrifüj yöntemlerinde yaygın olarak kullanılır.

Organometalik bileşikler, metal-karbon bağlarının metali organik gruplara bağladığı ilginç ve önemli bir bileşik grubudur. Uranosen, uranyum atomunun siklooktatetraen C8H8 ile ilişkili iki organik halka katmanı arasına sıkıştırıldığı organouranik bir U(C8H8)2 bileşiğidir. 1968'deki keşfi organometalik kimyada yeni bir alanın kapısını açtı.

Seyreltilmiş doğal uranyum, zırh delici mermilerde ve tank zırhında radyasyondan korunma, balast olarak kullanılır.

Geri dönüşüm

Kimyasal element çok yoğun olmasına rağmen (19,1 g/cm3) nispeten zayıf, yanıcı olmayan bir maddedir. Aslında, uranyumun metalik özellikleri onu gümüş ile diğer gerçek metaller ve metal olmayanlar arasında bir yere yerleştiriyor gibi görünüyor, bu nedenle yapısal bir malzeme olarak kullanılmıyor. Uranyumun ana değeri, izotoplarının radyoaktif özelliklerinde ve fisyon yeteneklerinde yatmaktadır. Doğada metalin tamamına yakını (%99,27) 238 U'dan oluşur. Geriye kalanlar ise 235 U (%0,72) ve 234 U'dur (%0,006). Bu doğal izotoplardan yalnızca 235 U, nötron ışınlaması ile doğrudan bölünür. Bununla birlikte, emildiğinde 238 U, 239 U'yu oluşturur ve bu, sonuçta nükleer güç ve nükleer silahlar için büyük önem taşıyan bölünebilir bir malzeme olan 239 Pu'ya dönüşür. Başka bir bölünebilir izotop olan 233 U, 232 Th'nin nötron ışınlaması ile oluşturulabilir.

Kristal formları

Uranyumun özellikleri, normal koşullar altında bile oksijen ve nitrojen ile reaksiyona girmesine neden olur. Daha yüksek sıcaklıklarda çok çeşitli alaşım metalleriyle reaksiyona girerek intermetalik bileşikler oluşturur. Elementin atomlarının oluşturduğu özel kristal yapılar nedeniyle diğer metallerle katı çözeltilerin oluşması nadirdir. Oda sıcaklığı ile 1132 °C erime noktası arasında, uranyum metali alfa (α), beta (β) ve gama (γ) olarak bilinen 3 kristal formda bulunur. α- durumundan β durumuna dönüşüm 668 °C'de ve β'dan γ'ya dönüşüm 775 °C'de gerçekleşir. γ-uranyum vücut merkezli kübik kristal yapıya sahipken, β tetragonal kristal yapıya sahiptir. α fazı oldukça simetrik ortorombik yapıdaki atom katmanlarından oluşur. Bu anizotropik bozuk yapı, alaşım metal atomlarının uranyum atomlarının yerini almasını veya kristal kafes içinde aralarındaki boşluğu doldurmasını önler. Yalnızca molibden ve niyobyumun katı çözeltiler oluşturduğu bulundu.

cevher

Yerkabuğunda milyonda 2 parça uranyum bulunur, bu da doğada yaygın olarak bulunduğunu gösterir. Okyanusların bu kimyasal elementten 4,5 × 10 9 ton içerdiği tahmin edilmektedir. Uranyum, 150'den fazla farklı mineralin önemli bir bileşenidir ve diğer 50 mineralin de küçük bir bileşenidir. Magmatik hidrotermal damarlarda ve pegmatitlerde bulunan birincil mineraller arasında uraninit ve onun varyantı pitchblend bulunur. Bu cevherlerde element, oksidasyon nedeniyle UO 2 ile UO 2,67 arasında değişebilen dioksit formunda bulunur. Uranyum madenlerinden elde edilen diğer ekonomik açıdan önemli ürünler, otunit (hidratlı kalsiyum uranil fosfat), tobernit (hidratlı bakır uranil fosfat), tabut (siyah hidratlı uranyum silikat) ve karnotittir (hidratlı potasyum uranil vanadat).

Bilinen düşük maliyetli uranyum rezervlerinin %90'ından fazlasının Avustralya, Kazakistan, Kanada, Rusya, Güney Afrika, Nijer, Namibya, Brezilya, Çin, Moğolistan ve Özbekistan'da bulunduğu tahmin edilmektedir. Ontario, Kanada'daki Huron Gölü'nün kuzeyinde bulunan Elliot Gölü'nün konglomera kaya oluşumlarında ve Güney Afrika Witwatersrand altın madeninde büyük yataklar bulunur. ABD'nin batısındaki Colorado Platosu ve Wyoming Havzası'ndaki kum oluşumları da önemli miktarda uranyum rezervi içeriyor.

Üretme

Uranyum cevherleri hem yüzeye yakın hem de derin (300-1200 m) yataklarda bulunur. Yeraltında dikişin kalınlığı 30 m'ye ulaşır Diğer metallerin cevherlerinde olduğu gibi, büyük hafriyat ekipmanı kullanılarak yüzeyde uranyum çıkarılır ve derin yatakların geliştirilmesi geleneksel dikey ve eğimli yöntemler kullanılarak gerçekleştirilir. mayınlar. 2013 yılında dünya uranyum konsantresi üretimi 70 bin ton olarak gerçekleşti.En verimli uranyum madenleri Kazakistan (tüm üretimin %32'si), Kanada, Avustralya, Nijer, Namibya, Özbekistan ve Rusya'da bulunuyor.

Uranyum cevherleri tipik olarak yalnızca küçük miktarlarda uranyum içeren mineraller içerir ve doğrudan pirometalurjik yöntemlerle eritilemez. Bunun yerine, uranyumun çıkarılması ve saflaştırılması için hidrometalurjik prosedürler kullanılmalıdır. Konsantrasyonun arttırılması, işleme devreleri üzerindeki yükü önemli ölçüde azaltır, ancak cevher işleme için yaygın olarak kullanılan yerçekimi, yüzdürme, elektrostatik ve hatta manuel ayıklama gibi geleneksel zenginleştirme yöntemlerinden hiçbiri uygulanamaz. Birkaç istisna dışında bu yöntemler önemli miktarda uranyum kaybına neden olur.

Yanan

Uranyum cevherlerinin hidrometalurjik işlenmesinden önce genellikle yüksek sıcaklıkta kalsinasyon aşaması gelir. Fırınlama kili kurutur, karbonlu maddeleri uzaklaştırır, kükürt bileşiklerini zararsız sülfatlara oksitler ve sonraki işlemlere müdahale edebilecek diğer indirgeyici maddeleri oksitler.

Liç

Uranyum, kavrulmuş cevherlerden hem asidik hem de alkali sulu çözeltilerle ekstrakte edilir. Tüm liç sistemlerinin başarılı bir şekilde çalışması için, kimyasal elementin ya başlangıçta daha stabil altı değerlikli formda mevcut olması ya da işlem sırasında bu duruma oksitlenmesi gerekir.

Asit liçi genellikle cevher ve çözücü karışımının ortam sıcaklığında 4-48 saat karıştırılmasıyla gerçekleştirilir. Özel durumlar dışında sülfürik asit kullanılır. Nihai sıvıyı 1,5 pH'ta elde etmeye yetecek miktarlarda sağlanır. Sülfürik asit liç şemaları, dört değerlikli U4+'yi altı değerlikli uranile (UO22+) oksitlemek için tipik olarak manganez dioksit veya klorat kullanır. Tipik olarak ton başına yaklaşık 5 kg manganez dioksit veya 1,5 kg sodyum klorat U4+ oksidasyonu için yeterlidir. Her iki durumda da oksitlenmiş uranyum, sülfürik asitle reaksiyona girerek uranil sülfat kompleksi anyonu 4-'yi oluşturur.

Kalsit veya dolomit gibi önemli miktarda temel mineral içeren cevher, 0,5-1 molar sodyum karbonat çözeltisiyle süzülür. Çeşitli reaktifler üzerinde çalışılmış ve test edilmiş olmasına rağmen, uranyum için ana oksitleyici madde oksijendir. Tipik olarak cevher, atmosferik basınçta ve 75-80 °C sıcaklıkta, spesifik kimyasal bileşime bağlı bir süre boyunca havada liç edilir. Alkali, kolayca çözünebilen kompleks iyon 4-'yi oluşturmak için uranyumla reaksiyona girer.

Asit veya karbonat liçinden kaynaklanan çözeltiler daha sonraki işlemlerden önce berraklaştırılmalıdır. Killerin ve diğer cevher bulamaçlarının büyük ölçekli ayrılması, poliakrilamidler, guar sakızı ve hayvan tutkalı dahil olmak üzere etkili topaklaştırıcı maddelerin kullanılmasıyla sağlanır.

çıkarma

4- ve 4- kompleks iyonları, ilgili iyon değiştirme reçinesi liç çözeltilerinden emilebilir. Emilim ve elüsyon kinetiği, parçacık boyutu, stabilite ve hidrolik özellikleriyle karakterize edilen bu özel reçineler, sabit yatak, hareketli yatak, sepet reçinesi ve sürekli reçine gibi çeşitli işleme teknolojilerinde kullanılabilir. Tipik olarak, emilen uranyumun ayrıştırılması için sodyum klorür ve amonyak veya nitrat çözeltileri kullanılır.

Uranyum, solvent ekstraksiyonu yoluyla asidik cevher sıvılarından izole edilebilir. Alkilfosforik asitlerin yanı sıra ikincil ve üçüncül alkilaminler endüstride kullanılmaktadır. Genellikle, 1 g/L'den fazla uranyum içeren asit filtratları için iyon değiştirme yöntemleri yerine solvent ekstraksiyonu tercih edilir. Ancak bu yöntem karbonat liçi için geçerli değildir.

Uranyum daha sonra uranil nitrat oluşturmak üzere nitrik asit içerisinde çözündürülerek saflaştırılır, ekstrakte edilir, kristalleştirilir ve UO3 trioksit oluşturmak üzere kalsine edilir. İndirgenmiş dioksit UO2, hidrojen florür ile reaksiyona girerek tetaflorür UF4'ü oluşturur; buradan uranyum metali, 1300 °C sıcaklıkta magnezyum veya kalsiyum ile indirgenir.

Tetraflorür, zenginleştirilmiş uranyum-235'i gazlı difüzyon, gaz santrifüjlemesi veya sıvı termal difüzyon yoluyla ayırmak için kullanılan UF 6 heksaflorürü oluşturmak üzere 350 °C'de florlanabilir.

Makale, uranyum kimyasal elementinin ne zaman keşfedildiğini ve bu maddenin günümüzde hangi endüstrilerde kullanıldığını anlatıyor.

Uranyum enerji ve askeri endüstrilerin kimyasal bir elementidir

İnsanlar her zaman yüksek verimli enerji kaynakları bulmaya ve ideal olarak sözde olanı yaratmaya çalıştılar.Ne yazık ki, varlığının imkansızlığı 19. yüzyılda teorik olarak kanıtlanmış ve haklı çıkarılmış, ancak bilim adamları hala bunu gerçekleştirme umudunu kaybetmemişler. çok uzun bir süre boyunca büyük miktarda "temiz" enerji sağlayabilecek bir tür cihazın hayali.

Bu kısmen uranyum gibi bir maddenin keşfiyle gerçekleşti. Bu isimdeki kimyasal element, günümüzde tüm şehirlere, denizaltılara, kutup gemilerine vb. enerji sağlayan nükleer reaktörlerin geliştirilmesinin temelini oluşturdu. Doğru, enerjilerine "temiz" denemez, ancak son yıllarda birçok şirket yaygın satış için trityum bazlı kompakt "atomik piller" geliştiriyor - hareketli parçaları yok ve sağlık açısından güvenli.

Ancak bu yazımızda uranyum adı verilen kimyasal elementin keşif tarihini ve çekirdeğinin fisyon reaksiyonunu detaylı olarak inceleyeceğiz.

Tanım

Uranyum, periyodik tabloda atom numarası 92 olan kimyasal bir elementtir. Atom kütlesi 238.029'dur. U sembolü ile gösterilir. Normal şartlarda yoğun, gümüş renginde ağır bir metaldir. Radyoaktivitesi hakkında konuşursak, uranyumun kendisi zayıf radyoaktiviteye sahip bir elementtir. Aynı zamanda tamamen kararlı izotoplar da içermez. Ve mevcut izotopların en kararlı olanı uranyum-338'dir.

Bu elementin ne olduğunu bulduk ve şimdi onun keşif tarihine bakacağız.

Hikaye

Doğal uranyum oksit gibi bir madde eski çağlardan beri insanlar tarafından bilinmektedir ve eski ustalar bunu, çeşitli seramikleri, su geçirmez kapları ve diğer ürünleri kaplamak ve bunların dekorasyonunu yapmak için kullanılan sır yapmak için kullanmışlardır.

Bu kimyasal elementin keşfi tarihinde önemli bir tarih 1789'du. O zaman kimyager ve doğuştan Alman Martin Klaproth ilk metalik uranyumu elde edebildi. Ve yeni element, adını sekiz yıl önce keşfedilen gezegenin onuruna aldı.

Neredeyse 50 yıl boyunca o dönemde elde edilen uranyum saf metal olarak kabul edildi, ancak 1840 yılında Fransız kimyager Eugene-Melchior Peligo, Klaproth tarafından elde edilen malzemenin uygun dış işaretlere rağmen metal olmadığını kanıtlamayı başardı. uranyum oksit hariç hepsi. Kısa bir süre sonra aynı Peligo, çok ağır gri bir metal olan gerçek uranyumu aldı. O zaman uranyum gibi bir maddenin atom ağırlığı ilk kez belirlendi. Kimyasal element, 1874 yılında Dmitri Mendeleev tarafından ünlü periyodik element tablosuna yerleştirildi ve Mendeleev, maddenin atom ağırlığını iki katına çıkardı. Ve sadece 12 yıl sonra hesaplamalarında yanılmadığı deneysel olarak kanıtlandı.

Radyoaktivite

Ancak bilimsel çevrelerde bu elemente gerçekten yaygın ilgi, Becquerel'in uranyumun araştırmacının adını taşıyan ışınlar yaydığı gerçeğini keşfetmesiyle 1896'da başladı - Becquerel ışınları. Daha sonra bu alandaki en ünlü bilim adamlarından biri olan Marie Curie, bu olguyu radyoaktivite olarak adlandırdı.

Uranyum araştırmalarında bir sonraki önemli tarih 1899 olarak kabul edilir: O zaman Rutherford, uranyum radyasyonunun homojen olmadığını ve alfa ve beta ışınları olmak üzere iki türe ayrıldığını keşfetti. Bir yıl sonra Paul Villar (Villard), bugün bildiğimiz üçüncü ve son tip radyoaktif radyasyonu keşfetti: gama ışınları.

Yedi yıl sonra, 1906'da Rutherford, radyoaktivite teorisine dayanarak, amacı çeşitli minerallerin yaşını belirlemek olan ilk deneyleri gerçekleştirdi. Bu çalışmalar, diğer şeylerin yanı sıra, teori ve pratiğin oluşmasına da temel oluşturdu.

Uranyum nükleer fisyonu

Ancak, muhtemelen hem barışçıl hem de askeri amaçlarla uranyumun yaygın olarak çıkarılmasının ve zenginleştirilmesinin başladığı en önemli keşif, uranyum çekirdeklerinin fisyon sürecidir. Bu 1938'de oldu, keşif Alman fizikçiler Otto Hahn ve Fritz Strassmann tarafından gerçekleştirildi. Daha sonra bu teori birkaç Alman fizikçinin çalışmalarında bilimsel olarak doğrulandı.

Keşfettikleri mekanizmanın özü şuydu: Uranyum-235 izotopunun çekirdeğini bir nötronla ışınlarsanız, serbest bir nötron yakaladığınızda fisyona başlar. Ve artık hepimizin bildiği gibi, bu sürece devasa miktarda enerjinin salınması eşlik ediyor. Bu esas olarak radyasyonun kendisinin ve çekirdeğin parçalarının kinetik enerjisinden kaynaklanır. Artık uranyum çekirdeği fisyonunun nasıl gerçekleştiğini biliyoruz.

Bu mekanizmanın keşfi ve sonuçları, uranyumun hem barışçıl hem de askeri amaçlarla kullanılmasının başlangıç ​​noktasıdır.

Askeri amaçlarla kullanımı hakkında konuşursak, ilk kez, uranyum çekirdeğinin sürekli fisyon reaksiyonu gibi bir süreç için koşullar yaratmanın mümkün olduğu teorisi (bir nükleer bombayı patlatmak için çok büyük bir enerjiye ihtiyaç duyulduğundan) ortaya çıktı. Sovyet fizikçileri Zeldovich ve Khariton tarafından kanıtlandı. Ancak böyle bir reaksiyonun oluşturulabilmesi için uranyumun zenginleştirilmesi gerekir çünkü normal durumunda gerekli özelliklere sahip değildir.

Bu elementin geçmişine aşina olduk, şimdi nerede kullanıldığını bulalım.

Uranyum izotoplarının uygulamaları ve çeşitleri

Uranyumun zincirleme fisyon reaksiyonu gibi bir sürecin keşfedilmesinin ardından fizikçiler, nerede kullanılabilir sorusuyla karşı karşıya kaldılar.

Şu anda uranyum izotoplarının kullanıldığı iki ana alan bulunmaktadır. Bunlar barışçıl (veya enerji) sanayi ve ordudur. Hem birinci hem de ikinci, uranyum-235 izotopunun reaksiyonunu kullanır, yalnızca çıkış gücü farklıdır. Basitçe söylemek gerekirse, bir nükleer reaktörde, bu süreci bir nükleer bombayı patlatmak için gereken güçle yaratmaya ve sürdürmeye gerek yoktur.

Böylece uranyum fisyon reaksiyonunu kullanan ana endüstriler listelenmiştir.

Ancak uranyum-235 izotopunu elde etmek alışılmadık derecede karmaşık ve maliyetli bir teknolojik görevdir ve her eyaletin zenginleştirme fabrikaları kurmaya gücü yetmez. Örneğin, uranyum 235 izotop içeriğinin% 3-5 olacağı yirmi ton uranyum yakıtı elde etmek için, 153 tondan fazla doğal "ham" uranyumun zenginleştirilmesi gerekecektir.

Uranyum-238 izotopu esas olarak nükleer silahların tasarımında güçlerini artırmak için kullanılır. Ayrıca, beta bozunması süreciyle birlikte bir nötron yakaladığında, bu izotop sonunda çoğu modern nükleer reaktör için ortak bir yakıt olan plütonyum-239'a dönüşebilir.

Bu tür reaktörlerin tüm dezavantajlarına rağmen (yüksek maliyet, bakım zorluğu, kaza riski), işletmeleri çok hızlı bir şekilde kendini amorti ediyor ve klasik termik veya hidroelektrik santrallerle kıyaslanamayacak kadar fazla enerji üretiyorlar.

Tepki aynı zamanda nükleer kitle imha silahlarının yaratılmasını da mümkün kıldı. Muazzam gücü, göreceli kompaktlığı ve geniş arazileri insan yerleşimi için uygun olmayan hale getirebilmesiyle öne çıkıyor. Doğru, modern atom silahları uranyum değil plütonyum kullanıyor.

Seyreltilmiş uranyum

Ayrıca tükenmiş adı verilen bir tür uranyum da vardır. Çok düşük düzeyde radyoaktiviteye sahiptir, bu da insanlar için tehlikeli olmadığı anlamına gelir. Yine askeri alanda kullanılıyor, örneğin Amerikan Abrams tankının zırhına ek güç kazandırmak için ekleniyor. Ek olarak, hemen hemen tüm yüksek teknolojili ordularda çeşitli ordular bulabilirsiniz.Yüksek kütlelerine ek olarak, çok ilginç bir özelliğe daha sahiptirler - bir merminin yok edilmesinden sonra parçaları ve metal tozu kendiliğinden tutuşur. Ve bu arada, böyle bir mermi ilk kez II. Dünya Savaşı sırasında kullanıldı. Gördüğümüz gibi uranyum, insan faaliyetinin çok çeşitli alanlarında uygulama bulmuş bir elementtir.

Çözüm

Bilim adamlarının tahminlerine göre, 2030 yılı civarında tüm büyük uranyum yatakları tamamen tükenecek, ardından ulaşılması zor katmanların gelişimi başlayacak ve fiyatlar artacak. Bu arada, kendisi de insanlara kesinlikle zararsızdır - bazı madenciler nesiller boyunca onun çıkarılması üzerinde çalışmaktadır. Artık bu kimyasal elementin keşfinin tarihini ve çekirdeklerinin fisyon reaksiyonunun nasıl kullanıldığını anlıyoruz.

Bu arada, ilginç bir gerçek biliniyor - uranyum bileşikleri uzun süre porselen ve cam boyası olarak kullanıldı (1950'lere kadar sözde).

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

Uranüs nasıl keşfedildi?

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

Uranyum nerede ve nasıl çıkarılır?

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

Uranyumdan kaynaklanan radyoaktif radyasyon tehlikesi

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

Uranyum çeşitleri

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

Yani iki tür var:

1. Doğal;
2. Yapay;

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

Yarı ömürler

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

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

Başvuru

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