Уран (химический элемент)
Ура́н (лат. Uranium), U, радиоактивный химический элемент III группы короткой формы (3-й группы длинной формы) периодической системы, атомный номер 92, атомная масса 238,02891 а. е. м.; относится к актиноидам. Стабильных изотопов не имеет. В природе три радиоизотопа: α-излучатели 234U (0,0055 %; период полураспада T1/2 2,45·105 лет), 235U (0,7200 %; T1/2 7,04·108 лет), 238U (99,2745 %; T1/2 4,47·109 лет); в очень небольших количествах присутствует также 233U, образующийся при облучении природного 232Th нейтронами. 235U и 238U – родоначальники природных радиоактивных рядов. Искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 217–232, 236, 237, 239–242.
Открыт в виде оксида в 1789 г. М. Г. Клапротом, который дал элементу название в честь планеты Уран; в виде металла получен в 1841 г. французским химиком Э. Пелиго. Содержание урана в земной коре 2,7·10–4 %, во Вселенной 1·10–7 % по массе. Важнейшие минералы: уранинит, карнотит, тюямунит.
Карнотит (жёлтый) в песчанике. Округ Монтроз (штат Колорадо, США).Свойства
Конфигурация внешних электронных оболочек атома урана 5f36d17s2; степени окисления +6 и +4 (наиболее типичные), +5, +3, +2, +1; энергии последовательной ионизации 597,64 и 1420 кДж·моль–1; электроотрицательность по Полингу 1,38; атомный радиус 153 пм, ионные радиусы U4+ 103 (координационное число 6) и 131(12), U6+ 59(2) и 100(8) пм.
Уран – серебристо-белый блестящий металл, на воздухе тускнеет и чернеет; при 662 °С ромбическая α-модификация (плотность 18950 кг/м3) переходит в тетрагональную β-модификацию, при 772–776 °С – в кубическую γ-модификацию; tпл 1135 °С, tкип около 4200 °С; теплоёмкость 27,665 Дж/(моль·К), теплопроводность 27,5 Вт/(м·К). Механические характеристики урана сильно зависят от содержания примесей Н, N, C и О. Твёрдость по Бринеллю 19,6·102–21,2·102 МПа, предел текучести 272–470 МПа.
Ядра 235U и 233U делятся спонтанно, а также при захвате медленных (тепловых) или быстрых нейтронов, ядра 238U – только при захвате быстрых нейтронов с энергией не менее 1 МэВ; реакция деления имеет цепной характер. При делении ядер 1 кг 235U выделяется около 2·107 кВт·ч энергии; критическая масса 235U 50 кг.
Уран имеет высокую реакционную способность. Порошкообразный и нагретый массивный уран на воздухе, в азоте, парáх воды и кислородсодержащих газах способен загораться. Уран реагирует с водой, быстро растворяется в соляной и азотной кислотах, медленно – в серной, фосфорной и фтороводородной, образуя соли уранила UO22+. Образует пирофорный тригидрид UH3, оксиды (UO2, U3O8, UO3), многочисленные галогениды и оксигалогениды (важнейшие UF4, UF6, UO2F2), сульфиды, селениды, фосфиды, нитриды, карбиды, силициды, бориды. Наиболее важные соли – уранилнитрат, уранилсульфаты, уранилкарбонаты, уранилфосфаты.
Уран (химический элемент).
Фото: RHJPhtotoandilustration / Shutterstock
Получение и применение
Технология урана связана с урановым топливным циклом и состоит из 4 частей, отличающихся изотопным составом перерабатываемых веществ и целями переработки. Наиболее крупнотоннажное производство связано с ураном, имеющим природное соотношение изотопов (цель – концентрирование и очистка, подготовка к разделению изотопов и производству Рu); меньшее по объёму – производство обогащённых по изотопу 235U соединений (цель – получение диоксида или сплавов урана для твэлов ядерных реакторов и ядерных зарядов). Ещё одно производство – переработка обеднённых по 235U соединений (цель – безопасное хранение, применение вне энергетики). Отдельная часть технологии урана – облучение металлических твэлов в ядерных реакторах для получения и выделения Pu (т. н. радиохимическое производство, цель – отделение от U, выделение некоторых изотопов, очистка от продуктов деления, перевод этих продуктов в форму, пригодную для длительного и безопасного хранения, подготовка к повторному разделению изотопов урана и изготовлению твэлов). Предполагается создание уран-плутониевого цикла с применением реакторов на быстрых нейтронах с топливом из смеси оксидов 239Pu и 238U.
Переработка руд урана включает получение рудных концентратов, выделение из них химических концентратов, аффинаж (получение чистых соединений урана), гексафторидное и металлургическое производства. Обогащение руд урана ведут радиометрическими, гравитационными, флотационными методами, магнитной сепарацией; рудные концентраты подвергают выщелачиванию. Около половины урана добывают методом подземного выщелачивания. Растворы концентрируют с помощью ионообменной сорбции и очищают методом жидкостной экстракции; из растворов получают соединения, которые переводят в UO2, затем в UF4. Тетрафторид урана фторируют до UF6 для разделения изотопов или восстанавливают с помощью Са до металла для последующего облучения и выделения Pu.
Обогащение UF6 ведут главным образом с помощью высокоскоростных центрифуг. Обогащённую до 2–4 % по 235U фракцию UF6 подвергают восстановительному пирогидролизу влажным Н2 до UO2, из которого спекают таблетки для изготовления твэлов.
Радиохимическое производство включает растворение отработавших твэлов в HNO3, многоступенчатое экстракционное разделение компонентов, выделение очищенных соединений урана и перевод их в UF6 для повторного разделения изотопов урана.
Обогащённый по изотопу 235U уран используют в основном в виде диоксида или сплавов в качестве ядерного топлива в энергетических и транспортных ядерных реакторах. Обеднённый до содержания 0,2–0,3 % 235U металл применялся армией США в качестве сердечников бронебойных снарядов и пуль, его используют также в качестве противовесов в закрылках самолётов, радиационной защиты при радиационной терапии и транспортировке радиоактивных веществ.
Мировое производство первичного урана за 2020 г. составило около 47,73 тыс. т в год (в России 2,85 тыс. т, крупнейшее предприятие – «Приаргунское производственное горно-химическое объединение»). Ведущая страна по добыче урана – Казахстан (19,48 тыс. т). Накопленные мировые запасы обеднённого урана составляют более 6 млн т (преимущественно в виде UF6).
Уран и его соединения высокотоксичны.