Уран (химический элемент)

Конфигурация внешних электронных оболочек атома урана 5f³ 6d¹ 7s² ; 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; t_пл 1135 °С, t_кип 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 ²³⁵ U и ²³³ U делятся спонтанно, а также при захвате медленных (тепловых) или быстрых нейтронов, ядра ²³⁸ U – только при захвате быстрых нейтронов с энергией не менее 1 МэВ; реакция деления имеет цепной характер. При делении ядер 1 кг ²³⁵ U выделяется около 2·10⁷ кВт·ч энергии; критическая масса ²³⁵ U 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 UO₂ 2⁺ . Образует пирофорный тригидрид UH₃ , оксиды (UO₂ , U₃ O₈ , UO₃ ), многочисленные галогениды и оксигалогениды (важнейшие UF₄ , UF₆ , UO₂ F₂ ), сульфиды, селениды, фосфиды, нитриды, карбиды, силициды, бориды. Наиболее важные соли – уранилнитрат, уранилсульфаты, уранилкарбонаты, уранилфосфаты.

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 ²³⁵ U соединений (цель – получение диоксида или сплавов урана для твэлов ядерных реакторов и ядерных зарядов). Ещё одно производство – переработка обеднённых по ²³⁵ U 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 ²³⁹ Pu и ²³⁸ U.

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 ²³⁵ U 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 ²³⁵ U 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 % ²³⁵ U 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.