|
(β −)
235Np()
239 Pu() |
| Спин и паритет на ядрото |
7/2 −
|
| Канал за разпадане
|
Енергия на разпад
|
|---|
| α-разпад |
4,6783(7) MeV |
|
|
|
| 20Ne, 25Ne, 28Mg |
|
За разлика от другия, най-разпространен изотоп на урана, 238 U, в 235 U е възможна самоподдържаща се ядрена верижна реакция. Следователно този изотоп се използва като гориво в ядрените реактори, както и в ядрените оръжия.
Образуване и разпадане
Уран-235 се образува в резултат на следните разпадания:
Разпадането на уран-235 става по следните начини:
Принудително разделение
Около 300 изотопа на различни елементи са открити в продуктите на делене на уран-235: от =30 (цинк) до Z=64 (гадолиний). Кривата на зависимостта на относителния добив на изотопи, образувани при облъчване на уран-235 с бавни неутрони от масовото число е симетрична и по форма наподобява буквата "М". Двата изразени максимума на тази крива съответстват на масови числа 95 и 134, докато минимумът попада в диапазона на масовите числа от 110 до 125. Така се получава деленето на урана на фрагменти с еднаква маса (с масови числа 115-119). с по-малка вероятност от асиметричното делене.такава тенденция се наблюдава при всички делящи се изотопи и не е свързана с никакви индивидуални свойства на ядрата или частиците, а е присъща на самия механизъм на ядреното делене. Въпреки това, асиметрията намалява с увеличаване на енергията на възбуждане на делящото се ядро и при енергия на неутрон над 100 MeV, масовото разпределение на фрагментите на делене има един максимум, съответстващ на симетричното делене на ядрото. Фрагментите, образувани по време на деленето на урановото ядро, от своя страна са радиоактивни и претърпяват верига от β - разпад, при който постепенно се отделя допълнителна енергия за дълго време. Средната енергия, освободена при разпадането на едно ядро на уран-235, като се вземе предвид разпадането на фрагменти, е приблизително 202,5 MeV = 3,244 10 -11 J, или 19,54 TJ / mol = 83,14 TJ / kg.
Ядреното делене е само един от многото процеси, които са възможни по време на взаимодействието на неутрони с ядра; именно той е в основата на работата на всеки ядрен реактор.
Ядрено верижна реакция
При разпадането на едно ядро 235 U обикновено се излъчват от 1 до 8 (средно - 2,416) свободни неутрона. Всеки неутрон, произведен по време на разпада на ядрото 235 U, подложен на взаимодействие с друго ядро 235 U, може да предизвика ново събитие на разпад, това явление се нарича верижна реакция на ядрено делене.
Хипотетично броят на неутроните от второ поколение (след втория етап на ядрен разпад) може да надхвърли 3² = 9. С всеки следващ етап от реакцията на делене броят на произведените неутрони може да расте като лавина. При реални условия свободните неутрони може да не генерират ново събитие на делене, оставяйки пробата преди улавянето на 235 U, или да бъдат уловени както от самия изотоп 235 U с трансформацията му в 236 U, така и от други материали (например 238 U, или от получените фрагменти на ядрено делене, като 149 Sm или 135 Xe).
В реални условия достигането на критичното състояние на урана не е толкова лесно, тъй като редица фактори влияят на хода на реакцията. Например, естественият уран се състои само от 0,72% 235 U, 99,2745% е 238 U, който абсорбира неутроните, произведени при деленето на ядра 235 U. Това води до факта, че в естествения уран в момента верижната реакция на делене избледнява много бързо . Има няколко основни начина за провеждане на незатихваща верижна реакция на делене:
- Увеличете обема на пробата (за уран, извлечен от рудата, е възможно да се постигне критична маса поради увеличаване на обема);
- Извършване на изотопно разделяне чрез увеличаване на концентрацията на 235 U в пробата;
- Намалете загубата на свободни неутрони през повърхността на пробата чрез нанасяне различни видоверефлектори;
- Използвайте модератор на неутрони, за да увеличите концентрацията на топлинни неутрони.
Изомери
- Излишна маса: 40920.6(1.8) keV
- Енергия на възбуждане: 76.5(4) eV
- Време на полуразпад: 26 минути
- Спин и паритет на ядрото: 1/2 +
Разпадането на изомерното състояние се осъществява чрез изомерен преход към основно състояние.
Приложение
- Уран-235 се използва като гориво за ядрени реактори, в които управляванаядрена верижна реакция на делене;
- Силно обогатен уран се използва за създаване на ядрени оръжия. В този случай се използва за освобождаване на голямо количество енергия (експлозия). неконтролируемаверижна ядрена реакция.
Вижте също
Напишете отзив за статията "Уран-235"
Бележки
- G.Audi, A.H. Wapstra и C. Thibault (2003). "". Ядрената физика А 729
: 337-676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 . Bibcode :.
- G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot и A. H. Wapstra (2003). "". Ядрената физика А 729
: 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . Bibcode :.
- Хофман К.- 2-ро изд. изтрит - Л.: Химия, 1987. - С. 130. - 232 с. - 50 000 екземпляра.
-
- Фиалков Ю. Я.Използването на изотопи в химията и химическата промишленост. – Киев: Техника, 1975. – С. 87. – 240 с. - 2000 екземпляра.
- . Kaye & Laby онлайн. .
- Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бат Г. А.Основи на теорията и методи за изчисляване на ядрени енергийни реактори. - М .: Енергоатомиздат, 1982. - С. 512.
По-лесно:
уран-234
|
Уран-235 е
уранов изотоп
|
по-тежък:
уран-236
|
| Изотопи на елементи Таблица на нуклидите |
Откъс, характеризиращ Уран-235
Милорадович, който каза, че не иска да знае нищо за икономическите дела на отряда, което никога не може да бъде намерено, когато е необходимо, „chevalier sans peur et sans reproche“ [„рицар без страх и упрек“], т.к. самият той се нарече и ловец на разговори с французите, изпрати депутати за примирие, настоявайки за капитулация, и загуби време и не направи това, което му беше наредено.
„Давам ви, момчета, тази колона“, каза той, карайки към войските и сочейки френските кавалеристи. И кавалеристите на тънки, одрани, едва движещи се коне, подтикващи ги със шпори и саби, тръснаха, след силно напрежение, се качиха към дарената колона, тоест към тълпата от измръзнали, корави и гладни французи; и дарената колона хвърли оръжията си и се предаде, което отдавна искаше да направи.
Близо до Красное те взеха двадесет и шест хиляди пленници, стотици оръдия, някаква тояга, която нарекоха маршалска палка, и спореха кой се отличи там, и бяха доволни от това, но много съжаляваха, че не са взели Наполеон или поне някакъв юнак, маршал, и се упрекнаха един друг за това и особено Кутузов.
Тези хора, увлечени от своите страсти, бяха слепи изпълнители само на най-тъжния закон на необходимостта; но те се смятаха за герои и си представяха, че това, което вършат, е най-достойното и благородно дело. Те обвиниха Кутузов и казаха, че от самото начало на кампанията той им пречи да победят Наполеон, че мисли само за задоволяване на страстите си и не иска да напуска ленените фабрики, защото там е спокоен; че е спрял движението край Красное само защото, като е научил за присъствието на Наполеон, е напълно изгубен; че може да се предположи, че е в заговор с Наполеон, че е подкупен от него, [Бележки на Уилсън. (Бележка от Л. Н. Толстой.)] и др. и др.
Това казваха не само съвременниците, увлечени от страсти, - потомството и историята признаха Наполеон за велик, а Кутузов: чужденците - хитър, развратен, слаб придворен старец; Руснаци - нещо неопределено - някаква кукла, полезна само в руското им име ... През 12-та и 13-та година Кутузов беше директно обвинен в грешки. Суверенът беше недоволен от него. И в една история, написана наскоро от висшето командване, се казва, че Кутузов бил хитър съдебен лъжец, който се страхувал от името на Наполеон и с грешките си край Красное и край Березина лишил руските войски от слава - пълен победа над французите. [История от 1812 г. от Богданович: характеристика на Кутузов и обсъждане на незадоволителни резултати от битките на Красненски. (Бележка от Л. Н. Толстой.)]
Такава е съдбата не на велики хора, не на grand homme, които руският ум не разпознава, а на онези редки, винаги самотни хора, които, разбирайки волята на Провидението, й подчиняват личната си воля. Омразата и презрението на тълпата наказват тези хора за просветляването на висши закони.
За руските историци – странно и страшно е да се каже – Наполеон е най-незначителният инструмент на историята – никога и никъде, дори в изгнание, който не е показал човешко достойнство – Наполеон е обект на възхищение и наслада; той е велик. Кутузов, от друга страна, е човекът, който от началото до края на своята дейност през 1812 г., от Бородин до Вилна, никога не се изневерява с нито едно действие, нито дума, е изключителен пример за себеотрицание и осъзнаване в настоящето на бъдещия смисъл на събитие, - Кутузов им изглежда нещо неопределено и жалко и, говорейки за Кутузов и 12-та година, те винаги изглеждат леко срамувани.
Междувременно е трудно да си представим историческа личност, чиято дейност би била толкова неизменно и постоянно насочена към една и съща цел. Трудно е да си представим по-достойна цел и по-съобразена с волята на целия народ. Още по-трудно е да се намери друг пример в историята, където целта, поставена от историческа личност, би била така напълно постигната, както целта, към която е насочена цялата дейност на Кутузов през 1812 г.
Кутузов никога не говори за четиридесетте века, които гледат от пирамидите, за жертвите, които той носи на отечеството, за това, което възнамерява да направи или е направил: той изобщо не каза нищо за себе си, не е играл никаква роля, той винаги изглеждаше най-простият и обикновен човек и казваше най-простите и обикновени неща. Пише писма до дъщерите си и до мен Стаел, четеше романи, обичаше компанията на красиви жени, шегуваше се с генерали, офицери и войници и никога не противоречи на онези хора, които искаха да му докажат нещо. Когато граф Ростопчин на Яузския мост галопира до Кутузов с лични упреци кой е виновен за смъртта на Москва и каза: „Как обещахте да не напуснете Москва, без да дадете битка?“ - Кутузов отговори: "Няма да напусна Москва без бой", въпреки факта, че Москва вече беше изоставена. Когато Аракчеев, който дойде при него от суверена, каза, че Ермолов трябва да бъде назначен за началник на артилерията, Кутузов отговори: „Да, аз току-що казах това сам“, въпреки че след минута каза нещо съвсем различно. Какво значение имаше за него, който единствен тогава разбираше целия огромен смисъл на събитието, сред глупавата тълпа, която го заобикаляше, какво го интересуваше дали граф Ростопчин ще припише катастрофата на столицата на себе си или на него? Още по-малко можеше да се интересува кой ще бъде назначен за началник на артилерията.
Не само в тези случаи, но непрестанно този старец, който чрез житейски опит бе стигнал до убеждението, че мислите и думите, които им служат като израз, не са същността на двигателите на хората, изричаше думи, които бяха напълно безсмислени - първите, които дойдоха към неговия ум.
Но същият този човек, който толкова пренебрегваше думите си, нито веднъж през цялата си дейност не каза нито една дума, която да не е в съответствие с единствената цел, към която той вървеше през цялата война. Очевидно, неволно, с голяма увереност, че няма да го разберат, той многократно изразяваше мнението си при най-разнообразни обстоятелства. Започвайки от Бородинската битка, от която започна раздорът му с другите, той единствен каза това битката при Бородиноима победа и той повтаря това устно, и в доклади, и доклади до смъртта си. Само той каза, че загубата на Москва не е загуба на Русия. В отговор на предложението на Лористън за мир той отговори, че не може да има мир, защото такава е волята на хората; той единствен, по време на отстъплението на французите, каза, че всички наши маневри не са необходими, че всичко ще стане по-добре от само себе си, отколкото желаем, че на врага трябва да се даде златен мост, че нито Тарутино, нито Вяземски, нито Красненски ще се бият бяха необходими, с какво някой ден трябва да дойдеш на границата, че за десет французи няма да се откаже от един руснак.
И той е сам, този дворец, както ни го представят, човек, който лъже Аракчеев, за да угоди на суверена - той е сам, този дворец, във Вилна, като по този начин заслужава позора на суверена, казва, че по-нататъшна войнав чужбина е вредно и безполезно.
Но думите сами по себе си не биха доказали, че тогава той е разбрал значението на събитието. Неговите действия - всички без ни най-малко отстъпление, всички бяха насочени към една и съща цел, изразена в три действия: 1) да напряга всичките си сили за сблъсък с французите, 2) да ги победи и 3) да ги изгони от Русия, улеснявайки , доколкото е възможно, бедствия на хората и войските.
Той, онзи прокрастинатор Кутузов, чието мото е търпение и време, враг на решителните действия, той дава битката при Бородино, обличайки подготовката за нея в несравнима тържественост. Той, онзи Кутузов, който в битка при Аустерлиц, преди да го започне, казва, че ще бъде загубен, в Бородино, въпреки уверенията на генералите, че битката е загубена, въпреки нечувания пример в историята, че след спечелена битка, армията трябва да отстъпи, той сам, напротив на всички, докато самата смърт не твърди, че битката при Бородино е победа. Той единствен през цялото отстъпление настоява да не дава битки, които сега са безполезни, да не започват нова войнаи не преминават границите на Русия.
Сега е лесно да разберем значението на едно събитие, освен ако не приложим към дейността на маси от цели, които са били в главата на десетина души, тъй като цялото събитие с неговите последствия лежи пред нас.
Но как тогава този старец, сам, противно на мнението на всички, е могъл да се досети, толкова правилно тогава да отгатне смисъла на народния смисъл на събитието, че никога не го е предал в цялата си дейност?
Източникът на тази необикновена сила на вникване в смисъла на случващите се явления се криеше в онова народно чувство, което той носеше в себе си в цялата му чистота и сила.
Само разпознаването на това чувство в него накара хората по толкова странни начини, от един старец, който беше в немилост, да го избере против волята на царя за представители на народната война. И само това чувство го постави на онази най-висока човешка височина, от която той, главнокомандващият, насочи всичките си сили не да убива и изтребва хората, а да ги спасява и съжалява.
До март 1939 г. групи учени, работещи във Франция и Америка, доказаха, че за самоподдържаща се верижна реакция средно два до четири свободни неутрона са достатъчни за всяко делене на урановото ядро. Нарастващите страхове за възможността за създаване на атомна бомба обаче бързо се разпръснаха.
Бор реши да не губи време. Физиката на деленето, както всяко друго ново направление в науката, несъмнено предостави неизчерпаемо поле за дейност. И тъй като беше възможно да се работи в Принстън с не по-малък успех, отколкото в Копенхаген, Бор се обърна към Уилър с предложение за сътрудничество. Те започнаха да развиват допълнително теорията за ядреното делене, базирана на нови експериментални данни. Те проведоха експерименти с апарат, сглобен набързо точно там, в Принстън, на тавана на лабораторията на Палмър. Получените резултати първоначално бяха доста озадачаващи.
Апаратът, споменат по-горе, беше необходим за изследване на промените в интензитета на делене на урановото ядро под въздействието на неутрони, всеки от които носи различни количества енергия. Установено е, че колкото по-голяма е тази енергия, толкова по-интензивно протича деленето и с намаляването му интензивността на деленето, съответно, също намалява. Такива данни бяха съвсем очаквани. Скоро обаче стана ясно, че при достатъчно намаляване на неутронната енергия интензивността на ядреното делене отново нараства.
Плачек, който преди това е принудил Фриш, работещ в Копенхаген, да търси надеждно потвърждение за ядрено делене, съвсем неочаквано се озовава в Принстън. „Какво, по дяволите, е това: защо реакцията е една и съща както за бърза, така и за бавна експозиция?!” - възмути се той, седнал на закуска с Розенфелд и Бор.
Връщайки се скоро в офиса си, Нилс Бор вече знаеше отговора на този въпрос. Явно причината висока интензивностядрено делене при нискоенергийно действащи неутрони - рядък изотоп уран-235 (U 235), което е незначителен процент от общото количество на този елемент, открит в природата. Бор и Уилър сега са започнали подробното развитие на тази хипотеза. И в новата теория бяха установени два фундаментални фактора.
В изотопа U 235 балансът между силата на отблъскване на протоните в ядрото на атома и силата повърхностно напрежение, който предпазва ядрото от разпад, е много по-крехък, отколкото в изотопа U 238. Три допълнителни уран-238 неутрона стабилизират ядрото и увеличават енергийната бариера, която трябва да бъде преодоляна, за да започне реакцията на разпад. Следователно, за да се раздели такова ядро, са необходими по-бързи неутрони с по-висока енергия.
Вторият от споменатите фактори е пряко сложният състав на ядрото. по-благоприятно за него. равен бройпротони и неутрони, което се обяснява с квантовата природа на техните субатомни съставки. След като получи допълнителен неутрон, U 235 се превръща в U 236, в чието ядро има 92 протона и 144 неутрона, тоест четен брой и двата нуклона. Когато U 238 получи допълнителен неутрон, се образува изотоп на U 239 с нечетен брой неутрони в ядрото. Уран-235 "асимилира" допълнителен неутрон и реагира с него много по-лесно от уран-238.
Комбинацията от двата фактора, описани по-горе, обяснява в достатъчна степен значителната разлика в поведението на двата изотопа на урана. Бързи неутрони са необходими за разделяне на стабилното ядро U 238, докато много по-малко стабилното ядро U 235 може да бъде разделено от бавни неутрони. По този начин, ако направите бомба, състояща се от смес от U 235 и U 238, чието действие ще се основава на деленето на уран-235 под въздействието на бавни неутрони, тогава верижната реакция в нея ще протича бавно. Тогава тя ще умре и бомбата няма да избухне.
Сега шансовете за изграждане на бомба в близко бъдеще, макар и да не са изчезнали напълно, са значително намалени. Разбира се, не бива да се забравят думите на Бор, които той многократно повтаря по време на дискусии с колеги през април 1939 г.: тогава той заяви, че трябва да направи бомба могапри условие, че е направен на базата на чист уран-235. Въпреки това, U 235 е рядък изотоп и неговият дял спрямо естествения уран е 1:140, тоест незначителните 0,7%. Освен това U 235 и U 238 химични свойстваса идентични и така с химическа реакцияте не могат да бъдат разделени. Това е възможно само с използването на специални физични методи, които позволяват отделянето на изотопи един от друг чрез почти незабележима разлика в тяхната маса. В същото време подобна работа в мащабите, необходими за създаването на атомна бомба, изискваше неоправдано големи усилия - на тогавашното ниво на развитие изискваше няколко тона уран-235.
Уран - химичен елементсемейство актиниди с атомен номер 92. Това е най-важното ядрено гориво. Концентрацията му в земната корае около 2 части на милион. Важните уранови минерали включват уранов оксид (U 3 O 8), уранит (UO 2), карнотит (калиев уранил ванадат), отенит (калиев уранил фосфат) и торбернит (водна мед и уранил фосфат). Тези и други уранови руди са източници на ядрено гориво и съдържат много пъти повече енергия от всички известни възстановими находища на изкопаеми горива. 1 кг уран 92 U дава толкова енергия, колкото 3 милиона кг въглища.
История на откритията
Химичният елемент уран е плътен, твърд сребристо-бял метал. Той е пластичен, ковък и може да се полира. Металът се окислява във въздуха и се запалва при смачкване. Сравнително лош проводник на електричество. Електронната формула на урана е 7s2 6d1 5f3.
Въпреки че елементът е открит през 1789 г. от немския химик Мартин Хайнрих Клапрот, който го нарече на новооткритата планета Уран, самият метал е изолиран през 1841 г. от френския химик Ежен-Мелхиор Пелиго чрез редукция от уранов тетрахлорид (UCl 4 ) с калий.
Радиоактивност
Създаване периодична системаРуският химик Дмитрий Менделеев през 1869 г. се фокусира върху урана като най-тежкия известен елемент, който той остава до откриването на нептуний през 1940 г. През 1896 г. френският физик Анри Бекерел открива явлението радиоактивност в него. Това свойство по-късно е открито в много други вещества. Сега е известно, че радиоактивният уран във всичките му изотопи се състои от смес от 238 U (99,27%, полуразпад - 4 510 000 000 години), 235 U (0,72%, полуразпад - 713 000 000 години) и 236% U (0,000). период на полуразпад - 247 000 години). Това дава възможност например да се определи възрастта на скалите и минералите, за да се изследват геоложките процеси и възрастта на Земята. За да направят това, те измерват количеството олово, което е краен продукт от радиоактивния разпад на урана. В този случай 238 U е началният елемент, а 234 U е един от продуктите. 235 U води до серия от разпад на актиний.
Отваряне на верижна реакция
Химическият елемент уран става обект на широк интерес и интензивно изследване, след като германските химици Ото Хан и Фриц Щрасман откриват ядрено делене в него в края на 1938 г., когато е бомбардиран с бавни неутрони. В началото на 1939 г. американският физик от италиански произход Енрико Ферми предполага, че сред продуктите от деленето на атома може да има елементарни частициспособен да започне верижна реакция. През 1939 г. американските физици Лео Силард и Хърбърт Андерсън, както и френският химик Фредерик Жолио-Кюри и техните колеги потвърждават това предсказание. Последващи проучвания показват, че средно по 2,5 неутрона се отделят по време на деленето на атом. Тези открития доведоха до първата самоподдържаща се верига ядрена реакция(02.12.1942), първият атомна бомба(16.07.1945 г.), първата му употреба по време на военни операции (06.08.1945 г.), първата ядрена подводница (1955 г.) и първата пълномащабна атомна електроцентрала (1957 г.).
Окислителни състояния
Химичният елемент уран, който е силен електроположителен метал, реагира с вода. Разтваря се в киселини, но не и в основи. Важни степени на окисление са +4 (както при UO 2 оксид, тетрахалиди като UCl 4 и йон на зелена вода U 4+) и +6 (както при UO 3 оксид, UF 6 хексафлуорид и UO 2 2+ уранил йон) . Във воден разтвор уранът е най-стабилен в състава на уранилния йон, който има линейна структура [O = U = O] 2+ . Елементът също има +3 и +5 състояния, но те са нестабилни. Червеният U 3+ се окислява бавно във вода, която не съдържа кислород. Цветът на UO 2 + йона е неизвестен, тъй като той претърпява диспропорциониране (UO 2 + едновременно се редуцира до U 4+ и се окислява до UO 2 2+) дори в много разредени разтвори.
Ядрено гориво
Когато е изложен на бавни неутрони, деленето на урановия атом се случва в сравнително редкия изотоп 235 U. Това е единственият естествен делящ се материал и трябва да бъде отделен от изотопа 238 U. Въпреки това, след абсорбция и отрицателен бета разпад, уранът -238 се превръща в синтетичен елемент плутоний, който се разцепва от действието на бавни неутрони. Следователно естественият уран може да се използва в конверторни и размножителни реактори, в които деленето се поддържа от редки 235 U и плутоний се произвежда едновременно с трансмутацията на 238 U. Делящият се 233 U може да бъде синтезиран от изотопа на торий-232, който е широко разпространен в природата, за използване като ядрено гориво. Уранът също е важен като основен материал, от който се получават синтетични трансуранови елементи.
Други приложения на урана
Съединенията на химичния елемент преди са били използвани като багрила за керамика. Хексафлуоридът (UF 6) е твърдо вещество с необичайно високо налягане на парите (0,15 atm = 15 300 Pa) при 25 °C. UF 6 е химически много реактивен, но въпреки корозивния си характер в състояние на пара, UF 6 се използва широко в методите за дифузия на газ и газова центрофуга за получаване на обогатен уран.
Органометалните съединения са интересна и важна група съединения, в които връзките метал-въглерод свързват метал с органични групи. Ураноценът е органоураниево съединение U(C 8 H 8) 2, в което урановият атом е притиснат между два слоя органични пръстени, свързани с C 8 H 8 циклооктатетраен. Откриването му през 1968 г. отваря нова област на органометалната химия.
Като средство се използва обеднен естествен уран радиационна защита, баласт, в бронебойни снаряди и танкова броня.
Рециклиране
Химическият елемент, макар и много плътен (19,1 g / cm 3), е сравнително слабо, незапалимо вещество. Всъщност металните свойства на урана изглежда го поставят някъде между среброто и други истински метали и неметали, така че той не се използва като структурен материал. Основната стойност на урана се крие в радиоактивните свойства на неговите изотопи и способността им да се разделят. В природата почти целият (99,27%) метал се състои от 238 U. Останалото е 235 U (0,72%) и 234 U (0,006%). От тези естествени изотопи само 235 U се разделят директно от неутронно облъчване. Въпреки това, при поглъщане, 238 U образува 239 U, който в крайна сметка се разпада до 239 Pu, делящ се материал с голямо значениеза ядрена енергия и ядрени оръжия. Друг делящ се изотоп, 233 U, може да бъде произведен чрез неутронно облъчване с 232 Th.
кристални форми
Характеристиките на урана го карат да реагира с кислород и азот дори при нормални условия. При по-високи температури той реагира с широк спектър от легиращи метали, за да образува интерметални съединения. Образуването на твърди разтвори с други метали е рядко поради специалните кристални структури, образувани от атомите на елемента. Между стайна температура и точка на топене от 1132 °C, металният уран съществува в 3 кристални форми, известни като алфа (α), бета (β) и гама (γ). Превръщането от α- в β-състояние настъпва при 668 °C и от β в γ - при 775 °C. γ-уранът има центрирана по тялото кубична кристална структура, докато β има тетрагонална. α фазата се състои от слоеве от атоми в силно симетрична орторомбична структура. Тази анизотропна изкривена структура не позволява на атомите на легиращия метал да заменят атомите на урана или да заемат пространството между тях в кристалната решетка. Намерих това твърди разтвориобразуват само молибден и ниобий.
руди
Земната кора съдържа около 2 части на милион уран, което показва широкото му разпространение в природата. Смята се, че океаните съдържат 4,5 х 109 тона от този химичен елемент. Уранът е важна съставка на над 150 различни минерала и второстепенна съставка на други 50. Първичните минерали, открити в магматични хидротермални вени и в пегматити, включват уранинит и неговата разновидност на смола. В тези руди елементът се среща под формата на диоксид, който поради окисляване може да варира от UO 2 до UO 2,67. Други икономически значими продукти от уранови мини са аутунит (хидратиран калциев уранил фосфат), тобернит (хидратиран меден уранил фосфат), кофинит (черен хидратиран уранов силикат) и карнотит (хидратиран калиев уранил ванадат).
Смята се, че повече от 90% от известните евтини уранови запаси се намират в Австралия, Казахстан, Канада, Русия, Южна Африка, Нигер, Намибия, Бразилия, Китай, Монголия и Узбекистан. Големи находища се намират в конгломератните скални образувания на езерото Елиът, разположено на север от езерото Хурон в Онтарио, Канада, и в южноафриканската златна мина Witwatersrand. Пясъчните образувания в платото Колорадо и в басейна на Уайоминг в западните Съединени щати също съдържат значителни запаси от уран.
Минен
Урановите руди се намират както в близки до повърхността, така и в дълбоки (300-1200 m) находища. Под земята дебелината на шева достига 30 м. Както в случая на руди от други метали, добивът на уран на повърхността се извършва с голямо земнокопчево оборудване, а разработването на дълбоки находища се извършва по традиционните методи на вертикално и наклонени мини. Световното производство на уранов концентрат през 2013 г. възлиза на 70 хил. т. Най-производителните уранови мини се намират в Казахстан (32% от общото производство), Канада, Австралия, Нигер, Намибия, Узбекистан и Русия.
Урановите руди обикновено съдържат само малко количество минерали, съдържащи уран, и те не могат да бъдат топени чрез директни пирометалургични методи. Вместо това трябва да се използват хидрометалургични процедури за извличане и пречистване на уран. Увеличаването на концентрацията значително намалява натоварването на веригите за обработка, но не е приложим нито един от конвенционалните методи за обогатяване, които обикновено се използват за обработка на минерали, като гравитация, флотация, електростатично и дори ръчно сортиране. С малки изключения, тези методи водят до значителна загуба на уран.
Изгаряне
Хидрометалургичната обработка на уранови руди често се предшества от етап на високотемпературно калциниране. Изпичането дехидратира глината, премахва въглеродните материали, окислява серните съединения до безвредни сулфати и окислява всякакви други редуциращи агенти, които могат да попречат на последващата обработка.
Излугване
Уранът се извлича от печени руди както с киселинни, така и с алкални водни разтвори. За да функционират успешно всички системи за излугване, химическият елемент трябва или първоначално да присъства в по-стабилната 6-валентна форма, или да бъде окислен до това състояние по време на обработката.
Киселинното излугване обикновено се извършва чрез разбъркване на смес от руда и излугващ агент в продължение на 4-48 часа при температура заобикаляща среда. Освен при специални обстоятелства, се използва сярна киселина. Сервира се в количества, достатъчни за получаване на крайната течност при pH 1,5. Схемите за излугване на сярна киселина обикновено използват или манганов диоксид, или хлорат за окисляване на четиривалентен U 4+ до 6-валентен уранил (UO 2 2+). По правило около 5 кг манганов диоксид или 1,5 кг натриев хлорат на тон са достатъчни за окисляването на U 4+. Във всеки случай, окисленият уран реагира със сярна киселина, за да образува 4-уранилсулфатен комплексен анион.
Рудата, съдържаща значително количество основни минерали като калцит или доломит, се излугва с 0,5-1 моларен разтвор на натриев карбонат. Въпреки че са изследвани и тествани различни реагенти, основният окислител за урана е кислородът. Обикновено рудите се излугват на въздух при атмосферно налягане и при температура 75-80 °C за период от време, който зависи от специфичния химичен състав. Алкалът реагира с уран, за да образува лесно разтворим комплексен йон 4-.
Преди по-нататъшна обработка, разтворите, получени от киселинно или карбонатно излугване, трябва да бъдат избистрени. Мащабното отделяне на глини и други рудни суспензии се постига чрез използването на ефективни флокулиращи агенти, включително полиакриламиди, гуарова гума и животински лепило.
Екстракция
Комплексните йони 4- и 4- могат да се сорбират от съответните им излугващи разтвори на йонообменни смоли. Тези специални смоли, характеризиращи се с тяхната кинетика на сорбция и елуиране, размер на частиците, стабилност и хидравлични свойства, могат да се използват в различни технологии за обработка, като например фиксирано и подвижно легло, тип кош и метод за непрекъсната йонообменна смола. Обикновено за елуиране на адсорбиран уран се използват разтвори на натриев хлорид и амоняк или нитрати.
Уранът може да бъде изолиран от киселинни рудни разтвори чрез екстракция с разтворител. В промишлеността се използват алкилфосфорни киселини, както и вторични и третични алкиламини. Като общо правило екстракцията с разтворител се предпочита пред йонообменните методи за киселинни филтрати, съдържащи повече от 1 g/l уран. Този метод обаче не е приложим за карбонатно излугване.
След това уранът се пречиства чрез разтваряне в азотна киселина за образуване на уранил нитрат, екстрахира се, кристализира и калцинира до образуване на UO3 триоксид. Редуцираният UO2 диоксид реагира с флуороводород, за да образува тетрафлуорид UF4, от който металният уран се редуцира с магнезий или калций при температура от 1300 °C.
Тетрафлуоридът може да бъде флуориран при 350 °C за образуване на UF 6 хексафлуорид, който се използва за отделяне на обогатен уран-235 чрез газова дифузия, газово центрофугиране или течна термична дифузия.
Газодифузионният метод се превърна в основен метод за извличане на уран-235 от естествен уран. Съветските учени Кикоин, Соболев и Смородински развиват теорията за процеса на дифузия на газ. Методът на газодифузия се основава на малка разлика в скоростта на движение на тежки ядра уран-238 и по-малко тежки ядра уран-235 по време на преминаването на газообразно ураново съединение през специални порести прегради. С едно преминаване на газ е възможно да се увеличи съдържанието на изотопа уран-235 само с 0,2%. За обогатяване на урана с изотопа 235 до 90–94 процента, което е точно необходимото за бойна глава, е необходимо газът да се изпомпва през дифузионен етап с пореста преграда няколко хиляди пъти.
Разработването и производството на порести прегради се оказа много труден проблем, както добивът на готови продукти, така и консумацията на електроенергия за изпомпване на газ зависят от тяхното качество. Не беше лесно да се проектират и произвеждат надеждни и прости газови компресори с висока степен на херметичност, така че токсичният газов продукт да не навлиза в производствените помещения.
Строителството на газодифузионната инсталация започва през 1946 г. В началото на строителството тук се използва и ръчен труд и конска тяга, едва през 1948 г. тук пристига първият багер. Работата се извършваше денонощно. Проектирането на централата и нейните инсталации беше изключително сложно. Главна сградаЗаводът е с площ над 100 000 квадратни метра. По време на настройката на системите се получиха множество спирания. Доставчикът на компресор много бързо извърши реконструкцията и дори подмяната на оборудването, тези работи бяха под личното наблюдение на Берия и Сталин. След реконструкция в завода са монтирани няколко хиляди дифузионни машини от четири модификации.
Въпреки всички трудности нещата напредват и през 1948 г. се получава уран-235 с обогатяване от 75%. Не беше достатъчно. Тогава беше взето решение. Уран-235 започна да се изпраща за по-нататъшно обогатяване по електромагнитен метод, до 90 процента или повече.
През 1950 г. газодифузионната инсталация увеличава обогатяването до 90% и достига проектния си капацитет; през 1951 г. обогатяването на уран надхвърля 90%.
Основата на инсталацията за разделяне на електромагнитни изотопи беше огромна електромагнитна инсталация, оборудвана със специални камери, изработени от оскъден месинг. Инсталацията се настройва дълго време и през 1949 г. произвежда уран с обогатяване над 90%. В бъдеще заводът се разширява.
По този начин проблемът с производството на два вида ядрени експлозиви: плутоний и уран-235 в достатъчни количества за производството на съветско ядрено оръжие.
Плутоният е изкуствен елемент. Преди атомната ера в природата е имало само нейни „следи“ – няколко десетки килограма в цялата дебелина на земната кора. Сега - стотици тонове, и то не в цялата земна кора, а в бомби и складове, плюс тонове, разпръснати по повърхността на планетата.
Само за една година всички реактори в света произвеждат 10 000 тона ОЯГ, който съдържа 100 тона плутоний, тоест всеки тон ОЯГ съдържа ~ 10 кг плутоний (за сравнение, в бомбата, хвърлена върху Нагасаки, беше само 6,2 кг).
Въпреки че реакторният плутоний, отделен по време на преработката на отработено ядрено гориво, няма оръжейно качество, все пак е възможно да се направи бомба от него. Светът вече е пълен с отделен плутоний за направата на бомби. Има го много: в разгърнати оръжейни системи, в бойни глави, предназначени за демонтаж, в отпадъци от почистването на комплекси за ядрено оръжие, в складове на преработвателни предприятия.
Разделянето, тоест оръжията, е изотоп - плутоний-239. За разработването му, освен обогатен уран (гориво), необогатеният, естествен, уранът („суровината“) е поставен във военен реактор под формата на метални блокове, затворени в запечатана алуминиева обвивка. По време на реакцията на делене в активната зона на реактора възниква голям поток от неутрони и урановите блокове се облъчват с тези неутрони (оттук и терминът „облъчен уран“ или облъчено ядрено гориво).
Когато се улавят неутрони, ядрата на атомите на урана се превръщат в плутониеви ядра, следователно, вътре в блоковете, неделящият се уран-238 постепенно се превръща в делящ се (оръжеен) плутоний-239. По време на престоя в реактора (3-6 месеца), няколкостотин грама уран-238 бяха превърнати от всеки тон природен уран в плутоний-239.
