|
(β −)
235Np()
239 Pu() |
| Çekirdeğin spini ve paritesi |
7/2 −
|
| çürüme kanalı
|
çürüme enerjisi
|
|---|
| α-çürüme |
4.6783(7) MeV |
|
|
|
| 20Ne, 25Ne, 28Mg |
|
Uranyumun diğer en yaygın izotopu olan 238 U'nun aksine, 235 U'da kendi kendini sürdüren bir nükleer zincir reaksiyonu mümkündür. Bu nedenle, bu izotop nükleer reaktörlerde ve nükleer silahlarda yakıt olarak kullanılır.
Oluşum ve çürüme
Uranyum-235, aşağıdaki bozunmaların bir sonucu olarak oluşur:
Uranyum-235'in bozunması aşağıdaki şekillerde gerçekleşir:
Zorunlu bölünme
Uranyum-235'in fisyon ürünlerinde çeşitli elementlerin yaklaşık 300 izotopu bulundu: =30 (çinko) ila Z=64 (gadolinyum). Uranyum-235'in yavaş nötronlarla ışınlanması sırasında oluşan izotopların bağıl veriminin kütle numarasına bağımlılık eğrisi simetriktir ve şekil olarak "M" harfine benzer. Bu eğrinin iki belirgin maksimumu, 95 ve 134 kütle numaralarına karşılık gelirken, minimumu 110 ila 125 arasındaki kütle numaraları aralığına girer. Böylece, uranyumun eşit kütleli (115-119 kütle numaralı) parçalara bölünmesi meydana gelir. asimetrik fisyondan daha düşük bir olasılıkla, böyle bir eğilim tüm bölünebilir izotoplarda gözlenir ve çekirdeklerin veya parçacıkların herhangi bir bireysel özelliği ile ilişkili değildir, ancak nükleer fisyon mekanizmasının özünde bulunur. Bununla birlikte, bölünebilir çekirdeğin uyarma enerjisindeki bir artışla asimetri azalır ve 100 MeV'nin üzerindeki nötron enerjilerinde, fisyon fragmanlarının kütle dağılımı, çekirdeğin simetrik fisyonuna karşılık gelen bir maksimuma sahiptir. Uranyum çekirdeğinin fisyonlanması sırasında oluşan parçalar, sırayla, radyoaktiftir ve uzun bir süre boyunca yavaş yavaş ek enerjinin serbest bırakıldığı bir β - bozunma zincirine maruz kalır. Bir uranyum-235 çekirdeğinin bozunması sırasında, parçaların bozunması dikkate alındığında açığa çıkan ortalama enerji, yaklaşık 202,5 MeV = 3.244 10 −11 J veya 19.54 TJ / mol = 83.14 TJ / kg'dır.
Nükleer fisyon, nötronların çekirdeklerle etkileşimi sırasında mümkün olan birçok süreçten sadece biridir, herhangi bir nükleer reaktörün çalışmasının altında yatan kişidir.
nükleer zincir reaksiyonu
Bir 235 U çekirdeğin bozunması sırasında, genellikle 1 ila 8 (ortalama olarak - 2.416) serbest nötron yayılır. 235 U çekirdeğinin bozunması sırasında üretilen her bir nötron, başka bir 235 U çekirdeği ile etkileşime girerek yeni bir bozunma olayına neden olabilir, bu fenomene denir. nükleer fisyon zincir reaksiyonu.
Varsayımsal olarak, ikinci neslin nötron sayısı (nükleer bozunmanın ikinci aşamasından sonra) 3² = 9'u geçebilir. Fisyon reaksiyonunun sonraki her aşamasında, üretilen nötronların sayısı çığ gibi büyüyebilir. Gerçek koşullar altında, serbest nötronlar yeni bir fisyon olayı oluşturmayabilir, numuneyi 235 U'nun yakalanmasından önce terk edebilir veya hem 235 U izotopunun kendisi tarafından 236 U'ya dönüşmesiyle hem de diğer malzemeler (örneğin, 238) tarafından yakalanmayabilir. U veya 149 Sm veya 135 Xe gibi sonuçtaki nükleer fisyon fragmanları ile).
Gerçek koşullarda, bir dizi faktör reaksiyonun seyrini etkilediğinden, kritik uranyum durumuna ulaşmak o kadar kolay değildir. Örneğin, doğal uranyum sadece %0.72 235 U'dan oluşur, %99.2745'i 238 U'dur, bu da 235 U çekirdeğin fisyonu sırasında üretilen nötronları emer.Bu, doğal uranyumda şu anda fisyon zincir reaksiyonunun çok yüksek olduğu gerçeğine yol açar. çabuk söner. Sönümsüz bir fisyon zincir reaksiyonu gerçekleştirmenin birkaç ana yolu vardır:
- Numunenin hacmini artırın (cevherden çıkarılan uranyum için, hacimdeki artış nedeniyle kritik bir kütle elde etmek mümkündür);
- Numunedeki 235 U konsantrasyonunu artırarak izotop ayrımı yapın;
- Uygulayarak numune yüzeyinden serbest nötron kaybını azaltın Çeşitli türler reflektörler;
- Termal nötronların konsantrasyonunu artırmak için bir nötron moderatörü kullanın.
izomerler
- Fazla kütle: 40920.6(1.8) keV
- Uyarma enerjisi: 76.5(4) eV
- Yarı ömür: 26 dk
- Çekirdeğin dönüşü ve paritesi: 1/2 +
İzomerik durumun bozulması, temel duruma izomerik geçiş ile gerçekleştirilir.
Başvuru
- Uranyum-235, nükleer reaktörler için yakıt olarak kullanılır. yönetilen fisyon nükleer zincir reaksiyonu;
- Nükleer silah yapımında yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum kullanılıyor. Bu durumda büyük miktarda enerji (patlama) salmak için kullanılır. kontrol edilemez zincir nükleer reaksiyon.
Ayrıca bakınız
"Uranyum-235" makalesi hakkında bir inceleme yazın
notlar
- G.Audi, A.H. Wapstra ve C. Thibault (2003). "". Nükleer Fizik A 729
: 337-676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 . Bibkod :.
- G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot ve A.H. Wapstra (2003). "". Nükleer Fizik A 729
: 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . Bibkod :.
- Hoffman K.- 2. baskı. silinmiş - L.: Kimya, 1987. - S. 130. - 232 s. - 50.000 kopya.
-
- Fialkov Yu.Ya.İzotopların kimya ve kimya endüstrisinde kullanımı. - Kiev: Tehnika, 1975. - S. 87. - 240 s. - 2.000 kopya.
- . Kaye ve Laby Çevrimiçi. .
- Bartolomey G.G., Baibakov V.D., Alkhutov M.S., Bat G.A. Nükleer güç reaktörlerini hesaplamak için teori ve yöntemlerin temelleri. - E.: Energoatomizdat, 1982. - S. 512.
Daha kolay:
uranyum-234
|
Uranyum-235
uranyum izotopu
|
Daha ağır:
uranyum-236
|
| Elementlerin izotopları Nüklit tablosu |
Uranyum-235'i karakterize eden bir alıntı
Gerektiğinde asla bulunamayan müfrezenin ekonomik işleri hakkında hiçbir şey bilmek istemediğini söyleyen Miloradovich, "şövalye sans peur et sans reproche" ["korkusuz ve sitemsiz bir şövalye"] olarak, kendisi aradı ve Fransızlarla konuşmalar için bir avcı, ateşkes milletvekilleri gönderdi, teslim olmayı talep etti ve zaman kaybetti ve kendisine emredilen şeyi yapmadı.
Birliklere doğru ilerleyip Fransız süvarilerini işaret ederek, "Size bu sütunu veriyorum," dedi. Ve sıska, tenli, zar zor hareket eden atların üzerindeki süvariler, onları mahmuz ve kılıçlarla teşvik ederek, güçlü gerilimlerden sonra, bağışlanan sütuna, yani donmuş, sert ve aç Fransız kalabalığına kadar sürdüler; ve bağışlanan sütun uzun zamandır yapmak istediği silahlarını atıp teslim oldu.
Krasnoye yakınlarında, mareşalin değneği olarak adlandırdıkları yirmi altı bin mahkum, yüzlerce top, bir tür sopa aldılar ve orada kendilerini kimin ayırt ettiğini ve bundan memnun olduklarını tartıştılar, ancak Napolyon'u almadıkları için çok pişman oldular. ya da en azından bir kahraman, mareşal ve bunun için birbirlerini ve özellikle Kutuzov'u kınadı.
Tutkularına kapılan bu insanlar, yalnızca en üzücü zorunluluk yasasının kör uygulayıcılarıydı; ama kendilerini kahraman olarak görüyorlardı ve yaptıklarını en değerli ve en asil iş olarak görüyorlardı. Kutuzov'u suçladılar ve kampanyanın en başından beri Napolyon'u yenmelerini engellediğini, sadece tutkularını tatmin etmeyi düşündüğünü ve Keten Fabrikalarından ayrılmak istemediğini çünkü orada sakin olduğunu söylediler; sadece Napolyon'un varlığını öğrendiğinde tamamen kaybolduğu için Krasnoe yakınlarındaki hareketi durdurduğunu; Napolyon'la bir komplo içinde olduğu, onun tarafından rüşvet aldığı varsayılabilir, [Wilson's Notes. (L.N. Tolstoy tarafından not.)], vb.
Sadece tutkularla taşınan çağdaşlar bunu söylemekle kalmadı, - gelecek nesiller ve tarih, Napolyon'u büyük olarak kabul etti ve Kutuzov: yabancılar - kurnaz, ahlaksız, zayıf bir mahkeme yaşlı adam; Ruslar - belirsiz bir şey - bir tür oyuncak bebek, sadece Rus adlarında faydalı ... 12. ve 13. yıllarda Kutuzov doğrudan hatalarla suçlandı. Hükümdar ondan memnun değildi. Ve yakın zamanda en yüksek komutanlık tarafından yazılan bir hikayede, Kutuzov'un Napolyon adından korkan kurnaz bir mahkeme yalancısı olduğu ve Krasnoye ve Berezina yakınlarındaki hatalarıyla Rus birliklerini tam bir zaferden mahrum bıraktığı söyleniyor. Fransızlara karşı zafer. [Bogdanovich tarafından 1812 tarihi: Kutuzov'un karakterizasyonu ve Krasnensky savaşlarının yetersiz sonuçlarının tartışılması. (L.N. Tolstoy'un notu.)]
Bu, Rus aklının tanımadığı büyük insanların, büyük homme'nin değil, İlahi Takdir'in iradesini anlayan, kişisel iradelerini ona tabi kılan nadir, her zaman yalnız insanların kaderidir. Kalabalığın nefreti ve küçümsemesi, bu insanları daha yüksek yasaların aydınlanması için cezalandırıyor.
Rus tarihçileri için - söylemesi garip ve korkunç - Napolyon tarihin en önemsiz aracıdır - hiçbir zaman ve hiçbir yerde, sürgünde bile, insan onurunu göstermedi - Napolyon bir hayranlık ve zevk nesnesidir; o büyük. 1812 yılındaki faaliyetinin başlangıcından sonuna kadar, Borodin'den Vilna'ya kadar, tek bir hareketle, tek kelimeyle kendine asla ihanet etmeyen Kutuzov, günümüzün olağanüstü bir kendini inkar ve farkındalığın olağanüstü bir örneğidir. Bir olayın gelecekteki anlamı, - Kutuzov onlara belirsiz ve acıklı bir şey gibi görünüyor ve Kutuzov ve 12. yıldan bahsetmişken, her zaman biraz utanmış görünüyorlar.
Bu arada, faaliyeti bu kadar değişmez ve sürekli olarak aynı amaca yönelik olacak bir tarihi şahsiyet hayal etmek zordur. Tüm halkın iradesine daha uygun ve daha değerli bir hedef hayal etmek zor. Tarihte, tarihsel bir kişinin belirlediği hedefe, Kutuzov'un 1812'deki tüm faaliyetinin yöneldiği hedef kadar eksiksiz bir şekilde ulaşılacağı başka bir örnek bulmak daha da zor.
Kutuzov, piramitlerden bakan kırk yüzyıldan, anavatanına getirdiği fedakarlıklardan, yapmak istediği veya yaptığı şeylerden hiç bahsetmedi: kendisi hakkında hiçbir şey söylemedi, hiçbir rol oynamadı, her zaman en basit ve sıradan adam gibi göründü ve en basit ve sıradan şeyleri söyledi. Kızlarına ve bana Stael'e mektuplar yazdı, romanlar okudu, güzel kadınların arkadaşlığını sevdi, generaller, subaylar ve askerlerle şakalaştı ve kendisine bir şey kanıtlamak isteyen insanlarla asla çelişmedi. Yauzsky Köprüsü'ndeki Kont Rostopchin, Moskova'nın ölümü için kimin suçlanacağına dair kişisel sitemlerle Kutuzov'a dörtnala koştu ve şöyle dedi: “Savaşmadan Moskova'yı terk etmeyeceğinize nasıl söz verdiniz?” - Kutuzov, Moskova'nın çoktan terk edilmiş olmasına rağmen, "Moskova'yı savaşmadan terk etmeyeceğim" dedi. Hükümdardan kendisine gelen Arakcheev, Yermolov'un topçu başına atanması gerektiğini söylediğinde, Kutuzov, “Evet, sadece kendim söyledim” dedi, ancak bir dakika içinde tamamen farklı bir şey söyledi. Onun için ne önemi vardı ki, o zaman olayın tüm muazzam anlamını, onu çevreleyen aptal kalabalığın içinde yalnızca kim anladı, Kont Rostopchin'in başkentin felaketini kendisine mi yoksa kendisine mi bağlayacağını umursadı? Topçu komutanlığına kimin atanacağıyla daha az ilgilenebiliyordu.
Sadece bu durumlarda değil, sürekli olarak bu yaşlı adam, yaşam tecrübesiyle, ifadeleri olarak hizmet eden düşünce ve kelimelerin insanları hareket ettirenlerin özü olmadığı inancına ulaştıktan sonra, tamamen anlamsız sözler söyledi - ona ilk gelen. akıl.
Fakat sözlerini bu kadar ihmal eden aynı adam, faaliyeti boyunca bir kez bile, bütün savaş boyunca gitmekte olduğu yegane hedefe uygun olmayan tek bir kelime söylemedi. Açıkça, istemeden, onu anlamayacaklarına dair büyük bir kesinlikle, çok çeşitli koşullarda fikrini defalarca dile getirdi. Başkalarıyla anlaşmazlığının başladığı Borodino Savaşı'ndan başlayarak, tek başına şunları söyledi: Borodino savaşı bir zafer var ve bunu sözlü olarak, raporlarda ve raporlarda ölümüne kadar tekrarladı. Tek başına Moskova'nın kaybının Rusya'nın kaybı olmadığını söyledi. Loriston'un barış teklifine cevaben, barışın olamayacağını, çünkü halkın iradesinin bu olduğunu; Fransızların geri çekilmesi sırasında yalnız o, tüm manevralarımıza gerek olmadığını, her şeyin bizim istediğimizden daha iyi olacağını, düşmana altın bir köprü verilmesi gerektiğini, ne Tarutino, ne Vyazemsky ne de Krasnensky'nin savaşmadığını söyledi. Bir gün sınıra neyle gelmen gerekiyorsa, on Fransız için bir Rus'tan vazgeçmeyecek.
Ve o yalnız, bu saray adamı, bize tasvir edildiği gibi, hükümdarı memnun etmek için Arakcheev'e yalan söyleyen bir adam - o yalnız, bu saray adamı, Vilna'da, bu yüzden hükümdarın rezaletini hak ediyor, diyor ki daha fazla savaş Yurtdışı zararlı ve yararsızdır.
Ancak kelimeler tek başına olayın önemini anladığını kanıtlayamazdı. Eylemleri - en ufak bir geri çekilme olmaksızın, hepsi aynı amaca yönelikti ve üç eylemde ifade edildi: 1) tüm güçlerini Fransızlarla çarpışmak için zorlamak, 2) onları yenmek ve 3) onları Rusya'dan kovmak, kolaylaştırmak. , mümkün olduğu kadar, halkın ve birliklerin felaketleri.
Sloganı sabır ve zaman olan, kararlı eylemin düşmanı olan o erteleyici Kutuzov, Borodino savaşını veriyor, onun hazırlıklarını eşsiz bir ciddiyetle giydiriyor. O, o Kutuzov, kim austerlitz savaşı, savaşa başlamadan önce, borodino'da, generallerin savaşın kaybedildiğine dair güvencelerine rağmen, tarihte duyulmamış bir örneğine rağmen, savaşın kazanılmasından sonra ordunun geri çekilmesi gerektiğini söylüyor. herkese muhalefet, ölümün kendisi Borodino Savaşı'nın bir zafer olduğunu iddia edene kadar. Tüm geri çekilme boyunca tek başına, artık işe yaramaz olan savaşları başlatmamakta ısrar ediyor. yeni savaş ve Rusya sınırlarını geçmeyin.
Şimdi, bir düzine insanın kafasındaki hedef kitlelerinin faaliyetlerine başvurmadıkça, bir olayın anlamını anlamak kolaydır, çünkü tüm olay sonuçlarıyla birlikte önümüzdedir.
Ama o halde, herkesin düşüncesinin aksine, tek başına bu yaşlı adam, olayın popüler anlamının anlamını o kadar doğru bir şekilde tahmin edebildi ki, tüm faaliyetlerinde ona asla ihanet etmedi?
Meydana gelen fenomenlerin anlamına ilişkin bu olağanüstü kavrayış gücünün kaynağı, tüm saflığı ve gücüyle içinde taşıdığı o popüler duyguda yatmaktadır.
Sadece ondaki bu duygunun farkına varılması, halkın, böyle garip bir şekilde, gözden düşmüş yaşlı bir adamdan, halk savaşının temsilcileri olarak çarın iradesine karşı onu seçmesine neden oldu. Ve sadece bu duygu onu, başkomutan olarak tüm güçlerini insanları öldürmek ve yok etmek için değil, onları kurtarmak ve onlara acımak için yönlendirdiği en yüksek insan yüksekliğine getirdi.
Mart 1939'a kadar, Fransa ve Amerika'da çalışan bilim adamları grupları, kendi kendini idame ettiren bir zincirleme reaksiyon için, uranyum çekirdeğinin her fisyonunda ortalama iki ila dört serbest nötronun yeterli olduğunu kanıtladı. Bununla birlikte, bir atom bombası yaratma olasılığına ilişkin artan korkular hızla dağıldı.
Bohr zaman kaybetmemeye karar verdi. Fisyon fiziği, bilimdeki diğer tüm yeni yönler gibi, kuşkusuz, tükenmez bir faaliyet alanı sağladı. Ve Princeton'da Kopenhag'dakinden daha az başarı ile çalışmak mümkün olduğundan, Bohr bir işbirliği teklifiyle Wheeler'a döndü. Yeni deneysel verilere dayanarak nükleer fisyon teorisini daha da geliştirmeye başladılar. Princeton'da, Palmer laboratuvarının çatı katında aceleyle monte edilmiş bir aygıtla deneyler yaptılar. Elde edilen sonuçlar başlangıçta oldukça şaşırtıcıydı.
Her biri farklı miktarda enerji taşıyan nötronların etkisi altında uranyum çekirdeğinin fisyon yoğunluğundaki değişiklikleri incelemek için yukarıda bahsedilen aygıta ihtiyaç vardı. Bu enerji ne kadar büyük olursa, fisyonun o kadar yoğun olduğu ve azalmasıyla sırasıyla fisyon yoğunluğunun da azaldığı bulundu. Bu tür veriler oldukça bekleniyordu. Ancak, nötron enerjisinde yeterli bir azalma ile nükleer fisyon yoğunluğunun tekrar arttığı kısa sürede anlaşıldı.
Daha önce Kopenhag'da çalışan Frisch'i nükleer fisyonun güvenilir bir onayını aramaya zorlayan Placzek, beklenmedik bir şekilde Princeton'da sona erdi. "Bu da ne böyle: Hem hızlı hem de yavaş pozlama için tepki neden aynı?!" - Kızgındı, kahvaltıda Rosenfeld ve Bohr ile oturuyordu.
Kısa süre sonra ofisine dönen Niels Bohr, bu sorunun cevabını zaten biliyordu. Görünüşe göre sebep yüksek yoğunluk düşük enerjili nötronlarda nükleer fisyon - doğada bulunan bu elementin toplam miktarının ihmal edilebilir bir yüzdesi olan nadir bir izotop uranyum-235 (U 235). Bohr ve Wheeler şimdi bu hipotezin ayrıntılı gelişimine başladılar. Ve yeni teoride iki temel faktör kuruldu.
U 235 izotopunda, bir atomun çekirdeğindeki protonların itici kuvveti ile kuvvet arasındaki denge yüzey gerilimiÇekirdeği çürümekten koruyan , U 238 izotopundan çok daha kırılgandır. Üç ilave uranyum-238 nötron, çekirdeği stabilize eder ve bozunma reaksiyonunu başlatmak için aşılması gereken enerji bariyerini arttırır. Bu nedenle, böyle bir çekirdeği bölmek için daha yüksek enerjili daha hızlı nötronlara ihtiyaç vardır.
Bahsedilen faktörlerden ikincisi, çekirdeğin doğrudan karmaşık bileşimiydi. onun için daha uygun. eşit sayı atom altı bileşenlerinin kuantum doğası ile açıklanan protonlar ve nötronlar. Ek bir nötron alan U 235, çekirdeğinde 92 proton ve 144 nötron bulunan, yani her iki nükleonun çift sayısı olan U 236'ya dönüşür. U 238 ek bir nötron aldığında, çekirdekte tek sayıda nötron bulunan bir U 239 izotopu oluşur. Uranyum-235, ek bir nötronu "özümser" ve onunla uranyum-238'den çok daha kolay reaksiyona girer.
Yukarıda açıklanan iki faktörün kombinasyonu, iki uranyum izotopunun davranışındaki önemli farkı yeterince açıklamaktadır. Kararlı U 238 çekirdeğinin bölünmesi, hızlı nötronlar gerektirirken, çok daha az kararlı olan U 235 çekirdeği, yavaş nötronlar tarafından bölünebilir. Bu nedenle, eylemi yavaş nötronların etkisi altında uranyum-235 fisyonuna dayanacak olan U 235 ve U 238 karışımından oluşan bir bomba yaparsanız, içindeki zincir reaksiyonu yavaş ilerleyecektir. O zaman ölecek ve bomba patlamayacak.
Şimdi, yakın gelecekte bir bomba inşa etme şansı, tamamen ortadan kalkmamış olsa da, önemli ölçüde azaldı. Tabii ki, Bohr'un Nisan 1939'da meslektaşlarıyla yaptığı tartışmalar sırasında defalarca tekrarladığı sözlerini unutmamak gerekir: sonra bunu bomba yapmak için ilan etti. olabilmek saf uranyum-235 bazında yapılması şartıyla. Bununla birlikte, U 235 nadir bir izotoptur ve doğal uranyumla ilgili payı 1:140'tır, yani %0.7 gibi önemsiz bir değerdedir. Ayrıca U 235 ve U 238 kimyasal özelliklerözdeştir ve böylece Kimyasal reaksiyon ayrılamazlar. Bu, ancak izotopların kütlelerinde neredeyse algılanamayan bir fark kullanarak birbirinden ayrılmasını sağlayan özel fiziksel yöntemlerin kullanılmasıyla mümkündür. Aynı zamanda, bir atom bombası oluşturmak için gerekli ölçekte böyle bir çalışma, makul olmayan büyük çabalar gerektiriyordu - o zamanki geliştirme düzeyinde, birkaç ton uranyum-235 gerektiriyordu.
Uranüs - kimyasal element atom numarası 92 olan aktinit ailesi. En önemli nükleer yakıttır. konsantrasyonu yerkabuğu milyonda yaklaşık 2 parçadır. Önemli uranyum mineralleri arasında uranyum oksit (U 3 O 8), uraninit (UO 2), karnotit (potasyum uranil vanadat), otenit (potasyum uranil fosfat) ve torbernit (sulu bakır ve uranil fosfat) bulunur. Bu ve diğer uranyum cevherleri, nükleer yakıt kaynaklarıdır ve bilinen tüm geri kazanılabilir fosil yakıt yataklarından kat kat daha fazla enerji içerir. 1 kg uranyum 92 U, 3 milyon kg kömür kadar enerji verir.
keşif geçmişi
Kimyasal element uranyum, yoğun, katı gümüş-beyaz bir metaldir. Esnektir, dövülebilir ve cilalanabilir. Metal havada oksitlenir ve ezildiğinde tutuşur. Nispeten zayıf elektrik iletkeni. Uranyumun elektronik formülü 7s2 6d1 5f3'tür.
Element, 1789'da yeni keşfedilen Uranüs gezegeninin adını veren Alman kimyager Martin Heinrich Klaproth tarafından keşfedilmiş olmasına rağmen, metalin kendisi 1841'de Fransız kimyager Eugène-Melchior Peligot tarafından uranyum tetraklorürden (UCl 4) indirgenerek izole edildi. potasyum.
radyoaktivite
oluşturma periyodik sistem 1869'da Rus kimyager Dmitri Mendeleev, 1940'ta neptünyumun keşfine kadar kalan, bilinen en ağır element olarak uranyum üzerinde odaklandı. 1896'da Fransız fizikçi Henri Becquerel, içindeki radyoaktivite fenomenini keşfetti. Bu özellik daha sonra başka birçok maddede de bulundu. Tüm izotoplarında radyoaktif 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 (%0.006) karışımından oluştuğu bilinmektedir. yarı ömür - 247.000 yıl). Bu, örneğin jeolojik süreçleri ve Dünya'nın yaşını incelemek için kayaların ve minerallerin yaşını belirlemeyi mümkün kılar. Bunu yapmak için, uranyumun radyoaktif bozunmasının son ürünü olan kurşun miktarını ölçerler. Bu durumda 238 U ilk eleman, 234 U ise ürünlerden biridir. 235 U, aktinyum bozunma serisine yol açar.
Zincirleme reaksiyon açma
Kimyasal element uranyum, Alman kimyagerler Otto Hahn ve Fritz Strassmann'ın 1938'in sonunda yavaş nötronlarla bombardıman edildiğinde içinde nükleer fisyon keşfetmesinden sonra geniş ilgi ve yoğun çalışmanın konusu oldu. 1939'un başında, İtalyan kökenli Amerikalı fizikçi Enrico Fermi, atomun fisyon ürünleri arasında olabileceğini öne sürdü. temel parçacıklar zincirleme reaksiyon başlatabilir. 1939'da Amerikalı fizikçiler Leo Szilard ve Herbert Anderson ile Fransız kimyager Frederic Joliot-Curie ve meslektaşları bu öngörüyü doğruladılar. Daha sonraki çalışmalar, bir atomun bölünmesi sırasında ortalama olarak 2,5 nötron salındığını göstermiştir. Bu keşifler, kendi kendini idame ettiren ilk zincire yol açtı. Nükleer reaksiyon(02.12.1942), ilk atom bombası(16/07/1945), askeri operasyonlar sırasında ilk kullanımı (08/06/1945), ilk nükleer denizaltı (1955) ve ilk tam ölçekli nükleer santral (1957).
oksidasyon durumları
Güçlü bir elektropozitif metal olan uranyum kimyasal elementi su ile reaksiyona girer. Asitlerde çözünür, alkalilerde çözünmez. Önemli oksidasyon durumları +4 (UO 2 oksit, UCl 4 ve yeşil su iyonu U 4+ gibi tetrahalidlerde olduğu gibi) ve +6'dır (UO 3 oksit, UF 6 heksaflorür ve UO 2 2+ uranil iyonunda olduğu gibi) . Sulu bir çözeltide, uranyum lineer bir yapıya sahip olan uranil iyonunun bileşiminde en kararlıdır [O = U = O] 2+ . Elemanın ayrıca +3 ve +5 durumları vardır, ancak bunlar kararsızdır. Kırmızı U 3+ oksijen içermeyen suda yavaş oksitlenir. UO 2 + iyonunun rengi bilinmemektedir, çünkü çok seyreltik çözeltilerde bile orantısızlaşmaya (UO 2 + aynı anda U 4+'ya indirgenir ve UO 2 2+'ye oksitlenir) maruz kalır.
Nükleer yakıt
Yavaş nötronlara maruz kaldığında, uranyum atomunun bölünmesi nispeten nadir izotop 235 U'da meydana gelir. Bu tek doğal bölünebilir malzemedir ve 238 U izotopundan ayrılması gerekir. Ancak, absorpsiyon ve negatif beta bozunmasından sonra, uranyum -238, yavaş nötronların etkisiyle bölünen sentetik bir plütonyum elementine dönüşür. Bu nedenle, doğal uranyum, fisyonun nadir 235 U tarafından desteklendiği ve plütonyumun 238 U transmutasyonu ile eş zamanlı olarak üretildiği dönüştürücü ve damızlık reaktörlerde kullanılabilir. Fissile 233 U, doğada yaygın olarak bulunan toryum-232 izotopundan nükleer yakıt olarak kullanılmak üzere sentezlenebilir. Uranyum, sentetik uranyumötesi elementlerin elde edildiği birincil malzeme olarak da önemlidir.
Uranyumun diğer kullanımları
Kimyasal elementin bileşikleri daha önce seramik boyaları 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 elde etmek için gaz difüzyonu ve gaz santrifüj yöntemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Organometalik bileşikler, metal-karbon bağlarının metali organik gruplara bağladığı ilginç ve önemli bir bileşik grubudur. Uranosen, uranyum atomunun C8H8 siklooktatetraene bağlı iki organik halka katmanı arasına sıkıştırıldığı bir organouranyum bileşiği U(C8H8)2'dir. 1968'deki keşfi, organometalik kimyanın yeni bir alanını açtı.
Tüketilmiş doğal uranyum bir araç olarak kullanılıyor radyasyon koruması, balast, zırh delici mermilerde ve tank zırhında.
geri dönüşüm
Kimyasal element, çok yoğun olmasına rağmen (19,1 g/cm3) nispeten zayıf, yanıcı olmayan bir maddedir. Gerçekten de, uranyumun metalik özellikleri onu gümüş ve diğer gerçek metaller ve metal olmayanlar arasında bir yere yerleştiriyor gibi görünüyor, bu nedenle yapısal bir malzeme olarak kullanılmamaktadır. Uranyumun ana değeri, izotoplarının radyoaktif özelliklerinde ve fisyon yeteneklerinde yatmaktadır. Doğada metalin hemen hemen tamamı (%99,27) 238 U'dan oluşur. Geri kalanı 235 U (%0,72) ve 234 U'dur (%0,006). Bu doğal izotoplardan sadece 235 U, nötron ışıması ile doğrudan bölünür. Bununla birlikte, soğurulma üzerine, 238 U, 239 U'yu oluşturur ve sonunda 239 Pu'ya bozunur. büyük önem nükleer enerji ve nükleer silahlar için. Başka bir bölünebilir izotop, 233 U, 232 Th ile nötron ışınlaması ile üretilebilir.
kristal formlar
Uranyumun özellikleri, normal şartlar altında bile oksijen ve nitrojen ile reaksiyona girmesine neden olur. Daha yüksek sıcaklıklarda, intermetalik bileşikler oluşturmak için çok çeşitli alaşım metalleriyle reaksiyona girer. Elementin atomlarının oluşturduğu özel kristal yapılar nedeniyle diğer metallerle katı çözeltilerin oluşumu nadirdir. Oda sıcaklığı ile 1132 °C'lik bir erime noktası arasında, uranyum metali alfa (α), beta (β) ve gama (γ) olarak bilinen 3 kristal formda bulunur. α-'den β-durumuna dönüşüm 668 °C'de ve β'dan γ'ye - 775 °C'de gerçekleşir. γ-uranyum cisim merkezli kübik kristal yapıya sahipken, β tetragonal yapıya sahiptir. α fazı, oldukça simetrik bir ortorombik yapıdaki atom katmanlarından oluşur. Bu anizotropik çarpık yapı, alaşım metal atomlarının uranyum atomlarının yerini almasını veya kristal kafeste aralarındaki boşluğu işgal etmesini engeller. Bulundu katı çözümler sadece molibden ve niyobyum oluşturur.
cevherler
Yerkabuğu, doğadaki geniş dağılımını gösteren, milyonda yaklaşık 2 parça uranyum içerir. Okyanusların bu kimyasal elementten 4,5 x 109 ton içerdiği tahmin edilmektedir. Uranyum, 150'den fazla farklı mineralin önemli bir bileşeni ve 50'den fazla mineralin küçük bir bileşenidir. Magmatik hidrotermal damarlarda ve pegmatitlerde bulunan birincil mineraller, uraninit ve çeşitli pitchblend'i içerir. Bu cevherlerde element, oksidasyon nedeniyle UO 2 ila UO 2.67 arasında değişebilen dioksit formunda oluşur. Uranyum madenlerinden elde edilen diğer ekonomik açıdan önemli ürünler, autunit (hidratlı kalsiyum uranil fosfat), tobernit (hidratlı bakır uranil fosfat), kofinit (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. Kanada, Ontario'daki Huron Gölü'nün kuzeyinde bulunan Elliot Gölü'nün konglomera kaya oluşumlarında ve Güney Afrika Witwatersrand altın madeninde büyük tortular bulunur. Colorado Platosu'ndaki ve batı Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Wyoming Havzasındaki kum oluşumları da önemli uranyum rezervleri içerir.
madencilik
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, yüzeydeki uranyum madenciliği büyük hafriyat ekipmanlarıyla gerçekleştirilir ve derin yatakların geliştirilmesi geleneksel dikey yöntemlerle gerçekleştirilir. ve eğimli mayınlar. 2013 yılında dünya uranyum konsantresi üretimi 70 bin ton olarak gerçekleşmiştir.En verimli uranyum madenleri Kazakistan (toplam üretimin %32'si), Kanada, Avustralya, Nijer, Namibya, Özbekistan ve Rusya'da bulunmaktadır.
Uranyum cevherleri genellikle sadece az miktarda uranyum içeren mineraller içerir ve doğrudan pirometalurjik yöntemlerle eritilemezler. Bunun yerine, uranyumu çıkarmak ve saflaştırmak için hidrometalurjik prosedürler kullanılmalıdır. Konsantrasyonun arttırılması, işleme devreleri üzerindeki yükü önemli ölçüde azaltır, ancak yerçekimi, yüzdürme, elektrostatik ve hatta manuel ayırma gibi mineral işleme için yaygın olarak kullanılan geleneksel zenginleştirme yöntemlerinden hiçbiri uygulanabilir değildir. Birkaç istisna dışında, bu yöntemler önemli ölçüde uranyum kaybına neden olur.
yanan
Uranyum cevherlerinin hidrometalurjik işlenmesinden önce genellikle yüksek sıcaklıkta kalsinasyon aşaması gelir. Ateşleme kili kurutur, karbonlu maddeleri uzaklaştırır, kükürt bileşiklerini zararsız sülfatlara oksitler ve sonraki işlemeye müdahale edebilecek diğer indirgeyici maddeleri oksitler.
liç
Uranyum, hem asidik hem de alkali olarak kavrulmuş cevherlerden çıkarılır. sulu çözeltiler. Tüm liç sistemlerinin başarılı bir şekilde çalışması için, kimyasal element ya başlangıçta daha kararlı 6 değerli formda mevcut olmalıdır ya da işlem sırasında bu duruma oksitlenmelidir.
Asit liçi, genellikle, bir sıcaklıkta 4-48 saat boyunca bir cevher ve çözücü karışımı karıştırılarak gerçekleştirilir. Çevre. Özel durumlar dışında sülfürik asit kullanılır. pH 1.5'te nihai likörü elde etmek için yeterli miktarlarda servis edilir. Sülfürik asit liç şemaları, dört değerlikli U 4+ ila 6 değerli uranili (UO 2 2+) oksitlemek için tipik olarak ya manganez dioksit ya da klorat kullanır. Kural olarak, U 4+ oksidasyonu için ton başına yaklaşık 5 kg manganez dioksit veya 1.5 kg sodyum klorat yeterlidir. Her durumda, oksitlenmiş uranyum, 4-uranil sülfat kompleks anyonunu oluşturmak için sülfürik asit ile reaksiyona girer.
Kalsit veya dolomit gibi önemli miktarda bazik mineral içeren cevher, 0,5-1 molar sodyum karbonat çözeltisi ile liç edilir. Çeşitli reaktifler üzerinde çalışılmış ve test edilmiş olmasına rağmen, uranyum için ana oksitleyici madde oksijendir. Cevherler genellikle atmosfer basıncında ve 75-80 °C sıcaklıkta, spesifik kimyasal bileşime bağlı olarak belirli bir süre boyunca havada liç edilir. Alkali, kolayca çözünür bir kompleks iyon 4-oluşturmak için uranyum ile reaksiyona girer.
Daha fazla işlemden önce asit veya karbonat liçinden kaynaklanan çözeltiler berraklaştırılmalıdır. Killerin ve diğer cevher bulamaçlarının büyük ölçekli ayrımı, poliakrilamidler, guar zamkı ve hayvansal zamk dahil olmak üzere etkili topaklaştırıcı maddelerin kullanımıyla gerçekleştirilir.
çıkarma
Karmaşık iyonlar 4- ve 4-, iyon değişim reçinelerinin ilgili liç çözeltilerinden emilebilir. Sorpsiyon ve elüsyon kinetikleri, partikül boyutu, stabilitesi ve hidrolik özellikleri ile karakterize edilen bu özel reçineler, sabit ve hareketli yatak, sepet tipi ve sürekli bulamaç iyon değişim reçinesi yöntemi gibi çeşitli işleme teknolojilerinde kullanılabilir. Genellikle, adsorbe edilmiş uranyumu ayrıştırmak için sodyum klorür ve amonyak veya nitrat çözeltileri kullanılır.
Uranyum, solvent ekstraksiyonu ile asit cevheri likörlerinden izole edilebilir. Endüstride, alkil fosforik asitlerin yanı sıra ikincil ve üçüncül alkilaminler kullanılır. Genel bir kural olarak, 1 g/l'den fazla uranyum içeren asidik süzüntüler için iyon değiştirme yöntemlerine göre solvent ekstraksiyonu tercih edilir. Ancak bu yöntem karbonat liçi için geçerli değildir.
Uranyum daha sonra uranil nitrat oluşturmak için nitrik asit içinde çözülerek saflaştırılır, özütlenir, kristalleştirilir ve UO 3 trioksit oluşturmak üzere kalsine edilir. İndirgenmiş UO2 dioksit hidrojen florür ile reaksiyona girerek 1300 °C'lik bir sıcaklıkta metalik uranyumun magnezyum veya kalsiyum tarafından indirgendiği tetraflorür UF4'ü oluşturur.
Tetraflorür, zenginleştirilmiş uranyum-235'i gaz difüzyonu, gaz santrifüjü veya sıvı termal difüzyon ile ayırmak için kullanılan UF 6 heksaflorürü oluşturmak için 350 °C'de florlanabilir.
Gaz difüzyon yöntemi, uranyum-235'i doğal uranyumdan çıkarmak için ana yöntem haline geldi. Sovyet bilim adamları Kikoin, Sobolev ve Smorodinsky, gaz difüzyon süreci teorisini geliştirdiler. Gaz difüzyon yöntemi, gaz halindeki bir uranyum bileşiği özel gözenekli bölümlerden geçtiğinde, ağır uranyum-238 çekirdeklerinin ve daha az ağır uranyum-235 çekirdeklerinin hareket hızındaki küçük bir farka dayanır. Tek bir gaz geçişi ile uranyum-235 izotopunun içeriğini sadece %0,2 artırmak mümkündür. Uranyumu %90-94'e kadar yüzde 90-94'e kadar 235 izotopla zenginleştirmek için, ki bu tam olarak bir savaş başlığı için gerekli olan şeydir, gazı gözenekli bir bölme ile bir difüzyon aşamasından birkaç bin kez pompalamak gerekir.
Gözenekli bölmelerin geliştirilmesi ve imalatı çok zor bir sorun haline geldi, hem bitmiş ürünlerin verimi hem de gaz pompalamak için elektrik tüketimi kalitesine bağlıydı. Zehirli gaz ürününün üretim tesislerine girmemesi için yüksek derecede sızdırmazlığa sahip güvenilir ve basit gaz kompresörleri tasarlamak ve üretmek kolay değildi.
Gaz difüzyon tesisinin inşaatı 1946'da başladı. İnşaatın başlangıcında, burada el emeği ve at çekişi de kullanıldı, sadece 1948'de ilk ekskavatör buraya geldi. Çalışmalar günün her saatinde gerçekleştirildi. Tesisin tasarımı ve kurulumları son derece karmaşıktı. Ana bina Bitki 100.000'den fazla alana sahiptir. metrekare. Sistemlerin ayarlanması sırasında çok sayıda duruş meydana geldi. Kompresör tedarikçisi, ekipmanın yeniden inşasını ve hatta değiştirilmesini çok hızlı bir şekilde gerçekleştirdi, bu işler Beria ve Stalin'in kişisel gözetimi altındaydı. Yeniden yapılanmadan sonra, fabrikaya dört modifikasyonlu birkaç bin difüzyon makinesi kuruldu.
Tüm zorluklara rağmen işler ilerledi ve 1948'de %75 zenginleştirme ile uranyum-235 elde edildi. Bu yeterli değildi. Sonra bir karar verildi. Uranyum-235, elektromanyetik yöntemle yüzde 90 veya daha fazlasına kadar daha fazla zenginleştirmeye gönderilmeye başlandı.
1950 yılında gaz difüzyon tesisi zenginleştirmeyi %90'a çıkararak tasarım kapasitesine ulaşmış, 1951'de uranyum zenginleştirmesi %90'ı geçmiştir.
Elektromanyetik izotop ayırma tesisinin temeli, kıt pirinçten yapılmış özel bölmelerle donatılmış devasa bir elektromanyetik kurulumdu. Kurulum uzun bir süre ayarlandı ve 1949'da %90'dan fazla zenginleştirme ile uranyum üretti. Gelecekte, tesis genişledi.
Böylece, iki tip nükleer üretim sorunu patlayıcılar: Sovyet nükleer silahlarının üretimi için yeterli miktarlarda plütonyum ve uranyum-235.
Plütonyum insan yapımı bir elementtir. Atom çağından önce, doğada sadece "izleri" vardı - yer kabuğunun tüm kalınlığında birkaç on kilogram. Şimdi - yüzlerce ton ve tüm yer kabuğunda değil, bombalarda ve depolarda, ayrıca gezegenin yüzeyine dağılmış tonlarca.
Sadece bir yılda, dünyadaki tüm reaktörler 100 ton plütonyum içeren 10.000 ton SNF üretiyor, yani her bir ton SNF ~ 10 kg plütonyum içeriyor (karşılaştırma için, Nagazaki'ye atılan bombada sadece 6,2 kg).
Kullanılmış nükleer yakıtın işlenmesi sırasında ayrılan reaktör sınıfı plütonyum, silah kalitesinde bir kaliteye sahip olmasa da, ondan bir bomba yapmak hala mümkündür. Dünya zaten bomba yapmak için ayrılmış plütonyumla dolu. Birçoğu var: konuşlandırılmış silah sistemlerinde, sökülmeye yönelik savaş başlıklarında, nükleer silah komplekslerinin temizlenmesinden kaynaklanan atıklarda, işleme tesislerinde depolarda.
Bölünebilir, yani silahlar bir izotoptur - plütonyum-239. Geliştirilmesi için, zenginleştirilmiş uranyuma (yakıt) ek olarak, zenginleştirilmemiş, doğal uranyum ("hammadde"), sızdırmaz bir alüminyum kabuk içine alınmış metal bloklar şeklinde bir askeri reaktöre yerleştirildi. Reaktör çekirdeğindeki fisyon reaksiyonu sırasında, büyük bir nötron akışı meydana gelir ve uranyum blokları bu nötronlarla ışınlanır (dolayısıyla "ışınlanmış uranyum" veya ışınlanmış nükleer yakıt terimi).
Nötronlar yakalandığında, uranyum atomlarının çekirdekleri plütonyum çekirdeğine dönüşür, bu nedenle blokların içinde bölünmez uranyum-238 yavaş yavaş bölünebilir (silah dereceli) plütonyum-239'a dönüşür. Reaktörde tutma süresi boyunca (3-6 ay), her bir ton doğal uranyumdan birkaç yüz gram uranyum-238, plütonyum-239'a dönüştürüldü.
