Глава 10. Химия радиоактивных элементов 4 страница

Уран- 92 –ой элемент Периодической системы Менделеева, последний и самый тяжелый из существующих в природе элементов. Этот элемент занимает в современной жизни особое место. Он сыграл, по словам Д.И. Менделеева выдающуюся роль в утверждении периодического закона.

В дальнейшем с ураном оказались связанными два важнейших открытия науки ХХ века, давшие толчок многочисленным исследованиям: радиоактивность и деление ядер.

Уран, главный элемент ядерной энергетики и сырье для получения другого главного энергетического элемента- плутония, причастен ко многим открытиям ХХ века. Уран помог раскрыть тайны атома, стал источником невиданной мощи. Он основа современной «алхимии», превращения элементов и получения новых. В нейтронных потоках урановых реакторов в наши дни тоннами накапливаются элементы, в десятки раз более ценные, чем золото.

Открыл уран немецкий химик Клапрот в 1789 г., выделив из саксонской смоляной руды черное металлоподобное веществ, и назвал его ураном. Более пятидесяти лет это вещество считалось металлом и только в 1841 г. францезский химик Пелиго доказал, что это окисел урана UO₂. Прошло еще 55 лет и, в 1896 г. А. Беккерель обнаружил, благодаря урану, явление радиоактивности.

Природный уран состоит из трех изотопов: ²³⁸U – 99,2739%, продукт его распада ²³⁴U– 0,0057% и ²³⁵U – 0,7204%. Первый и последний являются родоначальниками семейств естественных радиоактивных элементов урана (тип ядра по массе 4n+2) и ²³⁵U (актиноурана) (4n+3). Их периоды полураспада равны соответственно 4,51.10⁹ и 7,13.10⁸ лет. С помощью циклотрона и ядерного реактора в настоящее время получено 11 искусственных радиоактивных изотопов и 1 изомер урана. Наиболее важный из них – ²³³U (T_1/2 = 1.62·10⁵ лет), как и ²³⁵U способен к цепной реакции деления, поэтому является ядерным горючим.

Уран довольно широко распространен в природе. По распространенности он занимает 38-е место.

Уран, наряду с первичными рудами магматического происхождения, образует вторичные осадочные рудные месторождения. Он содержится более чем в 100 различных минералах. Главные из них – окислы урана и смешанные соли ванадиевой, фосфорной, кремневой, мышьяковой, титановой и ниобиевой кислот. Наиболее важными первичными минералами промышленных месторождений являются уранинит и урановая смолка, а вторичным минералом – карнотит.

Рис. Уранинитовая руда

Уран – блестящий металл, напоминающий по внешнему виду сталь. Он обладает полиморфизмом. Он обладает относительно высокой температурой плавления 1132⁰ С и кипения 4690⁰ С. Электропроводность урана близка к электропроводности железа. Ниже 1 К уран становится сверхпроводником.

Химические свойства урана изучены методами классической химии. Электронная конфигурация атом урана 5f³ 6d¹ 7s².

Химические свойства урана довольно сложные. Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150—175 °C, образуя U₃O₈. При 1000 °C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана.

Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, но не взаимодействует со щелочами.

Уран вытесняет водород из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов, как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото.

Степени окисления урана +3, +4, +5, +6. Ионы урана гидратированы и гидролизованы. Степень гидролиза и комплексообразования растет в ряду:

 

U ⁵⁺ < U ³⁺ < U ⁴⁺ < U ⁶⁺

 

Наиболее устойчивое валентное состояние в водных растворах- U⁶⁺. Однако в нейтральной и кислой средах как настоящий амфотерный элемент уран образует двухзарядные катионы уранила UO ; в щелочной— анионы диураната UO . Образующиеся при этом соли полиуранаты малорастворимы. Так, прибавление едкого натра к раствору какой-либо соли уранила вызывает выпадение желто-бурого аморфного осадка диураната:

 

2UO₂SO₄ + 6NaOH Na₂U₂O₇ + 2Na₂SO₄+ 3H₂O

 

Образование нерастворимых диуранатов из солей уранила— очень важная реакции, которой пользуются для перевода шестивалентного урана в осадок. Полиуранаты являются типичным примером образования неорганических полимеров. Характерной особенностью почти всех солей шестивалентного урана является способность давать растворимые комплексы (даже в щелочной среде) в присутствии избытка карбонатов, оксалатов, сульфатов щелочных металлов или аммония вследствие образования комплексных ионов.

 

Рис. Урановое (U⁶⁺) стекло

 

Тетрахлорид урана UCl₄ и диоксид урана UO₂ — примеры четырёхвалентного урана. Вещества, содержащие четырёхвалентный уран, обычно нестабильны и при длительном пребывании на воздухе обращаются в шестивалентные.

Все соли U⁺⁴ ярко-зеленого цвета. Четырехвалентный уран в кислотах более склонен к комплексообразованию, чем U⁶⁺.

Выделение урана из природных объектов производится путем кислотного или карбонатного выщелачивания его после предварительного обогащения руды. Первое – дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке, уран находится в четырехвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырехвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. И либо нужно прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Окончательное извлечение урана осуществляется методами экстракции, ионного обмена и др. Методы ионного обмена и экстракции хороши тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов, в литре которых лишь десятые доли грамма элемента №92. После этих операций уран переводят в твердое состояние – в один из окислов или в тетрафторид UF₄.

Металлический уран в небольших количествах получается восстановлением U₃O₈ магнием или натрием в атмосфере СО₂. Промышленный способ получения металлического урана заключается в восстановлении UF₄ кальцием или магнием.

 

UF₄+ 2 Ca®U +2 CaF₂

 

Из всех известных изотопов урана наибольшее применение имеет изотоп урана ²³⁵U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии (критическая масса около 50 кг). Возможные схемы вынужденного деления были рассмотрены более подробно в главе 6 (раздел 6.6.2).

Изотоп U²³⁸ способен делиться только под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией). Изотоп U захватывает (радиационный захват) медленные нейтроны с образованием составного ядра U, которое распадается до основного состояния с испусканием одного или нескольких гамма- квантов, бета- частицы, протона или альфа- частицы:

 

U(n, г) U Np Pu U

 

Таким образом, U с одной стороны является ядом для цепной реакции. С другой стороны в результате радиационного захвата возможно воспроизводство ядерного горючего с образованием делящегося Pu. Pu используется, в основном, для производства ядерного оружия.

Если ядерный реактор работает на смеси природного Th с U при радиационном захвате нейтрона торием возможно получение ²³³₉₂U:

 

Th (n, г) Th Pa U

 

Уран-233 является ядерным топливом для атомных электростанций и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг). Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

В ядерных реакторах в качестве тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) могут использоваться чистый уран или его сплавы с алюминием, цирконием, хромом, цинком.. В большинстве энергетических реакторов обычно применяют керамические сердечники из двуокиси урана (UO₂), которые не деформируются в течение рабочего цикла выгорания топлива. Другое важное свойство этого соединения — отсутствие реакции с водой, которая может привести в случае разгерметизации оболочки ТВЭЛа к попаданию радиоактивных элементов в теплоноситель. Также, к достоинствам диоксида урана можно отнести то, что его плотность близка плотности самого урана, что обеспечивает нужный поток нейтронов в активной зоне.

 

Рис. Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы)

Четверть века назад ядерные реакторы обычно называли атомными котлами, подчеркивая тем самым суть происходящих в них процессов: главное – это выделение энергии. Но если в обычных топках горючее полностью (или почти полностью) сгорает, то в ядерном реакторе все обстоит иначе. В рабочем цикле выгорает лишь незначительная доля урана: «протопить» реактор до полного выгорания ядерного горючего технически невозможно. Уран в реакторе постепенно «зашлаковывается» продуктами деления и в нем меньше становится урана-235. Цепная реакция неизбежно начинает глохнуть, и поддержать ее можно, только сменив твэлы. Поэтому старые твэлы снимают и отправляют на переработку: их растворяют в кислотах и извлекают уран из раствора методом экстракции. Уран легко образует экстрагируемые комплексы и переходит в органическую фазу, а осколки деления, от которых нужно избавиться, остаются в водном растворе.

Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки. При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы. В микроколичествах (10⁻⁵—10⁻⁸ %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких — 50 %. Основные депо в организме: селезёнка, почки, скелет, печень, лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10⁻⁷г.

10.9 ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ (₉₃Np, ₉₄Pu, ₉₅Am)