Что такое металлический уран
Металлический уран и его свойства
Металлургия урана
Металлический уран и его свойства
В настоящее время масштабы мирового производства урана сравнимы с масштабами производства других цветных и редких металлов, и период наибольшего подъема производства его получали примерно 40000 т ежегодно (без СССР).
Основной особенностью a-фазы является ее анизотропность. В b-фазе анизотропные свойства металла выражены намного слабее, чем в a-фазе. g—фаза в противоположность a- и b-фазам характеризуется изотропными свойствами. Механические свойства урана вследствие его анизотропности существенно зависят от предварительной механической и термической обработки, а также от содержания примесей, влияющих на размеры зерен и их ориентацию.
Некоторые термодинамические характеристики для металлического урана приведены в табл. 48.
Некоторые термодинамические характеристики металлического урана
Металлический уран химически очень реакционноспособен. Он легко взаимодействует со всеми неметаллами, а также образует многочисленные интерметаллические соединениясомногими металлами. Химическая активность урана, особенно его легкая окисляемость, взаимодействие с углеродом, азотом и другими веществами определяют и особенности его металлургии. Отметим некоторые из них: исходное сырье должно быть ядерно-чистым; применяемый восстановитель должен быть мощным и не загрязняющим уран; материал аппаратуры должен быть инертен по отношению к урану; среда (атмосфера) должна быть также инертна по отношению к урану.
ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО УРАНА ИЗ ЕГО ОКИСЛОВ
Восстановление различных окислов урана кальцием и магнием описывается уравнениями:
(DH 0 реакций даны на 1 г-атом урана при 0 0 С).
Теплоты реакции во всех случаях достаточно, чтобы перевести металлический уран в расплавленное состояние, но окислы кальция и магния остаются в твердом виде вследствие высокой температуры их плавления, что видно из данных, приведенных в табл. 49.
РАФИНИРОВОЧНАЯ ПЛАВКА
Для снижения содержания этих примесей проводят окончательную очистку — рафинировочную плавку. Ее осуществляют обычно в вакуумной печи (индукционной или сопротивления). В течение 1 ч расплавленный уран выдерживают при 1300—1400° С в вакууме 0,5 мм рт. ст. После этого производят розлив в графитовые или чугунные изложницы, находящиеся также под вакуумом. Тигли изготовлены из графита, окиси магния или двуокиси урана (рис. 116).
Механизм удаления примесей неодинаков для различных примесей и зависит от их природы. Более летучие примеси (в данных условиях), такие, как Nа, Са, Мg, испаряются и удаляются при отсасывании вакуум-насосом. В этом случае потери урана ничтожны. Однако примеси, летучесть которых невелика и сравнима с летучестью урана (например, Аl, Fe, Si, Ni), при этом не удаляются. Здесь на помощь приходят процессы шлакообразования и ликвации. Шлаковые включения: окислы, карбиды, нитриды, оксикарбонитриды, нерастворимые в расплавленном уране соединения, всплывают в верхний слой шлака, так как плотность их намного меньше плотности расплавленного урана. Условие хорошего отделения примесей — отсутствие перемешивания и возможно более низкая температура при выдержке, приближающаяся к температуре плавления урана. В этих условиях в результате целого ряда реакций образуются термодинамически устойчивые соединения, например:
для окислов UO2 + 2Mg ® U + 2MgO, 3MgO + 3La ® 3Mg + La2O3;
для карбидов UC + Si ® U + SiC, CaC2 + 2U ® Ca + UC;
для нитридов U2N3 + 3Zr ® 3ZrN + 2U.
Некоторые примеси реагируют с материалом тигля (UO2)
В результате этих превращений содержание примесей может понизиться: для С – в 4-6 раз, для N – в 6-10 раз, для Sr, РЗЭ, Cs – в 100 раз, для Те – в 10 раз (табл. 54).
Содержание примесей в слитке урана после рафинировочной плавки
(r=18,98 г/см 3 )
Основной особенностью a-фазы является ее анизотропность. В b-фазе анизотропные свойства металла выражены намного слабее, чем в a-фазе. g—фаза в противоположность a- и b-фазам характеризуется изотропными свойствами. Механические свойства урана вследствие его анизотропности существенно зависят от предварительной механической и термической обработки, а также от содержания примесей, влияющих на размеры зерен и их ориентацию.
Некоторые термодинамические характеристики для металлического урана приведены в табл. 48.
Уран элемент. Свойства, добыча, применение и цена урана
Открытие планетарного масштаба. Так можно назвать обнаружение учеными Урана. Планета открыта в 1781-ом году.
Ее обнаружение стало поводом для наречения одного из элементов таблицы Менделеева. Уран металлический выделили из смоляной обманки в 1789-ом.
Шумиха вокруг новой планеты еще не улеглась, поэтому, идея о названии нового вещества лежала на поверхности.
В конце 18-го века еще не было понятия радиоактивности. Между тем, это основное свойство земного урана.
Ученые, работавшие с ним, облучались, сами того не зная. Кто был первопроходцем, и каковы другие свойства элемента, расскажем далее.
Свойства урана
Из раствора выпал бурый осадок. Этот окисел Клапрот восстановил льняным маслом, прокалил. Получился черный порошок.
Позже выяснилось, что это был не чистый уран, а его диоксид. Отдельно элемент получили лишь через 60 лет, в 1841-ом году. А еще через 55 Антуан Беккерель открыл явление радиоактивности.
Радиоактивность урана обусловлена способностью ядра элемента захватывать нейтроны и дробиться. При этом, выделяется внушительная энергия.
Она обусловлена кинетическими данными излучения и осколков. Есть возможность обеспечить непрерывное деление ядер.
Цепная реакция запускается при обогащении природного урана его 235-ым изотопом. Его не то, чтобы добавляют в металл.
Наоборот, из руды убирают малорадиоактивный и неэффективный 238-ой нуклид, а так же, 234-ый.
Их смесь именуют обедненной, а оставшийся уран называют обогащенным. Именно такой нужен промышленникам. Но, об этом поговорим в отдельной главе.
Стало понятно, что новый элемент что-то излучает. Пока супруги Кюри исследовали, что именно, Мария получила дозу радиации, ставшей причиной развития у химика рака крови, от которого женщина умерла в 1934-ом году.
Бета-излучение способно разрушить не только человеческий организм, но и сам металл. Какой элемент образуется из урана? Ответ: — бревий.
Иначе его называют протактинием. Обнаружен в 1913-ом, как раз при изучении урана.
Последний превращается в бревий без сторонних воздействий и реактивов, лишь от бета-распада.
Внешне уран – химический элемент серебристо — белого цвета с металлическим блеском.
Так выглядят все актиноиды, к коим и относится 92-ое вещество. Начинается группа с 90-го номера, а заканчивается 103-им.
Стоя в начале списка, радиоактивный элемент уран, проявляет себя, как окислитель. Степени окисления могут быть 2-ой, 3-ей, 4-ой, 5-ой, 6-ой.
То есть, химически 92-ой металл активен. Если истереть уран в порошок, он самовоспламениться на воздухе.
В обычном виде вещество окислится при контакте с кислородом, покрывшись радужной пленкой.
Брось его в воду, — раствориться, как и чистый уран. Разъедают его и все кислоты. Из органических элемент вытесняет водород.
Урановые соли нестабильны, распадаются на свету, или в присутствии органики.
Индифферентен элемент, пожалуй, лишь к щелочам. С ними в реакцию металл не вступает.
Открытие урана – это обнаружение сверхтяжелого элемента. Его масса позволяет выделить металл, точнее, минералы с ним, из руды.
Достаточно раздробить ее и засыпать в воду. Урановые частицы осядут первыми. С этого начинается добыча металла. Подробности, в следующей главе.
Добыча урана
Получив тяжелый осадок, промышленники выщелачивают концентрат. Цель – перевести уран в раствор. Используют серную кислоту.
Исключение делают для смолки. Этот минерал в кислоте не растворим, поэтому, используют щелочи. Секрет трудностей в 4-валентном состоянии урана.
Достаточно нагреть руду с сульфидными минералами до 150-ти градусов и направить на нее кислородную струю. Это ведет к образованию в камнях кислоты, вымывающей уран.
Химический элемент и его применение связаны с чистыми формами металла. Дабы убрать примеси, используют сорбцию.
Ее проводят на ионообменных смолах. Подходит, так же, экстракция органическими растворителями.
Итогом станут оксиды 92-го элемента. Их нагревают до 800-от градусов и восстанавливают водородом.
Применение урана
92-ой металл – основное топливо ядерных реакторов. Обедненная смесь подходит для стационарных, а для силовых установок используют обогащенный элемент.
У самого 238-го урана велик период полураспада, он длится 4,5 миллиардов лет. Столь длительное разрушение приводит к малой энергоемкости.
Если рассматривать применение соединений урана, пригождаются его оксиды. Их используют в стекольной промышленности.
Оксиды выступают красителями. Можно получить стекла от бледно-желтых до темно-зеленых. В ультрафиолетовых лучах материал флуоресцирует.
В итоге, фон изделий безопасен, не превышает 30-ти микрон в час. Фото элементов урана, точнее, изделий с его участием, весьма красочны. Свечение стекол и посуды притягивает взоры.
Цена урана
За килограмм необогащенной окиси урана дают около 150-ти долларов. Пиковые значения наблюдались в 2007-ом.
Тогда стоимость достигала 300-от долларов за кило. Разработки урановых руд останутся рентабельными и при цене в 90-100 условных единиц.
Кто открыл элемент уран, не знал, каковы его запасы в земной коре. Теперь, они подсчитаны.
Крупные месторождения с рентабельной ценой добычи истощатся к 2030-му году.
Если не откроют новых залежей, или не найдут альтернативы металлу, его стоимость поползет вверх.
Уран – полезные свойства, особенности и угроза металла
Что представляет собой
Уран – это химический элемент, занимающий ячейку 92 в периодической системе Д.Менделеева.
Относится к металлам семейства актиноидов (сюда же причислен плутоний). Радиоактивен, блестит подобно глянцевой стали.
По составу это смесь из трех изотопов: 234, 235, 238. Доля последнего – 99,3%. Он же (вместе с U 234) создает радиоактивность.
Схема деления 235U
Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана (жирным выделены природные изотопы):
| Массовое число | Период полураспада | Основной тип распада |
|---|---|---|
| 233 | 1,59⋅105 лет | α |
| 234 | 2,45⋅105 лет | α |
| 235 | 7,13⋅108 лет | α |
| 236 | 2,39⋅107 лет | α |
| 237 | 6,75 сут. | β− |
| 238 | 4,47⋅109 лет | α |
| 239 | 23,54 минуты | β− |
| 240 | 14 часов | β− |
Создано 11 искусственных изотопов.
Международное обозначение – U (Uranium).
История открытия
Человек начал использовать вещество еще до новой эры. Первой продукцией стала глазурь для керамики: разновалентные соединения урана создавали желтый, бурый, зеленый, черный цвет.
18 век
Систематическое изучение характеристик элемента началось в 18 веке:
Предвидение Менделеева подтвердил экспериментально немец Циммерман.
19-20 века
История изучения вещества на новом уровне продолжилась на границе 19-20 веков:
Резерфорд первым начал экспериментировать с урановым материалом, пытаясь установить возраст горных пород.
Прорыв сотворили советские физики-теоретики Юлий Харитон и Яков Зельдович. Они доказали: незначительное обогащение урана изотопом 235 делает возможным процесс ядерного синтеза.
Нахождение в природе
Уран не относится к редким элементам.
Тонна земной коры содержит 3 грамма урана.
Локации нахождения вещества в природе:
Собственные образования вещества: урановые руды (настуран, или урановая смолка; уранинит, карнотит).
Тяжёлый серебристо-белый глянцеватый металл – уран
Уран (Uranium), 92-й элемент таблицы Менделеева, относится к металлам (семейство актиноидов).
