Kärnfission. Halveringstid för uran: huvudsakliga egenskaper och tillämpningar Andra tillämpningar

När man studerar fenomenet radioaktivitet, vänder sig varje forskare till en så viktig egenskap som dess halveringstid. Som ni vet står det att varje sekund i världen sönderfaller atomer, och de kvantitativa egenskaperna hos dessa processer är direkt relaterade till antalet närvarande atomer. Om, under en viss tidsperiod, hälften av det totala antalet tillgängliga atomer sönderfaller, kommer sönderfallet av ½ av de återstående atomerna att kräva samma tid. Det är denna tidsperiod som kallas halveringstiden. Det varierar för olika grundämnen - från tusendels millisekund till miljarder år, som till exempel i fallet med urans halveringstid.

Uran, som det tyngsta av alla grundämnen som finns i ett naturligt tillstånd på jorden, är i allmänhet det mest utmärkta föremålet för att studera radioaktivitetsprocessen. Detta element upptäcktes redan 1789 av den tyske forskaren M. Klaproth, som gav det namnet för att hedra den nyligen upptäckta planeten Uranus. Att uran är radioaktivt upptäcktes helt av misstag i slutet av 1800-talet av den franske kemisten A. Becquerel.

Uran beräknas med samma formel som liknande perioder för andra radioaktiva grundämnen:

T_(1/2) = au ln 2 = frac(ln 2)(lambda),

där "au" är medellivslängden för en atom, "lambda" är den huvudsakliga sönderfallskonstanten. Eftersom ln 2 är ungefär 0,7 är halveringstiden endast 30 % kortare i genomsnitt än atomens totala livslängd.

Trots det faktum att forskare idag känner till 14 isotoper av uran förekommer endast tre av dem i naturen: uran-234, uran-235 och uran-238. uran är annorlunda: för U-234 är det "bara" 270 tusen år, och halveringstiden för uran-238 överstiger 4,5 miljarder. Halveringstiden för uran-235 är i den "gyllene medelvägen" - 710 miljoner år.

Det är värt att notera att radioaktiviteten hos uran under naturliga förhållanden är ganska hög och gör att till exempel fotografiska plattor kan belysas inom bara en timme. Samtidigt är det värt att notera att av alla isotoper av uran är endast U-235 lämplig för att göra fyllningar. Saken är att halveringstiden för uran-235 under industriella förhållanden är mindre intensiv än dess "bröder" , vilket är anledningen till att frisättningen av onödiga neutroner här är minimal.

Halveringstiden för uran-238 överstiger avsevärt 4 miljarder år, men det används nu aktivt inom kärnkraftsindustrin. Så för att starta en kedjereaktion som involverar klyvning av tunga kärnor av detta element, behövs en betydande mängd neutronenergi. Uran-238 används som skydd i fissions- och fusionsapparater. Men det mesta av det utvunna uran-238 används för att syntetisera plutonium, som används i kärnvapen.

Forskare använder halveringstiden för uran för att beräkna åldern på enskilda mineraler och himlakroppar som helhet. Uran klockor är en ganska universell mekanism för denna typ av beräkning. Samtidigt, för att åldern ska kunna beräknas mer eller mindre exakt, är det nödvändigt att känna till inte bara mängden uran i vissa bergarter, utan också förhållandet mellan uran och bly som den slutliga produkten i vilken urankärnor finns konverterad.

Det finns ett annat sätt att beräkna bergarter och mineraler, det är förknippat med det så kallade spontana Som känt, som ett resultat av den spontana klyvningen av uran under naturliga förhållanden, bombarderar dess partiklar närliggande ämnen med kolossal kraft och lämnar efter sig speciella spår - spår.

Det är genom antalet av dessa spår, med kännedom om halveringstiden för uran, som forskarna drar en slutsats om åldern på ett visst fast ämne - vare sig det är en gammal sten eller en relativt "ung" vas. Saken är att ett objekts ålder är direkt proportionell mot den kvantitativa indikatorn för uranatomerna vars kärnor bombarderade det.

Ansökan

Även om uran-238 inte kan användas som ett primärt klyvbart material, på grund av de högenergineutroner som krävs för dess klyvning, har det en viktig plats i kärnkraftsindustrin.

Med hög densitet och atomvikt är U-238 lämplig för att tillverka reflektorladdningsskal i fusions- och fissionsanordningar. Det faktum att den klyvs av snabba neutroner ökar energiuttaget från laddningen: indirekt, genom multiplikationen av reflekterade neutroner; direkt under klyvningen av skalkärnor av snabba neutroner (under fusion). Ungefär 40 % av neutronerna som produceras av fission och alla fusionsneutroner har tillräcklig energi för att klyva U-238.

U-238 har en spontan fissionshastighet 35 gånger högre än U-235, 5,51 fissions/s*kg. Detta gör det omöjligt att använda det som ett skal för en reflektorladdning i kanonbomber, eftersom dess lämpliga massa (200-300 kg) kommer att skapa en för hög neutronbakgrund.

Pure U-238 har en specifik radioaktivitet på 0,333 mikrocurie/g.

En viktig tillämpning av denna uranisotop är produktionen av plutonium-239. Plutonium bildas genom flera reaktioner som börjar efter att U-238-atomen fångar en neutron. Varje reaktorbränsle som innehåller naturligt eller delvis anrikat uran i den 235:e isotopen innehåller en viss andel plutonium efter slutet av bränslecykeln.

Sönderfallskedja av uran-238

Isotopen är uran-238, det är mer än 99% i naturligt uran. Denna isotop är också den mest stabila, dess kärna kan inte delas av termiska neutroner. För att dela 238U behöver en neutron ytterligare kinetisk energi på 1,4 MeV. En kärnreaktor gjord av rent uran-238 kommer inte att fungera under några omständigheter.

En atom av uran-238, i vars kärna protoner och neutroner knappt hålls samman av kohesiva krafter. Då och då bryter en kompakt grupp av fyra partiklar ut ur den: två protoner och två neutroner (b-partikel). Uran-238 förvandlas alltså till torium-234, vars kärna innehåller 90 protoner och 144 neutroner. Men torium-234 är också instabilt. Dess omvandling sker dock annorlunda än i föregående fall: en av dess neutroner förvandlas till en proton och torium-234 förvandlas till protactinium-234, vars kärna innehåller 91 protoner och 143 neutroner. Denna metamorfos som inträffade i kärnan påverkar också elektronerna som rör sig i deras banor: en av dem blir oparad och flyger ut ur atomen. Protactinium är mycket instabilt och tar mycket kort tid att omvandla. Detta följs av andra transformationer, åtföljda av strålning, och hela denna kedja slutar i slutändan med en stabil blynuklid (se figur nr 7, bilaga B).

Den viktigaste omständigheten för kärnenergi är att den vanligaste isotopen av uran, 238U, också är en potentiell källa till kärnbränsle. Både Szilard och Fermi hade rätt när de antog att absorptionen av neutroner av uran skulle leda till bildandet av nya grundämnen. I själva verket, när den kolliderar med en termisk neutron, klyvs uran-238 inte, istället absorberar kärnan neutronen. I genomsnitt, på 23,5 minuter, förvandlas en av neutronerna i kärnan till en proton (med emission av en elektron är reaktionen sönderfall), och uran-239-kärnan blir neptunium-239-kärnan (239Np). Efter 2,4 dagar inträffar det andra c - sönderfallet och plutonium-239 (239Pu) bildas.

Som ett resultat av sekventiell absorption av neutroner i en kärnreaktor kan element som är ännu tyngre än plutonium produceras.

Endast spårmängder av 239Pu, 244Pu och 237Np hittades i naturliga mineraler och uranmalm, så transuranelement (tyngre än uran) finns praktiskt taget aldrig i den naturliga miljön.

Isotoper av uran som finns i naturen är inte helt stabila med avseende på b-sönderfall och spontan fission, men de sönderfaller mycket långsamt: halva livet uran-238 är 4,5 miljarder år och uran-235 är 710 miljoner år. På grund av den låga frekvensen av kärnreaktioner är sådana långlivade isotoper inte farliga strålningskällor. Ett göt av naturligt uran kan hållas i dina händer utan att skada hälsan. Hans specifika aktivitet lika med 0,67 mCi/kg (Ci - curie, en extrasystemisk aktivitetsenhet lika med 3,7 * 1010 sönderfall per sekund).

Uranus(gammalt namn Uran) är ett kemiskt element med atomnummer 92 i det periodiska systemet, atommassa 238,029; betecknad med symbolen U ( Uran), tillhör aktinidfamiljen.

Berättelse

Även i antiken (1:a århundradet f.Kr.) användes naturlig uranoxid för att göra gul glasyr för keramik. Forskning om uran utvecklades som en kedjereaktion som genererades av det. Till en början kom information om dess egenskaper, som de första impulserna av en kedjereaktion, med långa avbrott, från fall till fall. Det första viktiga datumet i uranets historia är 1789, då den tyske naturfilosofen och kemisten Martin Heinrich Klaproth återställde den guldgula "jorden" som utvunnits ur saxisk hartsmalm till en svart metallliknande substans. För att hedra den mest avlägsna planeten som var känt vid den tiden (upptäckt av Herschel åtta år tidigare), kallade Klaproth det uran, som ansåg det nya ämnet vara ett grundämne.

I femtio år ansågs Klaproths uran vara en metall. Först 1841 bevisade Eugene Melchior Peligot, en fransk kemist (1811-1890), att Klaproths uran, trots den karakteristiska metallglansen, inte är ett grundämne, utan en oxid. UO 2. År 1840 lyckades Peligo skaffa äkta uran, en tungmetall av stålgrå färg, och bestämma dess atomvikt. Nästa viktiga steg i studiet av uran gjordes 1874 av D. I. Mendeleev. Baserat på det periodiska system han utvecklade placerade han uran i den längsta cellen i sitt bord. Tidigare ansågs atomvikten för uran vara 120. Den store kemisten fördubblade detta värde. 12 år senare bekräftades Mendeleevs förutsägelse av experiment från den tyske kemisten Zimmermann.

Studiet av uran började 1896: den franske kemisten Antoine Henri Becquerel upptäckte av misstag Becquerels strålar, som Marie Curie senare döpte om till radioaktivitet. Samtidigt lyckades den franske kemisten Henri Moissan utveckla en metod för att framställa ren uranmetall. År 1899 upptäckte Rutherford att strålningen från uranpreparat är inhomogen, att det finns två typer av strålning - alfa- och beta-strålar. De bär olika elektriska laddningar; Deras omfång i materia och joniserande förmåga är långt ifrån detsamma. Lite senare, i maj 1900, upptäckte Paul Villar en tredje typ av strålning - gammastrålar.

Ernest Rutherford genomförde de första experimenten 1907 för att fastställa mineralernas ålder när han studerade radioaktivt uran och torium baserat på teorin om radioaktivitet som han skapade tillsammans med Frederick Soddy (Soddy, Frederick, 1877-1956; Nobelpriset i kemi, 1921). 1913 introducerade F. Soddy begreppet isotoper(från grekiskan ισος - "lika", "samma", och τόπος - "plats"), och 1920 förutspådde han att isotoper kunde användas för att bestämma bergarternas geologiska ålder. 1928 implementerade Niggot och 1939 skapade A.O.K. Nier (Nier, Alfred Otto Carl, 1911 - 1994) de första ekvationerna för att beräkna ålder och använde en masspektrometer för att separera isotoper.

År 1939 upptäckte Frederic Joliot-Curie och de tyska fysikerna Otto Frisch och Lise Meitner ett okänt fenomen som uppstår med en urankärna när den bestrålas med neutroner. Det skedde en explosiv förstörelse av denna kärna med bildandet av nya grundämnen mycket lättare än uran. Denna förstörelse var explosiv till sin natur, fragment av mat spridda i olika riktningar med enorma hastigheter. Således upptäcktes ett fenomen som kallas kärnreaktion.

Åren 1939-1940 Yu. B. Khariton och Ya. B. Zeldovich var de första som teoretiskt visade att med en liten anrikning av naturligt uran med uran-235 är det möjligt att skapa förutsättningar för kontinuerlig klyvning av atomkärnor, det vill säga att ge bearbeta en kedjekaraktär.

Att vara i naturen

Uraninitmalm

Uran är utbrett i naturen. Clarke av uran är 1·10 -3 % (vikt). Mängden uran i ett 20 km tjockt lager av litosfären uppskattas till 1,3 10 14 ton.

Huvuddelen av uran finns i sura bergarter med hög halt kisel. En betydande massa uran är koncentrerad i sedimentära bergarter, särskilt de som är anrikade på organiskt material. Uran finns i stora mängder som en förorening i torium och sällsynta jordartsmetaller (ortit, sfen CaTiO 3, monazit (La,Ce)PO 4, zirkon ZrSiO 4, xenotime YPO4, etc.). De viktigaste uranmalmerna är beckblende (uranbeck), uraninit och karnotit. De viktigaste mineralerna som är satelliter av uran är molybdenit MoS 2, galena PbS, kvarts SiO 2, kalcit CaCO 3, hydromuskovit, etc.

De huvudsakliga formerna av uran som finns i naturen är uraninit, beckblende (uranbeck) och uransvart. De skiljer sig bara åt i deras placeringsformer; det finns ett åldersberoende: uraninit finns huvudsakligen i forntida (prekambriska bergarter), pitchblende - vulkanisk och hydrotermisk - främst i paleozoiska och yngre hög- och medeltemperaturformationer; uransvart - främst i unga - kenozoiska och yngre formationer - främst i lågtemperatursedimentära bergarter.

Uranhalten i jordskorpan är 0,003 %, den finns i jordens ytskikt i form av fyra typer av avlagringar. För det första finns det vener av uraninit, eller uranbeck (urandioxid UO2), mycket rik på uran, men sällsynt. De åtföljs av radiumavlagringar, sedan radiumär en direkt produkt av det isotopiska sönderfallet av uran. Sådana vener finns i Zaire, Kanada (Great Bear Lake), Tjeckien Och Frankrike. Den andra källan till uran är konglomerat av torium och uranmalmer tillsammans med malmer av andra viktiga mineraler. Konglomerat innehåller vanligtvis tillräckliga mängder för att kunna utvinnas guld Och silver, och de medföljande elementen är uran och torium. Stora fyndigheter av dessa malmer finns i Kanada, Sydafrika, Ryssland och Australien. Den tredje källan till uran är sedimentära bergarter och sandstenar rika på mineralet karnotit (kaliumuranylvanadat), som förutom uran innehåller en betydande mängd vanadin och andra element. Sådana malmer finns i de västra staterna USA. Järn-uranskiffer och fosfatmalmer utgör en fjärde källa till sediment. Rika fyndigheter som finns i skiffer Sverige. Vissa fosfatmalmer i Marocko och USA innehåller betydande mängder uran och fosfatavlagringar i Angola och Centralafrikanska republiken är ännu rikare på uran. De flesta brunkol och vissa kol innehåller vanligtvis uranföroreningar. Uranrika brunkolsavlagringar upptäcktes i North och South Dakota (USA) och bituminöst kol Spanien Och Tjeckien

Isotoper av uran

Naturligt uran består av en blandning av tre isotoper: 238 U - 99,2739 % (halveringstid T 1/2 = 4,468×10 9 år), 235 U - 0,7024 % ( T 1/2 = 7,038×10 8 år) och 234 U - 0,0057 % ( T 1/2 = 2,455×10 5 år). Den senare isotopen är inte primär, utan radiogen, den är en del av den radioaktiva 238 U-serien.

Radioaktiviteten hos naturligt uran beror främst på isotoperna 238 U och 234 U, i jämvikt är deras specifika aktiviteter lika. Den specifika aktiviteten för 235 U-isotopen i naturligt uran är 21 gånger mindre än aktiviteten för 238 U.

Det finns 11 kända artificiella radioaktiva isotoper av uran med masstal från 227 till 240. Den längsta livslängden av dem är 233 U ( T 1/2 = 1,62×10 5 år) erhålls genom bestrålning av torium med neutroner och är kapabel till spontan fission av termiska neutroner.

Uranisotoperna 238 U och 235 U är förfäder till två radioaktiva serier. De sista delarna av dessa serier är isotoper leda 206 Pb och 207 Pb.

Under naturliga förhållanden är de vanligaste isotoperna 234U: 235 U : 238 U= 0,0054: 0,711: 99,283. Hälften av radioaktiviteten i naturligt uran beror på isotopen 234U. Isotop 234U bildas på grund av förfall 238 U. De två sista kännetecknas, till skillnad från andra isotoppar och oberoende av urans höga migrationsförmåga, av geografisk konstanthet i förhållandet. Storleken på detta förhållande beror på uranets ålder. Många fältmätningar visade dess små fluktuationer. Så i rullar varierar värdet av detta förhållande i förhållande till standarden inom intervallet 0,9959 - 1,0042, i salter - 0,996 - 1,005. I uranhaltiga mineraler (beck, uransvart, cyrtolit, sällsynta jordartsmetaller) varierar värdet på detta förhållande från 137,30 till 138,51; Dessutom har skillnaden mellan formerna U IV och U VI inte fastställts; i sphene - 138,4. Isotopbrist upptäcktes i några meteoriter 235 U. Dess lägsta koncentration under markförhållanden hittades 1972 av den franske forskaren Bujigues i staden Oklo i Afrika (fyndighet i Gabon). Normalt uran innehåller alltså 0,7025 % uran 235 U, medan det i Oklo är reducerat till 0,557 %. Detta stödde hypotesen om en naturlig kärnreaktor som leder till isotoputbränning, förutspådd av George W. Wetherill från University of California i Los Angeles och Mark G. Inghram från University of Chicago och Paul K. Kuroda, kemist vid University of Arkansas, beskrev processen redan 1956. Dessutom hittades naturliga kärnreaktorer i samma distrikt: Okelobondo, Bangombe, etc. För närvarande är cirka 17 naturliga kärnreaktorer kända.

Mottagande

Det allra första steget av uranproduktion är koncentration. Stenen krossas och blandas med vatten. Tunga fjädringskomponenter sätter sig snabbare. Om berget innehåller primära uranmineraler fälls de ut snabbt: det är tunga mineraler. Sekundära uranmineraler är lättare, i vilket fall det tunga gråberget lägger sig tidigare. (Den är dock inte alltid riktigt tom, den kan innehålla många användbara grundämnen, inklusive uran).

Nästa steg är urlakning av koncentrat, överföring av uran till lösning. Sur och alkalisk urlakning används. Den första är billigare eftersom svavelsyra används för att utvinna uran. Men om i råvaran, såsom uran tjära, uran är i ett fyrvärt tillstånd, då är denna metod inte tillämplig: fyrvärt uran är praktiskt taget olösligt i svavelsyra. I det här fallet måste du antingen ta till alkalisk urlakning eller föroxidera uranet till ett sexvärt tillstånd.

Surlakning används inte heller i de fall urankoncentratet innehåller dolomit eller magnesit, som reagerar med svavelsyra. I dessa fall, använd kaustiksoda (hydroxid natrium).

Problemet med uranläckage från malmer löses genom syreblåsning. En ström av syre tillförs en blandning av uranmalm och sulfidmineraler uppvärmda till 150 °C. I det här fallet bildas svavelsyra av svavelmineraler som tvättar bort uranet.

I nästa steg måste uran isoleras selektivt från den resulterande lösningen. Moderna metoder - extraktion och jonbyte - kan lösa detta problem.

Lösningen innehåller inte bara uran, utan även andra katjoner. Vissa av dem beter sig under vissa förhållanden på samma sätt som uran: de extraheras med samma organiska lösningsmedel, deponeras på samma jonbytarhartser och fälls ut under samma förhållanden. Därför, för att selektivt isolera uran, är det nödvändigt att använda många redoxreaktioner för att bli av med en eller annan oönskad följeslagare i varje steg. På moderna jonbytarhartser frigörs uran mycket selektivt.

Metoder jonbyte och extraktion De är också bra eftersom de tillåter att uran extraheras ganska fullständigt ur dåliga lösningar (uranhalten är tiondels gram per liter).

Efter dessa operationer omvandlas uran till ett fast tillstånd - till en av oxiderna eller till UF 4-tetrafluorid. Men detta uran behöver fortfarande renas från föroreningar med ett stort termiskt neutroninfångningstvärsnitt - bor, kadmium, hafnia. Deras innehåll i slutprodukten bör inte överstiga hundra tusendelar och miljondelar av en procent. För att avlägsna dessa föroreningar löses en kommersiellt ren uranförening i salpetersyra. I detta fall bildas uranylnitrat UO 2 (NO 3) 2, som under extraktion med tributylfosfat och några andra ämnen renas ytterligare till erforderliga standarder. Därefter kristalliseras detta ämne (eller peroxid UO 4 · 2H 2 O fälls ut) och kalcineras försiktigt. Som ett resultat av denna operation bildas urantrioxid UO 3, som reduceras med väte till UO 2.

Urandioxid UO 2 exponeras för torr vätefluorid vid temperaturer från 430 till 600 °C för att producera UF 4-tetrafluorid. Uranmetall utvinns från denna förening med hjälp av kalcium eller magnesium.

Fysikaliska egenskaper

Uran är en mycket tung, silvervit, glänsande metall. I sin rena form är den något mjukare än stål, formbar, flexibel och har små paramagnetiska egenskaper. Uran har tre allotropa former: alfa (prismatisk, stabil upp till 667,7 °C), beta (tetragonal, stabil från 667,7 °C till 774,8 °C), gamma (med en kroppscentrerad kubisk struktur, existerande från 774, 8 °C till smältpunkt).

Radioaktiva egenskaper hos vissa isotoper av uran (naturliga isotoper är markerade):

Kemiska egenskaper

Uran kan uppvisa oxidationstillstånd från +III till +VI. Uran(III)-föreningar bildar instabila röda lösningar och är starka reduktionsmedel:

4UCl3 + 2H2O → 3UCl4 + UO2 + H2

Uran(IV)-föreningar är de mest stabila och bildar gröna vattenlösningar.

Uran(V)-föreningar är instabila och lätt oproportionerliga i vattenlösning:

2UO 2 Cl → UO 2 Cl 2 + UO 2

Kemiskt är uran en mycket aktiv metall. Den oxiderar snabbt i luft och täcks av en regnbågsfilm av oxid. Fint uranpulver antänds spontant i luften, det antänds vid en temperatur på 150-175 °C och bildar U 3 O 8. Vid 1000 °C kombineras uran med kväve och bildar gul urannitrid. Vatten kan korrodera metall, långsamt vid låga temperaturer och snabbt vid höga temperaturer, samt när uranpulver finmals. Uran löser sig i saltsyra, salpetersyra och andra syror och bildar fyrvärda salter, men interagerar inte med alkalier. Uranus tränger undan väte från oorganiska syror och saltlösningar av metaller som t.ex kvicksilver, silver, koppar, tenn, platinaOchguld. När de skakas kraftigt börjar metallpartiklarna av uran att glöda. Uran har fyra oxidationstillstånd - III-VI. Sexvärda föreningar inkluderar urantrioxid (uranyloxid) UO 3 och uran uranylklorid UO 2 Cl 2 . Urantetraklorid UCl 4 och urandioxid UO 2 är exempel på fyrvärt uran. Ämnen som innehåller fyrvärt uran är vanligtvis instabila och blir sexvärda när de utsätts för luft under lång tid. Uranylsalter, såsom uranylklorid, sönderdelas i närvaro av starkt ljus eller organiskt material.

Ansökan

Kärnbränsle

Den största applikationen är isotop uran 235 U, där en självförsörjande kärnkedjereaktion är möjlig. Därför används denna isotop som bränsle i kärnreaktorer, såväl som i kärnvapen. Isolering av U 235-isotopen från naturligt uran är ett komplext tekniskt problem (se isotopseparation).

U 238-isotopen kan klyvas under påverkan av bombardemang av högenergi-neutroner; denna funktion används för att öka kraften hos termonukleära vapen (neutroner som genereras av en termonukleär reaktion används).

Som ett resultat av neutroninfångning följt av β-sönderfall kan 238 U omvandlas till 239 Pu, som sedan används som kärnbränsle.

Uran-233, artificiellt framställt i reaktorer från torium (torium-232 fångar en neutron och omvandlas till torium-233, som sönderfaller till protaktinium-233 och sedan till uran-233), kan i framtiden bli ett vanligt kärnbränsle för kärnkraft. anläggningar (det finns redan nu reaktorer som använder denna nuklid som bränsle, till exempel KAMINI i Indien) och produktion av atombomber (kritisk massa på ca 16 kg).

Uran-233 är också det mest lovande bränslet för gasfasiga kärnraketmotorer.

Geologi

Den huvudsakliga användningen av uran är att bestämma åldern på mineraler och bergarter för att bestämma sekvensen av geologiska processer. Detta är vad Geokronologi och Teoretisk Geokronologi gör. Att lösa problemet med blandning och materialkällor är också viktigt.

Lösningen på problemet baseras på ekvationerna för radioaktivt sönderfall som beskrivits av ekvationerna.

Var 238 Uo, 235 Uo— Moderna koncentrationer av uranisotoper. ; — sönderfallskonstanter atomer av uran 238 U Och 235 U.

Deras kombination är mycket viktig:

På grund av att stenar innehåller olika koncentrationer av uran har de olika radioaktivitet. Denna egenskap används vid identifiering av bergarter med geofysiska metoder. Denna metod används mest inom petroleumgeologi under geofysiska undersökningar av brunnar, detta komplex inkluderar särskilt γ-loggning eller neutrongammaloggning, gamma-gammaloggning, etc. Med deras hjälp identifieras reservoarer och tätningar.

Andra applikationer

En liten tillsats av uran ger en vacker gulgrön fluorescens till glas (uranglas).

Natriumuranat Na 2 U 2 O 7 användes som ett gult pigment i målning.

Uranföreningar användes som färger för målning på porslin och för keramiska glasyrer och emaljer (målade i färgerna: gul, brun, grön och svart, beroende på graden av oxidation).

Vissa uranföreningar är ljuskänsliga.

I början av 1900-talet uranylnitrat används ofta för att förstärka negativ och färga (nyans) positiva (fotografiska utskrifter) brunt.

Uran-235-karbid legerad med niobkarbid och zirkoniumkarbid används som bränsle för kärnjetmotorer (arbetsvätska - väte + hexan).

Legeringar av järn och utarmat uran (uran-238) används som kraftfulla magnetostriktiva material.

Utarmat uran

Utarmat uran

Efter att 235 U och 234 U har utvunnits från naturligt uran kallas det återstående materialet (uran-238) "utarmat uran" eftersom det är utarmat i 235-isotopen. Enligt vissa uppgifter lagras cirka 560 000 ton utarmat uranhexafluorid (UF 6) i USA.

Utarmat uran är hälften så radioaktivt som naturligt uran, främst på grund av avlägsnandet av 234 U. Eftersom den huvudsakliga användningen av uran är energiproduktion är utarmat uran en låganvändningsprodukt med lågt ekonomiskt värde.

Dess användning är främst förknippad med den höga densiteten av uran och dess relativt låga kostnad. Utarmat uran används för strålskydd (ironiskt nog) och som ballast i rymdtillämpningar som flygplanskontrollytor. Varje Boeing 747-flygplan innehåller 1 500 kg utarmat uran för dessa ändamål. Detta material används också i höghastighetsgyroskoprotorer, stora svänghjul, som ballast i rymdlandare och kappseglingar, och vid borrning av oljekällor.

Pansargenomträngande projektilkärnor

Spetsen (liner) på en 30 mm kaliber projektil (GAU-8 kanoner på ett A-10 flygplan) med en diameter på cirka 20 mm är gjord av utarmat uran.

Den mest kända användningen av utarmat uran är som kärnor för pansargenomträngande projektiler. När den är legerad med 2% Mo eller 0,75% Ti och värmebehandling (snabbhärdning av metall uppvärmd till 850 °C i vatten eller olja, hålls ytterligare vid 450 °C i 5 timmar), blir uranmetall hårdare och starkare än stål (draghållfastheten styrkan är större 1600 MPa, trots att den för rent uran är 450 MPa). I kombination med dess höga densitet gör detta det härdade urangötet till en extremt effektiv pansargenomträngning, liknande effektiviteten den dyrare volfram. Den tunga uranspetsen förändrar också projektilens massfördelning, vilket förbättrar dess aerodynamiska stabilitet.

Liknande legeringar av Stabilla-typ används i svepfenade projektiler för stridsvagns- och pansarvärnsartillerikanoner.

Processen att förstöra pansar åtföljs av malning av en uran gris till damm och dess antändning i luft på andra sidan av pansaret (se Pyroforicitet). Omkring 300 ton utarmat uran fanns kvar på slagfältet under Operation Desert Storm (mest resterna av 30 mm GAU-8 kanongranater från A-10 attackflygplan, varje granat innehåller 272 g uranlegering).

Sådana granater användes av Nato-trupper i stridsoperationer på Jugoslaviens territorium. Efter deras ansökan diskuterades miljöproblemet med strålningskontamination av landets territorium.

Uran användes först som kärna för projektiler i tredje riket.

Utarmat uran används i modern stridsvagnsrustning, såsom M-1 Abrams stridsvagn.

Fysiologisk verkan

Det finns i mikrokvantiteter (10−5–10−8%) i vävnader hos växter, djur och människor. Den ansamlas i störst utsträckning av vissa svampar och alger. Uranföreningar absorberas i mag-tarmkanalen (ca 1%), i lungorna - 50%. De viktigaste depåerna i kroppen: mjälte, njurar, skelett, lever, lungor och bronkopulmonella lymfkörtlar. Innehållet i organ och vävnader hos människor och djur överstiger inte 10 −7 g.

Uran och dess föreningar toxisk. Aerosoler av uran och dess föreningar är särskilt farliga. För aerosoler av vattenlösliga uranföreningar är MPC i luft 0,015 mg/m³, för olösliga former av uran är MPC 0,075 mg/m³. När uran kommer in i kroppen påverkar det alla organ, eftersom det är ett allmänt cellgift. Den molekylära verkningsmekanismen för uran är förknippad med dess förmåga att undertrycka enzymaktivitet. Njurarna påverkas främst (protein och socker förekommer i urinen, oliguri). Med kronisk förgiftning är störningar av hematopoiesis och nervsystemet möjliga.

Produktion per land i ton per U-innehåll för 2005-2006.

Produktion per företag 2006:

Cameco - 8,1 tusen ton

Rio Tinto - 7 tusen ton

AREVA - 5 tusen ton

Kazatomprom - 3,8 tusen ton

JSC TVEL - 3,5 tusen ton

BHP Billiton - 3 tusen ton

Navoi MMC - 2,1 tusen ton ( Uzbekistan, Navoi)

Uranium One - 1 tusen ton

Heathgate - 0,8 tusen ton

Denison Mines - 0,5 tusen ton

Tillverkning i Ryssland

I Sovjetunionen var de viktigaste uranmalmsregionerna Ukraina (Zheltorechenskoye, Pervomaiskoye-fyndigheter, etc.), Kazakstan (Norra - Balkashin malmfält, etc.; Södra - Kyzylsay malmfält, etc.; Vostochny; alla av dem tillhör övervägande vulkanogen-hydrotermisk typ); Transbaikalia (Antey, Streltsovskoe, etc.); Centralasien, främst Uzbekistan med mineralisering i svarta skiffer centrerad i staden Uchkuduk. Det är många små malmförekomster och förekomster. I Ryssland är Transbaikalia fortfarande den viktigaste uranmalmsregionen. Cirka 93 % av ryskt uran bryts vid fyndigheten i Chita-regionen (nära staden Krasnokamensk). Gruvbrytning utförs med schaktmetoden av Priargunskoye Production Mining and Chemical Association (PPMCU), som är en del av OJSC Atomredmetzoloto (Uranium Holding).

De återstående 7 % erhålls genom underjordisk urlakning av JSC Dalur (Kurgan-regionen) och JSC Khiagda (Buryatia).

De resulterande malmerna och urankoncentratet bearbetas vid Chepetsks mekaniska anläggning.

Tillverkning i Kazakstan

Ungefär en femtedel av världens uranreserver är koncentrerade till Kazakstan (21 % och 2:a plats i världen). Totala uranresurser är cirka 1,5 miljoner ton, varav cirka 1,1 miljoner ton kan brytas genom in-situ urlakning.

2009 tog Kazakstan första plats i världen i uranproduktion.

Tillverkning i Ukraina

Huvudföretaget är den östra gruv- och processanläggningen i staden Zhovti Vody.

Pris

Trots de rådande legenderna om tiotusentals dollar för kilogram eller till och med gram kvantiteter uran, är dess verkliga pris på marknaden inte särskilt högt - unanrikad uranoxid U 3 O 8 kostar mindre än 100 US-dollar per kilogram. Detta beror på det faktum att för att driva en kärnreaktor med oberikat uran behövs tiotals eller till och med hundratals ton bränsle, och för att tillverka kärnvapen måste en stor mängd uran anrikas för att få koncentrationer som är lämpliga för att skapa en bomb

Uran, grundämne nummer 92, är det tyngsta grundämnet som finns i naturen. Det användes i början av vår tideräkning; fragment av keramik med gul glasyr (innehållande mer än 1 % uranoxid) hittades bland ruinerna av Pompeji och Herculaneum.

Uran upptäcktes 1789 i uran tjära av den tyske kemisten Marton Heinrich Klaproth, som döpte det efter planeten uran som upptäcktes 1781. Metalliskt uran erhölls först av den franske kemisten Eugene Peligot 1841, genom att reducera vattenfri urantetraklorid med kalium. 1896 upptäckte Antoine-Henri Becquerel fenomenet uranradioaktivitet genom att av misstag exponera fotografiska plattor för joniserande strålning från en närliggande bit uransalt.

Fysiska och kemiska egenskaper

Uran är en mycket tung, silvervit, glänsande metall. I sin rena form är den något mjukare än stål, formbar, flexibel och har små paramagnetiska egenskaper. Uran har tre allotropa former: alfa (prismatisk, stabil upp till 667,7 °C), beta (tetragonal, stabil från 667,7 till 774,8 °C), gamma (med en kroppscentrerad kubisk struktur, existerande från 774,8 °C till smältpunkten ), där uran är det mest formbara och lätta att bearbeta. Alfafasen är en mycket anmärkningsvärd typ av prismatisk struktur, bestående av vågiga lager av atomer i ett extremt asymmetriskt prismatiskt gitter. Denna anisotropa struktur gör det svårt att legera uran med andra metaller. Endast molybden och niob kan skapa fastfaslegeringar med uran. Det är sant att uranmetall kan interagera med många legeringar och bilda intermetalliska föreningar.

Grundläggande fysikaliska egenskaper hos uran:
smältpunkt 1132,2°C (+/- 0,8);
kokpunkt 3818 °C;
densitet 18,95 (i alfafas);
specifik värmekapacitet 6,65 cal/mol/°C (25 C);
draghållfasthet 450 MPa.

Kemiskt är uran en mycket aktiv metall. Den oxiderar snabbt i luft och täcks av en regnbågsfilm av oxid. Fint uranpulver antänds spontant i luften; det antänds vid en temperatur på 150-175 °C och bildar U 3 O 8 . Vid 1000 °C kombineras uran med kväve och bildar gul urannitrid. Vatten kan korrodera metall, långsamt vid låga temperaturer och snabbt vid höga temperaturer. Uran löser sig i saltsyra, salpetersyra och andra syror och bildar fyrvärda salter, men interagerar inte med alkalier. Uran tränger undan väte från oorganiska syror och saltlösningar av metaller som kvicksilver, silver, koppar, tenn, platina och guld. När de skakas kraftigt börjar metallpartiklarna av uran att glöda.
Uran har fyra oxidationstillstånd - III-VI. Sexvärda föreningar inkluderar uranyltrioxid UO 3 och uran uranklorid UO 2 Cl 2 . Urantetraklorid UCl 4 och urandioxid UO 2 - exempel på fyrvärt uran. Ämnen som innehåller fyrvärt uran är vanligtvis instabila och förvandlas till sexvärt uran när de utsätts för luft under lång tid. Uranylsalter som uranylklorid sönderdelas i närvaro av starkt ljus eller organiskt material.

Uran har inga stabila isotoper, men 33 av dess radioaktiva isotoper är kända. Naturligt uran består av tre radioaktiva isotoper: 238 U (99,2739 %, T=4,47⋅10 9 år, α-sändare, förfader till den radioaktiva serien (4n+2)), 235 U (0,7205 %, T=7,04⋅10 9 år, förfadern till den radioaktiva serien (4n+3)) och 234 U (0,0056 %, T=2,48⋅10 5 år, α-emitter). Den sista isotopen är inte primär, utan radiogen, den är en del av den radioaktiva serien 238 U. Atommassan för naturligt uran är 238,0289+0,0001.

Radioaktiviteten hos naturligt uran beror främst på isotoper 238 U och 234 U, i jämvikt är deras specifika aktiviteter lika. Den specifika radioaktiviteten för naturligt uran är 0,67 mikrocurie/g, fördelat nästan på hälften mellan 234 U och 238 U; 235 U ger ett litet bidrag (specifik aktivitet för isotopen 235 U i naturligt uran är 21 gånger mindre aktivt 238 U). Naturligt uran är tillräckligt radioaktivt för att exponera en fotografisk platta på ungefär en timme. Termisk neutroninfångningstvärsnitt 233 U 4,6 10 -27 m2, 235 U 9,8 10 -27 m2, 238 U 2,7 10 -28 m2; fission tvärsnitt 233 U 5,27 10 -26 m2, 235 U 5,84 10 -26 m2, naturlig blandning av isotoper 4,2 10-28 m2.

Isotoper av uran är vanligtvis α-emittorer. Genomsnittlig α-strålningsenergi 230 U, 231 U, 232 U, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U är lika med 5,97; 3,05⋅10 -4 ; 5,414; 4,909; 4,859; 4,679; 4,572; 4,270 MeV. Samtidigt kan isotoper som t.ex 233 U, 238 U och 239 Utöver alfa genomgår U också en annan typ av sönderfall - spontan fission, även om sannolikheten för fission är mycket mindre än sannolikheten för α-sönderfall.

Ur praktiska tillämpningar är det viktigt att naturliga isotoper 233 U och 235 U-klyvning under påverkan av både termiska och snabba neutroner ( 235 U är kapabel till spontan fission), och kärnorna 238 U är kapabla till fission endast när de fångar neutroner med energier större än 1 MeV. Vid infångning av neutroner med lägre kärnenergi 238 Du förvandlas till kärnor först 239 U, som sedan genomgår β-sönderfall och först omvandlas till 239 Np, och sedan - vid 239 Pu, vars nukleära egenskaper ligger nära 235 U. Effektiva fångstvärsnitt för termiska neutroner i kärnor 234 U, 235 U och 238 U är lika med 98⋅10 -28, 683⋅10 -28 och 2,7⋅10 -28 m2 respektive. Komplett uppdelning 235 U leder till utsläpp av "termisk energiekvivalent" 2⋅10 7 kWh/kg.

Teknogena isotoper av uran

Moderna kärnreaktorer producerar 11 konstgjorda radioaktiva isotoper med masstal från 227 till 240, varav den längsta livslängden är 233 U (T = 1,62 10 5 år); det erhålls genom neutronbestrålning av torium. Uranisotoper med ett massatal större än 240 hinner inte bildas i reaktorer. Livslängden för uran-240 är för kort, och det sönderfaller innan det kan fånga en neutron. Men i superkraftiga neutronflöden av en termonukleär explosion lyckas en urankärna fånga upp till 19 neutroner på en miljondels sekund. I det här fallet föds uranisotoper med massnummer från 239 till 257. Deras existens lärde sig från utseendet i produkterna av en termonukleär explosion av avlägsna transuranelement - ättlingar till tunga isotoper av uran. "Grundarna av släktet" själva är för instabila för att β-sönderfalla och passerar in i högre element långt innan produkterna från kärnreaktioner utvinns från berget som blandas av explosionen.

I termiska neutronkraftreaktorer används isotoper som kärnbränsle 235 U och 233 U, och i snabba neutronreaktorer 238 U, dvs. isotoper som kan stödja en fissionskedjereaktion.

U-232

232 U – teknogen nuklid, finns ej i naturen, α-emitter, T=68,9 år, moderisotoper 236 Pu(a), 232 Np(p+) och 232 Pa(β-), dotternuklid 228 Th. Kapabel till spontan delning. 232 U har en spontan fissionshastighet på 0,47 divisioner/s⋅kg. I kärnkraftsindustrin 232 U produceras som en biprodukt under syntesen av den klyvbara (vapenklassade) nukliden 233U i toriumbränslecykeln. När bestrålat 232 Huvudreaktionen inträffar:

232 Th + n → 233 Th → (22,2 min, p-sönderfall) → 233 Pa → (27,0 dagar, β-sönderfall) → 233U

och en tvåstegs sidreaktion:

232 Th + n → 231 Th + 2n, 231 Th → (25,5 h, β) → 231 Pa + n → 232 Pa → (1,31 dagar, p) → 232 U.

Speltid 232 U under en tvåstegsreaktion beror på närvaron av snabba neutroner (neutroner med en energi på minst 6 MeV behövs), eftersom tvärsnittet av den första reaktionen är litet för termiska hastigheter. Ett litet antal fissionsneutroner har energier över 6 MeV, och om toriumförädlingszonen är belägen i en del av reaktorn där den bestrålas med måttligt snabba neutroner (~ 500 keV), så kan denna reaktion praktiskt taget elimineras. Om det ursprungliga ämnet innehåller 230 Th, sedan utbildning 232 U kompletteras av reaktionen: 230 Th + n → 231 Th och vidare enligt ovan. Denna reaktion fungerar också bra med termiska neutroner. Därför undertryckande av utbildning 232 U (och detta är nödvändigt av de skäl som anges nedan) kräver laddning av torium med en lägsta koncentration 230 Th.

Isotop producerad i en kraftreaktor 232 U utgör ett hälso- och säkerhetsproblem eftersom det går sönder i 212 Bi och 208 Te, som avger högenergi γ-kvanta. Därför bör preparat som innehåller stora mängder av denna isotop bearbetas i en varm kammare. Tillgänglighet 232 U i bestrålat uran är också farligt ur atomvapensynpunkt.

Ansamling 232 U oundvikligt i produktionen 233 U i toriums energicykel, vilket hindrar dess introduktion i energisektorn. Det som är ovanligt är att den jämna isotopen 232 U har ett högklyvningstvärsnitt under påverkan av neutroner (för termiska neutroner 75 ladugårdar, resonansintegral 380), samt ett högt neutroninfångningstvärsnitt - 73 ladugårdar (resonansintegral 280).

Det finns också fördelar från 232 U: Det används ofta i radiospårmetoden i kemisk och fysikalisk forskning.

U-233

233 U upptäcktes av Seaborg, Hoffmann och Stoughton. Uran-233 - α-emitter, T=1,585⋅105 år, modernuklider 237 Pu(α) 233 Np(β+) 233 Pa(β-), dotternuklid 229 Th. Uran-233 produceras i kärnreaktorer från torium: 232Th fångar en neutron och förvandlas till 233 Th, som bryter ner i 233 Ra, och sedan i 233 U. Nuclei 233 U (udda isotop) är kapabel till både spontan fission och fission under påverkan av neutroner av vilken energi som helst, vilket gör den lämplig för produktion av både atomvapen och reaktorbränsle (expanderad reproduktion av kärnbränsle är möjlig). Uran-233 är också det mest lovande bränslet för gasfasiga kärnraketmotorer. Det effektiva fissionstvärsnittet för snabba neutroner är 533 ladugårdar, halveringstiden är 1 585 000 år och förekommer inte i naturen. Kritisk massa 233 U är tre gånger mindre än kritisk massa 235 U (ca 16 kg). 233 U har en spontan fissionshastighet på 720 fissions/s⋅kg. 235U kan erhållas från 232Th genom neutronbestrålning:

232 Th + n → 233 Th → (22,2 min, p-sönderfall) → 233 Pa → (27,0 dagar, p-sönderfall) → 233U

När en neutron absorberas, kommer kärnan 233 U klyvs vanligtvis, men ibland fångar en neutron, blir 234 U, även om andelen icke-klyvningsprocesser är mindre än i andra klyvbara bränslen ( 235 U, 239 Pu, 241 Pu) den förblir liten vid alla neutronenergier. Observera att det finns en reaktor med smält salt där protactinium är fysiskt isolerat innan det har en chans att absorbera en neutron. Fastän 233 U, som har absorberat en neutron, delar sig vanligtvis, men ibland behåller den en neutron och förvandlas till 234 U (denna process är betydligt mindre sannolik än fission).

Speltid 233 U från råvaror för toriumindustrin är en långsiktig strategi för utvecklingen av den indiska kärnkraftsindustrin, som har betydande toriumreserver. Odling kan utföras antingen i snabba eller termiska reaktorer. Utanför Indien finns det inte så mycket intresse för den toriumbaserade bränslecykeln, även om världens toriumreserver är tre gånger större än uranreserver.Förutom bränsle i kärnreaktorer kan det användas 233 U i en vapenladdning. Fast nu gör de sällan detta. 1955 testade USA vapenkvalitet 233 U genom att detonera en bomb baserad på den i Operation Teapot. Ur vapensynpunkt 233 U, jämförbar med 239 Pu: dess radioaktivitet är 1/7 (T=159200 år mot 24100 år för plutonium), dess kritiska massa är 60% högre (16 kg mot 10 kg), och hastigheten för spontan fission är 20 gånger högre (6⋅10)-9 mot 3⋅10 -10 ). Men eftersom dess specifika radioaktivitet är lägre, neutrondensiteten 233 U är tre gånger högre än så 239 Pu. Skapande av en kärnladdning baserad på 233 U kräver mer ansträngning än plutonium, men den tekniska ansträngningen är ungefär densamma.

Den största skillnaden är närvaron i 233 U föroreningar 232 U, vilket gör det svårt att arbeta med 233 U och gör det enkelt att upptäcka färdiga vapen.

232 U-innehåll i vapenklass 233 U bör inte överstiga 5 ppm (0,0005%). I den kommersiella kärnbränslecykeln, närvaron 232 U är inte en stor nackdel, inte ens önskvärt, eftersom det minskar möjligheten till spridning av uran för vapenändamål. För att spara bränsle, efter återvinning och återanvändning nivån 232 U når 0,1-0,2 %. I specialdesignade system ackumuleras denna isotop i koncentrationer på 0,5-1%.

Under de första två åren efter produktion 233 U innehållande 232 U, 228 Th förblir på en konstant nivå och är i jämvikt med sitt eget förfall. Under denna period fastställs och stabiliseras bakgrundsvärdet för γ-strålning. Därför massproducerade de första åren 233 U avger betydande γ-strålning. Tio kilos sfär 233 Vapenkvalitet U (5 ppm 232U) ger en bakgrund på 11 millirem/timme på ett avstånd av 1 m 1 månad efter produktion, 110

millirem/h efter ett år, 200 millirem/h efter 2 år. Den årliga dosgränsen på 5 rem överskrids efter endast 25 timmars arbete med sådant material. Till och med fräsch 233 U (1 månad från tillverkningsdatum) begränsar monteringstiden till tio timmar per vecka. I ett färdigmonterat vapen reduceras strålningsnivån genom att kroppen absorberar laddningen. I moderna lätta enheter överstiger minskningen inte 10 gånger, vilket skapar säkerhetsproblem. I tyngre laddningar är absorptionen starkare - 100 - 1000 gånger. En berylliumreflektor ökar nivån av neutronbakgrund: 9Be + γ-kvant → 8Be + n. y-strålar 232 U bildar en karakteristisk signatur, de kan detekteras och rörelserna och närvaron av en atomladdning kan spåras. Tillverkad med hjälp av toriumcykeln, speciellt denaturerad 233 U (0,5 - 1,0 % 232 U), skapar en ännu större fara. En sfär på 10 kilo gjord av sådant material på ett avstånd av 1 m efter 1 månad skapar en bakgrund på 11 rem/timme, 110 rem/timme efter ett år och 200 rem/timme efter 2 år. Kontakt med en sådan atombomb, även med en 1000-faldig minskning av strålningen, är begränsad till 25 timmar per år. Förekomst av en märkbar andel 232 U:t i klyvbart material gör det extremt obekvämt för militärt bruk.

Naturliga isotoper av uran

U-234

Uran-234 (uran II) är en del av naturligt uran (0,0055%), T = 2,445⋅10 5 år, α-sändare, moderradionuklider: 238 Pu(a), 234 Pa(p-), 234 Np(β+), dotterisotop i 230 Th. Innehåll 234 U i malmen är mycket liten på grund av dess relativt korta halveringstid. 234 U bildas av reaktionerna:

238 U → (4,51 miljarder år, alfasönderfall) → 234 Th

234 Th → (24,1 dagar, beta-förfall) → 234 Pa

234 Pa → (6,75 timmar, beta-sönderfall) → 234 U

Vanligtvis 234 U är i jämvikt med 238 U, ruttnande och formas i samma takt. Dock sönderfallande atomer 238 U existerar under en tid i form av torium och protactinium, så de kan separeras kemiskt eller fysiskt från malmen (urlakas av grundvatten). Eftersom den 234 U har en relativt kort halveringstid, all denna isotop som finns i malmen har bildats under de senaste miljoner åren. Ungefär hälften av radioaktiviteten i naturligt uran kommer från 234 U.

Koncentration 234 U-värdet i höganrikat uran är ganska högt på grund av preferentiell anrikning i lätta isotoper. Eftersom den 234 U är en stark γ-emitter, det finns gränser för dess koncentration i uran avsett för bearbetning till bränsle. I grund och botten en ökad nivå 234 U är acceptabelt för moderna reaktorer, men upparbetat använt bränsle innehåller oacceptabla halter av denna isotop.

Absorptionstvärsnitt 234 U av termiska neutroner är 100 barn, och för resonansintegralen är medelvärdet över olika mellanliggande neutroner 700 barn. Därför i reaktorer kl

termiska neutroner omvandlas den till klyvbar 235 U i en snabbare takt än en mycket större kvantitet 238 U (med tvärsnitt 2,7 ladugård) omvandlas till 239 Pu. Som ett resultat innehåller använt kärnbränsle mindre 234 U, än fräschare.

U-235

Uranium-235 (aktinouran) är en isotop som kan producera en snabbt växande fissionskedjereaktion. Upptäckt av Arthur Jeffrey Dempster 1935.

Detta är den första isotopen där reaktionen av forcerad kärnklyvning under inverkan av neutroner upptäcktes. Absorberar en neutron 235 U går till 236 U, som delar sig i två delar, frigör energi och avger flera neutroner. En isotop som är klyvbar av neutroner av vilken energi som helst, kapabel till spontan fission 235 U är en del av naturligt uran (0,72%), α-emitter (energi 4,679 MeV), T=7,038⋅10 8 år, modernuklider 235 Pa, 235 Np och 239 Pu, dotter - 231 Th. Intensiteten av spontan fission 235 U 0,16 divisioner/s⋅kg. När en kärna delar sig 235 U släppte ut 200 MeV energi=3,2⋅10 -11 J, dvs. 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Men 5% av denna energi förs bort av praktiskt taget odetekterbara neutroner. Det nukleära tvärsnittet för termiska neutroner är cirka 1000 barn, och för snabba neutroner - cirka 1 lada.

Nettovikt 60 kg 235 U producerar endast 9,6 klyvningar/s, vilket gör det enkelt nog att göra en atombomb med en kanondesign. 238 U skapar 35 gånger fler neutroner per kilogram, så även en liten andel av denna isotop höjer denna siffra flera gånger. 234 U skapar 22 gånger fler neutroner och liknar 238 U oönskad åtgärd. Specifik aktivitet 235 U är endast 2,1 mikrocuries/g; dess kontaminering är 0,8 % 234 U höjer den till 51 mikrocuries/g. Kritisk massa av vapenklassat uran. (93,5 % 235 U) i vattenlösningar är mindre än 1 kg, för en öppen boll - cirka 50 kg, för en boll med en reflektor - 15 - 23 kg.

I naturligt uran är endast en, relativt sällsynt, isotop lämplig för att göra kärnan i en atombomb eller upprätthålla en reaktion i en kraftreaktor. Anrikningsgrad enl 235 U i kärnbränsle för kärnkraftverk sträcker sig från 2-4,5%, för vapenanvändning - minst 80%, och mer föredraget 90%. I USA 235 Vapenklass U berikas till 93,5 % (industrin klarar av att producera 97,65 %). Sådant uran används i reaktorer för flottan.

Kommentar. Uran med innehåll 235 U mer än 85% kallas uran för vapen, med en halt på mer än 20% och mindre än 85% - uran som är lämpligt för vapenanvändning, eftersom det kan användas för att göra en "dålig" (ineffektiv bomb). Men den kan också användas för att göra en "bra" bomb om du använder implosion, neutronreflektorer och några avancerade knep. Som tur är är det bara 2-3 länder i världen som kan genomföra sådana knep i praktiken. Numera tillverkas tydligen inte bomber från uran någonstans (plutonium har ersatt uran i kärnvapen), men utsikterna för uran-235 kvarstår på grund av enkelheten i uranbombens kanonkonstruktion och möjligheten till utökad produktion av sådana bomber om behovet uppstår plötsligt.

Att vara lättare 234 U är proportionellt berikad i ännu större utsträckning än 235 U i alla processer för separation av naturliga uranisotoper baserade på skillnader i massa, vilket utgör ett visst problem vid produktionen av atombombsladdningar. Mycket berikad 235 U innehåller vanligtvis 1,5-2,0 % 234 U.

Division 235 U används i atomvapen, för energiproduktion och för syntes av viktiga aktinider. Naturligt uran används i kärnreaktorer för att producera neutroner. Kedjereaktionen upprätthålls av överskottet av neutroner som produceras av fission 235 U, samtidigt fångas överskott av neutroner som inte tas i anspråk av kedjereaktionen av en annan naturlig isotop, 238 U, vilket leder till produktion av plutonium, som också kan klyvas under inverkan av neutroner.

U-236

Finns i naturen i föroreningsmängder, α-emitter, T=2,3415⋅10 7 år, bryter upp i 232 Th. Bildad av neutronbombardement 235 U delas sedan i en bariumisotop och en kryptonisotop, släpper ut två neutroner, gammastrålar och frigör energi.

I små mängder är det en del av färskt bränsle; ackumuleras när uran bestrålas med neutroner i en reaktor och används därför som en "signalanordning" för använt urankärnbränsle. 236 U bildas som en biprodukt vid separation av isotoper genom gasdiffusion vid regenerering av använt kärnbränsle. Denna isotop har viss betydelse som målmaterial i kärnreaktorer. När man använder återvunnet (bearbetat) uran i en kärnreaktor är det en viktig skillnad jämfört med att använda naturligt uran. Uran isolerat från använt bränsle innehåller isotopen 236 U (0,5%), som när det används i färskt bränsle stimulerar produktionen av isotopen 238 Pu. Detta leder till en försämring av kvaliteten på plutonium av energikvalitet, men kan vara en positiv faktor i samband med problemet med icke-spridning av kärnvapen.

Formad i en kraftreaktor 236 U är ett neutrongift; dess närvaro i kärnbränsle måste kompenseras av en högre nivå av anrikning 235 U.

U-238

Uran-238 (uran I) - klyvbar av högenergineutroner (mer än 1 MeV), kapabel till spontan klyvning, utgör grunden för naturligt uran (99,27%), α-emitter, T = 4,468⋅10 9 år, direkt bryts ner i 234 Th, bildar ett antal genetiskt relaterade radionuklider, och genom 18 produkter förvandlas till 206 Pb. Seriens konstanta sönderfallshastighet gör det möjligt att använda förhållandet mellan koncentrationerna av modernukliden och dottern vid radiometrisk datering. Halveringstiden för uran-238 genom spontan fission har inte fastställts exakt, men den är mycket lång - cirka 10 16 år, så sannolikheten för fission i förhållande till huvudprocessen - emissionen av en alfapartikel - är bara 10 -7 . Ett kilo uran producerar bara 10 spontana klyvningar per sekund och under samma tid släpper α-partiklar ut 20 miljoner kärnor. Moder nuklider: 242 Pu(α), 238 Pa(β-) 234 Th, dotter - 234 Th.

Även om uran-238 inte kan användas som ett primärt klyvbart material, på grund av de högenergineutroner som krävs för dess klyvning, har det en viktig plats i kärnkraftsindustrin. Med hög densitet och atomvikt, 238 U är lämplig för tillverkning av laddnings-/reflektorskal i atom- och vätebomber. Det faktum att den klyvs av snabba neutroner ökar laddningens energiuttag: indirekt genom multiplikation av reflekterade neutroner eller direkt genom klyvning av kärnorna i laddningsskalet av snabba neutroner (under fusion). Cirka 40 % av neutronerna som produceras av fission och alla fusionsneutroner är tillräckliga för fission 238 U energier. 238 U har en spontan fissionshastighet som är 35 gånger högre än 235 U, 5,51 divisioner/s⋅kg. Detta gör det omöjligt att använda det som laddnings-/reflektorskal i bomber av kanontyp, eftersom dess lämpliga massa (200-300 kg) kommer att skapa en för hög neutronbakgrund. Rena 238 U har en specifik radioaktivitet på 0,333 mikrocurie/g. Ett viktigt användningsområde för denna uranisotop är produktionen 239 Pu. Plutonium bildas genom flera reaktioner som börjar efter att ha fångats av en atom 238 U neutron. Varje reaktorbränsle som innehåller naturligt eller delvis anrikat uran i den 235:e isotopen innehåller en viss andel plutonium efter slutet av bränslecykeln.

Utarmat uran

Efter extraktion 235 U från naturligt uran, det återstående materialet kallas "utarmat uran" eftersom det är utarmat i isotoper 235 U och 234 U. Reducerat innehåll 234 U (cirka 0,001%) minskar radioaktiviteten med nästan hälften jämfört med naturligt uran, medan minskningen av innehållet 235 U har praktiskt taget ingen effekt på radioaktiviteten hos utarmat uran.

Nästan allt utarmat uran i världen lagras i form av hexafluorid. USA har 560 000 ton utarmat uranhexafluorid (UF6) vid tre gasdiffusionsanrikningsanläggningar och hundratusentals ton i Ryssland. Utarmat uran är hälften så radioaktivt som naturligt uran, främst på grund av avlägsnande av 234 U. På grund av det faktum att den huvudsakliga användningen av uran är energiproduktion, i kärnreaktorer med termiska neutroner, är utarmat uran en värdelös produkt med lågt ekonomiskt värde.

Ur ett säkerhetsperspektiv är det vanligt att omvandla utarmat uranhexafluoridgas till uranoxid, som är ett fast ämne. Uranoxid är antingen föremål för nedgrävning som en form av radioaktivt avfall, eller kan användas i snabba neutronreaktorer för att producera plutonium.

Beslutet om hur man gör sig av med uranoxid beror på hur ett land ser på utarmat uran: som radioaktivt avfall som ska slutförvaras eller som material lämpligt för vidare användning. Till exempel i USA, tills nyligen, betraktades utarmat uran som ett råmaterial för vidare användning. Men sedan 2005 började denna synvinkel förändras och nu i USA är det möjligt att begrava utarmat uranoxid. I Frankrike anses inte utarmat uran som radioaktivt avfall, utan det ska lagras i form av uranoxid. I Ryssland anser ledningen för Federal Atomic Energy Agency att avfallsuranhexafluorid är ett värdefullt material som inte kan kasseras. Arbetet med att skapa en industrianläggning för att omvandla avfallsuranhexafluorid till uranoxid har påbörjats. De resulterande uranoxiderna är tänkta att lagras under lång tid för vidare användning i snabba neutronreaktorer eller dess ytterligare anrikning 235 U följt av förbränning i termiska reaktorer.

Att hitta sätt att använda utarmat uran utgör en stor utmaning för anrikningsanläggningar. Dess användning är främst förknippad med den höga densiteten av uran och dess relativt låga kostnad. De två viktigaste användningsområdena för utarmat uran är som strålningsskärmning och som ballast i rymdtillämpningar såsom kontrollytor för flygplan. Varje Boeing 747-flygplan innehåller 1 500 kg utarmat uran för dessa ändamål. Utarmat uran används till stor del vid oljeborrning i form av stötstavar (vid wireline-borrning), vars vikt driver verktyget in i brunnar fyllda med borrvätska. Detta material används i höghastighetsgyroskoprotorer, stora svänghjul, som ballast i rymdlandare och raceryachter.

Men den mest kända användningen av uran är som kärnor för pansargenomträngande projektiler. Med en viss legering med andra metaller och värmebehandling (legering med 2% Mo eller 0,75% Ti, snabb härdning av metallen uppvärmd till 850° i vatten eller olja, ytterligare hållning vid 450° i 5 timmar), blir uranmetall hårdare och starkare än stål (hållfasthet vid gap > 1600 MPa). I kombination med dess höga densitet gör detta härdat uran extremt effektivt för att penetrera pansar, liknande effektivitet som det betydligt dyrare monokristallina volframet. Processen för förstörelse av pansar åtföljs av slipning av huvuddelen av uranet till damm, penetration av damm i det skyddade föremålet och dess antändning där. 300 ton utarmat uran fanns kvar på slagfältet under Desert Storm (mest resterna av granater från 30 mm GAU-8 kanonen från A-10 attackflygplan, varje granat innehåller 272 g uranlegering). Utarmat uran används i stridsvagnsrustning, till exempel M-1 Abrams stridsvagn (USA). -4 viktprocent (2-4 ppm beroende på region), i sura magmatiska bergarter 3,5 10 -4 %, i leror och skiffer 3,2 10 -4 %, i grundläggande bergarter 5·10 -5 %, i ultramafiska mantelbergarter 3·10 -7 %. Mängden uran i ett 20 km tjockt lager av litosfären uppskattas till 1,3⋅10 14 t. Det är en del av alla bergarter som utgör jordskorpan, och finns också i naturliga vatten och levande organismer. Det bildar inte tjocka avlagringar. Huvuddelen av uran finns i sura bergarter med hög kiselhalt. Den lägsta koncentrationen av uran förekommer i ultramafiska bergarter, den maximala i sedimentära bergarter (fosforiter och kolhaltiga skiffer). Havet innehåller 10 10 ton uran. Koncentrationen av uran i jordar varierar i intervallet 0,7 - 11 ppm (15 ppm i jordbruksjordar gödslade med fosforgödsel), i havsvatten 0,003 ppm.

Uran finns inte i fri form i jorden. Det finns 100 kända uranmineraler med en U-halt på mer än 1%. I ungefär en tredjedel av dessa mineral är uran fyrvärt, i resten är det sexvärt. 15 av dessa uranmineraler är enkla oxider eller hydroxyler, 20 är komplexa titanater och niobater, 14 är silikater, 17 är fosfater, 10 är karbonater, 6 är sulfater, 8 är vanadater, 8 är arsenater. Obestämda former av uranföreningar förekommer i vissa kolhaltiga skiffer av marint ursprung, brunkol och kol, samt i intergranulära filmer i magmatiska bergarter. 15 uranmineraler är av industriell betydelse.

De viktigaste uranmineralerna i stora malmfyndigheter representeras av oxider (uranbeck, uraninit, coffinitit), vanadat (karnotit och tyuyamunit) och komplexa titanater (brannerit och davidit). Titanater är också av industriell betydelse, till exempel brannerite UTi 2O 6 , silikater - cofinite U 1-x (OH) 4x , tantaloniumbater och hydratiserade fosfater och uranylarsenater - uranglimmer. Uran förekommer inte i naturen som ett inhemskt element. På grund av det faktum att uran kan existera i flera stadier av oxidation, finns det i en mycket varierad geologisk miljö.

Tillämpningar av uran

I utvecklade länder är uranproduktion främst inriktad på att generera klyvbara nuklider ( 235 U och 233 U, 239 Pu) - bränsle för industriella reaktorer avsedda för produktion av både nuklider av vapenkvalitet och komponenter av kärnvapen (atombomber och projektiler för strategiska och taktiska ändamål, neutronbomber, vätebombtriggers, etc.). I en atombomb koncentrationen 235 U överstiger 75%. I resten av världen används uranmetall eller dess föreningar som kärnbränsle i kraft- och forskningskärnreaktorer. En naturlig eller låganrikad blandning av uranisotoper används i stationära reaktorer i kärnkraftverk, en starkt anrikad produkt används i kärnkraftverk (källor för termisk, elektrisk och mekanisk energi, strålning eller ljus) eller i reaktorer som arbetar på snabba neutroner. Reaktorer använder ofta uranmetall, legerad och olegerad. Men vissa typer av reaktorer använder bränsle i form av fasta föreningar (till exempel UO 2 ), såväl som vattenhaltiga föreningar av uran eller en flytande legering av uran med en annan metall.

Den huvudsakliga användningen av uran är produktion av kärnbränsle för kärnkraftverk. En tryckvattenreaktor med en installerad kapacitet på 1 400 MW kräver 225 ton naturligt uran per år för att producera 50 nya bränsleelement, som byts ut mot motsvarande antal använda bränslestavar. För att ladda denna reaktor krävs cirka 130 ton SWU (separation work unit) och en kostnadsnivå på 40 miljoner dollar per år. Koncentrationen av uran-235 i bränsle för en kärnreaktor är 2–5 %.

Uranmalmer är fortfarande av visst intresse med tanke på att utvinna radium från dem (vars innehåll är cirka 1 g per 3 ton malm) och några andra naturliga radionuklider. Uranföreningar används i glasindustrin för att färga glasögon röda eller gröna, eller ge dem en vacker gröngul nyans. De används också vid tillverkning av fluorescerande glas: en liten tillsats av uran ger glaset en vacker gulgrön fluorescens.

Fram till 1980-talet användes naturligt uran i stor utsträckning av tandläkare, inklusive det i keramik, vilket gjorde det möjligt för dem att uppnå en naturlig färg och inducera original fluorescens i tandproteser och kronor. (En urankäke gör ditt leende ljusare!) Originalpatentet från 1942 rekommenderar en uranhalt på 0,1 %. Därefter ersattes naturligt uran med utarmat uran. Detta hade två fördelar - billigare och mindre radioaktivt. Uran användes också i lamptrådar och i läder- och träindustrin som en komponent i färgämnen. Uransalter används i betningsmedel och färgningslösningar för ull och läder. Uranylacetat och uranylformiat används som elektronabsorberande dekorativa medel vid transmissionselektronmikroskopi, för att öka kontrasten i tunna sektioner av biologiska föremål och för att färga virus, celler och makromolekyler.

Uranater av Na 2 U 2 O 7-typ ("gul uranyl") används som pigment för keramiska glasyrer och emaljer (gul, grön och svart, beroende på graden av oxidation). Na 2 U 2 O 7 används även som gul färg i målning. Vissa uranföreningar är ljuskänsliga. I början av 1900-talet användes uranylnitrat i stor utsträckning som ett vibrerande medel för att förstärka negativ och producera tonade fotografiska utskrifter (färgade positiva bruna eller bruna). Uranylacetat UO 2 (H3COOH) 2 används i analytisk kemi - det bildar ett olösligt salt med natrium. Fosforgödsel innehåller ganska stora mängder uran. Uranmetall används som mål i ett röntgenrör designat för att generera högenergiröntgenstrålar.

Vissa uransalter används som katalysatorer i kemiska reaktioner, såsom oxidation av aromatiska kolväten, uttorkning av vegetabiliska oljor, etc. Karbid 235 U i en legering med niobkarbid och zirkoniumkarbid används som bränsle för kärnjetmotorer (arbetsvätska - väte + hexan). Legeringar av järn och utarmat uran ( 238 U) används som kraftfulla magnetostriktiva material.

I den nationella ekonomin används utarmat uran vid tillverkning av flygplansmotvikter och antistrålningsskärmar för medicinsk strålbehandlingsutrustning. Utarmat uran används för att tillverka transportbehållare för transport av radioaktivt gods och kärnavfall, samt produkter för tillförlitligt biologiskt skydd (till exempel skyddsskärmar). När det gäller absorption av γ-strålning är uran fem gånger effektivare än bly, vilket gör det möjligt att avsevärt minska tjockleken på skyddsskärmar och minska volymen av behållare avsedda för transport av radionuklider. Betong baserad på utarmat uranoxid används istället för grus för att skapa torra lagringsutrymmen för radioaktivt avfall.

Utarmat uran är hälften så radioaktivt som naturligt uran, främst på grund av avlägsnande av 234 U. Det används för att legera pansarstål, i synnerhet för att förbättra pansargenomträngande egenskaper hos projektiler. När den är legerad med 2% Mo eller 0,75% Ti och värmebehandling (snabb härdning av metall uppvärmd till 850°C i vatten eller olja, hålls ytterligare vid 450° i 5 timmar), blir uranmetall hårdare och starkare än stål (draghållfasthet mer än 1600 MPa, trots att det för rent uran är 450 MPa). I kombination med dess höga densitet gör detta det härdade urangötet till en extremt effektiv pansargenomträngning, liknande effektiviteten den dyrare volfram. Den tunga uranspetsen förändrar också projektilens massfördelning, vilket förbättrar dess aerodynamiska stabilitet. När en sådan projektil (till exempel en legering av uran med titan) träffar pansaret går den inte sönder, utan verkar skärpa sig, vilket uppnår större penetration. Processen med att förstöra pansar åtföljs av malning av en uran gris till damm och dess antändning i luft inuti tanken. Utarmat uran används i modern stridsvagnsrustning.

Att tillsätta små mängder uran till stål ökar dess hårdhet utan att göra det sprött och ökar dess motståndskraft mot syror. Särskilt syrabeständig, även i förhållande till aqua regia, är en legering av uran och nickel (66% uran och 33% nickel) med en smältpunkt på 1200 O . Utarmat uran används också som ballast i rymdtillämpningar såsom kontrollytor för flygplan. Detta material används i höghastighetsgyroskoprotorer, stora svänghjul, som ballast i rymdlandare och kappseglingsyachter och vid oljeborrning.

Som redan nämnts tillverkas inte uranatombomber i vår tid. Dock i moderna plutoniumbomber 238 U (inklusive utarmat uran) används fortfarande. Den bildar laddningens skal, reflekterar neutroner och lägger till tröghet till kompressionen av plutoniumladdningen i ett implosivt detonationsschema. Detta ökar avsevärt vapnets effektivitet och minskar den kritiska massan (dvs. minskar mängden plutonium som behövs för att skapa en klyvningskedjereaktion). Utarmat uran används också i vätebomber, packar det i en termonukleär laddning, leder ett starkt flöde av ultrasnabba neutroner till kärnklyvning och ökar därigenom vapnets energiproduktion. En sådan bomb kallas ett fission-fusion-fission-vapen, efter de tre explosionsstadierna. Det mesta av energin från explosionen av ett sådant vapen kommer från fission 238 U, producerar betydande mängder radioaktiva produkter. Till exempel kom 77 % av energin under explosionen av en vätebomb i Ivy Mike-testet (1952) med en kraft på 10,4 megaton från klyvningsprocesser i uranskalet. Eftersom utarmat uran inte har en kritisk massa kan det tillsättas en bomb i obegränsade mängder. I den sovjetiska vätebomben (tsar Bomba - Kuzkinas mor), som exploderade på Novaja Zemlja 1961 med en avkastning på "bara" 50 megaton, berodde 90% av utbytet på termonukleär fusionsreaktion, eftersom skalet var gjord av 238 U ersattes av bly i slutskedet av explosionen. Om skalet gjordes (som det monterades i början) från 238 U, då översteg explosionens kraft 100 megaton och det radioaktiva nedfallet uppgick till 1/3 av det totala antalet kärnvapenprov i världen.

Naturliga isotoper av uran används i geokronologi för att mäta den absoluta åldern för stenar och mineraler. Redan 1904 uppmärksammade Ernest Rutherford det faktum att jordens ålder och de äldsta mineralerna är av samma storleksordning som halveringstiden för uran. Samtidigt föreslog han att man skulle bestämma dess ålder genom mängden helium och uran som finns i tät sten. Men nackdelen med metoden blev snart tydlig: extremt rörliga heliumatomer diffunderar lätt även i täta bergarter. De tränger in i de omgivande mineralerna, och nära de ursprungliga urankärnorna finns det kvar betydligt mindre helium än vad som följer enligt lagarna för radioaktivt sönderfall. Därför beräknas åldern på stenar av förhållandet mellan uran och radiogent bly - slutprodukten av sönderfallet av urankärnor. Åldern på vissa föremål, till exempel glimmer, är ännu lättare att bestämma: materialets ålder är proportionell mot antalet uranatomer som sönderfallit i det, vilket bestäms av antalet spår - spår som lämnas av fragment i ämne. Baserat på förhållandet mellan urankoncentration och spårkoncentration kan åldern på alla antika skatter (vaser, smycken, etc.) beräknas. Inom geologin uppfanns till och med en speciell term "uran klocka". Uran klockan är ett mycket mångsidigt instrument. Isotoper av uran finns i många bergarter. Koncentrationen av uran i jordskorpan är i genomsnitt tre miljondelar. Detta räcker för att mäta förhållandet mellan uran och bly och sedan, med hjälp av formler för radioaktivt sönderfall, beräkna tiden som har gått sedan mineralets kristallisering. Med hjälp av uran-bly-metoden var det möjligt att mäta åldern på de äldsta mineralerna och med hjälp av meteoriternas ålder bestämde de födelsedatumet för planeten Jorden. Månjordens ålder är också känd. De yngsta bitarna av månjorden är äldre än de äldsta markbundna mineralerna.

Uranus
Uran, grundämne nummer 92, är det tyngsta grundämnet som finns i naturen. Det användes i början av vår tideräkning; fragment av keramik med gul glasyr (innehållande mer än 1 % uranoxid) hittades bland ruinerna av Pompeji och Herculaneum.
Uran upptäcktes 1789 i uran tjära av den tyske kemisten Marton Heinrich Klaproth, som döpte det efter planeten uran som upptäcktes 1781. Metalliskt uran erhölls först av den franske kemisten Eugene Peligo 1841, genom att reducera vattenfri urantetraklorid med kalium. 1896 upptäckte Antoine-Henri Becquerel fenomenet uranradioaktivitet genom att av misstag exponera fotografiska plattor för joniserande strålning från en närliggande bit uransalt.

Kemiska och fysikaliska egenskaper
Uran är en mycket tung, silvervit, glänsande metall. I sin rena form är den något mjukare än stål, formbar, flexibel och har små paramagnetiska egenskaper. Uran har tre allotropa former: alfa (prismatisk, stabil upp till 667,7 °C), beta (tetragonal, stabil från 667,7 till 774,8 °C), gamma (med en kroppscentrerad kubisk struktur, existerande från 774,8 °C till smältpunkten ), där uran är det mest formbara och lätta att bearbeta. Alfafasen är en mycket anmärkningsvärd typ av prismatisk struktur, bestående av vågiga lager av atomer i ett extremt asymmetriskt prismatiskt gitter. Denna anisotropa struktur gör det svårt att legera uran med andra metaller. Endast molybden och niob kan skapa fastfaslegeringar med uran. Det är sant att uranmetall kan interagera med många legeringar och bilda intermetalliska föreningar.

Grundläggande fysikaliska egenskaper hos uran:
smältpunkt 1132,2°C (+/- 0,8);
kokpunkt 3818 °C;
densitet 18,95 (i alfafas);
specifik värmekapacitet 6,65 cal/mol/°C (25 C);
draghållfasthet 450 MPa.

Kemiskt är uran en mycket aktiv metall. Den oxiderar snabbt i luft och täcks av en regnbågsfilm av oxid. Fint uranpulver antänds spontant i luft, det antänds vid en temperatur på 150-175 °C och bildar U3O8. Vid 1000 °C kombineras uran med kväve och bildar gul urannitrid. Vatten kan korrodera metall, långsamt vid låga temperaturer och snabbt vid höga temperaturer. Uran löser sig i saltsyra, salpetersyra och andra syror och bildar fyrvärda salter, men interagerar inte med alkalier. Uran tränger undan väte från oorganiska syror och saltlösningar av metaller som kvicksilver, silver, koppar, tenn, platina och guld. När de skakas kraftigt börjar metallpartiklarna av uran att glöda.
Uran har fyra oxidationstillstånd - III-VI. Sexvärda föreningar inkluderar uranyltrioxid UO 3 och uran uranyl klorid UO 2 Cl 2 . Urantetraklorid UCl 4 och urandioxid UO 2 är exempel på fyrvärt uran. Ämnen som innehåller fyrvärt uran är vanligtvis instabila och förvandlas till sexvärt uran när de utsätts för luft under lång tid. Uranylsalter som uranylklorid sönderdelas i närvaro av starkt ljus eller organiskt material.

Isotoper av uran
Uran har 14 isotoper, men endast tre av dem förekommer naturligt. Den ungefärliga isotopsammansättningen av naturligt uran är som följer:

Även om U-235-isotophalten generellt sett är konstant, kan det förekomma vissa fluktuationer i dess mängd på grund av utarmning av malmen på grund av fissionsreaktioner som ägde rum när U-235-koncentrationen var mycket högre än den är idag. Den mest kända sådana naturliga "reaktorn", 1,9 miljarder år gammal, upptäcktes 1972 i Oklogruvan i Gabon. När denna reaktor var i drift innehöll naturligt uran 3 % U-235, samma mängd som modernt kärnkraftverksbränsle. Nu är gruvans kärna utbränd och utarmad, innehållande endast 0,44 % U-235. De naturliga reaktorerna vid Oklo och flera andra som upptäckts i närheten är de enda i sitt slag hittills.
U-234-halten i malmen är mycket liten. Till skillnad från U-235 och U-238, på grund av dess korta livslängd, bildas hela mängden av denna isotop på grund av sönderfallet av U-238-atomer:
U 238 -> (4,51 miljarder år, alfasönderfall) -> Th 234
Th 234 -> (24,1 dagar, beta-sönderfall) -> Pa 234
Pa 234 -> (6,75 timmar, beta-sönderfall) -> U 234
Vanligtvis existerar U-234 i jämvikt med U-238, sönderfaller och formas i samma takt. Men sönderfallande U-238-atomer existerar under en tid som torium och protactinium, så de kan separeras kemiskt eller fysiskt från malmen (urlakas av grundvatten). Eftersom U-234 har en relativt kort halveringstid har all denna isotop som finns i malmen bildats under de senaste miljoner åren. Ungefär hälften av radioaktiviteten i naturligt uran kommer från U-234.
U-236 har en halveringstid på 23,9 miljoner år och förekommer inte naturligt i betydande mängder. Det ackumuleras om uran bestrålas av neutroner i reaktorer och används därför som en "signalerare" för använt urankärnbränsle.

Den specifika radioaktiviteten för naturligt uran är 0,67 mikrocurie/g (delat nästan på hälften mellan U-234 och U-238, U-235 ger ett litet bidrag). Naturligt uran är tillräckligt radioaktivt för att exponera en fotografisk platta på ungefär en timme.

U-235.
I naturligt uran är endast en, relativt sällsynt, isotop lämplig för att göra kärnan i en atombomb eller upprätthålla en reaktion i en kraftreaktor. Graden av anrikning av U-235 i kärnbränsle för kärnkraftverk sträcker sig från 2-4,5 %, för vapenanvändning - minst 80 %, och mer föredraget 90 %. I USA är vapenklassat uran-235 anrikat till 93,5%, industrin kan producera 97,65% - uran av denna kvalitet används i reaktorer för flottan.
År 1998 tillhandahöll Isotope Division of Oak Ridge National Laboratory (ORNL) 93 % U-235 till en kostnad av 53 USD/g.
Eftersom U-234 är ännu lättare är proportionellt berikad i ännu större utsträckning än U-235 i alla separationsprocesser baserade på massskillnader. Högberikad U-235 innehåller vanligtvis 1,5-2,0 % U-234.
Intensiteten av spontan fission av U-235 är 0,16 fissions/s*kg. Den rena 60 kg massan av U-235 producerar endast 9,6 fis/s, vilket gör kanonkretsen ganska enkel att tillverka. U-238 skapar 35 gånger fler neutroner per kilogram, så även en liten andel av denna isotop höjer denna siffra flera gånger. U-234 producerar 22 gånger fler neutroner och har liknande oönskade effekter som U-238.
Den specifika aktiviteten för U-235 är endast 2,1 mikrocurie/g; dess kontaminering med 0,8 % U-234 höjer den till 51 mikrocurie/g.

U-238.
Även om uran-238 inte kan användas som ett primärt klyvbart material, på grund av de högenergineutroner som krävs för dess klyvning, har det en viktig plats i kärnkraftsindustrin.
Med sin höga densitet och atomvikt är U-238 lämplig för tillverkning av laddnings-/reflektorskal i fusions- och fissionsanordningar. Det faktum att den klyvs av snabba neutroner ökar energiuttaget från laddningen: indirekt, genom multiplikationen av reflekterade neutroner; direkt under klyvningen av skalkärnor av snabba neutroner (under fusion). Ungefär 40 % av neutronerna som produceras av fission och alla fusionsneutroner har tillräcklig energi för att klyva U-238.
U-238 har en spontan fissionshastighet 35 gånger högre än U-235, 5,51 fissions/s*kg. Detta gör det omöjligt att använda den som laddnings-/reflektorskal i kanonbomber, eftersom dess lämpliga massa (200-300 kg) kommer att skapa för hög neutronbakgrund.
Pure U-238 har en specifik radioaktivitet på 0,333 mikrocurie/g.
En viktig tillämpning av denna uranisotop är produktionen av plutonium-239. Plutonium bildas genom flera reaktioner som börjar efter att U-238-atomen fångar en neutron. Varje reaktorbränsle som innehåller naturligt eller delvis anrikat uran i den 235:e isotopen innehåller en viss andel plutonium efter slutet av bränslecykeln.

U-233 och U-232.
Denna isotop av uran, med en halveringstid på 162 000 år, förekommer inte i naturen. Det kan framställas från torium-232 genom bestrålning med neutroner, liknande produktionen av plutonium:
to 232 + n -> to 233
Th 233 -> (22,2 m, beta-sönderfall) -> Pa 233
Pa 233 -> (27,0 dagar, beta-sönderfall) -> U 233
Tillsammans med detta kan en tvåstegs sidreaktion inträffa, som kulminerar i bildandet av U-232:
Th 232 + n -> T 231 + 2n
Th 231 -> (25,5 h, beta-sönderfall) -> Pa 231
Pa 231 + n -> Pa 232
Pa 232 -> (1,31 dagar, beta-sönderfall) -> U 232
Produktionen av uran-232 under denna reaktion beror på närvaron i betydande mängder av snabba (icke-termiska) neutroner, eftersom tvärsnittet av den första reaktionen i denna cykel är för litet för termiska hastigheter. Om Th-230 är närvarande i utgångsmaterialet, kompletteras bildningen av U-232 av reaktionen:
to 230 + n -> to 231
och vidare enligt ovan.
Närvaron av U-232 är mycket viktig på grund av sönderfallssekvensen:
U 232 -> (76 år, alfaförfall) -> Th 228
Th 228 -> (1.913 år, alfasönderfall) -> Ra 224
Ra 224 -> (3,64 dagar, alfa- och gammasönderfall) -> Rn 220
Rn 220 -> (55,6 s, alfasönderfall) -> Po 216
Po 216 -> (0,155 s, alfasönderfall) -> Pb 212
P -212 -> (10,64 h, beta- och gammasönderfall) -> Bi 212
Bi 212 -> (60,6 min, beta- och gammasönderfall) -> Po 212
alfa- och gammasönderfall) -> Tl 208
Po 212 -> (3x10 -7 s, alfasönderfall) -> Pb 208 (stabil)
Tl 208 -> (3,06 min, beta- och gammasönderfall) -> Pb 208
Stora mängder energiska gammastrålar frigörs när Ra-224 börjar sin snabba sönderfallssekvens. Cirka 85% av den totala energin bildas under sönderfallet av den sista medlemmen av sekvensen - tantal-208 - energin hos gammastrålar är upp till 2,6 MeV.
Ackumulering av U-232 är oundviklig under produktionen av U-233. Detta liknar ackumuleringen av andra plutoniumisotoper förutom Pu-239, bara i mycket mindre utsträckning. Den första reaktionen i cykeln kräver neutroner med en energi på minst 6 MeV. Ett mycket litet antal fissionsneutroner har sådana energier, och om toriumförädlingszonen är belägen i en del av reaktorn där den bestrålas med måttligt snabba neutroner (~ 500 keV) kan denna reaktion praktiskt taget elimineras. Den andra reaktionen (med Th-230) fungerar också utmärkt med termiska neutroner. För att reducera bildningen av U-232 krävs därför laddning av torium med en minsta koncentration av Th-230.
Ovanstående försiktighetsåtgärder resulterar i att vapenklass U-233 innehåller 5 ppm (0,0005 %) U-232.
I den kommersiella kärnbränslecykeln är koncentrering av U-232 ingen större nackdel, inte ens önskvärd, eftersom det minskar möjligheten att uran distribueras för vapenändamål. För att spara bränsle, efter dess bearbetning och återanvändning, når nivån av U-232 0,1-0,2%. I specialdesignade system ackumuleras denna isotop i koncentrationer på 0,5-1%.
Under de första åren efter tillverkningen av U-233 innehållande U-232 ligger Th-228 kvar på en konstant nivå, i jämvikt med sitt eget förfall. Under denna period fastställs och stabiliseras bakgrundsvärdet för gammastrålning. Under de första åren kan alltså den producerade massan av U-233 avge betydande gammastrålning. En tio kilos sfär av vapenkvalitet U-233 (5 ppm U-232) ger en bakgrund på 11 millirem/timme på ett avstånd av 1 m 1 månad efter produktion, 110 millirem/timme efter ett år, 200 millirem/timme efter 2 år. Ett konventionellt handskfack som används för att montera bombkärnor skapar snabbt säkerhetsutmaningar för anställda. Den årliga dosgränsen på 5 rem överskrids efter endast 25 timmars arbete med sådant material. Även färsk U-233 (1 månad från tillverkningsdatum) begränsar monteringstiden till tio timmar per vecka.
I ett färdigmonterat vapen kan strålningsnivåerna minskas genom att kroppen absorberar laddningen. I moderna lätta enheter överstiger minskningen inte 10 gånger, vilket skapar säkerhetsproblem. I tyngre laddningar är absorptionen mycket starkare - 100 - 1000 gånger. En berylliumreflektor ökar neutronbakgrundsnivån:
Var 9 + gammakvant -> Var 8 + neutron
U-232:s gammastrålar bildar en karakteristisk signatur och kan detekteras och spåras till rörelserna och närvaron av en atomladdning.
Speciellt denaturerad U-233 (0,5 - 1,0 % U-232) producerad av toriumcykeln skapar en ännu större fara. Samma 10 kilos sfär som beskrivits ovan, endast gjord av samma material, på ett avstånd av 1 m efter 1 månad skapar en bakgrund på 11 rem/timme, 110 rem/timme efter ett år och 200 rem/timme efter 2 år . Bearbetningen och produktionen av sådant uran sker endast i speciella lådor, med hjälp av mekaniska manipulatorer (de används för att skapa bränslepatroner för kärnkraftverk). Om du försöker göra en atombomb av detta ämne, även med en 1000-faldig minskning av strålningen, är direktkontakt med en sådan produkt begränsad till 25 timmar per år. Således gör närvaron av en märkbar andel U-232 i det klyvbara materialet det extremt obekvämt för militärt bruk.
U-232:s korta halveringstid gör den till en mycket aktiv källa till alfapartiklar. U-233 med 1 % U-232 har tre gånger så hög alfa-radioaktivitet som plutonium av vapenkvalitet och därför större radiotoxicitet. Denna alfaaktivitet orsakar produktion av neutroner i lätta laddningselement, vilket utgör ett ännu allvarligare problem än reaktionen av beryllium med gammastrålar. För att minimera detta problem bör förekomsten av element som beryllium, bor, fluor och litium vara så liten som möjligt. Närvaron av en neutronbakgrund påverkar inte implosionssystem alls, eftersom den fortfarande är mindre än för plutonium. För kanonprojekt är den erforderliga renhetsnivån för lätta material en del på en miljon. Även om sådan uranrening inte är en trivial uppgift, är den inte längre än vanliga kemiska reningsmetoder. Detta visas åtminstone av elektronikindustrins förmåga att producera kisel av ännu högre renhet.
U-233 har en spontan fissionshastighet på 0,47 fissions/s*kg. U-233 har en spontan fissionshastighet på 720 fissions/s*kg. Den specifika radioaktiviteten för U-233 är 9,636 millicuries/g, vilket ger alfaaktivitet (och radiotoxicitet) cirka 15 % av plutonium. Bara 1 % U-232 ökar radioaktiviteten till 212 millicuries/g.
Trots nackdelen med stark gamma- och neutronradioaktivitet är U-233 ett utmärkt klyvbart material för kärnan i en atombomb. Den har en lägre kritisk massa än U-235 och dess nukleära egenskaper liknar plutonium. USA testade U-233-baserade laddningar i Operation Teapot 1957. Indien lägger stor vikt vid U-233 som en del av vapenforskning och -produktion och har formellt inkluderat produktion av isotopen i sitt kärnkraftsprogram.

Utarmat uran.
Efter att U-235 har extraherats från naturligt uran kallas det återstående materialet "utarmat uran" eftersom den är utarmad i den 235:e isotopen. I USA lagras cirka 560 000 ton utarmat uranhexafluorid (UF 6) vid tre anrikningsanläggningar för gasdiffusion vid det amerikanska energidepartementet: i Paducah, Kentucky; i Portsmouth, Ohio; och i Oak Ridge, Tennessee.
Utarmat uran är hälften så radioaktivt som naturligt uran, främst på grund av avlägsnandet av U-234 från det. Eftersom den primära användningen av uran är energiproduktion, är utarmat uran en värdelös produkt med litet ekonomiskt värde. Att hitta sätt att använda utarmat uran utgör en stor utmaning för anrikningsanläggningar.
Dess användning är främst förknippad med den höga densiteten av uran och dess relativt låga kostnad. De två viktigaste användningsområdena för utarmat uran är för strålskydd (märkligt nog) och som barlast i rymdtillämpningar såsom kontrollytor för flygplan. Varje Boeing 747-flygplan innehåller 1 500 kg utarmat uran för dessa ändamål. Utarmat uran används till stor del vid oljeborrning i form av stötstavar (vid wireline-borrning), vars vikt driver verktyget in i brunnar fyllda med borrvätska. Detta material används också i höghastighetsgyroskoprotorer, stora svänghjul, som ballast i rymdlandare och kappseglingar.
Men den mest kända användningen av uran är som kärnor för amerikanska pansargenomträngande projektiler. Med en viss legering med andra metaller och värmebehandling (legering med 2% Mo eller 0,75% Ti, snabb härdning av en metall som värmts upp till 850 °C i vatten eller olja, ytterligare hålls vid 450 °C i 5 timmar), blir uranmetall hårdare och starkare än stål (draghållfasthet > 1600 MPa). I kombination med dess höga densitet gör detta härdat uran extremt effektivt för att penetrera pansar, liknande effektivitet som det mycket dyrare monokristallina volframet. Processen med att förstöra pansar åtföljs av malning av det mesta av uranet till damm, inträngning av damm i det skyddade föremålet och dess antändning i luft på andra sidan. Cirka 300 ton utarmat uran fanns kvar på slagfältet under Desert Storm (mest resterna av granater från 30 mm GAU-8 kanonen från A-10 attackflygplan, varje granat innehåller 272 g uranlegering).
Utarmat uran används i modern stridsvagnsrustning, såsom M-1 Abrams stridsvagn.

Neutronfångare U-235 och U-238

Urananrikning
Under Manhattan-projektet fick naturligt uran namnet "tuballoy" (förkortat som "Tu") på grund av projektets Tube Alloy Division, ett namn som fortfarande ibland finns med hänvisning till naturligt eller utarmat uran. Kodnamnet för höganrikat uran (särskilt uran av vapenkvalitet) är "oralloy" (förkortat "Oy"). Namnen "Q-metall", "depletaloy" och "D-38" hänvisar endast till utarmat uran.
En praktiskt taget viktig uranförening är uranhexafluorid UF 6. Detta är den enda stabila och mycket flyktiga uranföreningen som används vid separationen av dess isotoper - gasdiffusion och centrifugering. I denna aspekt av dess tillämpning är det viktigt att fluor endast har en isotop (detta introducerar inte en ytterligare komplicerande skillnad i massa) och att UF 6 är en stökiometrisk förening (bestående av exakt 6 fluoratomer och 1 uranatom). Vid rumstemperatur ser det ut som färglösa kristaller, och när det upphettas till 56 °C sublimeras det (avdunstar utan att gå in i vätskefasen). Dess smältpunkt är 64 °C, densiteten är 4,87 fast och 3,86 flytande. Denna fluorid korroderar de flesta metaller och oxider, förutom aluminium (på grund av närvaron av en tunn oxidfilm) och nickel (på grund av bildandet av en nickelfluoridfilm). Den mesta utrustningen för att arbeta med uranhexafluorid är gjord av aluminium eller belagd med ett lager av nickel.
Bland andra föreningar är det värt att notera uranhydrid UH 3. Den studerades i Los Alamos som en del av Manhattan-projektet som material för atombomben. Enligt teorin skulle de närvarande väteatomerna sakta ner neutroner till sådana hastigheter att tvärsnittet för deras absorption av U-235-atomer skulle vara mycket större. Även om detta kan göra bomben mindre effektiv, fanns det fortfarande hopp om att minska den erforderliga massan av uran. Redan efterkrigsstudier visade en oväntat låg hydriddensitet (endast 8) och ett litet faktiskt fångstvärsnitt, vilket gjorde detta schema omöjligt. 1953 års Operation Upshot-Knothole-test av implosionsbomber innehållande UH 3-kärnor bekräftade detta och producerade väldigt lite "popp".

Före andra världskriget ansågs uran vara en sällsynt metall. Det är nu känt att uran är rikligare än kvicksilver eller silver och finns i industrimalmer i ungefär samma koncentrationer som arsenik eller molybden. Dess genomsnittliga koncentration i jordskorpan är cirka 2 delar till 1 miljon, ranking 48:e när det gäller innehåll i kristallina bergarter. I litosfären är uran rikligare än billiga ämnen som zink och bor, som förekommer i koncentrationer på 4 g/t. Uranhalten i granitbergarter är ganska tillräcklig för att den radioaktiva gasen radon, en sönderfallsprodukt, ska utgöra en allvarlig biologisk fara på platser där granit kommer upp till ytan. Uran hittades också i havsvatten, i en koncentration av 150 μg/m 3 .
Uran förekommer i tillräcklig koncentration i 150 olika mineraler, och i små mängder i ytterligare 50. Det hittades ursprungligen i magmatiska hydrotermiska vener och pegmatiter, inklusive uraninit och beckblende. Dessa malmer innehåller uran i form av dioxid, som beroende på oxidationsgraden har en medelsammansättning från UO 2 till UO 2,67. Andra malmer av ekonomisk betydelse: autanit, kalciumhydrat uranylfosfat; tobernit, hydratkopparuranylfosfat; kista, hydratiserat uransilikat; karnotit, kaliumhydrat uranylvanadat. Uranmalmer finns över hela världen. Reserver och kommersiella transaktioner uttrycks i ekvivalenta massor av U 3 O 8 . Ett kilogram U 3 O 8 kostar i genomsnitt cirka 40 USD.
Fyndigheter av beckblende, den rikaste uranmalmen, finns främst i Kanada, Kongo och USA. Det mesta av det uran som bryts i USA produceras av karnotit som erhållits i delstaterna Utah, Colorado, New Mexico, Arizona och Wyoming. Mineralet, kallat coffinit, upptäcktes 1955 i Colorado, är en mycket rik malm - ~61% uranhalt. Coffinit hittades senare i Wyoming och Arizona. 1990 uppgick produktionen av urankoncentrat i USA till 3 417 ton.

Uranmalmer innehåller vanligtvis små mängder uranhaltigt mineral, så preliminär utvinning och anrikning är nödvändig. Fysisk separering (gravitation, flotation, elektrostatik) är inte tillämplig för uran, hydrometallurgiska metoder används - urlakning är det vanliga första steget i malmbearbetning.
I den klassiska surlakningsmetoden krossas malmen och rostas initialt för uttorkning, kolhaltiga fraktioner avlägsnas, sulfateras och reduktionsmedel som kan vara ett hinder för urlakning oxideras. Blandningen behandlas sedan med svavelsyra och salpetersyra. Uran förvandlas till uranylsulfat, radium och andra metaller i uran tjära deponeras i form av sulfater. Med tillsats av natriumhydroxid fälls uran ut i form av natriumdiuranat Na 2 U 2 O 7 .6H 2 O.
Klassiska metoder för att utvinna uran ur malm har nu kompletterats med tillvägagångssätt som lösningsmedelsextraktion, jonbyte och avdunstning.
Under lösningsmedelsextraktionen avlägsnas uranmalm från den surgjorda bergluten med hjälp av en lösningsmedelsblandning såsom tributylfosfat i fotogen. Moderna industriella metoder använder alkylfosforsyror (t.ex. di(2-etylhexyl)fosforsyra) och sekundära och tertiära alkylaminer som lösningsmedel.
Som en allmän regel är lösningsmedelsextraktion att föredra framför jonbytesmetoder när uranhalten i den sura laklösningen är större än 1 gram per liter. Den är dock inte tillämplig för återvinning av uran från karbonatlösningar.
Uran av vapenkvalitet erhålls vanligtvis från natriumdiuranat genom ytterligare rening med användning avsen. Inledningsvis löses Na2U2O7.6H2O i salpetersyra för att framställa råmateriallösningen. Uran avlägsnas selektivt från det genom att späda lösningen med tributylfosfat med fotogen eller annan lämplig kolväteblandning. Slutligen överförs uranet från tributylfosfat till surgjort vatten för att frigöra högrenat uranylnitrat. Nitratet kalcineras till UO 3 , som reduceras i väteatmosfär till UO 2 . UO 2 omvandlas till UF 4 i vattenfri vätefluorid (HF).
Uranmetall framställs genom reduktion av uranhalider (vanligtvis urantetrafluorid) med magnesium i en exoterm reaktion i en "bomb" - en förseglad behållare, vanligtvis stål, en allmän teknik som kallas "termitprocessen". Produktionen av uranmetall genom reduktion av magnesiumtetrafluorid kallas ibland Ames-processen, efter University of Iowa, Ames, där kemisten F.H. Spedding och hans grupp utvecklade processen 1942.
Reaktioner i "bomben" sker vid temperaturer över 1300 °C. Ett slitstarkt stålhölje behövs för att stå emot det höga trycket inuti det. "Bomben" laddas med UF 4-granulat och fylls med ett överskott av fint dispergerat magnesium och värms upp till 500-700 °C, varifrån en självuppvärmningsreaktion börjar. Reaktionsvärmen är tillräcklig för att smälta fyllningen av "bomben", bestående av metalliskt uran och slagg - magnesiumfluorid MF 2. Denna slagg separerar och flyter upp. När ”bomben” svalnar producerar den ett göt av uranmetall, som trots att det innehåller väte är av högsta kvalitet kommersiellt tillgänglig och är väl lämpad för kärnkraftverksbränsle.
Metallen erhålls också genom att reducera uranoxider med kalcium, aluminium eller kol vid höga temperaturer; eller genom elektrolys av KUF 5 eller UF 4 löst i en smälta av CaCl 2 och NaCl. Uran med hög renhet kan erhållas genom termisk nedbrytning av uranhalogenider på ytan av en tunn filament.

När urananrikningsprocessen är avslutad återstår vanligtvis 0,25-0,4 % U-235 i avfallet, eftersom det inte är ekonomiskt lönsamt att helt utvinna denna isotop (det är billigare att köpa mer råvaror). I USA ökade resthalten av U-235 i råvaror efter produktion från 0,2531 % 1963 till 0,30 % på 70-talet, på grund av minskningen av kostnaderna för naturligt uran.

En förädlingsanläggnings separationskapacitet mäts i massa av bearbetat material (MRP) per tidsenhet, till exempel MRP-kg/år eller MRP-ton/år. Utbytet av en anrikad produkt från en anläggning med en given kapacitet beror också på koncentrationen av den önskade isotopen i det ingående berget, utgående avfall och slutprodukten. Det initiala innehållet i en användbar isotop är vanligtvis fixerad av dess naturliga innehåll. Men de andra två parametrarna kan ändras. Om du minskar graden av extraktion av isotopen från utgångsämnet kan du öka hastigheten för dess frisättning, men priset för detta kommer att vara en ökning av den erforderliga massan av råmaterialet. Detta är beroende av förhållandet:

där P är utbytet av produkten, U är separationskapaciteten, N P, N F, N W är de molära koncentrationerna av isotopen i slutprodukten, råmaterial och avfall. V(NP), V(NW), V(NF) separationspotentialfunktioner för varje koncentration. De definieras som:

Om man antar en restkoncentration på 0,25 %, skulle en anläggning med en kapacitet på 3100 MPP-kg/år producera 15 kg 90 % U-235 årligen från naturligt uran. Om vi ​​tar tre procent U-235 (bränsle för kärnkraftverk) som råvara och en koncentration på 0,7 % i produktionsavfall, så räcker det med en effekt på 886 MPP-kg/år för samma effekt.

Separationsmetoder. Följande tekniker har använts vid ett eller annat tillfälle för att separera uran: