Уран (элемент)

92 ПротактинийУранНептуний
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонПериодическая система элементов
92U
Orthorhombic.svg
Electron shell 092 Uranium.svg
Внешний вид простого вещества
HEUraniumC.jpg
Тяжёлый серебристо-белый глянцеватый металл
Свойства атома
Название, символ, номер Уран / Uranium (U), 92
Атомная масса
(молярная масса)
238,02891(3)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Rn] 5f3 6d1 7s2
Радиус атома 138 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 142 пм
Радиус иона (+6e) 80 (+4e) 97 пм
Электроотрицательность 1,38 (шкала Полинга)
Электродный потенциал U←U4+ -1,38В
U←U3+ -1,66В
U←U2+ -0,1В
Степени окисления 6, 5, 4, 3
Энергия ионизации
(первый электрон)
 686,4(7,11) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 19,05 г/см³
Температура плавления 1405.5 K
Температура кипения 4018 K
Уд. теплота плавления 12,6 кДж/моль
Уд. теплота испарения 417 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 27,67[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём 12,5 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки орторомбическая
Параметры решётки a = 2,854 Å;
b = 5,870 Å;
c = 4,955 Å[3]
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 27,5 Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-61-1
92
Уран
238,0289
5f36d17s2

Ура́н (устаревший вариант ура́ний[4]) — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, атомная масса — 238,029; обозначается символом U (лат. Uranium), относится к семейству актиноидов. Уран — слаборадиоактивный элемент, он не имеет стабильных изотопов. Самыми распространёнными изотопами урана являются уран-238 (имеет 146 нейтронов, в природном уране составляет 99,3 %) и уран-235 (143 нейтрона, природная распространённость 0,7204 %[5]). Уран и его соединения ядовиты.

Содержание

История[ | код]

Ещё в древнейшие времена природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой посуды. Так, возле Неаполя найден осколок жёлтого стекла, содержащий 1 % оксида урана и датируемый 79 годом н. э.[6] Первая важная дата в истории урана — 1789 год, когда немецкий натурфилософ и химик Мартин Генрих Клапрот восстановил извлечённую из саксонской руды настурана золотисто-жёлтую «землю» до чёрного металлоподобного вещества. В честь самой далёкой из известных тогда планет (открытой Гершелем восемью годами раньше) Клапрот, считая новое вещество элементом, назвал его ураном (этим он хотел поддержать предложение Иоганна Боде назвать новую планету «Уран» вместо «Звезда Георга», как предложил Гершель). Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом. Только в 1841 году французский химик Эжен Мелькиор Пелиго (англ.) (1811—1890) доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а оксид UO2. В 1840 году Пелиго удалось получить атомарный уран — тяжёлый металл серо-стального цвета — и определить его атомный вес. Следующий важный шаг в изучении урана сделал в 1874 году Д. И. Менделеев. Опираясь на разработанную им периодическую систему, он поместил уран в самой дальней клетке своей таблицы. Прежде атомный вес урана считали равным 120. Менделеев удвоил это значение[7]. Через 12 лет его предвидение было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана (J. Zimmermann)[8].

В 1896 году, исследуя уран, французский учёный Антуан Анри Беккерель случайно открыл радиоактивный распад. В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ получения чистого металлического урана. В 1899 году Эрнест Резерфорд обнаружил, что излучение урановых препаратов неоднородно, что есть два вида излучения — альфа- и бета-лучи. Они несут различный электрический заряд; далеко не одинаковы их пробег в веществе и ионизирующая способность. В мае 1900 года, Поль Вийяр открыл третий вид излучения — гамма-лучи.

Резерфорд провёл в 1907 году первые опыты по определению возраста минералов при изучении радиоактивных урана и тория на основе созданной им совместно с Фредериком Содди теории радиоактивности.

Схема деления 235U

В 1938 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман открыли непредсказанное явление, происходящее с ядром урана при облучении его нейтронами. Захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа урана 235U делится, при этом выделяется (в расчёте на одно ядро урана) достаточно большая энергия, в основном за счёт кинетической энергии осколков и излучения. Позднее теория этого явления была обоснована Лизой Мейтнер и Отто Фришем и независимо от них Готтфридом фон Дросте и Зигфридом Флюгге[9]. Данное открытие явилось истоком как мирного, так и военного использования внутриатомной энергии.

В 1939—1940 годах Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович впервые теоретически показали, что при небольшом обогащении природного урана ураном-235 можно создать условия для непрерывного деления атомных ядер, то есть придать процессу цепной характер.

Физические свойства[ | код]

Уран — очень тяжёлый, серебристо-белый глянцевитый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Температура плавления 1132,3 °C[10][11]. Уран имеет три кристаллические модификации:

Химические свойства[12][13][ | код]

Характерные степени окисления[ | код]

Уран может проявлять степени окисления от +3 до +6.

Степень окисления Оксид Гидроксид Характер Форма Примечание
+3 Не существует Не существует -- U3+, UH3 Сильный восстановитель
+4 UO2 Не существует Основный UO2, галогениды
+5 Не существует Не существует -- Галогениды В воде диспропорционирует
+6 UO3 UO2(OH)2 Амфотерный UO22+ (уранил)
UO42- (уранат)
U2O72- (диуранат)
Устойчив на воздухе и в воде

Кроме того, существует оксид U3O8. Степень окисления в нём формально дробная, а реально он представляет собой смешанный оксид урана (IV) и (VI).

Нетрудно видеть, что по набору степеней окисления и характерных соединений уран близок к элементам VIB подгруппы (хрому, молибдену, вольфраму). Из-за этого его длительное время относили к этой подгруппе («размывание периодичности»).

Свойства простого вещества[ | код]

Химически уран весьма активен. Он быстро окисляется на воздухе и покрывается радужной плёнкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150—175 °C, образуя U3O8. Реакции металлического урана с другими неметаллами приведены в таблице.

Неметалл Условия Продукт
F2 +20 oC, бурно UF6
Cl2 180 oC для измельчённого
500—600 oC для компактного
Смесь UCl4, UCl5, UCl6
Br2 650 oC, спокойно UBr4
I2 350 oC, спокойно UI3, UI4
S 250—300 oC спокойно
500 oC горит
US2, U2S3
Se 250—300 oC спокойно
500 oC горит
USe2, U2Se3
N2 450—700 oC
то же под давлением N
1300o
U4N7
UN2
UN
P 600—1000 oC U3P4
C 800—1200 oC UC, UC2

Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана:

В кислотах-неокислителях уран растворяется, образуя UO2 или соли U4+ (при этом выделяется водород). С кислотами-окислителями (азотной, концентрированной серной) уран образует соответствующие соли уранила UO22+
С растворами щелочей уран не взаимодействует.

При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.

Соединения урана III[ | код]

Соли урана(+3) (преимущественно, галогениды) — восстановители. На воздухе при комнатной температуре они обычно устойчивы, однако при нагревании окисляются до смеси продуктов. Хлор окисляет их до UCl4. Образуют неустойчивые растворы красного цвета, в которых проявляют сильные восстановительные свойства:

Галогениды урана III образуются при восстановлении галогенидов урана (IV) водородом:

(550—590 оC)

или иодоводородом:

(500 оC)

а также при действии галогеноводорода на гидрид урана UH3.

Кроме того, существует гидрид урана (III) UH3. Его можно получить, нагревая порошок урана в водороде при температурах до 225 оС, а выше 350 оС он разлагается. Большую часть его реакций (например, реакцию с парами воды и кислотами) можно формально рассматривать как реакцию разложения с последующей реакцией металлического урана:

Соединения урана IV[ | код]

Уран (+4) образует легко растворимые в воде соли зелёного цвета. Они легко окисляются до урана (+6)

Соединения урана V[ | код]

Соединения урана(+5) неустойчивы и легко диспропорционируют в водном растворе:

Хлорид урана V при стоянии частично диспропорционирует:

а частично отщепляет хлор:

Соединения урана VI[ | код]

Степени окисления +6 соответствует оксид UO3. В кислотах он растворяется с образованием соединений катиона уранила UO22+:

C основаниями UO3 (аналогично CrO3, MoO3 и WO3) образует различные уранат-анионы (в первую очередь, диуранат U2O72-). Последние, однако, чаще получают действием оснований на соли уранила:

Из соединений урана (+6), не содержащих кислород, известны только гексахлорид UCl6 и фторид UF6. Последний играет важнейшую роль в разделении изотопов урана.

Соединения урана (+6) наиболее устойчивы на воздухе и в водных растворах.

Ураниловые соли, такие, как уранилхлорид, распадаются на ярком свету или в присутствии органических соединений.

Уран также образует ураноорганические соединения.

Изотопы[ | код]

Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана (выделены природные изотопы)[14]:

Массовое число Период полураспада Основной тип распада
233 1,59·105 лет α
234 2,45·105 лет α
235 7,13·108 лет α
236 2,39·107 лет α
237 6,75 сут. β
238 4,47·109 лет α
239 23,54 минуты β
240 14 часов β

Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238U (изотопная распространённость 99,2745 %, период полураспада T1/2 = 4,468·109 лет), 235U (0,7200 %, T1/2 = 7,04·108 лет) и 234U (0,0055 %, T1/2 = 2,455·105 лет)[14]. Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда 238U[15].

Радиоактивность природного урана обусловлена в основном изотопами 238U и его дочерним нуклидом 234U. В равновесии их удельные активности равны. Удельная активность изотопа 235U в природном уране в 21 раз меньше активности 238U.

На данный момент известно 23 искусственных радиоактивных изотопа урана с массовыми числами от 217 до 242. Наиболее важный из них — 233U (T1/2 = 1,59·105лет) получается при облучении тория-232 нейтронами и способен к делению под воздействием тепловых нейтронов, что делает его перспективным топливом для ядерных реакторов. Наиболее долгоживущим из изотопов урана, не встречающихся в природе, является 236U с периодом полураспада 2,39·107 лет.

Изотопы урана 238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов. Конечными элементами этих рядов являются изотопы свинца 206Pb и 207Pb.

В природных условиях распространены в основном изотопы 234U, 235U и 238U с относительным содержанием 234U : 235U : 238U = 0,0054 : 0,711 : 99,283. Почти половина радиоактивности природного урана обусловлена изотопом 234U, который, как уже отмечено, образуется в ходе распада 238U. Для отношения содержаний 235U : 238U, в отличие от других пар изотопов и независимо от высокой миграционной способности урана, характерно географическое постоянство: 238U/235U = 137,88. Величина этого отношения в природных образованиях не зависит от их возраста. Многочисленные натурные измерения показали его незначительные колебания. Так, в роллах величина этого отношения относительно эталона изменяется в пределах 0,9959—1,0042[16], в солях — 0,996—1,005[17]. В урансодержащих минералах (настуран, урановая чернь, циртолит, редкоземельные руды) величина этого отношения колеблется в пределах 137,30—138,51, причём различие между формами UIV и UVI не установлено[18]; в сфене — 138,4[19]. В отдельных метеоритах выявлен недостаток изотопа 235U. Наименьшая его концентрация в земных условиях найдена в 1972 году французским исследователем Бужигесом в местечке Окло в Африке (месторождение в Габоне). Так, в природном уране содержится 0,720 % урана 235U, а в Окло оно составляет 0,557 %[20]. Это послужило подтверждением гипотезы о существовании природного ядерного реактора, который стал причиной выгорания изотопа 235U. Гипотеза была высказана американскими учёными Джорджем Ветрилломruen, Марком Ингрэмомruen и Полом Куродаruen, ещё в 1956 г. описавшим процесс[21]. Кроме этого, в этих же округах найдены природные ядерные реакторы: Окелобондо, Бангомбе (Bangombe) и другие. В настоящее время известно 17 природных ядерных реакторов, которые обычно объединяют под общим названием «Природный ядерный реактор в Окло».

Нахождение в природе[ | код]

Уранинитовая руда

Уран является элементом с самым большим номером из встречающихся в больших количествах. Содержание в земной коре составляет 0,00027 % (вес.), концентрация в морской воде — 3,2 мкг/л[5] (по другим данным, 3,3·10-7%[22]). Количество урана в литосфере оценивается в 3 или 4·10−4%[23].

Основная масса урана находится в кислых породах с высоким содержанием кремния. Значительная масса урана сконцентрирована в осадочных породах, особенно богатых органикой. В больших количествах как примесь уран присутствует в ториевых и редкоземельных минералах (алланит (Ca,LREE,Th)2(Al,Fe+3)3[SiO4][Si2O7]OOH, монацит (La,Ce)PO4, циркон ZrSiO4, ксенотим YPO4 и др.). Важнейшими урановыми рудами являются настуран (урановая смолка, уранинит) и карнотит. Основными минералами-спутниками минералов урана являются молибденит MoS2, галенит PbS, кварц SiO2, кальцит CaCO3, гидромусковит и др.

Минерал Основной состав минерала Содержание урана, %
Уранинит UO2, UO3 + ThO2, CeO2 65-74
Карнотит K2(UO2)2(VO4)2·2H2O ~50
Казолит PbO2·UO3·SiO2·H2O ~40
Самарскит (Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th)·(Nb, Ta, Ti, Sn)2O6 3,15-14
Браннерит (U, Ca, Fe, Y, Th)3Ti5O15 40
Тюямунит CaO·2UO3·V2O5·nH2O 50-60
Цейнерит Cu(UO2)2(AsO4)2·nH2O 50-53
Отенит Ca(UO2)2(PO4)2·nH2O ~50
Шрекингерит Ca3NaUO2(CO3)3SO4(OH)·9H2O 25
Уранофан CaO·UO2·2SiO2·6H2O ~57
Фергюсонит (Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O4 0,2-8
Торбернит Cu(UO2)2(PO4)2·nH2O ~50
Коффинит U(SiO4)(OH)4 ~50

Основными формами нахождений урана в природе являются уранинит, настуран (урановая смолка) и урановые черни. Они отличаются только формами нахождения; имеется возрастная зависимость: уранинит присутствует преимущественно в древних (докембрийских породах), настуран — вулканогенный и гидротермальный — преимущественно в палеозойских и более молодых высоко- и среднетемпературных образованиях; урановые черни — в основном в молодых — кайнозойских и моложе — образованиях преимущественно в низкотемпературных осадочных породах.

Месторождения[ | код]

Крупнейшие запасы урана, с учетом резервных месторождений, имеют: Австралия, Казахстан (первое место в мире по добыче), Россия.

В месторождениях России содержится почти 550 тыс. тонн запасов урана, или немногим менее 10 % его мировых запасов[источник не указан 1910 дней]; около 63 % их сосредоточено в Республике Саха (Якутия). Основными месторождениями урана в России являются: Стрельцовское, Октябрьское, Антей, Мало-Тулукуевское, Аргунское молибден-урановые в вулканитах (Забайкальский край), Далматовское урановое в песчаниках (Курганская область), Хиагдинское урановое в песчаниках (Республика Бурятия), Южное золото-урановое в метасоматитах и Северное урановое в метасоматитах (Республика Якутия)[24]. Кроме того, выявлено и оценено множество более мелких урановых месторождений и рудопроявлений[25].

Получение[ | код]

Самая первая стадия уранового производства — концентрирование. Породу дробят и смешивают с водой. Тяжёлые компоненты взвеси осаждаются быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они осаждаются быстро: это тяжёлые минералы. Вторичные минералы урана легче, в этом случае раньше оседает тяжёлая пустая порода. (Впрочем, далеко не всегда она действительно пустая; в ней могут быть многие полезные элементы, в том числе и уран).

Следующая стадия — выщелачивание концентратов, перевод урана в раствор. Применяют кислотное и щелочное выщелачивание. Первое — дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке, уран находится в четырёхвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырёхвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. В этом случае нужно либо прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Не применяют кислотное выщелачивание и в тех случаях, если урановый концентрат содержит доломит или магнезит, реагирующие с серной кислотой. В этих случаях пользуются едким натром (гидроксидом натрия).

Проблему выщелачивания урана из руд решает кислородная продувка. В нагретую до 150 °C смесь урановой руды с сульфидными минералами подают поток кислорода. При этом из сернистых минералов образуется серная кислота, которая и вымывает уран.

На следующем этапе из полученного раствора нужно избирательно выделить уран. Современные методы — экстракция и ионный обмен — позволяют решить эту проблему.

Раствор содержит не только уран, но и другие катионы. Некоторые из них в определённых условиях ведут себя так же, как уран: экстрагируются теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. Поэтому для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, чтобы на каждой стадии избавляться от того или иного нежелательного попутчика. На современных ионообменных смолах уран выделяется весьма селективно.

Методы ионного обмена и экстракции хороши ещё и тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов (содержание урана — десятые доли грамма на литр).

После этих операций уран переводят в твёрдое состояние — в один из оксидов или в тетрафторид UF4. Но этот уран ещё надо очистить от примесей с большим сечением захвата тепловых нейтронов — бора, кадмия, гафния. Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Для удаления этих примесей технически чистое соединение урана растворяют в азотной кислоте. При этом образуется уранилнитрат UO2(NO3)2, который при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций. Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO4·2H2O) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трёхокись урана UO3, которую восстанавливают водородом до UO2.

На диоксид урана UO2 при температуре от 430 до 600 °C воздействуют газообразным фтористым водородом для получения тетрафторида UF4. Из этого соединения восстанавливают металлический уран с помощью кальция или магния.

Применение[ | код]

Ядерное топливо[ | код]

Наибольшее применение имеет изотоп урана 235U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Выделение изотопа 235U из природного урана — сложная технологическая проблема (см. разделение изотопов).

Приведём некоторые цифры для реактора мощностью 1000 МВт, работающего с нагрузкой в 80 %, и вырабатывающего 7000 ГВт·ч в год. Работа одного такого реактора в течение года требует 20 тонн уранового топлива с содержанием 3,5 % 235U, который получают после обогащения примерно 153 тонн природного урана.

Изотоп 238U способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией).

В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом 238U может превращаться в 239Pu, который затем используется как ядерное топливо.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), может в будущем стать распространённым ядерным топливом для атомных электростанций (уже сейчас существуют реакторы, использующие этот нуклид в качестве топлива, например, KAMINI в Индии) и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).

Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Тепловыделяющая способность урана[ | код]

Полное использование заключенной в уране потенциальной энергии пока технически невозможно. Величина выделившейся в ядерном реакторе полезной энергии урана характеризуется понятием глубины выгорания. Глубина выгорания — это суммарная энергия, отданная килограммом урана за все время работы в реакторе, от свежего топлива до утилизации. Измеряют глубину выгорания обычно в таких единицах как мегаватт-часы выделившейся тепловой энергии на килограмм топлива (МВт·час/кг). Иногда её приводят в пересчёте к реакторному урану того обогащения, которое загружается в реактор, не учитывая обеднённый уран в отвалах обогатительных производств, а иногда в пересчёте на природный уран.

Глубина выгорания ограничена особенностями конкретного типа реактора, конструктивной целостностью топливной матрицы и накоплением паразитных продуктов ядерных реакций. Глубина выгорания в пересчёте на природный уран в современных энергетических реакторах достигает 10 МВт·сутки/кг и более (то есть 240 МВт·час/кг и более). Для сравнения, типичное тепловыделение природного газа 0,013 МВт·час/кг, то есть примерно в 20 000 раз меньше.

Существуют проекты значительно более полного использования урана за счет трансмутации урана-238 в плутоний. Наиболее проработанным является проект так называемого замкнутого топливного цикла на основе реакторов на быстрых нейтронах. Также развиваются проекты на основе гибридных термоядерных реакторов.

Производство искусственных изотопов[ | код]

Изотопы урана являются исходным веществом для синтеза многих искусственных (нестабильных) изотопов, применяемых в промышленности и медицине. Наиболее известными искусственными изотопами, синтезируемыми из урана, являются изотопы плутония. Многие другие трансурановые элементы также получают из урана.

В медицине широкое применение нашел изотоп молибден-99, одним из способов получения которого является выделение из продуктов деления урана, появляющихся в облучённом ядерном топливе.

Геология[ | код]

Основное применение урана в геологии — определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимается раздел геохронологии, носящий название радиоизотопное датирование. Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках вещества.

В основе решения задачи лежат уравнения радиоактивного распада:

где 238Uo, 235Uo — современные концентрации изотопов урана; и  — постоянные распада соответственно 238U и 235U.

Весьма важной является их комбинация:

.

Здесь

 — современное отношение концентраций изотопов урана.

В связи с тем, что горные породы содержат различные концентрации урана, они обладают различной радиоактивностью. Это свойство используется при анализе горных пород геофизическими методами. Наиболее широко этот метод применяется в нефтяной геологии при геофизических исследованиях скважин, в этот комплекс входит, в частности, гамма-каротаж или нейтронный гамма-каротаж, гамма-гамма-каротаж и так далее[26]. С их помощью происходит выделение коллекторов и флюидоупоров[27].

Другие сферы применения[ | код]

Обеднённый уран[ | код]

После извлечения 235U и 234U из природного урана, оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. По некоторым данным, в США хранится около 560 000 тонн обеднённого гексафторида урана (UF6). Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него 234U.

Из-за того, что основное использование урана — производство энергии, обеднённый уран — малополезный продукт с низкой экономической ценностью.

Сколь-нибудь эффективным ядерным топливом обеднённый уран может служить только в редких экстремальных условиях, например, в пучке быстрых нейтронов. В таком качестве обеднённый уран используется только в термоядерном оружии — обеднённые урановые элементы в составе термоядерного заряда, не являясь необходимыми для, собственно, реакции ядерного синтеза, могут обеспечивать до 80 % суммарной энергии заряда.

В обычных же условиях использование обеднённого урана связано в основном с его большой плотностью и относительно низкой стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты (как это ни странно) благодаря чрезвычайно высокому сечению захвата. Обеднённый уран применяется также в качестве балластной массы в аэрокосмических приложениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В первых экземплярах самолёта «Боинг-747» содержалось от 300 до 500 кг обеднённого урана для этих целей (с 1981 года «Боинг» применяет вольфрам)[29]. Кроме того, этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, болидах «Формулы-1», при бурении нефтяных скважин.

Сердечники бронебойных снарядов[ | код]

Сердечник (вкладыш) снаряда калибра 30 мм (пушки GAU-8 самолёта A-10) диаметром около 20 мм из обеднённого урана

Самое известное применение обеднённого урана — в качестве сердечников для бронебойных снарядов. Большая плотность (в три раза тяжелее стали) делает закалённую урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому и ненамного более тяжёлому вольфраму. Тяжёлый урановый наконечник также изменяет распределение масс в снаряде, улучшая его аэродинамическую устойчивость.

Подобные сплавы типа «Стабилла» применяются в стреловидных оперённых снарядах танковых и противотанковых артиллерийских орудий.

Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль урановой болванки и воспламенением её на воздухе с другой стороны брони (см. Пирофорность). Около 300 тонн обеднённого урана остались на поле боя во время операции «Буря в Пустыне» (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолётов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава). Усовершенствованные американские танки M1A1, снабжённые 120-мм орудиями, сражались с иракскими Т-72. В этих боях американские силы применяли снаряды с обеднённым ураном M829A1, которые показали высокую эффективность. Снаряд, прозванный «серебряной пулей», был способен пробить эквивалент 570-мм брони с расстояния в 2000 метров, что делало его на стандартной дистанции эффективным даже против Т-80[30].

Такие снаряды были использованы войсками НАТО в боевых действиях на территории Косово[31]. После их применения обсуждалась экологическая проблема радиационного загрязнения территории страны.

Впервые уран в качестве сердечника для снарядов был применён в Третьем рейхе.

Обеднённый уран используется в современной танковой броне, например, танка M-1 «Абрамс».

Физиологическое действие[ | код]

В микроколичествах (10−5—10−8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в лёгких — 50 %. Основные депо в организме: селезёнка, почки, скелет, печень, лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10−7 г.

Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Уран, как и многие другие тяжёлые металлы, практически необратимо связывается с белками, прежде всего с сульфидными группами аминокислот, нарушая их функцию. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Разведанные запасы урана в мире[ | код]

Количество урана в земной коре примерно в 1000 раз превосходит количество золота, в 30 раз — серебра, при этом данный показатель приблизительно равен аналогичному показателю у свинца и цинка. Немалая часть урана рассеяна в почвах, горных породах и морской воде. Только относительно небольшая часть концентрируется в месторождениях, где содержание данного элемента в сотни раз превышает его среднее содержание в земной коре[32]. Разведанные мировые запасы урана в месторождениях составляют 5,4 млн тонн[33].

Месторождения урана[ | код]

Название месторождения Страна Запасы, т Оператор месторождения
1 Северный Хорасан Flag of Kazakhstan.svg Казахстан 200 000 Казатомпром
2 Мак-Артур-Ривер Flag of Canada.svg Канада 160 000 Cameco
3 Сигар-Лейк Flag of Canada.svg Канада 135 000 Cameco
4 Южное Эльконское Flag of Russia.svg Россия 112 600 Атомредметзолото
5 Инкай Flag of Kazakhstan.svg Казахстан 75 900 Казатомпром
6 Стрельцовское Flag of Russia.svg Россия 50 000 Атомредметзолото
7 Зоовч Овоо Flag of Mongolia.svg Монголия 50 000 AREVA
8 Моинкум Flag of Kazakhstan.svg Казахстан 43 700 Казатомпром, AREVA
9 Мардай Flag of Mongolia.svg Монголия 22 000 Khan Resources, Атомредметзолото, Правительство Монголии
10 Ирколь Flag of Kazakhstan.svg Казахстан 18 900 Казатомпром, China Guangdong Nuclear Power Co
11 Жёлтые Воды Flag of Ukraine.svg Украина 12 000 ВостГок

Добыча урана в мире[ | код]

10 стран, дающих 94 % мировой добычи урана

Согласно «Красной книге по урану»[33], выпущенной ОЭСР, в 2005 г. добыто 41 250 тонн урана (в 2003 — 35 492 тонны). Согласно данным ОЭСР, в мире функционирует 440 реакторов коммерческого назначения и около 60 научных, которые потребляют в год 67 тысяч тонн урана. Это означает, что его добыча из месторождений обеспечивала лишь 60 % объёма его потребления (на 2009 год эта доля возросла до 79 %[34]). Остальной уран, потребляемый энергетикой, или 17,7 %, поступает из вторичных источников.

Страны с АЭС:      Эксплуатируются АЭС, строятся новые энергоблоки.      Эксплуатируются АЭС, планируется строительство новых энергоблоков.      Нет АЭС, станции строятся.      Нет АЭС, планируется строительство.      Эксплуатируются АЭС, строительство новых пока не планируется.      Эксплуатируются АЭС, рассматривается сокращение их количества.      Гражданская ядерная энергетика запрещена законом.      Нет АЭС.

Добыча U по странам в тоннах по состоянию на 2005, 2009 и 2012 гг.[ | код]

Страна 2005 год Страна 2009 год Страна 2012 год[35]
1 Flag of Canada.svg Канада 11 628 Flag of Kazakhstan.svg Казахстан 14 020 Flag of Kazakhstan.svg Казахстан 19 451
2 Flag of Australia.svg Австралия 9516 Flag of Canada.svg Канада 10 173 Flag of Canada.svg Канада 9145
3 Flag of Kazakhstan.svg Казахстан 4020 Flag of Australia.svg Австралия 7982 Flag of Australia.svg Австралия 5983
4 Flag of Russia.svg Россия 3570 Flag of Namibia.svg Намибия 4626 Flag of Niger.svg Нигер 4351
5 Flag of Namibia.svg Намибия 3147 Flag of Russia.svg Россия 3564 Flag of Namibia.svg Намибия 3258
6 Flag of Niger.svg Нигер 3093 Flag of Niger.svg Нигер 3234 Flag of Uzbekistan.svg Узбекистан 3000
7 Flag of Uzbekistan.svg Узбекистан 2300 Flag of Uzbekistan.svg Узбекистан 2429 Flag of Russia.svg Россия 2993
8 Flag of the United States.svg США 1039 Flag of the United States.svg США 1453 Flag of the United States.svg США 1537
9 Flag of Ukraine.svg Украина 800 Flag of the People's Republic of China.svg КНР 1200 Flag of the People's Republic of China.svg КНР 1500
10 Flag of the People's Republic of China.svg КНР 750 Flag of Ukraine.svg Украина 840 Flag of Ukraine.svg Украина 890

Добыча по компаниям на 2006, 2009 и 2011 годы в тоннах[ | код]

Страна Компания 2006 год Страна Компания 2009 год Страна Компания 2011 год
1 Флаг Канады Cameco 8100 Флаг Франции Areva 8600 Флаг Казахстана KazAtomProm 8884
2 Флаг Австралии Флаг Великобритании Rio Tinto 7000 Флаг Канады Cameco 8000 Флаг Франции Areva 8790
3 Флаг Франции Areva 5000 Флаг Австралии Флаг Великобритании Rio Tinto 7900 Флаг Канады Cameco 8630
4 Флаг Казахстана KazAtomProm 3800 Флаг Казахстана KazAtomProm 7500 Флаг России ARMZ 7088
5 Флаг России ARMZ 3500 Флаг России ARMZ 4600 Флаг Австралии Флаг Великобритании Rio Tinto 4061
6 Флаг Австралии Флаг Великобритании BHP Billiton 3000 Флаг Австралии Флаг Великобритании BHP Billiton 2900 Флаг Австралии Флаг Великобритании BHP Billiton 3353
7 Флаг Узбекистана Navoi 2100 Флаг Узбекистана Navoi 2400 Флаг Узбекистана Navoi 3000
8 Флаг Канады Uranium One 1000 Флаг Канады Флаг России Uranium One 1400 Флаг Австралии Paladin Energy 2282
9 Флаг Австралии Heathgate 800 Флаг Австралии Paladin Energy 1200 Флаг Нигера SOPamin Н/Д
10 Флаг Канады Denison Mines 500 Флаг США General Atomics 600 Флаг Китайской Народной Республики CNNC Н/Д

[35]

Данные по ARMZ Флаг России даны с учётом приобретённой в 2010 году компанией Uranium One Флаг Канады.

Также в 2012 году появилась информация о возможном слиянии урановых подразделений BHP Billiton и Rio Tinto Флаг Австралии Флаг Великобритании и доведения совместной добычи до 8000 тонн в год.

Уран для «научных и военных» целей[ | код]

Большая часть урана для «научных и военных» целей извлекается из старых ядерных боеголовок:

Добыча в СССР[ | код]

В СССР основными уранорудными регионами были Украинская ССР (месторождение Желтореченское, Первомайское и другие), Казахская ССР (Северный — Балкашинское рудное поле и другие; Южный — Кызылсайское рудное поле и другие; Восточный; все они принадлежат преимущественно вулканогенно-гидротермальному типу); Забайкалье (Антей, Стрельцовское и другие); регион Кавказских Минеральных Вод (Рудник № 1 в горе Бештау и Рудник № 2 в горе Бык); Средняя Азия, в основном Узбекская ССР с оруденениями в чёрных сланцах с центром в г. Учкудук. Имеется масса мелких рудопроявлений и проявлений.

Добыча в России[ | код]

В России основным урановорудным регионом осталось Забайкалье. На месторождении в Забайкальском крае (около города Краснокаменска) добывается около 93 % российского урана. Добычу осуществляет шахтным способом «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ППГХО), входящее в состав ОАО «Атомредметзолото» (Урановый холдинг).

Остальные 7 % получают методом подземного выщелачивания ЗАО «Далур» (Курганская область) и ОАО «Хиагда» (Бурятия).

Полученные руды и урановый концентрат перерабатываются на Чепецком механическом заводе.

По годовому производству урана (около 3,3 тысячи тонн) Россия занимает 4-е место после Казахстана. Годовое же потребление урана в России сейчас составляет 16 тысяч тонн и складывается из расходов на собственные АЭС в объёме 5,2 тысячи тонн, а также на экспорт тепловыделяющих средств (5,5 тысячи тонн) и низкообогащенного урана (6 тысяч тонн)[36].

Добыча в Казахстане[ | код]

В Казахстане сосредоточена примерно пятая часть мировых запасов урана (21 % и 2-е место в мире). Общие ресурсы урана порядка 1,5 млн тонн, из них около 1,1 млн тонн можно добывать методом подземного выщелачивания[37].

В 2009 году Казахстан вышел на первое место в мире по добыче урана (добыто 13 500 тонн)[38].

Добыча на Украине[ | код]

Основное предприятие — Восточный горно-обогатительный комбинат в городе Жёлтые Воды.

Стоимость[ | код]

Согласно справочнику CRC Handbook of Chemistry and Physics 2004 года, рыночная стоимость обеднённого металлического урана (99,7 % U-238) составляла 6 центов США за 1 грамм, причём уран поставляется в запаянной стеклянной оболочке, с аргоновой атмосферой[39]. Cтоимость килограмма урана природного изотопного состава (необогащенного) в виде закиси-окиси урана U3O8 достигла пиковых $300 в середине 2007 года[40], в дальнейшем понижалась, некоторое время колебалась в районе $80 за кг, но весной 2014 года снизилась ниже $70 за кг[41]. В конце 2016 года котировки урана на спотовом рынке снизились до рекордного уровня — 18,75 доллара за фунт[42], что составляет 41 долл./кг. При этом следует понимать, что открытого мирового рынка урана как такового не существует, в отличие, например, от золота.[источник не указан 435 дней]

Все месторождения разбиты на четыре ценовые категории по себестоимости добычи: до 40 долл./кг, до 80, до 130 и до 260. Первая категория (до 40 долл./кг), по мнению вице-председателя урановой группы Александра Бойцова, теряет актуальность: таких запасов уже почти нигде нет, кроме Канады и Казахстана, да и там остатки. К 2030 г. будут полностью отработаны крупные и доступные месторождения с запасами до 80 долл./кг, и в освоение начнут вовлекаться труднодоступные месторождения с себестоимостью производства более 130 долл./кг урана[43].

См. также[ | код]

Примечания[ | код]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
  2. Редкол.: Зефиров Н. С. (глав. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Большая Российская энциклопедия, 1999. — Т. 5. — С. 41.
  3. Uranium crystal structures. WebElements.
  4. Уран // Толковый словарь русского языка / под ред. Ушакова.
  5. 1 2 The Element Uranium. Thomas Jefferson National Accelerator Facility - Office of Science Education. Проверено 15 марта 2018.
  6. Lide, 2004, p. 4—33.
  7. Уран (хим. элемент). Большая Советская Энциклопедия. Архивировано 31 января 2013 года.
  8. Grenthe I., Drożdżyński J., Fujino T., Buck E. C., Albrecht-Schmitt T. E., Wolf S. F. Uranium.
  9. Siegfried Flügge, Gottfried von Droste Energetische Betrachtungen zu der Entstehung von Barium bei der Neutronenbestrahlung von Uran // Zeitschrift für Physikalische Chemie B. — 1939. — Vol. 4. — P. 274—280.
  10. Изотопы: свойства, получение, применение. В. 2 т / Под ред. В. Ю. Баранова. — М: ФИЗМАТЛИТ, 2005. — Т. 2. — ISBN 5-9221-0523-X.
  11. Уран. Свойства химических элементов. Архивировано 11 июня 2009 года.
  12. Неорганическая химия. — М: Мир, 1966. — Т. 2. — С. 206—223.
  13. Кац Дж., Рабинович Е. Химия урана. — М: Изд-во иностранной литературы, 1954.
  14. 1 2 Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode2003NuPhA.729....3A.
  15. В урановых рудах в следовых количествах присутствует уран-236, образующийся из урана-235 при нейтронном захвате; в ториевых рудах имеются следы урана-233, возникающего из тория-232 после нейтронного захвата и двух последовательных бета-распадов. Однако содержание этих изотопов урана настолько мало, что может быть обнаружено лишь в специальных высокочувствительных измерениях.
  16. Rosholt J. N. Isotopic fractionatio of uranium related to role feature in Sandstone, Shirley Basin, Wyoming // Economic Geology. — 1964. — Vol. 59, № 4. — P. 570—585.
  17. Rosholt J. N. Evolution of the isotopic composition of uranium and thorium in Soil profiles // Bull.Geol.Soc.Am.. — 1966. — Vol. 77, № 9. — P. 987—1004.
  18. Чалов П. И. Изотопное фракционирование природного урана. — Фрунзе: Илим, 1975.
  19. Tilton G. R. Isotopic composition and distribution of lead, uranium, and thorium in a precambrian granite // Bull. Geol. Soc. Am.. — 1956. — Vol. 66, № 9. — P. 1131—1148.
  20. Шуколюков Ю. А. Изотопные исследования «природного ядерного реактора» // Геохимия. — 1977. — № 7. — С. 976—991.
  21. Архивированная копия  (недоступная ссылка — история). Проверено 4 октября 2017. Архивировано 20 октября 2007 года.
  22. Technical data for the element Uranium in the Periodic Table (англ.). Проверено 17 марта 2018.
  23. Гайсинский М., Адлов Ж. Уран // Радиохимический словарь элементов. — Атомиздат, 1968.
  24. Уран. Информационно-аналитический центр «Минерал».
  25. Наумов С. С. Сырьевая база урана // Горный журнал. — 1999. — № 12.
  26. Хмелевской В. К. Геофизические методы исследования земной коры. Международный университет природы, общества и человека «Дубна», 1997.
  27. Справочник по геологии нефти и газа / Под ред. Еременко Н. А. — М: Недра, 1984.
  28. 1 2 3 4 5 Уран // Техническая энциклопедия. — Т. 24. столб. 596…597
  29. 747 Tail Assembly Counterweights (англ.). Боинг (1994).
  30. Урановые «серебряные пули»: почему никто не любит сражаться с американскими танками (рус.), ИноСМИ.Ru (28 марта 2017). Проверено 28 марта 2017.
  31. Архивированная копия 133—142  (недоступная ссылка — история). Проверено 16 марта 2018. Архивировано 20 июля 2004 года.
  32. Добыча урана в мире.
  33. 1 2 NEA, IAEA. Uranium 2005 – Resources, Production and Demand. — OECD Publishing, 2006. — ISBN 9789264024250.
  34. World Nuclear Association. Supply of Uranium. 2011.
  35. 1 2 World Uranium Mining. World Nuclear Association (2017).
  36. Машковцев Г. А., Мигута А. К., Щёточкин В. Н. Минерально-сырьевая база и производство урана в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. — 2008. — № 1.
  37. Добыча урана в Казахстане. Доклад Мухтара Джакишева.
  38. Конырова, К. Казахстан вышел на первое место по добыче урана в мире (рус.), Информационное агентство TREND (30 декабря 2009). Проверено 30 декабря 2009.
  39. Lide, 2004, p. 4—34.
  40. Historical Ux Price Table. Ux Consulting - The Nuclear Fuel Price Reporter. Архивировано 29 сентября 2009 года. Цены на сайте приведены в долларах за фунт
  41. Ux Prices. Ux Consulting - The Nuclear Fuel Price Reporter. Архивировано 6 июля 2014 года.. Цены на сайте приведены в долларах за фунт
  42. Настольная книга уранодобытчика. Страна Росатом.
  43. Бойцов А. В. Устойчивое развитие мировой урановой промышленности: вызов времени.

Литература[ | код]

Ссылки[ | код]