Природен уран

Кратка история

Уранът е открит през 1789г. от Klapprot, който е изолирал черен прах (смес от уранови оксиди) от желязно-цинкови руди от известните рудници в Яхимов (Чехия). По-късно е получен метален уран. Истинска революция в изучаването на урана настъпва обаче след откриването на естествената радиоактивност (1896г., A.Becquerel). В резултат на щателното изследване на радиоактивността са открити много нови елементи (радий, полоний, протактиний и др.), впоследствие елементарни частици (неутрон, позитрон), изкуствената радиоактивност. Важна стъпка представлява откриването на деленето на урана с неутрони (1938г, O.Hahn, F.Strassman). Впоследствие е открито спонтанното делене на урана, изкуствените (трансуранови) елементи и регулируемата верижна реакция с известните й военни и промишлени приложения.

Преди епохата на промишлените приложения уранът практически не е бил използуван в индустрията. До 1942г той е бил използуван само за производството на радий (300-400mg Ra / t U). Остатъкът от уранова руда е бил изхвърлян. За периода до 1942г е бил получен общо 1kg Ra (от 4000 t U). Но още през есента на 1942г. в САЩ е получен 6 тона чист метален уран, който е използуван в реактора на E.Fermi. Понастоящем годишното производство на природен уран е над 100000t. Най-големи производители на уран са Канада, Русия, САЩ, ЮАР, Австралия, Нигер, Намибия, Габон, Франция, Испания.

Физични свойства

Уранът е метал с много висока плътност (19.05g/cm³ при стайна температура, с повишаване на температурата намалява). Уранът е полиморфен; има три кристални фази (), които съществуват в различни температурни интервали. И трите фази имат анизотропия на свойствата. Топлопроводността на урана е ниска (13 пъти по-малка от тази на медта), уранът е лош проводник и на електричеството. Топло- и електропроводността на урана са анизотропни.

Химични свойства

Металният уран се получава чрез химична редукция от неговите оксиди (UO₂, UO₃, U₃O₈), най-често от тетрафлуорид UF₄ с редуктори чист Ca или Mg при температура 1200 ⁰С. Процесът на рафиниране на урана се извършва във вакуум и е доста сложен.

Уранът е химически изключително активен. На въздух се окислява бързо (особено в присъствие на влага). Във финодисперсно състояние е пирофорен. При нагряване се окислява интензивно, над 700 ⁰С се запалва и окислява до U₃O₈.

С въглерода при нагряване (750 ⁰С) образува карбиди (UC, UC₂). С водорода - хидриди. С водата се получава хидроксид U(OH)₄. Скоростта на корозия на металния уран нараства извънредно бързо с температурата (газово разбухване).

Разтопените метали образуват сплави с урана. Добре се сплавят Be, Mg, Zr, Al. Те се използуват за легиране на урана при изработване на ядреното гориво.

Уранът е поливалентен и образува сложни комплекси във водни и органични среди.

Най-важните съединения на урана са:

· оксиди (UO₂, UO₃, U₃O₈);

· халогениди, особено флуориди (UF₄, UF₆), последният е газообразен и това се използува при изотопното обогатяване;

· соли на уранилния йон UO₂²⁺ (сулфати, нитрати, фосфати, които са разтворими във вода).

Общ извод - химията на урана е много сложна и това затруднява работата с него. (Причината за тази сложност на химичните връзки е много сложната електронна структура на урана). Същевременно голямото разнообразие на свойствата на урановите съединения се използува в технологията за получаване на удобни за работа междинни продукти при неговата преработка.

Разпространеност на урана

Уранът е сравнително разпространен в природата. Средното съдържание на уран в земната кора е 1-2ppm. Той е на 49 място по разпространеност измежду елементите на периодичната система. Вследствие на високата му химична активност той се среща само във вид на химични съединения (около 200 различни минерали съдържат уран). Често се среща в минерали, съдържащи Th, Pb, Ti, V, Nb, Ta, лантаниди и др. Поради високата разтворимост на урановите съединения и вследствие на измиването и дифузията, уранът, без да е рядък, е разсеян елемент (т.е. малко са местата с големи и концентрирани залежи от уранови руди). Промишлените находища на уран се откриват главно в пясъчници, в някои конгломерати, като жилни включвания в гранитни скали, в тъмните шисти, фосфорити и лигнити.

В гранитните скали съдържанието на уран е до 9g/t, в базалтите е по-малко (3g/t). Във фосфоритите, използувани за производство на минерални торове, съдържанието на уран е от 10 до 700 g/t. Уран се съдържа и в морските, речни и езерни води, в концентрации от части на милиграма до няколко десетки mg/t.

Основният показател за ценността на урановите руди е съдържанието на уран в тях. Различават се следните категории:

· много богати (>1% U); срещат се доста рядко;

· богати (1%-0.5% U); също рядко срещани;

· средни (0.5%-0.25%);

· обикновени (0.25%-0.1%);

· бедни (под 0.1%).

Ядрено-физични свойства

Уранът в природните минерали е представен като смес от три изотопа: ²³⁸U (99.275%), ²³⁵U (0.720%), ²³⁴U (0.005%). Всички те притежават спонтанна радиоактивност. Поради големите си периоди на полуразпадане (²³⁸U (Т_1/2=4.5е9 a), ²³⁵U (Т_1/2=7.0е8 a)) първите два изотопа са достигнали до нас от образуването на земната кора (преди 5.5е9 a). Те са родоначалници на вериги от последователни редици от радионуклиди (радиоактивни семейства), достигащи в крайна сметка до стабилни изотопи на оловото. Поради сравнително късия период на полуразпадане на ²³⁴U (Т_1/2=2.4е5 a), сегашната му концентрация се дължи изцяло на неговото участие като междинен нуклид в семейството на ²³⁸U.

Радиоактивните нуклиди, участвуващи в радиоактивните семейства на урановите изотопи, имат важно значение като замърсители на природната среда при добива и първичната преработка на урановата руда. По тази причина ние ще се спрем на основните им ядрено-физични характеристики.

Семейство на ²³⁸U

В долната таблица се съдържа обобщена информация за последователните превръщания на ²³⁸U. Подробни таблици на характеристиките на отделните видове лъчения могат да се намерят на много места. Тук знаците ‘+’ маркират само наличието на съответния вид лъчение.

Нуклид		α	β	γ
	4.47e9a	+
	24.1d		+	+
	6.75h		+	+
	2.45e5a	+		+
	7.5e4a	+		+
	1604a	+		+
	3.82d	+		+
	3m	+	+
	2s	+
	27m		+	+
	20m	+	+	+
	1.3m		+	+
	1.6e-4s	+		+
	22a		+	+
	5d	+	+
	4.2m		+
	138d	+		+

Както знаем, има още две радиоактивни семейства с родоначалници ²³²Th и  ²³⁵U. Те все пак имат по-малко значение в ЯГЦ и затова няма да бъдат специално разглеждани тук.