Для чего используется уран

Уран — это радиоактивный химический элемент, который можно найти в природе. В основном он используется для производства электрической энергии. Впрочем, его также используют в медицинских целях и, к сожалению, при производстве ядерных бомб.

Этот элемент был открыт на территории Германской империи в 1789 году. Он назван в честь планеты Уран, которая была обнаружена на 8 лет раньше. Однако радиоактивность урана была открыта лишь в 1896 году.

Уран — последний элемент в таблице Менделеева. Он ещё и самый тяжёлый элемент, существующий в естественном виде на Земле. Именно при расщеплении его атома получается электричество.

Электричество, которое производится из урана, является альтернативой горючим ископаемым, таким как нефть и уголь. Сегодня 16% электричества в мире получается из урана.

Уран и производство электричества

Символ урана в периодической таблице — U. Уран состоит в основном из двух изотопов — 235U и 238U. Уран на 99,7 % состоит из изотопа 238U и только оставшиеся 0,7 % — это изотоп 235U.

Именно изотоп 235U, который составляет столь малый процент урана, позволяет получить энергию посредством расщепления ядра атома. Для производства электричества концентрация изотопа 235U должна составлять 3–4 %. Поэтому химики обогащают уран.

Обогащение урана можно провести двумя способами: с помощью ультрацентрифугирования или газовой диффузии. Оба метода разделяют изотопы и в результате концентрация 235U повышается.

Ядерная энергия считается чистой, потому что она не выделяет парниковые газы и её отходы достаточно малы. Другим преимуществом этой энергии то, что её легко транспортировать и она не требует много места для хранения.

Обогащённый уран прессуют в таблетки размером 1х1 см. Энергоотдача такой таблетки очень высока: две таблетки способны обеспечить энергией семью из 4 человек на 1 месяц.

Таким образом, уран является отличной альтернативой нефти и углю: чтобы произвести столько же электроэнергии, сколько производит 1 килограмм урана, потребуется 10 тонн нефти и 20 тонн угля. Это помимо негативных эффектов, которые последние оказывают на окружающую среду. К тому же нефть и уголь требуют много места.

Недостатки ядерной энергии

Одним из основных недостатков является риск аварий и их последствия для окружающей среды. Зоны, заражённые радиоактивностью урана, становятся непригодными для жилья.

Ядерные отходы — ещё одно негативное последствие. Остатки производства не могут быть использованы повторно и должны быть правильно утилизированы. Контакт людей с такими отходами может вызвать генетическую мутацию, болезни и даже немедленную смерть.

Нахождение и применение урана

После того, как урановую руду извлекают из земли, её измельчают, перерабатывают и делают небольшие урановые таблетки. Таблетки урана подвергаются высоким температурам, чтобы они стали более прочными.

Таблетки помещают в трубки, как правило, циркониевые. Каждая трубка вмещает до 335 таблеток. 236 трубок образуют топливную сборку или ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент), которую затем помещают в ядерный реактор.

После того как топливо закладывается в реактор, начинается процесс ядерного деления. Деление происходит в результате бомбардировки нейтронами атомного ядра урана.

Когда нейтрон сталкивается с атомом урана, последний расщепляется на два других атома. Происходит выделение большого количества энергии и других нейтронов. Они сталкиваются с атомами и порождают цепную реакцию.

Выделяемая энергия становится теплотой, которая нагревает воду в реакторе. Пар от горячей воды активирует турбины, а те, в свою очередь, запускают электрогенераторы. Такие генераторы и производят электроэнергию.

Характеристики урана

• в обычных температурных условиях и под обычным давлением имеет твёрдую форму;
• имеет серебристо-серый цвет;
• является радиоактивным. Его радиоактивность возрастает при нагревании;
• имеет высокую плотность атомов.

Ядерная (атомная) энергетика России

В России функционируют 10 атомных электростанций.

Основные залежи урана в России находятся рядом с городом Краснокаменском. Там же находятся основные горно-химическое объединения и крупнейшее уранодобывающее предприятие.

По объёму добытого урана Россия занимает 5 место. А вот по запасам урана — 3 место.

Уран в мире

Самые большие запасы урана находятся в Австралии. Затем идут Казахстан, Россия, Канада, ЮАР, Нигер и Бразилия.

Что касается производства электроэнергии с помощью атомных электростанций, то Канада, Казахстан и Австралия занимают лидирующие позиции. Эти три страны вместе производят более чем половину ядерной энергии в мире.

Смотрите таблицу с данными по производству и запасам урана каждой из перечисленных стран.

Уран и ядерные бомбы

Для производства электроэнергии уран обогащают для того, чтобы содержание изотопа 235U составило 3 или 4 %.

Для производства же атомной бомбы его содержание должно быть 90 %.

Когда уран обогащён до таких показателей, ядерное деление путём нейтронной бомбардировки представляет собой серьёзный процесс. При аварии на ядерном реакторе последствия будут катастрофическими.

Бомба, сброшенная США на Хиросиму (город в Японии) в конце Второй мировой войны, называлась "Малыш" (от англ. Little boy). Она содержала 64 кг обогащённого урана. Разрушительная сила этой бомбы была равна 15 000 тоннам тротилового эквивалента.

"Малыш" произвёл тепловую волну, температура которой достигла 4000 градусов, а её скорость равнялась 440 метрам в секунду.

Взрыв стал причиной гибели 80 000 человек. Тысячи людей подверглись радиации.

Помимо того, что атомная бомба прервала жизни многих людей, последствия радиации будут испытывать на себе бессчётное количество поколений жертв бомбардировки.

Открытие планетарного масштаба. Так можно назвать обнаружение учеными Урана. Планета открыта в 1781-ом году.

Ее обнаружение стало поводом для наречения одного из элементов таблицы Менделеева. Уран металлический выделили из смоляной обманки в 1789-ом.

Шумиха вокруг новой планеты еще не улеглась, поэтому, идея о названии нового вещества лежала на поверхности.

В конце 18-го века еще не было понятия радиоактивности. Между тем, это основное свойство земного урана.

Ученые, работавшие с ним, облучались, сами того не зная. Кто был первопроходцем, и каковы другие свойства элемента, расскажем далее.

Свойства урана

Уран – элемент, открытый Мартином Клапротом. Он сплавил смоляную обманку с едким калием . Продукт сплавления был неполностью растворим.

Клапрот понял, что предполагаемых цинка , молибдена и вольфрама в составе минерала нет. Тогда, ученый растворил обманку в царской водке .

Из раствора выпали шестигранные кристаллы зеленого цвета. На них химик воздействовал желтой кровяной солью , то есть, гексацианоферратом калия.

Из раствора выпал бурый осадок. Этот окисел Клапрот восстановил льняным маслом, прокалил. Получился черный порошок.

Пришлось прокаливать уже его, смешав с бурым углем . В спекшейся массе обнаружились зерна нового металла.

Позже выяснилось, что это был не чистый уран, а его диоксид. Отдельно элемент получили лишь через 60 лет, в 1841-ом году. А еще через 55 Антуан Беккерель открыл явление радиоактивности.

Радиоактивность урана обусловлена способностью ядра элемента захватывать нейтроны и дробиться. При этом, выделяется внушительная энергия.

Она обусловлена кинетическими данными излучения и осколков. Есть возможность обеспечить непрерывное деление ядер.

Цепная реакция запускается при обогащении природного урана его 235-ым изотопом. Его не то, чтобы добавляют в металл.

Наоборот, из руды убирают малорадиоактивный и неэффективный 238-ой нуклид, а так же, 234-ый.

Их смесь именуют обедненной, а оставшийся уран называют обогащенным. Именно такой нужен промышленникам. Но, об этом поговорим в отдельной главе.

Уран излучает, как альфа-, так и бета- с гамма-лучами. Их обнаружили, увидев влияние соли металла на фотографическую пластину, обернутую черной бумагой .

Стало понятно, что новый элемент что-то излучает. Пока супруги Кюри исследовали, что именно, Мария получила дозу радиации, ставшей причиной развития у химика рака крови, от которого женщина умерла в 1934-ом году.

Бета-излучение способно разрушить не только человеческий организм, но и сам металл. Какой элемент образуется из урана? Ответ: — бревий.

Иначе его называют протактинием. Обнаружен в 1913-ом, как раз при изучении урана.

Последний превращается в бревий без сторонних воздействий и реактивов, лишь от бета-распада.

Внешне уран – химический элемент серебристо — белого цвета с металлическим блеском.

Так выглядят все актиноиды, к коим и относится 92-ое вещество. Начинается группа с 90-го номера, а заканчивается 103-им.

Стоя в начале списка, радиоактивный элемент уран, проявляет себя, как окислитель. Степени окисления могут быть 2-ой, 3-ей, 4-ой, 5-ой, 6-ой.

То есть, химически 92-ой металл активен. Если истереть уран в порошок, он самовоспламениться на воздухе.

В обычном виде вещество окислится при контакте с кислородом, покрывшись радужной пленкой.

Если довести температуру до 1000 градусов Цельсия, хим. элемент уран соединиться с азотом . Образуется нитрид металла. Это вещество желтого цвета.

Брось его в воду, — раствориться, как и чистый уран. Разъедают его и все кислоты. Из органических элемент вытесняет водород.

Выталкивает его уран, так же, из соляных растворов серебра , меди , олова , ртути , золота . Если такой раствор встряхнуть, частицы 92-го металла начнут светиться.

Урановые соли нестабильны, распадаются на свету, или в присутствии органики.

Индифферентен элемент, пожалуй, лишь к щелочам. С ними в реакцию металл не вступает.

Открытие урана – это обнаружение сверхтяжелого элемента. Его масса позволяет выделить металл, точнее, минералы с ним, из руды.

Достаточно раздробить ее и засыпать в воду. Урановые частицы осядут первыми. С этого начинается добыча металла. Подробности, в следующей главе.

Добыча урана

Получив тяжелый осадок, промышленники выщелачивают концентрат. Цель – перевести уран в раствор. Используют серную кислоту.

Исключение делают для смолки. Этот минерал в кислоте не растворим, поэтому, используют щелочи. Секрет трудностей в 4-валентном состоянии урана.

Не проходит кислотное выщелачивание и с доломитом , магнезитом . В этих минералах 92-ой металл тоже 4-валентный.

На такой воздействуют гидроксидом натрия , известным, как едкий натр. В остальных случаях хороша кислородная продувка. Не надо отдельно запасаться серной кислотой.

Достаточно нагреть руду с сульфидными минералами до 150-ти градусов и направить на нее кислородную струю. Это ведет к образованию в камнях кислоты, вымывающей уран.

Химический элемент и его применение связаны с чистыми формами металла. Дабы убрать примеси, используют сорбцию.

Ее проводят на ионообменных смолах. Подходит, так же, экстракция органическими растворителями.

Остается добавить в раствор щелочь, чтобы осадить уранаты аммония, растворить их в азотной кислоте и подвергнуть аффинажу .

Итогом станут оксиды 92-го элемента. Их нагревают до 800-от градусов и восстанавливают водородом.

Итоговый оксид переводят во фторид урана, из которого кальциетермическим восстановлением и получают чистый металл. Цепочка , как видно, не из простых. Зачем же так стараться?

Применение урана

92-ой металл – основное топливо ядерных реакторов. Обедненная смесь подходит для стационарных, а для силовых установок используют обогащенный элемент.

235-ый изотоп, так же, — основа ядерного оружия. Из 92-го металла можно получить и вторичное ядерное топливо.

Здесь стоит задаться вопросом, в какой элемент превращается уран. Из его 238-го изотопа получают плутоний , — еще одно радиоактивное, сверхтяжелое вещество.

У самого 238-го урана велик период полураспада, он длится 4,5 миллиардов лет. Столь длительное разрушение приводит к малой энергоемкости.

Если рассматривать применение соединений урана, пригождаются его оксиды. Их используют в стекольной промышленности.

Оксиды выступают красителями. Можно получить стекла от бледно-желтых до темно-зеленых. В ультрафиолетовых лучах материал флуоресцирует.

Это свойство используют не только в стеклах, но и урановых глазурях для фарфора . Оксидов урана в них от 0,3 до 6%.

В итоге, фон изделий безопасен, не превышает 30-ти микрон в час. Фото элементов урана, точнее, изделий с его участием, весьма красочны. Свечение стекол и посуды притягивает взоры.

Цена урана

За килограмм необогащенной окиси урана дают около 150-ти долларов. Пиковые значения наблюдались в 2007-ом.

Тогда стоимость достигала 300-от долларов за кило. Разработки урановых руд останутся рентабельными и при цене в 90-100 условных единиц.

Кто открыл элемент уран, не знал, каковы его запасы в земной коре. Теперь, они подсчитаны.

Крупные месторождения с рентабельной ценой добычи истощатся к 2030-му году.

Если не откроют новых залежей, или не найдут альтернативы металлу, его стоимость поползет вверх.

Деление ядер происходит в активной зоне реактора, в которой сосредоточено ядерное топливо, и сопровождается высвобождением значительного количества энергии.

Ядерные реакторы различают: по энергии нейтронов, вызывающих деление ядер (ядерные реакторы на тепловых, быстрых и промежуточных нейтронах); по характеру распределения ядерного топлива (гомогенные и гетерогенные); по используемому замедлителю (графитовые, водо-водяные и др.); по назначению (энергетические, исследовательские) и т. д.

238 U служит источником вторичного ядерного горючего — плутония.

Основное применение урана в Геологии — определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимается геохронология. Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках вещества Вещество — вид материи, который обладает массой покоя (элементарные частицы, атомы, молекулы и др.). В химии вещества принято подразделять на простые, образованные атомами одного химического элемента, и сложные (химические соединения). .

Дополнительные сферы применения урана

По происхождению топливо делится на природное (нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, торф, древесина) и искусственное (кокс, моторные топлива, генераторные газы и др.), по агрегатному состоянию — на твердое, жидкое и газообразное. Основная характеристика топлива — теплота сгорания.

Для сопоставления различных видов топлива и суммарного учета его запасов принята единица учета — условное топливо, для которого низшая теплота сгорания принята 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу (урановое стекло).

Уранат натрия Na₂U₂O₇ использовался как жёлтый пигмент в живописи.

Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).

В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.

Некоторые соединения урана светочувствительны.

Для этих целей в самолёте «Боинг-747» содержится 1500 кг обеднённого урана.

Материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.

Сердечники бронебойных снарядов

Самое известное применение обеднённого урана — в качестве сердечников для бронебойных снарядов.

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