Ураниум

Ураниум или уран — хемиски елемент со симбол U и атомски број 92. Тој е сребрено-бел метал во актинoидите во периодниот систем. Во составот на атомот на ураниумот има 92 протони и 92 електрони , од кои 6 се валентни електрони. Ураниумот е слабо радиоактивен затоа што сите негови изотопи се нестабилни. Најчестите изотопи во природниот ураниум се ураниум-238 (кој има 146 неутрони) и ураниум-235 (кој има 143 неутрони). Ураниумот има втора највисока атомска маса од првобитните нуклиди кои се јавувачки елементи, полесни само од плутониум. Неговата густина е отприлика 70 % повисока од густината на оловото, и малку пониска од густината на златото или волфрамот. Се појавува во ниски концентрации во почвата, камењата и водата и е извлечен од ураниумски минерали како што е уранитот.
Во природата, ураниумот се пронаоѓа како ураниум-238 (99,2739–99,2752 %), ураниум-235 (0,7198–0,7202 %), и мала количина од ураниум-234 (0,0050–0,0059 %). Ураниумот се распаѓа полека со испуштање алфа-честички. Полураспадот на ураниум-238 е скоро 4,47 милијарди години а на ураниум-235 е 704 милиони години, што ги прави корисни за да се дознае староста на Земјата.
Во 1789 откривањето на ураниумот во минералот уранинит се препишува на Мартин Хајнрих Клапрот, кој новиот елемент го нарекол по планетата Уран. Ежен-Мелшиор Пелиго е првиот човек кој изолирал металот и неговите радиоактивни особини се откриени во 1896 од страна на Анри Бекерел. Истражувањето на Ото Хан, Лиза Мајтнер, Енрико Ферми и останати научници, како Роберт Опенхајмер започнато во 1934 довело до примената на неговото гориво во јадрената индустрија а воедно и во ''Little Boy'', првата атомска бомба искористена за воени цели.
1 Особености
Кога е рафиниран, ураниумот е сребрено бел, слабо радиоактивен метал. Има Мосова тврдост од 6, доволно да скрши стакло и приближно еднаква цврстина со цврстината на титаниумот, родиумот, манганот и ниобиумот. Тој е податлив, дуктилен и малку парамагнетичен, силно електропозитивен и слаб електричен спроводник. Ураниум металот има многу висока густина од 19,1 g/cm<sup>3</sup>, погуст од оловото (11,3 g/cm<sup>3</sup>), но со помала густина од волфрамот и златото (19,3 g/cm<sup>3</sup>).
Ураниум металот стапува во реакција со речиси сите неметални елементи (со исклучок на благородните гасови и нивните соединенија, со реактивност која се зголемува со температура. Хлороводородната и азотната киселина го раствораат ураниумот, но неоксидираните киселини освен хлороводородните киселини го напаѓаат елементот многу споро. Кога се ситно поделени, може да реагираат со ладна вода; во вода, ураниум металот е обложен со темен слој од ураниум оксид. Ураниум рудата е извлечена хемиски и претворена во ураниум диоксид или други хемиски форми корисни во индустријата.
Ураниум-235 е првиот изотоп кој бил пронајден како фисил. Други природни изотопи се фисионарни, но не фисилни. Со бомбардирање со спори неутрони, неговите ураниум-235 изотопи во поголемиот дел од времето ќе се поделат во две мали јадра, испуштајќи јадрена сврзувачка енергија и повеќе неутрони. Ако премногу од овие неутрони се апсорбираат од друг ураниум-235 јадра, на јадрената верижна реакција се случува дека резултатите се во излив на топлина или (во специјални околности) доаѓа до експлозија. Во јадрен реактор, верижната реакција е успорена и контролирана од страна на неутронски отров, одбивајќи некои од слободните неутрони. Таквите неутронски апсорбни материјали се често дел од контролните печки на реакторите.
Со само 15 lb (7 кг) ураниум-235 може да се создаде атомска бомба. Првата јадрена бомба искористена во војна е ''Little Boy (Малото момче)'', која е направена од ураниумска цепење, но првиот јадрен експлозив (''Gadget''), употребен во Тринити) и бомбата што го уништила Нагасаки (''Fat Man'') биле плутониумски бомби.
Ураниум металот има три алотропски форми :* α (орторомбиска) стабилна до 668 °C. Орторомбиска, просторна група бр. 63, ''Cmcm'', параметар со решетки ''a'' = 285.4 pm, ''b'' = 587 pm, ''c'' = 495.5 pm.* β (четириаголна) стабилна од 668 °C до 775 °C. Четириаголна, просторна група ''P''4<sub>2</sub>/''mnm'', ''P''4<sub>2</sub>''nm'', or ''P''4''n''2, параметар со решетки ''a'' = 565.6 pm, ''b'' = ''c'' = 1075.9 pm.* γ (телесно-центрирана коцка) од 775 °C до точка на топење. Телесно-центрирана коцка, има параметар со решетки ''a'' = 352.4 pm.
2 Примена
2.1 Воена примена
Главната примена на ураниумот во воениот сектор е во високогустинскиот пенетратор. Оваа муниција се состои од осиромашен ураниум легирани со 1–2 % други елементи, како што се титаниумот или молибденот. Со големо влијание на брзината, густината, цврстината, и пирофорност на проектилот, се овозможува уништување на тешки оклопни цели. Тенковските оклопи и други остранливи оклопи на возила можат исто така да бидат зацврстени со осиромашени ураниумски таблици. Користењето на осиромашен ураниум стана политички и еколошки спорно после користењето на таа муниција од страна на САД, Велика Британија и други земји за време на војната во Персискиот Залив и на Балканот било поткренато прашање во врска со ураниумските соединенија што останале во почвата.
Осиромашениот ураниум исто така се користи како заштитен материјал за контејнери кои се користат за чување и транспорт на радиоактивни материјали. Додека самиот метал е радиоактивен, неговата висока цврстина го прави поефективен од оловото во справување со зрачењето од силни извори како радиумот Другите примени на ураниумот вклучуваат нагодување тежина во авионите, пригушување на различни проектили, заштита на разни материјали. Поради големата густина се применува во навигациските уреди и гироскопските компаси. Осиромашениот ураниум има предност над другите материјали со подеднаква густина поради лесната обработка и можноста за леење, како и поради неговата релативно ниска цена. Спротивно со раширеното мислење, поголема опасност на користењето ураниум претставува хемиското труење со ураниумски оксид отколку неговата радиоактивност бидејќи тој слабо испушта алфа зрачење.
На крајот на Втората светска војна, за време на Студената војна, па и потоа, ураниумот поради експлозивото цепење се користел за производство на јадрено оружје. Направени се два типа цепни бомби, релативно едноставна направа која користи ураниум-235 и со многу посложен механизам со плутониум-239 произлезен од ураниум-238. Подоцна, многу покомплициран и далеку помоќен тип на фисиска/фузиска бомба (термојадрена бомба) која користи плутониумски направи за да создаде мешавина од трициум и деутериј (тежок водород со хемисли симбол <sup>2</sup>H или D) за добивање јадрено соединување.
2.2 Цивилна примена
Ураниумот во општеството и воцивилниот сектор главно се користи како гориво за атомски централи. Еден килограм ураниум-235 теоретски може да произведе околу 20 тераџули енергија (2 џули), колку што дава енергија 1500 тони јаглен.
Комерцијалните атомски централи користат гориво кое обично е збогатено со околу 3 % ураниум-235.. CANDU и Magnox реакторите се единствените комерцијални реактори кои можат да користат незбогатено ураниумско гориво. Горивата кои се користат во САД се високо збогатени со ураниум-235 (точните вредности се државна тајна). Во брз оплоден реактор, ураниумот-238 може да биде претворен во плутониум преку следниве реакции:: + n <math>\rightarrow</math> + <math>\xrightarrow{\beta^-}</math><math>\xrightarrow{\beta^-}</math>:
Пред (и повремено потоа) откривањето на радиоактивноста, ураниумот главно се користел во мали количини за жолто стакло и глазури за керамика, како ураниумско стакло. Еден од главните проблеми поврзани со јадреното гориво е јадрениот отпад. Во традиционалните јадрени реактори се гори само 1-2 % гориво додека јадрените реактори кои користат алтернативни, течни горива во реакторите со течна сол произведуваат краткотраен јадрен отпад.
Откако Марија Кири го открила радиумот во ураниумска руда, истиот се користел потоа за часовници и авионски броила кои светат во темно. Процесот на издвојување радиум од ураниум оставал голема количина на ураниум како отпаден производ, со обзир на тоа дека е потребно 3 тона ураниум за да се добие 1 грам радиум. Овој отпаден производ бил насочен кон производство на керамички глазури и ураниумски плочки со широка примена, вклучително и како санитарна и кујнска керамика, во разни бои. Ураниумот бил исто така користен и во хемикалиите за фотографија (посебно ураниум нитрат како тонер, во кожната и дрвната индустрија во боите и пигментите (ураниумски соли се боја за свила и волна). Со откривањето на радиоактивноста на ураниумот проширени се неговите научни и практични примени. Долгиот полувек на изотопи U-238 (4,51 × 10<sup>9</sup> godina), го прави погоден за проценка на староста на најраните магматски карпи,како и кај останатите техники на радиометриско датирање (ураниумско-ториумска метода, ураниумско-олово метода). Ураниум металот се користи како метална мета за електрони кои произведуваат силни рендгенски зраци.
3 Историјат
3.1 Пред откривањето
Користењето на ураниум во неговиот природен оксид датира најмалку од 79 година од нашата ера, кога бил користен да се додаде жолта боја на керамичка глазура. Жолто стакло со 1 % ураниумски оксид во една римска вила во Неаполскиот Залив, во Италија, пронашол Р.Т Гунтер од Универзитетот Оксфорд во 1912. Во доцниот Среден век бил ископуван од хабсбуршките рудници за сребро во денешна Чешка, и се користел за боење стакло во стакларската индустрија. На почетокот на 19 век, единствен познат извор за ураниум биле само овие рудници.
3.2 Откривањето
Откривањето на елементот му се припишува на германскиот хемичар Мартин Хајнрих Клапрот. Додека работел во неговата експериментална лабораторија во Берлин во 1789, Клапрот добил жолт талог (најверојатно натриум диуранат) така што уранинитот го растворил во азотна киселина а потоа растворот го неутрализирал со натриум хидроксид . Клапрот мислел дека жолтата супстанција е оксид на некој сè уште неоткриен елемент и го загреал со јаглен за да добие црн прав, за кој мислел дека е новооткриен метал (впрочем тој прав бил оксид на ураниумот). Новооткриениот елемент го именувал по планетата Уран, откриена осум години претходно од Вилијам Хершел.
Во 1841, Ежен-Мелшиор Пелиго, професор по аналитичка хемија на Националната конзерваторија за уметност и занаети, во Париз, го изолирал првиот примерок на металот ураниум со загревање на ураниум тетрахлорид со калиум.
Анри Бекерел ја открил радиоактивноста користејќи ураниум 1896. Тој ја открил случајно проучувајќи ја фосфоресценцијата на ураниумските соли, истражувајќи ја работата на Вилхелм Рендген.
3.3 Цепење
Како прва јадрено цепење се смета бомбардирањето на ураниумот со неутрони кое во 1934 го извел италијанскиот физичар Енрико Ферми и тоа го објавил во трудот ''Радиоактивност добиена со бомбардирање со неутрони''.За таквото откритие добил Нобелова награда по физика а во Чикаго, во 1942,под негово раководство бил изграден првиот јадрен реактор. Ото Хан заедно со Фриц Штрасман, во 1939 го открил цепењето на јадрото на атомот на ураниумот со помош на неутрони, со што ја отворил ерата на атомски реактори кои работат на основа на таа јадрена реакција. Иако на тој проект за јадрено цепење работела заедно со него и Лиза Мајтнер, само Хан ја добил Нобеловата награда за хемија во 1944, наспроти општото мислење дека тие треба да ја делат наградата. Таа објаснувањата за јадреното цепење ги објавила заедно со нејзиниот внук. Проектот „Менхетен“ бил таен проект на американската влада за време на Втората светска војна со цел да се направи атомска бомба. Проектот започнал во 1941 од страв дека владата на нацистичката Германија веќе работи на сличен таков проект. Во американскиот град Лос Аламос биле собрани најдобрите физичари и инженери и под водство на американскиот физичар Роберт Опенхајмер ја направиле и успешно ја тестирале првата атомска бомба на 16 јули 1945. Тоа бил еден од најголемите тајни проекти на сите времиња, обелоденет дури после бомбардирањето на Хирошима. Тоа бомбардирање однело 400 000 јапонски животи и оставило трајни последици од зрачењето.
3.4 Јадрено оружје
Два типа атомски бомби биле развиени од САД за време на Втората светска војна: направа на основа на ураниум (кодно име "Little Boy") чии фисилски материјали биле со многу збогатен ураниум, и направа врз основа на плутониум (види Јадрена проба Тринити and "Fat Man") чиј плутониум бил дериват на ураниум-238. Оружјето Little Boy било првото јадрено оружје кое се користело во војна кога било детонирано врз јапонскиот град Хирошима на 6 август 1945. Експлодирајќи со еквивалент на 12500 тони TНT, ударот и топлинскиот бран на бомбата уништил близу 50000 згради и убил околу 75000 луѓе. Отпрвин се сметало дека ураниумот е релативно редок и дека јадреното вооружување може да се избегне просто со откуп на сите познати залихи на ураниум, но во рок од една деценија биле откриени негови залихи на многу места ширум светот.
Јадреното оружје било детонирано повеќе од 2000 пати поради тестирање и демонстрација на сила.Познати земји кои детонирале такви оружја се САД, Советскиот Сојуз, Обединетото Кралство, Франција, Кина, Индија, Пакистан и во поново време Народна Република Кореја Овие земји се декларирани јадрени сили (заедно со Русија која го наследила оружјето по распадот на СССР).
3.4.1 Светски јадрени сили
На почетокот на 2015 девет држави, САД, Русија, Велика Британија, Франција, Кина, Индија, Пакистан, Израел и Демократска Народна Република Кореја (или Северна Кореја) поседувале приближно 15850 јадрени оружја, од кои 4300 биле распоредени. Околу 1800 од овие оружја се на готовс во случај на висока оперативна готовност. Вкупниот број на јадрени боеви глави во светот е во опаѓање, главно поради тоа што САД и Русија продолжуваат да ги намалуваат своите јадрени арсенали, иако со побавно темпо во споредба со пред една деценија. Во исто време, двете држави имаат обемни и скапи долгорочни програми за модернизација кои се во тек, за нивните преостанати јадрени системи за испорака, боеви глави и производство. Јадрените арсенали на другите држави се значително помали, но сите или развиваат или распоредуваат нови системи за јадрено оружје или ги најавиле своите намери да го направат тоа. Во случајот на Кина, ова може да вклучи и скромно зголемување на големината на својот јадрен арсенал. Индија и Пакистан ги прошируваат своите капацитети за производство на јадрено оружје и развиваат нов систем за испорака на проектили. Се чини дека Северна Кореја ја унапредува својата воена јадрена програма, но тешко е да се процени нејзиниот технички напредок.
3.5 Реактори
X-10 Графит Реактор во Оак Риџ националната лабораторија (ORNL) во Оак Риџ, Тенеси, порано позната како Клинтон и X-10, бил вториот јадрен реактор после првиот на Енрико Ферми во Чикаго,изграден во 1942. Првиот комерцијален реактор AM-1 бил изграден во Обнинск (Советски Сојуз) во 1954. Потоа бил изграден реактор во Велика Британија, во 1956, а потоа атомска електрана во Шипингпорт, во Пенсилванија, во 1958. За првпат јадрен погон бил вграден на подморница во 1954 на УСС Наутилус. Други електрани биле во Калдер Хол во Англија, која почнала да работи во 1958.
Денес, најмногу реактори се градат во Кина а на второ место е Руската Федерација која има вкупно 34 активни реактори. Историјата на користењето атомска енергија е преполна со помали и поголеми инциденти. Најтешката катастрофа се случи во украинскиот град Чернобил, тогаш дел од СССР, во 1986. Околу 120000 лица морале засекогаш да ги напуштат своите домови кои биле озрачени. Ветровите и облаците го пренеле радиоактивниот материјал и до другите делови на Европа. Последниот поголем инцидент е оној на јапонската централа Фукушима, во 2011, предизвикана индиректно поради земјотрес предизвикан од цунами а не при експлозија на реактор.
4 Наоѓалишта
Светското производство на U<sub>3</sub>O<sub>8</sub> во 2013 бил 70,015 тони, од кои 22,451 т (32 %) од Казахстан. Други значајни наоѓалишта на ураниум се Канада (9,331 т), Австралија (6,350 т), Нигерија (4,518 т), Намибија (4,323 т) и Русија (3,135 т).
Ураниумот според раширеноста во Земјината кора е помеѓу антимонот и платината: го има повеќе од среброто, јодот, кадмиумот, живата и бизмутот. Познати се околу 80 ураниумски минерали од кои десетина се руди. Најважните се уранитот, UO<sub>2</sub> (Русија, Канада, Демократска Република Конго ) и неговата варијација клевеит (Норвешка), карнотит, уранил-ванадат (Демократска Република Конго, Колорадо, Јута) а потоа торијанит (ториум, UO<sub>2</sub>; Шри Ланка) и торит, т.е ториј-силикат (ThSiO<sub>4</sub>) кој содржи до 22 % U<sub>3</sub>O<sub>8</sub> (Норвешка). Ураниум се добива со потопување на уранитот во сулфурна киселина (при што настануваат уранил сулфати) или во раствор од сода (при што настанува уранил карбонат) со таложење на ураниевиот оксид со магнезиски оксид односно со натриум хидроксид и со редукција на оксидот со јаглен во електрична печка. Металниот ураниум служи за производство на јадрено гориво. Најсилни производители на ураниумски руди се САД, Русија, Кина, Канада, Шпанија, Франција, Чешка, Австралија, Демократска Република Конго, Јужноафриканска Република, Мадагаскар, Аргентина итн.
5 Соединенија на ураниумот
Соединенијата на ураниумот со оксидациски број +4 се доста стабилни и имаат јонски карактер, а најстабилни и најважни соединенија се во кои е шестовалентен. Ураниумските (III) соединенија брзо оксидираат во воздухот или во водата. Во комплекси ураниумот има главно високи координациски броеви .
5.1 Оксиди
Создава бројни оксиди: UO, UO<sub>2</sub>, U<sub>3</sub>O<sub>8</sub>, U<sub>4</sub>O<sub>9</sub> и UO<sub>3</sub>. На воздух е стабилен U<sub>3</sub>O<sub>9</sub>. Ураниев (IV) оксид (UO<sub>2</sub>) има кафени кристаликои тешко се топат во киселина, освен во азотна киселина. Со изложеност на воздух дава зелен U<sub>3</sub>O<sub>9</sub>. Ураниев (VI) оксид (UO<sub>3</sub>) е со црвено жолти хексагонскикристали. Амфотермен. Со потопување во киселини настанува жолт уранилион, UO<sub>2</sub><sup>2+</sup> кој дава уранил соли и бројникомплексни соединенија.
Солите на многу оксидирани состојби на ураниумот се растворраат во вода и можат да се проучуваат воводни раствори. Најчестите јонски форми се U3+ (кафено-црвено), U4+ (зелено), UO+ 2 (нестабилно), и UO2+2 (жолто), за U(III), U(IV), U(V), и U(VI), како и. A
6 Изотопи
Во природата се појавува смеса на изотопи, ураниум-238 (99,284 %), ураниум-235 (0,711 %), и многу мали количини ураниум-234 (0,0058 %). Сее распаѓа бавно, испуштајќи притоа алфа-честички. Времето на полураспаѓање на ураниумот-238 е 4,47 милијарди години, а на ураниумот-235 е 704 милиони години и затоа е добар за радиометриско датирање.
Изотопот ураниум-238 е почетен ("родител") изотоп (4n + 2) на природната распадна низа на ураниумот а изотопот ураниум-235 е "родител" на актиниумска (4n + 3) распаѓачка низа. Поради примена во јадрената технологија изотопот ураниум-235 е посебно значаен. Цепењето на јадрото е предизвикано од неутронско цепење при која освен фрагменти на јадроро, алфа, бета и гама-зрачење, се ослободува и енергија. Само изотопите ураниум-235, плутониум-239 и ураниум-233 можат ефикасно да впиваат неутрони, кои ќе предизвикаат цепење на јадрото. Затоа за јадрено гориво природниот ураниум треба да се обогати со изотопот ураниум-235 на поголема концентрација за да се овозможи што поефикасна јадрена синџир реакција.
Збогатувањето на ураниумот е сложен па затоа јадреното гориво е скапо. Еден од начините е со плинска дифузија UF<sub>6</sub> низ цевки со мембрани. кај другите методи се оди на производство на ефикасниот изотоп плутониум-239 кој се произведува во брзи оплодни реактори со изложување на изотопот на ураниум-238 (обичен,незбогатен ураниум) на неутронски тек со кој се произведува изотопот на ураниум-239 кој пак со бета распаѓање преминува во изотопот плутониум-239.
7 Изложеност
Човек може да биде изложен на ураниум (или на радон) преку вдишување прашина или внесување загадена вода или храна. Количината на ураниум во воздухот обично емногу мала, сепак, луѓето кои работат во фабриките кои произведуваат фосфатни ѓубрива,живеат близу до владини институции кои изработуваат или тестираат оружја, живеат или работат во воени зони,или пак до рудници каде се ископува руда или се обработува ураниумот, можат да бидат изложени на влијанието на ураниумот.
8 Библиографија
* Емсли, Џон (2001) „Ураниум“.* Сиборг, Глен Т. (1968). Ураниум. Енциклопедија на хемиските елементи