What is Уран?
Уран (symbol U) is element 92 on the periodic table, a актиноид in period 7. The heaviest primordial element, and the one that split the twentieth century in two. At room temperature it is a solid, and it is radioactive.
Строение
Это не схема из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место уран занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 163 pm — that is 0.163 nm, so about 3067 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Уран is liquid over a 2999 K window, from 1405 K to 4404 K.
История
Уран — самый тяжёлый чемпион среди природных элементов: в нём достаточно энергии, чтобы освещать города или разрушать их. Этот радиоактивный металл стал основой атомной эры — от первой устойчивой ядерной реакции в 1942 году до современных электростанций, вырабатывающих 10% электроэнергии в мире. Одна топливная таблетка из урана размером с кончик пальца содержит столько же энергии, сколько тонна угля. Названный в честь планеты Уран, этот элемент медленно превращается в свинец на протяжении миллиардов лет, действуя как природные часы, которые помогли учёным определить возраст Земли — 4,5 миллиарда лет. Атомное ядро урана настолько насыщено протонами, что едва стабильно, постоянно испуская частицы и энергию. Эта нестабильность обеспечивает работу как ядерных реакторов, так и атомного оружия, делая уран одним из наиболее строго регулируемых веществ на Земле. Его радиоактивный распад также нагревает ядро нашей планеты.
Уран был открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом при анализе урановой смолки из шахт Иоахимсталя в Богемии (ныне Чехия). Клапрот, один из основателей аналитической химии, выделил вещество, которое считал новым металлом, и назвал его «ураном» в честь недавно открытой планеты Уран, обнаруженной Уильямом Гершелем в 1781 году.
Первоначальный образец Клапрота на самом деле был диоксидом урана, а не чистым металлическим ураном, однако его химический анализ правильно показал наличие ранее неизвестного элемента. Он описал новое вещество как обладающее уникальными химическими свойствами, отличающими его от известных металлов, хотя не смог получить чистый металл с помощью методов XVIII века.
Чистый металлический уран был выделен лишь в 1841 году французским химиком Эженом-Мелькиором Пелиго, восстановившим тетрахлорид урана металлическим калием. Работа Пелиго установила истинную атомную массу урана и подтвердила, что это самостоятельный элемент, исправив некоторые заблуждения первоначального анализа Клапрота.
Самое значительное свойство урана было открыто в 1896 году Анри Беккерелем, обнаружившим, что соли урана самопроизвольно испускают излучение, способное засвечивать фотопластинки. Это открытие естественной радиоактивности положило начало ядерной физике и химии и привело к открытию радия, полония и ядерного деления.
Открытие ядерного деления урана-235 Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в 1938 году, интерпретированное Лизе Мейтнер и Отто Фришем, произвело революцию в науке и технологиях. Этот прорыв привёл как к созданию ядерного оружия, так и к развитию ядерной энергетики, сделав уран одним из важнейших в стратегическом отношении элементов современной истории.
Открытие урана и последующие исследования коренным образом изменили наше понимание строения атома, энергии и Вселенной. От первоначальной идентификации Клапротом до атомной эры исследования урана принесли множество Нобелевских премий и продолжают стимулировать развитие ядерной науки, энергетики и освоения космоса.
Применение
Уран — основное топливо для ядерных электростанций по всему миру, обеспечивающее примерно 10% мировой выработки электроэнергии. Природный уран содержит 0,7% урана-235 — изотопа, способного к ядерному делению. Для большинства ядерных реакторов уран необходимо обогатить до концентрации U-235 3–5% с помощью сложных процессов, включающих газообразный гексафторид урана и каскады центрифуг.
Водяные реакторы с водой под давлением (PWR) и кипящие водяные реакторы (BWR) используют таблетки диоксида урана, уложенные в топливные стержни из циркониевого сплава. Передовые конструкции реакторов, такие как канадские тяжеловодные реакторы (CANDU), могут использовать природный уран благодаря замедлителю из тяжёлой воды, а реакторы-размножители на быстрых нейтронах способны превращать уран-238 в плутоний-239, фактически увеличивая запасы уранового топлива в 60 раз.
Отработавшее ядерное топливо содержит значительные количества неиспользованного урана-235 и вновь образовавшегося плутония-239. Переработка ядерного топлива позволяет извлекать эти материалы для повторного использования, однако практика различается по странам из-за опасений, связанных с распространением ядерного оружия. Франция, Япония и Великобритания эксплуатируют крупные предприятия по переработке, тогда как США в настоящее время хранят отработавшее топливо для возможной переработки в будущем.
Высокообогащённый уран (>90% U-235) используется в ядерном оружии и топливе для военно-морских реакторов. Атомные подводные лодки и авианосцы используют урановое топливо оружейного качества, позволяющее им работать десятилетиями без дозаправки. Особые требования военного применения приводят к созданию отдельных программ обогащения урана с усиленными мерами безопасности.
Уран обеспечивает работу радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ) в дальних космических миссиях, где солнечной энергии недостаточно. Космические зонды NASA Voyager, марсоходы и миссии к внешним планетам используют радиоактивный распад урана-238 для долговременной выработки энергии. Исследовательские реакторы по всему миру используют урановое топливо для производства медицинских изотопов, изучения материалов и подготовки специалистов по ядерным технологиям.
Ядерные реакторы, использующие урановое топливо, производят важнейшие медицинские радиоизотопы, включая технеций-99m (используется в 80% процедур ядерной медицины), иод-131 для лечения щитовидной железы и кобальт-60 для лучевой терапии рака. Промышленное применение включает нейтронные источники на основе урана для каротажа нефтяных скважин, систем досмотра грузов и испытаний материалов.
Обеднённый уран (в основном U-238) используется в радиационной защите, противовесах для летательных аппаратов и специальных сплавах. Его высокая плотность (19,1 g/cm³) делает его ценным для применений, требующих максимальной массы при минимальном объёме. Военное применение включает бронебойные боеприпасы и броню танков, хотя такое использование вызывает споры из-за опасений по поводу здоровья.
К передовым ядерным технологиям, находящимся в разработке, относятся малые модульные реакторы (SMR), топливные циклы торий–уран и гибридные системы синтеза и деления. Эти технологии направлены на повышение безопасности, сокращение отходов и расширение роли ядерной энергетики в борьбе с изменением климата при сохранении центрального значения урана для ядерной энергетики.
Основное применение урана — топливо для ядерных реакторов, вырабатывающих электроэнергию. Более 440 ядерных энергетических реакторов по всему миру ежегодно потребляют примерно 65 000 тонн урана, производя безуглеродную электроэнергию, эквивалентную энергии от сжигания 2,5 миллиарда тонн угля. Такие страны, как Франция, получают 70% электроэнергии из ядерной энергетики.
Суда с ядерными силовыми установками используют высокообогащённое урановое топливо, обеспечивающее десятилетия работы без дозаправки. ВМС США эксплуатируют более 80 атомных подводных лодок и 11 авианосцев, а Россия, Китай, Франция и Великобритания также содержат военно-морские ядерные флоты, работающие на урановых реакторах.
Исследовательские реакторы, использующие урановое топливо, производят медицинские изотопы для лечения рака и диагностической визуализации. Эти реакторы также поддерживают исследования материалов, нейтронно-активационный анализ и изучение ядерной физики. Университеты и национальные лаборатории по всему миру эксплуатируют исследовательские реакторы на урановом топливе для образования и научных исследований.
В дальних космических миссиях используются радиоизотопные источники энергии на основе урана-238, когда солнечной энергии недостаточно. Эти системы обеспечивали энергией миссии к Юпитеру, Сатурну, Плутону и ещё более далёким объектам, надёжно вырабатывая электроэнергию десятилетиями в суровых условиях космоса.
Обеднённый уран используется как противовес в летательных аппаратах, для радиационной защиты в медицинских учреждениях и в специализированных промышленных применениях, требующих максимальной плотности. Его уникальные свойства делают его ценным для определённых инженерных задач, несмотря на сложности обращения.
Откуда он берётся
2.7 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 60% of elements
Уран естественным образом присутствует в земной коре в средней концентрации 2,7 частей на миллион, что делает его более распространённым, чем серебро, ртуть или кадмий. Крупнейшие месторождения урана находятся в Австралии (28% мировых запасов), Казахстане (15%), Канаде (9%), России (8%) и Нигере (7%). На эти пять стран приходится более двух третей мировых ресурсов урана.
К важнейшим минералам урана относятся уранит (диоксид урана, основная руда во многих месторождениях), настуран (разновидность уранита), карнотит (минерал урана и ванадия) и аутиунит (фосфатный минерал урана). Эти минералы образуются в различных геологических условиях — от магматических пород до осадочных отложений.
При добыче урана применяют несколько методов в зависимости от характеристик месторождения. Открытая разработка используется для неглубоких месторождений с высоким содержанием руды, например на севере Канады. Подземная добыча позволяет разрабатывать более глубокие месторождения, а скважинное подземное выщелачивание (ISL) извлекает уран из проницаемых рудных тел за счёт циркуляции выщелачивающих растворов под землёй; на этот метод приходится более 50% мировой добычи урана.
Уран содержится в морской воде в концентрации 3,3 частей на миллиард, что соответствует примерно 4,5 миллиарда тонн урана — более чем в 1 000 раз превышает современные разведанные запасы на суше. Япония и другие страны разрабатывают технологии извлечения урана из морской воды с помощью специальных адсорбирующих материалов, что потенциально может обеспечить практически неограниченные запасы урана.
Природный уран присутствует в почве, горных породах и воде по всему миру на фоновых уровнях. Уголь содержит 1–4 части урана на миллион, и его сжигание выбрасывает в окружающую среду больше урана, чем нормальная работа ядерных электростанций. Фосфатные породы, используемые для производства удобрений, могут содержать значительные концентрации урана.
Разведанные ресурсы урана составляют примерно 8,1 миллиона тонн по текущим рыночным ценам — этого достаточно более чем на 130 лет при нынешних темпах потребления. С ростом цен экономически выгодными становятся дополнительные ресурсы, включая низкосортные руды и нетрадиционные источники, что потенциально может продлить поставки на столетия.
Обращение
Уран радиоактивен. It has no stable isotope — every nucleus decays. Для обращения требуются соответствующие средства защиты и лицензия.
ОПАСНОСТЬ: Уран одновременно радиоактивен и химически токсичен. Все изотопы урана радиоактивны; период полураспада U-238 составляет 4,5 миллиарда лет. Альфа-излучение при распаде урана может вызывать рак и генетические повреждения, а химическая токсичность урана в первую очередь поражает функцию почек.
Урановая пыль или частицы представляют серьёзную угрозу для здоровья при вдыхании или проглатывании. Вдыхание может привести к раку лёгких и нарушениям дыхания, а проглатывание — к повреждению почек и возможному раку костей, поскольку уран накапливается в костной ткани. Даже небольшие количества могут иметь долгосрочные последствия для здоровья.
Обращение с ураном требует строгих протоколов безопасности, включая средства индивидуальной защиты, радиационный контроль, зоны с ограниченным доступом и специальные вентиляционные системы. Работники должны пройти углублённое обучение радиационной безопасности и регулярно контролировать состояние здоровья, включая анализ мочи и измерение содержания радионуклидов во всём организме.
Добыча и переработка урана могут приводить к загрязнению окружающей среды, требующему долгосрочной рекультивации. Хвосты урановых заводов остаются радиоактивными тысячи лет и должны надлежащим образом изолироваться. Перевозка урана требует специальных лицензий и мер безопасности из-за радиологических рисков и опасений, связанных с распространением ядерного оружия.
При инцидентах с загрязнением ураном требуется немедленное специализированное реагирование подготовленных радиологических аварийных бригад. Процедуры дезактивации сложны и могут потребовать медицинского вмешательства. Для всех, кто мог подвергнуться воздействию урана, необходим длительный медицинский контроль.
Краткие ответы
Уран (symbol U) is element 92 on the periodic table, a актиноид in period 7. The heaviest primordial element, and the one that split the twentieth century in two. At room temperature it is a solid, and it is radioactive.
[Rn] 5f³ 6d¹ 7s², giving 7 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2 electrons respectively.Уран melts at 1405.3 K (1132.2 °C) and boils at 4404 K (4130.9 °C).
The standard atomic weight of Уран is 238.029 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Уран has a density of 19.1 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of уран is about 19.1× heavier.
Уран has a Pauling electronegativity of 1.38. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Уран was discovered in 1789 by Martin Heinrich Klaproth. It is named after the planet Uranus.
Уран makes up about 2.7 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.
Yes. Уран has no stable isotope — every one of its nuclei decays. Trace amounts occur naturally as decay products of heavier elements.