Уравнение радиоактивного распада урана 235

Уран представляет собой радиоактивный металл. В природе уран состоит из трех изотопов: уран-238, уран-235 и уран-234. Наивысший уровень стабильности фиксируется у урана-238.

Таблица 1. Таблица нуклидов

Характеристика	Значение
Общие сведения
Название, символ	Уран-238, 238U
Альтернативные названия	ура́н оди́н, UI
Нейтронов	146
Протонов	92
Свойства нуклида
Атомная масса	238,0507882(20)[1] а. е. м.
Избыток массы	47 308,9(19)[1] кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	7 570,120(8)[1] кэВ
Изотопная распространённость	99,2745(106) %[2]
Период полураспада	4,468(3)·109[2] лет
Продукты распада	234Th, 238Pu
Родительские изотопы	238Pa (β−) 242Pu (α)
Спин и чётность ядра	0+[2]
Канал распада	Энергия распада
α-распад	4,2697(29)[1] МэВ
SF
ββ	1,1442(12)[1] МэВ

Радиоактивный распад урана

Радиоакти́вным распа́дом называют процесс внезапного изменения состава или внутреннего строения атомных ядер, которые отличаются нестабильностью. При этом испускаются элементарные частицы, гамма-кванты и/или ядерные фрагменты. Радиоактивные вещества содержат радиоактивное ядро. Получившееся вследствие радиоактивного распада дочернее ядро может тоже стать радиоактивным и спустя определенное время подвергается распаду. Этот процесс происходит до того момента, пока не образуется стабильное ядро, лишенное радиоактивности. Э. Резерфорд методом эксперимента в 1899 доказал, что урановые соли испускают три вида лучей:

• α-лучи — поток положительно заряженных частиц
• β-лучи — поток отрицательно заряженных частиц
• γ-лучи — не создают отклонений в магнитном поле.

Таблица 2. Радиоактивный распад урана

Вид излучения	Нуклид	Период полураспада
Ο	Уран — 238 U	4,47 млрд. лет
α ↓
Ο	Торий — 234 Th	24.1 суток
β ↓
Ο	Протактиний — 234 Pa	1.17 минут
β ↓
Ο	Уран — 234 U	245000 лет
α ↓
Ο	Торий — 230 Th	8000 лет
α ↓
Ο	Радий — 226 Ra	1600 лет
α ↓
Ο	Полоний — 218 Po	3,05 минут
α ↓
Ο	Свинец — 214 Pb	26,8 минут
β ↓
Ο	Висмут — 214 Bi	19,7 минут
β ↓
Ο	Полоний — 214 Po	0,000161 секунд
α ↓
Ο	Свинец — 210 Pb	22,3 лет
β ↓
Ο	Висмут — 210 Bi	5,01 суток
β ↓
Ο	Полоний — 210 Po	138,4 суток
α ↓
Ο	Свинец — 206 Pb	стабильный

Радиоактивность урана

Естественная радиоактивность – вот что отличает радиоактивный уран от прочих элементов. Атомы урана не зависимо ни от каких факторов и условий постепенно изменяются. При этом испускаются невидимые лучи. После трансформаций, которые происходят с атомами урана, получается иной радиоактивный элемент и процесс повторяется. Он будет повторять столько раз, сколько необходимо, чтобы получился не радиоактивный элемент. К примеру, некоторые цепочки превращений насчитывают до 14 стадий. При этом промежуточным элементом является радий, а последняя стадия – образование свинца. Этот металл не является радиоактивным элементом, поэтому ряд превращений прерывается. Однако для полного превращения урана в свинец необходимо несколько миллиардов лет.
Радиоактивная руда урана часто становится причиной отравлений на предприятиях, занимающихся добычей и переработкой уранового сырья. В человеческом организме уран — общеклеточный яд. Он поражает главным образом почки, но встречаются и поражения печени и желудочно-кишечного тракта.
Уран не имеет полностью стабильных изотопов. Наибольший период жизни отмечается у урана-238. Полу распад урана-238 происходит на протяжении 4,4 млрд лет. Чуть меньше одного миллиарда лет идет полу распад урана-235 — 0,7 млрд лет. Уран-238 занимает свыше 99% всего объема природного урана. Вследствие его колоссального периода полураспада радиоактивность этого металла не высокая, к примеру, альфа-частицы не могут проникнуть через ороговевший слой кожи человека. После ряда проведенных исследований ученые выяснили, что главным источником радиации является не сам уран, а образуемый им газ радон, а также продукты его распада, попадающие в человеческий организм во время дыхания.

Ядерная топка Земли

Общеизвестно, что Солнце и другие звезды черпают свою колоссальную энергию из пылающего в их недрах «термоядерного котла». Но и относительно холодная Земля излучает тепла заметно больше, чем можно было бы предположить на основе таких широко распространенных в природе процессов, как, например, естественный радиоактивный распад. Некоторые ученые считают, что причина этого кроется в работе гигантского атомного реактора в земных глубинах. Только в нашем геореакторе происходит не термоядерный синтез, как в звездах, а цепные реакции деления

В 1972 г. на заводе во Франции, производящем обогащенное ядерное топливо, случилось ЧП. До сих пор считалось, что изотопный состав природного урана повсюду на Земле одинаков. Однако в одной партии исходного сырья обнаружилось заметно меньше урана-235, чем обычно. Комиссариат по атомной энергии начал расследование.

Специалисты увидели в случившемся не злой умысел, но потрясающий природный феномен. Оказалось, что около 1,8 млрд лет назад на нескольких участках уранового месторождения в Окло (Габон), откуда поступила партия урана, происходили цепные ядерные реакции деления. Иными словами, там работал настоящий ядерный реактор, только не рукотворный, а природный! В частности, при изучении продуктов деления одного из таких реакторов было установлено, что он действовал в течение нескольких сотен тысяч лет в импульсном режиме – с рабочим циклом в полчаса и перерывом 2,5 часа, – выжигая уран-235.

Почему вообще так важна роль урана-235? Дело в том, что именно этот изотоп охотно делится под воздействием медленных нейтронов в отличие от преобладающего изотопа – урана-238, который может делиться только быстрыми нейтронами (а быстрые – в среде замедляются, и цепная реакция гаснет, не успев начаться).

Таким образом, за миллиарды лет до появления человека природа уже освоила технологию, над реализацией которой в середине ХХ в. бились лучшие умы планеты.

ИЗОТОПЫ УРАНА И ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ

Сама идея атомного реактора в земных недрах возникла примерно в это же время – и почти за двадцать лет до открытия феномена Окло! В 1953 г. американские физики Дж. Везерилл и М. Ингрэм выдвинули смелую гипотезу, что в древнейшие времена в скоплениях радиоактивных элементов, главным образом урана и тория, могли протекать цепные ядерные реакции. Датируя эти предположительные процессы эпохой более 2 млрд лет назад, авторы исходили из соображения, что в середине геологической истории Земли доля изотопа 235 U в общем уране была существенно выше, чем сейчас, и составляла более 3 % – как в топливе современных АЭС.

Поиски геореакторов, подобных оклоскому, предпринимались впоследствии и в других древних месторождениях, но они успехом не увенчались. Может быть, африканский реактор – это шутка Бога, результат случайного стечения обстоятельств и он действительно уникален? Даже если это так, идея, что в Земле могут идти – причем и в далеком прошлом, и в настоящее время! – ядерные реакции деления, не оставляет ученых.

Красноречивый гелий

Признаки работы природных реакторов ищут не только в земной коре, но и в недрах планеты. Одна из причин упорства исследователей заключается в том, что Земля излучает тепла примерно в 2,5 раза больше, чем должна отдавать в результате естественного распада радиоактивных элементов в коре (радиогенное тепло) и первичного нагрева. (Тепловая энергия, получаемая от Солнца, в этом балансе не учитывается). Если такую большую разницу пытаться объяснить только радиогенным теплом из внутренних областей планеты, то Земля в целом должна иметь нереально большие запасы радиоактивных элементов.

Но вот в цепных ядерных реакциях как раз выделяется тепла в несколько раз больше, чем при естественном радиоактивном распаде. Цепной механизм выделения энергии мог бы объяснить и упомянутый тепловой дисбаланс, и многие другие необычные явления. И если гипотетические реакторы расположены глубоко в недрах, то понятно, почему следы их активности не удалось найти в урановых месторождениях (за исключением Окло). Искали где ближе, но, может, стоит «копнуть вглубь»?

Итак, предположим, что где-то в теле Земли действует такой реактор. По каким признакам его можно обнаружить? Один из методов поиска – анализ продуктов деления, мигрирующих из зоны реакции и достигающих земной поверхности. В частности, очень интересен изотопный состав «солнечного элемента» – гелия.

Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: 4 He и 3 He. Некоторая часть гелия-3 поступает в атмосферу Земли с солнечным ветром и при β-распаде трития – тяжелого водорода, образующегося при соударении космических частиц с ядрами атомов, входящих в состав воздуха. Гелий-4 попадает в атмосферу в результате естественного распада урана и тория.

В воздухе на миллион атомов гелия-4 приходится всего полтора атома гелия-3. Но в базальтах срединно-океанических хребтов изотопа 3 He больше уже в 8 раз, а в некоторых изверженных магматических горных породах – в 40!

Как объяснить происхождение гелия с высоким содержанием изотопа 3 He? Какие физические процессы могут быть ответственны за это? Обычный радиоактивный распад явно не годится, так как он продуцирует исключительно гелий-4. Попробуем привлечь на помощь ядерные реакции деления.

Известно, что при работе реактора тяжелые ядра, поглощая нейтрон, становятся неустойчивыми и могут делиться на два крупных осколка с испусканием легких заряженных частиц и 2—3 нейтронов. Среди легких заряженных частиц доминируют ядра гелия-4 (α-частицы); их доля выхода около 90 %. Эту реакцию можно записать, например, так:

235 U + n ® 131 Xe + 99 Tc + 4 He + 2n.

В реакциях несколько другого типа образуется тритий (доля выхода до 10 %):

235 U + n ® 132 Cs + 99 Tc + 3 H + 2n.

Радиоактивный тритий, в свою очередь, распадается, испуская электрон (β-распад) и антинейтрино, с образованием гелия-3:

В конечном продукте совокупности таких реакций доли обоих изотопов гелия хотя и отличаются, но представляют собой величины одного порядка. Напомним, что в «стандартном» атмосферном гелии их концентрации различаются на шесть порядков! Таким образом, относительно высокое содержание гелия-3, наблюдаемое в магматических породах, поднявшихся на поверхность из земных недр, может служить косвенным свидетельством работы глубинного геореактора.

Уран выпал в осадок?

Прежде чем продолжить разговор, хочется еще раз подчеркнуть принципиальное различие между естественным радиоактивным распадом и ядерной реакцией деления, ибо разница эта не всегда очевидна на неискушенный взгляд. Обычная радиоактивность – это самопроизвольный распад атомных ядер; для реакции деления обязательно требуется взаимодействие с внешней частицей (нейтроном). По этой причине для осуществления ядерной реакции нужна достаточная концентрация активного вещества; для спонтанного распада концентрация не имеет никакого значения.

Если в недрах Земли действительно идут цепные реакции, значит, там должны присутствовать скопления радиоактивных элементов (актиноидов). Как и где именно они образовались? На этот счет существует множество разных точек зрения: от мантии до геометрического центра Земли.

На рубеже XX–XXI вв. В.Ф. Анисичкин с соавторами предложили обоснованную гипотезу, согласно которой местом критической концентрации урана и тория могла быть поверхность твердого внутреннего ядра Земли. Эта концепция во многом базируется на работах по растворимости диоксида урана (UO₂), проведенных в конце 1990-х гг. в Институте геологии и минералогии СО РАН (Новосибирск). В экспериментах на аппарате высокого давления типа «разрезная сфера» А. И. Туркиным было показано, что растворимость UO₂ в расплавах на основе железа с ростом давления уменьшается. Исследуемый диапазон давлений составлял 5—10 ГПа (для сравнения: в центре Земли давление около 360 ГПа). Поскольку в природе уран встречается преимущественно в виде оксидов, то логично сделать вывод: чем глубже, тем хуже будет растворяться уран!

Этот важный экспериментальный факт наводит на мысль, что миграция актиноидов в теле Земли могла быть следующей. После образования планеты в океане магмы, состоящей, в основном, из расплавов железа и силикатов, присутствовали и соединения урана. Со временем магма остывала, и происходило гравитационное разделение вещества по плотности. Силикаты, кристаллизуясь, всплывали в магме, плотность которой за счет железа была выше. Соединения же тяжелых актиноидов, выделяясь из расплава по мере роста давления и кристаллизуясь, оседали на внутреннее твердое железоникелевое ядро планеты.

Из сейсмологических исследований известно, что переходная зона между внешним жидким и внутренним твердым ядром Земли толщиной 2—3 км имеет мозаичную структуру. При этом основными структурными элементами являются относительно тонкие взвешенные слои протяженностью до нескольких десятков километров. Возможно, именно они и являются областями концентрации тяжелых радиоактивных элементов.

Не можешь найти – моделируй!

Когда речь идет о процессах на глубинах в тысячи километров, следует иметь в виду, что, с одной стороны, они недоступны непосредственному экспериментальному исследованию, с другой – их не всегда возможно изучать и в лабораторных установках, где трудно создать аналогичные физические условия. Но в современной науке существует еще один универсальный инструмент познания – компьютерное моделирование.

В 2005 г. ученые из Института гидродинамики СО РАН (Новосибирск) и Физико-энергетического института (Обнинск) численно смоделировали различные режимы работы геореакторов, начиная со времени образования Земли. Задача была не из легких, поскольку методы теории реакторов традиционно применяются для расчета процессов длительностью максимум в годы, а здесь потребовалось просчитывать интервалы в миллиарды лет!

Моделируемая среда представляла собой железоникелевый расплав с примесью углерода, в котором находились взвешенные кристаллы диоксида урана. Время начала моделируемых процессов – 4 млрд лет назад (содержание делящегося изотопа 235 U в природном уране тогда составляло 16 %, т. е. в 20 раз превышало современное значение).

238 U + n ® 239 Pu ® 235 U + 4 He.

В результате содержание легко делящегося урана-235 поддерживается на достаточно высоком уровне, и получается реактор-размножитель на быстрых нейтронах.

10 тыс. лет) и похолоданий (

90 тыс. лет), надежно установленная в этих исследованиях, может свидетельствовать в пользу импульсного режима работы геореакторов, тепловые потоки от которых достигают поверхности Земли.

Вполне естественно предположить, что при работе реактора из-за тепловыделения возникают конвективные потоки, вызывающие разрыхление активной зоны. В какой-то момент цепная реакция деления останавливается. Когда выделение тепла прекращается и конвективные потоки ослабевают, уран медленно оседает – цепная реакция возобновляется. Таким образом, геореактор может работать и в импульсном режиме.

Определяющим показателем хода цепной реакции является коэффициент размножения нейтронов k, который равен отношению числа нейтронов, вновь образовавшихся в реакциях деления, к количеству нейтронов, поглощенных в ходе реакции либо покинувших активную зону.

Чтобы цепная реакция была возможна, должно выполняться неравенство k ≥ 1. Тогда в каждом новом поколении нейтронов становится все больше, и они, в свою очередь, вызывают все больше делений ядер. Возникает лавинообразный процесс. Согласно проведенным расчетам максимально возможный коэффициент размножения ведет себя следующим образом: вначале он падает в течение 1 млрд лет, однако затем более-менее стабилизируется и остается больше единицы вплоть до настоящего времени.

Представляется, что более вероятен импульсный сценарий работы реактора, когда периоды активности перемежаются периодами «простоя». Так, как это было в маленьком природном реакторе Окло, но только с большей продолжительностью циклов. По мнению авторов, временные характеристики рассчитанного импульсного режима можно соотнести с рядом периодических явлений, наблюдаемых на поверхности Земли, таких как глобальные изменения климата или смена магнитных полюсов.

Откуда летят геонейтрино?

Сторонники точки зрения, что Земля является ядерным реактором, сегодня связывают особые надежды с электронным антинейтрино. Эта частица в больших количествах образуется в цепных реакциях, при последовательных β-распадах осколков деления тяжелых ядер.

В 2005 г. группа исследователей, работавшая на нейтринном детекторе KamLAND (Япония), сообщила о первых результатах регистрации антинейтрино из недр Земли – геонейтрино. В течение двух лет ученые зафиксировали 152 события, но после отсечения фона осталось всего 25 – по одному в месяц. (Главными источниками фона оказались промышленные реакторы Японии и Южной Кореи).

Полное число антинейтрино может быть частично связано с мощностью действующего геореактора и частично – с естественным распадом различных нестабильных ядер в недрах Земли. Из данных KamLAND следует, что полная плотность потока геонейтрино составляет примерно 16 млн частиц в секунду на кв. см. Это соответствует источнику тепла, порождаемого ядерными реакциями, мощностью от 24 до 60 ТВт. Первое из двух чисел оказалось близким к величине «избыточного» тепла, излучаемого Землей, о котором шла речь выше. И многие специалисты склоняются к мнению, что это объяснение наиболее правдоподобно.

Энергетические спектры нейтрино, образующихся при делении разных ядер, отличаются. При интерпретации данных KamLAND в 2007 г. В.Д. Русов с коллегами выполнили компьютерное моделирование и определили спектральные составляющие геонейтрино от различных внутренних источников – урана-238, тория-232, плутония-239. Суммарную мощность геореактора они оценили в 30 ТВт. Результаты этой работы также свидетельствуют в пользу импульсного режима размножения.

КОММЕНТАРИЙ СПЕЦИАЛИСТА ПО ГЕОДИНАМИКЕ

У замечательных экспериментов на KamLAND есть один существенный недостаток: в них нельзя определить расстояние до источника частиц, только направление. Для решения этой и других задач предполагается создать глобальную сеть детекторов. Подобный опыт у международного научного сообщества уже есть: в 2005 г. был запущен проект интеграции четырех нейтринных детекторов на четырех континентах – в Японии, Канаде, Италии и Антарктиде – для прогнозов вспышек сверхновых в Галактике.

Таким образом, в ближайшее десятилетие планируется зарегистрировать геонейтрино в нескольких точках земного шара. Объединение данных разных детекторов позволит наконец установить точное месторасположение источников этих частиц внутри нашей планеты и даст еще один довод «за» или «против» гипотезы «ядерной топки» Земли.

Вместо послесловия

Известно, что на атомной электростанции может произойти взрыв, если не регулировать ход цепной реакции в реакторе. Есть веские основания полагать, что в далеком прошлом по разным причинам – внутренним или внешним, например при столкновении с астероидом, – медленные ядерные реакции в недрах Земли могли трансформироваться во взрывные.

Если бы взорвался весь уран Земли, событие было бы эквивалентно взрыву тротила в количестве, сравнимом с массой планеты! И Земля перестала бы существовать. Однако даже теоретически трудно представить механизм, по которому бы земной уран мог сконцентрироваться и одновременно прореагировать. Но взрыва даже нескольких процентов актиноидов вполне достаточно, чтобы отделить от Земли фрагмент размером с Луну.

1 ТВт = 1000 ГВт = 10 12 Вт
Мощность геореактора = 30 000 ГВт
Мощность Саяно-Шушенской ГЭС = 6,4 ГВт

Этот «апокалиптический» пассаж касается не только нашей планеты, но и других. Ведь большие тела Солнечной системы образовались из одного протопланетного облака, поэтому и содержание радиоактивных элементов в них может быть схожим. Все планеты, вероятно, прошли стадию гравитационного разделения вещества по плотности, в результате которого тяжелые актиноиды могли сконцентрироваться в их недрах.

Катастрофические ядерные события хорошо объясняют ряд так называемых нерегулярностей в Солнечной системе, казалось бы, ничем между собой не связанных. Среди них аномально большая масса спутника Земли – Луны, малая масса Марса, обратное суточное вращение Венеры, множество хаотично движущихся астероидов и комет. Не исключено, что исследования нашего «домашнего» земного реактора заставят нас по-новому взглянуть и на вопросы эволюции планет.

Анисичкин В.Ф. // Физика горения и взрыва. – 1997. – T. 33. – C. 138.

Анисичкин В.Ф., Бордзиловский С.А., Караханов С.М. и др. // Физика горения и взрыва. – 2009. – T. 45. – C. 100.

Митрофанов В.В., Анисичкин В.Ф., Воронин Д.В. и др. // V Забабахинские научные чтения. – Снежинск: Изд-во РФЯЦ ВНИИТФ, 1999. (Тр. междунар. конф.)

Овчинников В.М., Краснощеков Д.Н., Каазик П.Б. // Докл. РАН. – 2007. – T. 417. – C. 389.

Anisichkin V.F., Bezborodov A.A., Suslov I.R. // Transport Theory and Statistical Physics. – 2008. – V. 37. – P. 624.

Araki T. et al. // Nature. – 2005. – V. 436. – P. 499.

Rusov V.D., Pavlovich V.N., Vaschenko V.N. et al. // Journ. Geophys. Res. – 2007. – V. 112. – P. 1.

Авторы признательны академику В. М. Титову за поддержку проводимых в СО РАН исследований по цепным ядерным реакциям в недрах планет

Уран
Тяжёлый серебристо-белый глянцеватый металл
Название, символ, номер	Уран / Uranium (U), 92
Атомная масса (молярная масса)	238,02891(3) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Rn] 5f 3 6d 1 7s 2
Радиус атома	138 пм
Ковалентный радиус	142 пм
Радиус иона	(+6e) 80 (+4e) 97 пм
Электроотрицательность	1,38 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	U←U 4+ -1,38В U←U 3+ -1,66В U←U 2+ -0,1В
Степени окисления	6, 5, 4, 3
Энергия ионизации (первый электрон)	686,4(7,11) кДж/моль (эВ)
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 Дж/(K·моль)
Молярный объём	12,5 см³/моль
Структура решётки	орторомбическая
Параметры решётки	a = 2,854 Å; b = 5,870 Å; c = 4,955 Å
Теплопроводность	(300 K) 27,5 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-61-1

5f 3 6d 1 7s 2

Уран (U, лат. uranium ; устаревший вариант ураний) — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, атомная масса — 238,029; 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 %).

Содержание

• 1 История
• 2 Физические свойства
• 3 Химические свойства
  • 3.1 Характерные степени окисления
  • 3.2 Свойства простого вещества
  • 3.3 Соединения урана III
  • 3.4 Соединения урана IV
  • 3.5 Соединения урана V
  • 3.6 Соединения урана VI
• 4 Изотопы
• 5 Нахождение в природе
  • 5.1 Месторождения
• 6 Получение
• 7 Применение
  • 7.1 Ядерное топливо
    • 7.1.1 Тепловыделяющая способность урана
  • 7.2 Производство искусственных изотопов
  • 7.3 Геология
  • 7.4 Другие сферы применения
  • 7.5 Обеднённый уран
    • 7.5.1 Сердечники бронебойных снарядов
• 8 Физиологическое действие
• 9 Добыча урана
  • 9.1 Добыча по странам
  • 9.2 Добыча по компаниям
  • 9.3 Уран из вторичных источников
  • 9.4 Добыча в СССР
  • 9.5 Добыча в России
  • 9.6 Добыча в Казахстане
  • 9.7 Добыча на Украине
• 10 Стоимость и аффинаж

История

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. 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 Пелиго (1811—1890) доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а оксид UO₂. В 1840 году Пелиго удалось получить простое вещество 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. Через 12 лет его предвидение было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана (J. Zimmermann).

В 1804 году немецкий химик Адольф Гелен открыл светочувствительность раствора хлорида уранила в эфире; это свойство французский изобретатель Абель Ньепс де Сен-Виктор в 1857 году пытался использовать в фотографии, однако обнаружил, что соли урана испускают некое невидимое излучение, экспонирующее светочувствительные материалы; на тот момент это наблюдение осталось незамеченным.

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.

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 235 U 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. 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.

2 декабря 1942 года в США была экспериментально доказана теория о возможности процесса превращения урана в плутоний.

Физические свойства

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. Уран имеет три кристаллические модификации:

• α-U, (стабильна до 667,7 °C), ромбическая сингония, пространственная группа C mcm, параметры ячейки a = 0,2858 нм, b = 0,5877 нм, c = 0,4955 нм, Z = 4;
• β-U, (стабильна от 667,7 °C до 774,8 °C), тетрагональная сингония, пространственная группа P 4₂/mnm, параметры ячейки a = 1,0759 нм, c = 0,5656 нм, Z = 30;
• γ-U, (существующей от 774,8 °C до точки плавления), кубическая сингония, пространственная группа I m3m, параметры ячейки a = 0,3524 нм, Z = 2.

Химические свойства

Характерные степени окисления

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

Степень окисления	Оксид	Гидроксид	Характер	Форма	Примечание
+3	Не существует	Не существует	—	U 3+ , 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	UO2 2+ (уранил) UO4 2- (уранат) U2O7 2- (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

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

Взаимодействует с водой, вытесняя водород, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана:

В кислотах-неокислителях уран растворяется, образуя UO₂ или соли U 4+ (при этом выделяется водород). С кислотами-окислителями (азотной, концентрированной серной) уран образует соответствующие соли уранила UO₂ 2+
С растворами щелочей уран не взаимодействует.

При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.

Соединения урана III

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 UCl_4. Образуют неустойчивые растворы красного цвета, в которых проявляют сильные восстановительные свойства:

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

2UCl₄ + 2HI → 2UCl₃ + 2HCl + I₂ (500 о C)

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 о C, а выше 350 о C 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

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

Соединения урана V

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

Хлорид урана V при стоянии частично диспропорционирует:

а частично отщепляет хлор:

Соединения урана VI

Степени окисления +6 соответствует оксид UO₃. В кислотах он растворяется с образованием соединений катиона уранила UO₂ 2+ :

C основаниями UO₃ (аналогично CrO₃, MoO₃ и WO₃) образует различные уранат-анионы (в первую очередь, диуранат U₂O₇ 2- ). 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

Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана (жирным выделены природные изотопы):

238	4,47⋅10 9 лет	α
235	7,13⋅10 8 лет	α
234	2,45⋅10 5 лет	α
Массовое число	Период полураспада	Основной тип распада
233	1,59⋅10 5 лет	α
236	2,39⋅10 7 лет	α
237	6,75 сут.	β −
239	23,54 минуты	β −
240	14 часов	β −

Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238 U (изотопная распространённость 99,2745 %, период полураспада T_1/2 = 4,468⋅10 9 лет), 235 U (0,7200 %, T_1/2 = 7,04⋅10 8 лет) и 234 U (0,0055 %, T_1/2 = 2,455⋅10 5 лет). Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда 238 U.

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

На данный момент известно 23 искусственных радиоактивных изотопа урана с массовыми числами от 217 до 242. Наиболее важный из них — 233 U ( T _1/2 = 1,59⋅10 5 лет ) 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 236 U с периодом полураспада 2,39⋅10 7 лет .

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

В природных условиях распространены в основном изотопы 234 U, 235 U и 238 U с относительным содержанием 234 U : 235 U : 238 U = 0,0054 : 0,711 : 99,283 . Почти половина радиоактивности природного урана обусловлена изотопом 234 U, который, как уже отмечено, образуется в ходе распада 238 U. Для отношения содержаний 235 U : 238 U, в отличие от других пар изотопов и независимо от высокой миграционной способности урана, характерно географическое постоянство: 238 U/ 235 U = 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, в солях — 0,996—1,005. В урансодержащих минералах (настуран, урановая чернь, циртолит, редкоземельные руды) величина этого отношения колеблется в пределах 137,30—138,51, причём различие между формами U IV и U VI не установлено; в сфене — 138,4. В отдельных метеоритах выявлен недостаток изотопа 235 U. 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 235 U, а в Окло оно составляет 0,557 %. Это послужило подтверждением гипотезы о существовании природного ядерного реактора, который стал причиной выгорания изотопа 235 U. Гипотеза была высказана американскими учёными Джорджем Ветриллом , Марком Ингрэмом и Полом Курода, ещё в 1956 г. описавшим процесс. 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

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 (по другим данным, 3,3·10 -7 %). Количество урана в литосфере оценивается в 3 или 4·10 −4 %.

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.

50

40

50

57

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

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. По оценке 2015 года разведанные мировые запасы урана в месторождениях составляют более 5,7 млн тонн.

Крупнейшие запасы урана, с учётом резервных месторождений, имеют: Австралия, Казахстан (первое место в мире по добыче), Россия. По оценке 2015 года, в месторождениях России содержится около 507 800 тонн запасов урана (9 % его мировых запасов); 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). Кроме того, выявлено и оценено множество более мелких урановых месторождений и рудопроявлений.

Минерал	Основной состав минерала	Содержание урана, %
Уранинит	UO2, UO3 + ThO2, CeO2	65-74
Карнотит	K2(UO2)2(VO4)2·2H2O
Казолит	PbO2·UO3·SiO2·H2O
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
Шрекингерит	Ca3NaUO2(CO3)3SO4(OH)·9H2O	25
Уранофан	CaO·UO2·2SiO2·6H2O
Фергюсонит	(Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O4	0,2-8
Торбернит	Cu(UO2)2(PO4)2·nH2O
Коффинит	U(SiO4)(OH)4

№	Название месторождения	Страна	Запасы, т	Оператор месторождения	начало разработки
1	Северный Хорасан	Казахстан	200 000	Казатомпром	2008
2	Мак-Артур-Ривер	Австралия	160 000	Cameco	1999
3	Сигар-Лейк	Канада	135 000	Cameco
4	Южное Эльконское	Россия	112 600	Атомредметзолото
5	Инкай	Казахстан	75 900	Казатомпром	2007
6	Стрельцовское	Россия	50 000	Атомредметзолото
7	Зоовч Овоо	Монголия	50 000	AREVA
8	Моинкум	Казахстан	43 700	Казатомпром, AREVA
9	Мардай	Монголия	22 000	Khan Resources, Атомредметзолото, Правительство Монголии
10	Ирколь	Казахстан	18 900	Казатомпром, China Guangdong Nuclear Power Co	2009
11	Жёлтые Воды	Украина	12 000	ВостГок	1959
12	Олимпик-Дэм	Австралия			1988
13	Россинг	Намибия			1976
13	Доминион	ЮАР			2007
13	Рейнджер	Австралия			1980

Получение

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

Ядерное топливо

Наибольшее применение имеет изотоп урана 235 U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Выделение изотопа 235 U 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 % 235 U, который получают после обогащения примерно 153 тонн природного урана.

Изотоп 238 U 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 238 U может превращаться в 239 Pu, 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

Полное использование заключённой 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 счёт 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

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 нашёл изотоп молибден-99, одним из способов получения которого является выделение из продуктов деления урана, появляющихся в облучённом ядерном топливе.

Геология

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:

N_206Pb = N_238U(e λ238t −1), N_207Pb = N_235U (e λ235t −1) , где N_238U , N_235U — современные концентрации изотопов урана; λ₂₃₈ и λ₂₃₅ — постоянные распада соответственно 238 U и 235 U.

Весьма важной является их комбинация:

K_o U = N_238U = 137.88 N_235U — 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. С их помощью происходит выделение коллекторов и флюидоупоров.

Другие сферы применения

• Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу (см. 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).
• Некоторые соединения урана светочувствительны.
• В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.
• Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело — водород + гексан).
• Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.
• Ацетат уранила UO₂(CH₃COO)₂ и ацетат цинка-уранила Zn[(UO₂)₃(CH₃COO)₈] применяются в аналитической химии при проведении качественного и количественного анализа катионов лития и натрия.

Обеднённый уран

После извлечения 235 U и 234 U 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 234 U.

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). 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

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.

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

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

Физиологическое действие

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.

Добыча урана

Согласно «Красной книге по урану», 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 потребляли 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 %). Остальной уран, потребляемый энергетикой, или 17,7 %, поступал из вторичных источников. На 2016-2017 год потребность в ядерном топливе, 449 действующих реакторов составляла те же 65 000 тонн урана. Первичные источники обеспечили около 85 %, а вторичные источники 15 % (оружейный уран, запасы от переработки отработанного топлива, а также за счёт повторного обогащения хвостов (остатков от первоначального обогащения).

1 Не включая 5 судов Атомфлота с 7 реакторами и 129 судов ВМФ различных стран со 177 реакторами на борту.

Добыча по странам

№	Страна	2005 год	Страна	2009 год	Страна	2012 год	Страна	2015 год	Страна	2017 год
1	Канада	11 628	Казахстан	14 020	Казахстан	19 451	Казахстан	23 800	Казахстан	23 391
2	Австралия	9516	Канада	10 173	Канада	9145	Канада	13 325	Канада	13 116
3	Казахстан	4020	Австралия	7982	Австралия	5983	Австралия	5654	Австралия	5882
4	Россия	3570	Намибия	4626	Нигер	4351	Нигер	4116	Намибия	4224
5	Намибия	3147	Россия	3564	Намибия	3258	Намибия	2993	Нигер	3449
6	Нигер	3093	Нигер	3234	Узбекистан	3000	Россия	3055	Россия	2917
7	Узбекистан	2300	Узбекистан	2429	Россия	2993	Узбекистан	2385	Узбекистан	2404
8	США	1039	США	1453	США	1537	Китай	1616	Китай	1885
9	Украина	800	Китай	1200	Китай	1500	США	1256	США	940
10	Китай	750	Украина	840	Украина	890	Украина	1200	Украина	550
Итого		39 863		49 521		52 108		59 400		58 758

Добыча по компаниям

№	Страна	Компания	2006 год	Страна	Компания	2009 год	Страна	Компания	2011 год	Страна	Компания	2018 год
1		Cameco	8100 (24 %)		Areva	8600 ▲ (19 %)		Казатомпром	8884 ▲ (19 %)		Казатомпром	11074 ▲ (26 %)
2		Rio Tinto	7000 (21 %)		Cameco	8000 ▼ (18 %)		Areva	8790 ▲ (19 %)		АРМЗ	7289 ▲ (16 %)
3		Areva	5000 (15 %)		Rio Tinto	7900 ▲ (18 %)		Cameco	8630 ▲ (19 %)		Orano/Areva	5809 ▼ (13 %)
4		Казатомпром	3800 (11 %)		Казатомпром	7500 ▲ (17 %)		АРМЗ	7088 ▲ (15 %)		Cameco	4613 ▼ (11 %)
5		АРМЗ	3500 (10 %)		АРМЗ	4600 ▲ (10 %)		Rio Tinto	4061 ▼ (9 %)		CGN	3185 ▲ (7 %)
6		BHP Billiton	3000 (9 %)		BHP Billiton	2900 ▼ (6 %)		BHP Billiton	3353 ▲ (7 %)		BHP Billiton	3159 ▼ (7 %)
7		Навоийский ГМК	2100 (4 %)		Навоийский ГМК	2400 ▲ (5 %)		Навоийский ГМК	3000 ▲ (6 %)		Rio Tinto	2602 ▼ (6 %)
8		Uranium One	1000 (3 %)		Uranium One	1400 ▲ (3 %)		Paladin Energy	2282 ▲ (5 %)		Navoi	2404 ▼ (5 %)
9		Heathgate	800 (2 %)		Paladin Energy	1200 ▲ (3 %)		SOPamin	Н/Д ▲ (менее 1 %)		Energy Asia	2204 ▲ (5 %)
10		Denison Mines	500 (1 %)		General Atomics	600 ▲ (1 %)		CNNC	Н/Д ▲ (менее 1 %)		CNNC	1983 ▬ (4 %)
Итого			34 800 (100 %)			45 100 (100 %)			более 46 088 (100 %)			44 322 (100 %)

Примечания к таблице:

1 Данные по АРМЗ даны с учётом приобретённой в 2010 году компании Uranium One . Основным способом добычи урана с 2010 г. стало скважинное подземное выщелачивание. С целью гарантированного долгосрочного сырьевого обеспечения отраслевых потребностей в уране «Росатом» приобрёл канадскую компанию Uranium One и консолидировал на её основе высокоэффективные урановые активы в Казахстане и других странах. За последние 8 лет производство Uranium One выросло почти в 5 раз, что позволило выйти на четвёртое место в мире среди урановых компаний. 2 Оrano SA (до 2018 года Areva) — Переименование было произведено после того, как Areva оказалась на грани банкротства, контрольный пакет остался у правительства Франции.

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

Уран из вторичных источников

Вторичными источниками традиционно считаются — запасы из ядерного оружия, от переработки отработанного топлива и повторного обогащения хвостов (остатков от первоначального обогащения). Повторное обогащение отвалов, критично (взаимно и неотъемлемо) для использования оружейного урана в мирных целях.

В конце июля 1991 года в Москве СССР и США подписали Договор СНВ-I.

Преемником СССР в декабре 1991 года стала Россия, но ядерное вооружение находилось и в других бывших республиках СССР.

На начало 1992 года на территории России размещалась 961 пусковая установка (73 % от общего количества).

23 мая 1992 года в Лиссабоне Россией, США, Украиной, Казахстаном и Белоруссией был подписан дополнительный протокол к СНВ-1 (Лиссабонский протокол), в соответствии с которым к договору СНВ-1 присоединились Украина, Казахстан и Белоруссия. Все имеющиеся на их территории боеголовки они обязались ликвидировать или передать России.

В конце 1992, Россия, в связи с нежеланием Украины выполнять Лиссабонский протокол, обязалась демонтировать почти половину своих запасов ядерного оружия (около 35 % от запасов СССР) и переработать высвободившийся оружейный уран в металл топливного сорта. США в свою очередь обязались приобрести этот материал по рыночным ценам.

К концу 1996 года на всём постсоветском пространстве Россия осталась единственной страной входящей в ядерный клуб, а все запасы СССР были сосредоточены на eё территории для последующей переработки в соответствии с договором СНВ-1.

Вместе с тем началось повторное обогащение урановых отвалов и переработка ОЯТ. План по переработке предусматривал начало работ с отвалов уровня месторождений III категории (рядовые) от 0,05 до 0,1 % аффинаж менее 60 %. Однако в середине и конце 1990-х годов обогащающие предприятия начали повторно обогащать отвалы для производства разбавителя по соглашению ВОУ-НОУ, в связи с нестабильностью получаемого топлива из отвалов.

Соглашение ВОУ-НОУ было рассчитано на 20 лет, закончило действовать в 2013 году. Всего в рамках программы из России в США было вывезено 14 446 тонн низкообогащённого урана:

• по договору СНВ-II 352 тонны — из оговорённых 500 (несмотря на то, что договор не вступил в силу, в связи с выходом России из договора 14 июня 2002);
• по договору СНВ-I (вступил в силу 5 декабря 1994 года, истёк 5 декабря 2009 года) с российской стороны 500 тонн;
• по договору СНВ-III (ДСНВ) — договор подписан 8 апреля 2010 года в Праге. Договор сменил истёкший в декабре 2009 года СНВ-I и действует до 2021 года.

Добыча в СССР

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 городе Учкудук. Имеется масса мелких рудопроявлений и проявлений.

Добыча в России

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.

На 2008 г по годовому производству урана (около 3,3 тысячи тонн) Россия занимала 4-е место после Казахстана. Годовое же потребление урана в России составляло 16 тысяч тонн и складывалось из расходов на собственные АЭС в объёме 5,2 тысячи тонн, а также на экспорт тепловыделяющих средств (5,5 тысячи тонн) и низкообогащённого урана (6 тысяч тонн).

Добыча в Казахстане

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.

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

Добыча на Украине

Добыча и переработка — основное предприятие — Восточный горно-обогатительный комбинат в городе Жёлтые Воды.

Стоимость и аффинаж

Горнодобывающие компании поставляют уран в виде закиси-окиси урана U₃O₈. В 1990-е годы стоимость урана природного изотопного состава колебалась вокруг отметки 20 USD за килограмм. С 2004 года цена начала активно расти и кратковременно достигла пиковых $300 в середине 2007 года, столь же резко обвалившись до $100 к 2009 году. Обновив в 2011 году кратковременный локальный максимум в $140, цена начала снижаться. С 2017 году цена стабилизировалась на отметке около $40 за килограмм закиси-окиси природного урана.

По мнению вице-председателя урановой группы Александра Бойцова, в мире месторождения I категории с себестоимостью добычи до 40 долл./кг уже почти исчерпаны (2010 год). К 2030 году будут исчерпаны известные крупные месторождения II категории, с себестоимостью до 80 долл./кг, и в освоение начнут вовлекаться труднодоступные месторождения III категории с себестоимостью добычи до 130 долл./кг и выше.

На всех этапах переработки урановых руд происходит очистка урана от сопутствующих ему примесей — элементов, обладающих большим сечением захвата нейтронов (гафний, бор, кадмий и т. д.). Наилучшие концентраты содержат 95-96 %, другие всего 60-80 % оксида урана, а остальное более 60 % различных примесей. «В чистом виде» такой уран непригоден в качестве ядерного топлива.

В целом по возможности аффинажа урановые руды делятся на

• I категория — супер богатые содержание свыше 0,3 % аффинаж 95-96 %
• II категория — богатые содержит от 0,1 до 0,3 % аффинаж 60-80 %
• III категория — рядовые от 0,05 до 0,1 % аффинаж менее 60 %
• IV категория — убогие от 0,03 до 0,05 %
• V категория — забалансовые менее 0,03 %.

1 Категории пригодные для производства топлива выделены жирным

• Диуранат аммония ((NH₄)₂U₂O₇)
• Ацетат уранила (UO₂(CH₃COO)₂)
• Ацетат уранила-цинка (ZnUO₂(CH₃COO)₄)
• Боргидрид урана (U(BH₄)₄)
• Бромид урана (III) (UBr₃)
• Бромид урана (IV) (UBr₄)
• Бромид урана (V) (UBr₅)
• Гидрид урана (III) (UH₃)
• Гидроксид урана (III) (U(OH)₃)
• Гидроксид уранила (UO₂(OH)₂)
• Диборид урана (UB₂)
• Дисилицид урана (USi₂)
• Дисульфид урана (US₂)
• Диурановая кислота (H₂U₂O₇)
• Йодид урана (III) (UI₃)
• Йодид урана (IV) (UI₄)
• Йодид урана (V) (UI₅)
• Карбонат уранила-аммония (UO₂CO₃·2(NH₄)₂CO₃)
• Карбонат уранила (UO₂CO₃)
• Монооксид урана (UO)
• Моносульфид урана (US)
• Монофосфид урана (UP)
• Диуранат натрия (Na₂U₂O₇)
• Уранат натрия (Na₂UO₄)
• Нитрат уранила (UO₂(NO₃)₂)
• Нитрид урана (U₂N₃)
• Нонаоксид тетраурана (U₄O₉)
• Оксид урана (IV) (UO₂)
• Оксид урана (VI)-диурана(V) (U₃O₈)
• Пероксид урана (UO₄)
• Сульфат урана (IV) (U(SO₄)₂)
• Сульфат уранила (UO₂SO₄)
• Тридекаоксид пентаурана (U₅O₁₃)
• Триоксид урана (UO₃)
• Урановая кислота (H₂UO₄)
• Формиат уранила (UO₂(CHO₂)₂)
• Фосфат урана (III) (U₂(PO₄)₃)
• Фторид урана (III) (UF₃)
• Фторид урана (IV) (UF₄)
• Фторид урана (V) (UF₅)
• Фторид урана (VI) (UF₆)
• Фторид уранила (UO₂F₂)
• Хлорид урана (III) (UCl₃)
• Хлорид урана (IV) (UCl₄)
• Хлорид урана (V) (UCl₅)
• Хлорид урана (VI) (UCl₆)
• Хлорид уранила (UO₂Cl₂)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

1

H

He

2

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

3

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

4

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

5

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

6

Cs

Ba

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

7

Fr

Ra

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

8

Uue

Ubn

Ubu

Ubb

Ubt

Ubq

Ubp

Ubh

Ubs

Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu,
Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H₂,
W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au