Все об полезном ископаемом уране для детей

Содержание:

1. История
2. Нахождение в природе
3. Месторождения
4. Получение
5. Физические свойства
6. Химические свойства
7. Применение
8. Физиологические свойства
9. Добыча урана в мире
10. Добыча урана в России
11. Стоимость
12. Источники информации

История

Ещё в древнейшие времена (I век до нашей эры) природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики. Исследования урана развивались, подобно порождаемой им цепной реакции. Вначале сведения о его свойствах, как и первые импульсы цепной реакции, поступали с большими перерывами, от случая к случаю. Первая важная дата в истории урана — 1789 год, когда немецкий натурфилософ и химик Мартин Генрих Клапрот восстановил извлечённую из саксонской смоляной руды 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 г. французский химик Эжен Мелькиор Пелиго (фр. Eugene-Melchior Péligot (1811—1890)) доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а оксид UO2. В 1840 г. Пелиго удалось получить настоящий уран — тяжёлый металл серо-стального цвета — и определить его атомный вес. Следующий важный шаг в изучении урана сделал в 1874 г. 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. Великий химик удвоил это значение. Через 12 лет предвидение Менделеева было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана.

Изучение урана началось с 1896 г.: французский химик Антуан Анри Беккерель случайно открыл Лучи Беккереля, которые позже Мария Кюри переименовала в радиоактивность. В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ получения чистого металлического урана. В 1899 г. 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. Чуть позже, в мае 1900 г., Поль Вийар открыл третий вид излучения — гамма-лучи.

Эрнест Резерфорд провёл в 1907 г. первые опыты по определению возраста минералов при изучении радиоактивных урана и тория [4] на основе созданной им совместно с Фредериком Содди (Soddy, Frederick, 1877—1956; Нобелевская премия по химии, 1921) теории радиоактивности. В 1913 г. Ф. Содди ввёл понятие об изотопах (от др.-греч. ἴσος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место»), а в 1920 г. предсказал, что изотопы можно использовать для определения геологического возраста горных пород. В 1928 г. Ниггот реализовал, а в 1939 г. A. O. К. Нир (Nier, Alfred Otto Carl, 1911 — 1994) создал первые уравнения для расчёта возраста и применил масс-спектрометр для разделения изотопов.

В 1938 немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман открыли непредсказанное явление, происходящее с ядром урана при облучении его нейтронами. Захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа урана 235U делится, при этом выделяется (в расчете 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. Данное открытие явилось истоком как мирного, так и военного использования внутриатомной энергии.

В 1939—1940 гг. 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

Нахождение в природе

Уранинитовая руда

Уран широко распространён в природе. Кларк урана составляет 0,0003 % (вес.), концентрация в морской воде 3 мкг/л. Количество урана в слое литосферы толщиной 20 км оценивается в 1,3×1014 т.

Основная масса урана находится в кислых породах с высоким содержанием кремния. Значительная масса урана сконцентрирована в осадочных породах, особенно обогащённых органикой. В больших количествах как примесь уран присутствует в ториевых и редкоземельных минералах (ортит, сфен CaTiO3[SiO4], монацит (La,Ce)PO4, циркон ZrSiO4, ксенотим YPO4 и др.). Важнейшими урановыми рудами являются настуран (урановая смолка), уранинит и карнотит. Основными минералами — спутниками урана являются молибденит MoS2, галенит PbS, кварц SiO2, кальцит CaCO3, гидромусковит и др.

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

Содержание урана в земной коре составляет 0,0003 %, он встречается в поверхностном слое земли в виде четырех видов отложений. Во-первых, это жилы уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO2), очень богатые ураном, но редко встречающиеся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие жилы встречаются в Заире, Канаде (Большое Медвежье озеро), Чехии и Франции. Вторым источником урана являются конгломераты ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов. Конгломераты обычно содержат достаточные для извлечения количества золота и серебра, а сопутствующими элементами становятся уран и торий. Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и Австралии. Третьим источником урана являются осадочные породы и песчаники, богатые минералом карнотитом (уранил-ванадат калия), который содержит, кроме урана, значительное количество ванадия и других элементов. Такие руды встречаются в западных штатах США. Железоурановые сланцы и фосфатные руды составляют четвертый источник отложений. Богатые отложения обнаружены в глинистых сланцах Швеции. Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, а фосфатные залежи в Анголе и Центральноафриканской Республике еще более богаты ураном. Большинство лигнитов и некоторые угли обычно содержат примеси урана. Богатые ураном отложения лигнитов обнаружены в Северной и Южной Дакоте (США) и битумных углях Испании и Чехии.

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.

Как химический элемент уран был открыт еще в 1789 г. немецким химиком М. Г. Клапротом (как оказалось впоследствии, М. Г. Клапрот получил не чистый металлический уран, а диоксид урана), назвавшим его в честь недавно обнаруженной планеты Уран. Более полувека спустя, в 1841 г., французский химик Э. М. Пелиго, применив новый способ восстановления (нагревая в платиновом тигле безводный хлорид урана, смешанного с металлическим калием), получил черный металлический порошок — металлический уран. Элемент этот был настолько неинтересен, что химики даже не дали точной его характеристики. В частности, они считали, что его атомная масса равна 120.

Обдумывая и создавая Периодическую систему, Д. И. Менделеев по всем правилам должен был поставить уран в третью группу как тяжелый аналог алюминия. Но на деле уран по своим свойствам не вписывался в эту клетку, и Д. И. Менделеев, без специального исследования, повинуясь интуиции, помещает уран в конец таблицы — туда, где он должен иметь атомную массу 240. В 1872 г. он пишет по этому поводу следующее: «Между всеми известными химическими элементами уран выделяется тем, что обладает наивысшим атомным весом… Наивысшая, из известных, концентрация массы несомого вещества,… существующая в уране… должна влечь за собой выдающиеся особенности…

Убежденный в том, что исследование урана, начиная с его природных источников, поведет еще ко многим новым открытиям, я смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особо тщательно заниматься урановыми соединениями».

Впоследствии оказалось, что Д. И. Менделеев был прав во всем. Установленная атомная масса урана равна 236,03. Уран оказался необыкновенным элементом. Лишь после выявления радиоактивных урановых соединений А. А. Беккерелем в 1896 г. и открытия вслед за этим новых радиоактивных элементов — радия и полония — (Марией и Пьером Кюри в 1898 г.) он привлек к себе пристальное внимание исследователей. Позднее французский ученый Фредерик Жолио-Кюри установил, что распад уранового ядра имеет характер взрыва, а сам процесс сопровождается выделением огромного количества энергии. Советские ученые в 1939 г. Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон установили два пути осуществления цепной ядерной реакции, а К. А. Петржак, Г. Н. Флеров в 1940 г. доказали, что в природе идет процесс самопроизвольного распада ядер урана. Все эти события предшествовали осуществлению человеком первой цепной реакции. До этих пор, хотя добывать уран начали с 1905 г., использовался он только для извлечения радия в стекольной промышленности.

Современная урановая промышленность (добыча урановой руды, ее обогащение и т. д.) начала формироваться лишь после того, когда стало ясно, что уран практически может быть источником огромного количества энергии (1 г урана дает 4,18 ГДж).

Впервые атомная энергия была использована в военных целях. В конце второй мировой войны США сбросили атомные бомбы на японские города Хиросиму и Нагасаки. С целью ликвидации монополии США на атомное оружие, в СССР была создана атомная (1949 г.), а затем водородная (1953 г.) бомбы. Однако параллельно с этим в СССР ведутся работы по использованию атомной энергии в мирных целях: под руководством академика И. В. Курчатова в 1946 г. в СССР создается первый атомный реактор, в 1954 г. под Москвой начинает вырабатывать энергию первая в мире атомная электростанция. Входят в строй и другие энергетические атомные установки — стационарные (электростанции, опреснители) и подвижные (атомоходы «Ленин» в 1959 г., «Ермак», «Арктика», «Сибирь», подводные лодки, передвижные электростанции и др.). Уже сегодня применение атомной энергетики в мирных целях целесообразно (естественно, при строгом соблюдении технологии). Удельная стоимость ядерных реакторов непрерывно снижается в связи с ростом единичной мощности агрегатов. Если первые в мире АЭС обладали мощностью в пределах одной сотни тысяч киловатт, то сейчас Ленинградская АЭС имеет четыре реактора мощностью по 1 млн. кВт., Курская АЭС — 3 млн. кВт, в Литве на АЭС функционируют реакторы мощностью по 1,5 млн. кВт.

Впервые в мире в СССР использовали ядерную энергию для теплоснабжения: на Чукотке работает Билибинская АТЭЦ. Академик Н. А. Доллежаль в 1966 г. с целью «экологической емкости» зон размещения АЭС в малонаселенных районах предложил создание крупных атомных энергокомплексов, содержащих на одной площадке группу АЭС суммарной мощностью в несколько десятков миллионов киловатт, а также сопутствующие предприятия по переработке ядерного горючего и радиоактивных отходов, иными словами, крупные территориально-производственные объединения с полным циклом использования и передела ядерного топлива.

Высказываются и альтернативные точки зрения (особенно в связи с авариями на АЭС в разных странах мира), а в некоторых странах (США, Западная Европа) наблюдается определенное сокращение капиталовложений в строительство АЭС (хотя, например, и сегодня во Франции более 60 % электроэнергии производится на АЭС). Ведутся поиски безаварийных конструкций и технологий АЭС, предлагается размещать реакторы под землей и т. д.

Одновременно разрабатывается проблема применения атомной энергии для высокотемпературных (до 1000 °С и более) технологических процессов (например, в металлургической и химической промышленностях).

Природный уран представлен тремя изотопами с массовыми числами 238 (99,28%), 235 (0,71%), 234 (0,006%); в результате ядерных реакций получаются еще 11 изотопов с массовыми числами 228—240. Уран — мягкий блестящий серебристо-белый с голубоватым оттенком металл, химически активный и легко окисляющийся на воздухе. Плотность его 19, температура плавления 1138 °С. Известно более 200 урановых и урансодержащих минералов, 100 из них имеют практическое значение. Важнейшие среди них: уранинит, или урановая смолка (оксид урана, содержащий 62—78 % металла, агрегат: черные кристаллы), настуран (оксид урана, 52—76 % металла, черные аморфные натеки), урановые черни (оксид, 81 % металла), урановые слюдки, или карнотит (56 % урана, агрегат: зеленовато-желтый налет) и торбернит (48 % урана, изумрудно-зеленые чешуйки).

До 1945 г. в добыче урана важную роль играли Чехо-Словакия (Рудные Горы), США (плато Колорадо), Бельгийское Конго (Шинколобве), Канада (Большое Медвежье озеро). После 1945 г. развернувшиеся поиски урана во всех странах мира привели к открытию других крупных месторождений. Различают собственно урановые, урано-полиметаллические, медно-урановые, золото-урановые, железо-урановые, урановованадиевые, уран-никель-кобальт-висмутовые и другие руды.

Запасы урана известны в 24 странах несоциалистического мира. Эти запасы (по классификации МАГАТЭ — обоснованно гарантированные запасы, рентабельные для разработки при цене до 80 долл. за 1 кг урана) — составляют 1,7 млн. т. Около двух третей этих запасов размещено в развитых капиталистических странах, а 5/6 их — находятся всего в 7 странах (в млн. т): в Австралии — 0,46, в ЮАР — 0,3, в Канаде — 0,15, в Нигере — 0,18, в Бразилии — 0,16, в США — 0,13, в Намибии — 0,1. Более одной трети запасов выявлено в Африке. Общие прогнозные ресурсы урана в 1986 г. составили 3,7 млн. т. Основные месторождения урана располагаются в Австралии (крупнейшее в мире медно-ураново-золотое месторождение Олимпик-Дэм в Южной Австралии с запасами до 0,6 млн. т урана, Джибалука — с запасами до 0,2 млн. т), в ЮАР (руды урана заключены в докембрийских золотоносных конгломератах Витватерсранда, с запасами 0,3 млн. т, в Канаде (Эллиот-Лейк с запасами 0,23 млн. т, Сигар-Лейк — 0,1, Ки-Лейк, Мидуэст, Раббит-Лейк), в США (плато Колорадо — 0,5 млн. т — в том числе Амброзия-Лейк, Лагуна и др., провинции бассейнов Вайоминта, в т. ч. Газ-Хилл и др.), в Нигере (Арлит, Акута, Имурарен), в Бразилии (Итатая, Лагоа-Реал), в Намибии (Россинг с запасами 0,3 млн. т, Лангер-Хайнрих), в Заире (провинция Шаба).

В настоящее время исследователи выделяют радиоактивные (урановые или ториевые) провинции — это районы, характеризующиеся повышенным содержанием радиоактивных веществ в земной коре, сопровождающиеся увеличением γ-излучения в приземном воздухе и усиленным отложением радионуклидов в тканях живых организмов. Урановые провинции известны на всех континентах. Они связаны с выходом на поверхность коренных пород (например, гранитов), обогащенных ураном (Франция — Центральный Французский массив). Ториевые провинции встречаются на побережье теплых морей и связаны с россыпями минералов тория — монацита и др. (Индия, США и др.), а также в районах месторождений тория (например, в США — Аляска, Калифорния, штаты Айдахо и Колорадо).

Производство урана в концентратах (в пересчете на металл) в 17 уранодобывающих несоциалистических странах составляет на 1986 г. около 37,5 тыс. т. Более 98 % урана производят восемь стран: Канада — почти до 12, ЮАР — до 5, США и Намибия — более 4, Австралия, Франция и Нигер — по 3, Габон — около 1. США и Великобритания широко используют уран, добываемый в других странах.

ЮАР, обладающая большими запасами и добычей урана, не только снабжает им развитые капиталистические страны, но сама с помощью США ведет работы в области ядерной энергетики. США поставляет ЮАР обогащенный уран; американские компании обслуживают ядерные реакторы в Куберге (ЮАР), западногерманские фирмы «Сименс» и другие помогли ЮАР в строительстве уранообогатительного завода в Валиндобе, «АЭГ — Телефункен» и другие фирмы поставляют расистской ЮАР электронное и электротехническое оборудование для обогащения урана. Здесь разработан новый метод обогащения урана. Тревожно, что все эти достижения в урановой промышленности ЮАР имеют явно выраженную военную направленность.

Вот примерно как выглядит структура расходов на уран для ядерного топливного цикла: снабжение ураном — 18 %, обогащение — 22 %, изготовление топливных элементов — 18 %, регенерация обработанного топлива и захоронение отходов — 52 % (!).

Оптовые цены на уран на капиталистическом рынке в середине 80-х гг. составляли в среднем 35 долл. за 1 кг U3O8.

Источник: В.Д. Войлошников, Н.А. Войлошникова. Книга о полезных ископаемых. Издательство «Недра». Москва. 1991