Властивості урану

УРАН (Uranium; від назв. Планети Уран), U – радіоактивний хім. елемент III групи періодичної системи елементів; ат. н. 92, ат. м. 238,029; відноситься до актиноїдів. Сріблясто-білий блискучий метал. У з’єднаннях виявляє ступеня окислення від +2 до +6, найбільш характерні +4 і +6.

Природний Уран складається з ізотопів 238U (99,282%), 235U (0,712%) і 234U (0,006%). Серед штучних ізотопів практичне значення має ізотоп 233U. У. в виді окислу U02 відкрив (+1789) нем. хімік коду.-г Клапрот. Металевий уран отримав (1841) франц. хімік Е.-М. Пелиго. З 40-х рр. 20 в. У. набув значення як джерело ядерної енергії, що виділяється в процесі ділення його атомів при захопленні нейтронів; цим св-вом володіють ізотопи 235U і 233U. Ізотоп 238U при захопленні нейтронів перетворюється на плутоній (239Рu), к-рий також є ядерним пальним. Вміст урану в земній корі 0,3-0,0004%. Головним його мінералом є різновид уранітом – настуран (уранова смолка) (40-76% U). У малих кількостях уран міститься в гранітах (0,0004%), в грунтах (0,0001 -0,00004%) і водах (~ 10-8%).

Відомі три його аллотропические модифікації: альфа-уран з ромбічної кристалічною решіткою і з періодами а = 2,8541 А, b = 5,8692 А і с = 4,9563 А (т-ра 25 ° С), к-рий переходить при т-рі 667,7 ° С в бета-уран з тетрагональної кристалічною решіткою і з періодами а = 10,759 А і с = 5,656 A (т-ра 720 ° С); вище т-ри 774,8 ° С стійкий гамма-уран з об’емноцентрі-рова кубічної, гратами і з періодом а = 3,524 А (т-ра 805 ° С).

Щільність альфа-урану при кімнатній т-рі 19,05 г / см3; tпл 1132 ° С; tкип 3820 ° С (тиск 1 ат). Теплоти перетворень альфа ⇄бета, бета ⇄ гамма, плавлення і випаровування уран відповідно ~ 0,70; 1,15; 4,75 і 107-117 ккал / моль. Теплоємність с = 6,4 кал / моль (т-ра 25 ° С). Середній коеф. термічного розширення альфа-урану по осях a, b і з в інтервалі т-р 20-500 ° С відповідно 32,9; -6,3 І 27,6 • 10-6 град-1. Коефіцієнт теплопровідності урану при кімнатній т-рі ~ 0,06 кал / см • сек • град і збільшується з ростом т-ри. Електричний опір альфа-урану залежить від кристалографічного напрямку; усереднена його величина уран полікристалічного зразка високої чистоти ~ 30 мком х см при кімнатній т-рі і збільшується до ~ 54 мком х см при т-рі 600 ° С. У альфа-урану спостерігається також анізотропія модуля Юнга. У полікристалічного альфа-урану модуль Юнга 2,09 x 10 4 кгс / мм2; модуль зсуву 0,85 x 10 4 кгс / мм2; коеф. Пуассона 0,23. Твердість альфа-урану при кімнатній т-рі HV = 200, але знижується до 12 при т-рі 600 ° С.

При переході з альфа- в бета-уран твердість збільшується від ~ 10 до ~ 30. Межа міцності на розтяг відпаленого альфа-урану (0,02% С) при т-рі 20 ° С складає ~ 42 кгс / мм2, збільшується до 49 кгс / мм2 при т-рі 100 9 С і потім майже лінійно знижується до ~ 11 кгс / мм2 з підвищенням т-ри до 600 ° С. При т-рі 20 ° С межа плинності, відносне подовження і відносне звуження відповідно 26 кгс / мм2, 8 і 11%, а при т-рі 600 ° С – 9 кгс / мм2, 26 і 65%. Збільшення вмісту вуглецю від 0,01 до 0,20% підвищує межі міцності і текучості σ0,2 відповідно від 37 і 24 до 52 і 32 кгс / мм2. Усі механічні характеристики уран істотно залежать від наявності домішок і попередньої обробки.

Повзучість урану особливо залежить від циклічних змін т-ри, що пов’язано з додатковими термічними напруженнями, що виникають через великої різниці коеф. термічного розширення за різними кристалографічних напрямах альфа-урану. Ударна в’язкість альфа-урану (0,03% С), невисока при т-рах 20 і 100 ° С (відповідно 1,4 і 2,3 кгс-м / см2), збільшується майже лінійно до 11,7 кгс-м / см2 при т-рі 500 ° С. Характерною особливістю є подовження прутків полікристалічного альфа-урану з текстурою [010] уздовж осі під впливом повторюваних нагрівання та охолодження.
При розподілі атомів урану утворюються ксенон і криптон, нерозчинні в урані, що призводить до розпухання металу (вельми небажаного для ядерного пального). Навіть при кімнатній т-рі уран окислюється в сухому повітрі з утворенням тонкої окисної плівки, при нагріванні до т-ри 200 ° С утворюється окалина двоокису U02, при т-рі 200-400 ° С – U308, при більш високій т-рі – U03 (точніше – тверді розчини на основі цих окислів). Швидкість окислення мала при т-рі 50 ° С і дуже велика при т-рі 300 ° С. З азотом уран повільно взаємодіє нижче т-ри 400 ° С, але досить швидко при т-рі 750-800 ° С. Взаємодія з воднем протікає вже при кімнатній т-рі з утворенням гідриду UH3.

У воді при т-рі до 70 ° С на урані утворюється плівка двоокису, що надає захисну дію; при т-рі 100 ° С взаємодія істотно прискорюється. Для здобуття В. його руди збагачують мокрим хім. способом, вищелачівая сірчаної к-тій в присутності окислювача – двоокису марганцю. З сірчанокислого розчину урану екстрагують органічними розчинниками або виділяють фенольними смолами. Отриманий концентрат розчиняють в азотній к-ті. Утворений при цьому нітрат уранілу U02 (N03) 2 витягають, напр., Бутілфосфатом і після звільнення від останнього розкладають з’єднання В. при т-рі 500-700 ° С. Отримані окисли U308 і U03 високої чистоти відновлюють воднем при т-рі 600- 800 ° С до двоокису U02.

Металевий уран отримують металотермічним відновленням (кальцієм або магнієм) двоокису U02 або тетрафторида урану UF4, попередньо одержуваного з двоокису дією безводного фтористого водню при т-рі 500 ° С. Останній метод більш поширений, дозволяє отримувати злитки високої чистоти (0,0045% Fe, 0,001% Si, 0,003% С) і масою більше тонни. Металевий уран отримують також електролізом в соляних ваннах, що містять UF4, при т-рі 800- 1200 ° С. Чернової уран зазвичай піддають рафінуючі плавці (т-ра 1450-1600 ° С) в графітових тиглях, у високочастотних вакуумних печах з розливанням у графітові виливниці.

Малі дослідні зразки деформують куванням в альфа-стані, її ж застосовують, поряд з пресуванням в альфа- або гамма-стані, для деформування великих злитків. Холодна прокатка підвищує міцнісні характеристики урану, твердість при обтисненні на 40%, збільшує HV від 235 до 325. Зняття наклепу настає в основному при т-рі 350-450 ° С в металі технічної чистоти і супроводжується в цих умовах рекристалізацією; вторинна, збірна рекристалізація розвивається при т-рі 600-650 ° С. Охолодження урану у воді або маслі з бета- або гамма-стани не пригнічує утворення альфа-фази, але подрібнює зерно альфа-урану, особливо за наявності домішок. Металевий У., сплави па його основі і двоокис В. використовують як ядерне пальне.

Посилання на основну публікацію