В природе этот металл встречается в виде нескольких изотопов, наиболее распространённые – U-238 (99,27%) и U-235 (0,72%). Первый применяется в производстве брони и обеднённых боеприпасов, второй – в ядерных реакторах и оружии. Третий, U-234, присутствует в следовых количествах, но играет роль в радиоактивном распаде.
Плотность материала – 19,1 г/см³, что выше, чем у свинца. Температура плавления достигает 1132°C, кипения – 4131°C. В чистом виде он серебристо-белый, но быстро окисляется на воздухе, покрываясь тёмной плёнкой. Растворим в азотной и соляной кислотах, но не реагирует с щелочами.
Основные месторождения сосредоточены в Казахстане, Канаде и Австралии. Добыча ведётся открытым или шахтным способом, после чего руду обогащают до желтого кека (U3O8). Для энергетики используют топливные таблетки из диоксида, спрессованные при высоком давлении.
Радиоактивность обусловлена альфа-излучением с периодом полураспада 4,5 млрд лет для U-238. Защита требует свинцовых экранов или бетонных барьеров толщиной от 10 см. Работа с материалом требует соблюдения норм радиационной безопасности: предельная концентрация в воздухе – 0,2 мг/м³.
Химический состав и изотопы
Основной элемент – металл с атомным номером 92. В природе встречается три разновидности: U-238 (99,27%), U-235 (0,72%) и U-234 (0,0055%). Первый стабилен, второй применяется в ядерных реакторах, третий образуется при распаде U-238.
U-235 – единственный природный изотоп, способный поддерживать цепную реакцию. Для энергетики обогащают материал до 3–5%, для оружия – до 90%. U-238 после поглощения нейтронов превращается в плутоний-239.
В соединениях проявляет степени окисления +3, +4, +5 и +6. Наиболее устойчивы оксиды UO2 и U3O8, а также фториды UF4 и UF6. Последний используется для разделения изотопов газовой диффузией.
Природные месторождения содержат примеси тория, радия, свинца. Для очистки применяют экстракцию или ионообменные смолы. Технический металл включает до 0,1% углерода, кремния и железа.
Физические и химические характеристики урана в промышленности
На воздухе поверхность быстро окисляется, образуя темный слой UO₂. Для защиты от коррозии храните слитки в инертной атмосфере или под слоем минерального масла.
Радиоактивный распад выделяет 0,1 Вт/г тепла. При проектировании хранилищ предусмотрите теплоотводящие конструкции из меди или алюминиевых сплавов.
Соляная и азотная кислоты растворяют материал с образованием U⁴⁺ и UO₂²⁺. В производстве топливных таблеток используйте концентрацию HNO₃ не ниже 8 моль/л для полного перехода в раствор.
При спекании диоксида добавляйте 5-10% оксида гадолиния для стабилизации кристаллической решетки. Это повышает термическую стабильность топлива до 2800°C.
