Ուրան (տարր)

Ուրան (լատին․՝ Uranium, հին անվանումը՝ ուրանիում), տարրերի պարբերական համակարգի 7-րդ պարբերության 3-դ խմբի ռադիոակտիվ տարր, կարգահամարը՝ 92, ատոմական զանգվածը՝ 238,029։ p-տարր է, պատկանում է ակտինոիդների շարքին, ատոմի արտաքին էլեկտրոնային թաղանթների կառուցվածքն է 7s² 6d¹ 5f³։ К, L, M և N թաղանթները լրացված են։ Ուրանը սպիտակ, արծաթափայլ, կռելի մետաղ է։

92 Պրոտակտինիում ← Ուրան → Նեպտունիում Քիմիական տարրերի պարբերական համակարգ 92U
Սպիտակ, ծանր արծաթափայլ, կռելի մետաղ
Ատոմի հատկություններ
Անվանում, սիմվոլ, կարգաթիվ	Ուրան / Uranium (U), U, 92
Խումբ, պարբերություն, բլոկ	3, 7,
Ատոմային զանգված (մոլային զանգված)	238,02891(3) զ. ա. մ. (գ/մոլ)
Էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիա	[Rn] 5f3 6d1 7s2
Ատոմի շառավիղ	138 պմ
Քիմիական հատկություններ
Կովալենտ շառավիղ	142 պմ
Իոնի շառավիղ	(+6e) 80 (+4e) 97 պմ
Էլեկտրաբացասականություն	1,38 (Պոլինգի սանդղակ)
Էլեկտրոդային պոտենցիալ	U←U4+ -1,38В U←U3+ -1,66В U←U2+ -0,1В
Օքսիդացման աստիճաններ	6, 5, 4, 3
Իոնացման էներգիա (առաջին էլեկտրոն)	686,4(7,11) կՋ/մոլ (էՎ)
Պարզ նյութի թերմոդինամիկական հատկություններ
Հալման ջերմաստիճան	1405,5 Կ
Եռման ջերմաստիճան	4018 Կ
Մոլյար ջերմունակություն	27,67 Ջ/(Կ·մոլ)
Մոլային ծավալ	12,5 սմ³/մոլ
Պարզ նյութի բյուրեղային ցանց
Բյուրեղացանցի կառուցվածք	օրթոռոմբադրային
Բյուրեղացանցի տվյալներ	a=2,854 b=5,870 c=4,955
Այլ հատկություններ
Ջերմահաղորդականություն	(300 Կ) 27,5 Վտ/(մ·Կ)
CAS համար	CAS գրանցման համար?

92	Ուրան
U 238,029
5f36d17s2

Պատմություն

Ուրանի բնական միացություններն օգտագործվում են շատ վաղ ժամանակներից։ Հին Հռոմի պեղումներում գտնվել են ուրանի աղերով գունավորված ապակիներ։ Ուրանը (ՍO₂-ի տեսքով) հայտնաբերել է գերմանացի քիմիկոս Մ․ Կլապրոտը (1789)։ Մետաղական ուրանը առաջինն ստացել է ֆրանսիացի քիմիկոս Է․ Պելիգոն (1841) (անգլ.՝ E․ Peligot, 1811–1890)։

1789 թվականին գերմանացի քիմիկոս Մ. Կլապրոտը սաքսոնյան խեժահանքից առանձնացրել է դեղնավունից մինչև սև գույնի մետաղական մի նյութ և, այն համարելով ինքնուրույն տարր, անվանել է ուրան՝ 1781 թվականի հայտնաբերված համանուն մոլորակի անունով։

1841 թվականին ֆրանսիացի քիմիկոս Է. Պելիգոն պարզեց, որ Կլապրոտի ստացած նյութը ոչ թե մաքուր ուրանն է, այլ նրա թթվածնային միացությունը (UO₂), և ինքն առաջին անգամ անջատեց մոխրապողպատավուն մետաղական ուրանը։

Ուրանի մանրամասն ուսումնասիրությունն սկսվել է 1896 թվականից, երբ ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ա. Բեքերելը հայտնագործեց ճառագայթաակտիվությունը։ Նա բացահայտեց, որ, անկախ արտաքին ներգործությունից, ուրանի ատոմներն արձակում են թափանցող ճառագայթներ։ Միաժամանակ պարզվեց, որ ճառագայթման ուժգնության առումով խեժահանքն ավելի ակտիվ է, քան մաքուր ուրանը, որի պատճառը, ինչպես ցույց տվեցին Մարի և Պիեռ Կյուրիները, նրա մեջ պարունակվող ավելի ճառագայթաակտիվ տարրերի՝ այդ ժամանակ անհայտ ռադիումի և պոլոնիումի առկայությունն է։

1934 թվականին իտալացի ֆիզիկոս Է. Ֆերմին ուրանի ատոմները նեյտրոններով ռմբակոծելիս նկատեց, որ առաջանում են նոր ճառագայթաակտիվ նյութեր, և անջատվում է հսկայական քանակության էներգիա։ Հաստատվեց նաև ուրանի ատոմի ճեղքման փաստը, միաժամանակ բացահայտվեց, որ այդ ճեղքումն ունի շղթայական բնույթ՝ կարող է ինքն իրեն շարունակվել։ Իսկ 1939 թվականին ռուս գիտնականներ Կ. Պետրժակն ու Գ. Ֆլերովը բացահայտեցին ուրանի ինքնակամ տրոհման երևույթը։

1930-ական թվականներին այդ խոշոր հայտնագործությունները դարձան միջուկային ֆիզիկայի զարգացման ու ատոմային էներգետիկայի ստեղծման հիմքը։ Մինչև ռադիոակաիվության՝ հայտնաբերումը ուրանը խիստ սահմանափակ կիրառություն ունեցող տարր էր (միացություններն օգտագործվում էին ներկեր և գունավոր ապակի ստանալու համար)։ Միջուկային տրոհումը հայտնաբերվելուց հետո ուրանը դարձավ հիմնական միջուկային վառելիք և նրա արտադրությունը խիստ աճեց (1942 թվականից)։

Այն դեռևս վաղուց օգտագործվել է մարդկանց կողմից։ Այս քիմիական տարրը մեծ նշանակություն ունի. 20-րդ դարի բոլոր խոշոր հայտնագործությունների «մասնակիցն» է, դարձել է միջուկային ֆիզիկայի և ատոմային էներգետիկայի հիմքը, հսկայական քանակությամբ էներգիա անջատելու հատկության շնորհիվ ձեռք է բերել ռազմավարական նշանակություն, ինչը մեծ ազդեցություն ունի նաև միջազգային քաղաքականության վրա։

Ուրանից են պատրաստվել 1945 թվականի ճապոնական Հիրոսիմա և Նագասակի քաղաքների վրա նետված (աշխարհում առաջին անգամ) ատոմային ռումբերը։

Բնության մեջ

²³⁵U տրոհման սխեման

Ուրանի պարունակությունը երկրակեղևում մեծ է՝ մոտ 3•10⁻⁴ %, և նրա էներգիան մոտ միլիոն անգամ գերազանցում է օգտագործվող ու մինչև այժմ հետախուզված այրվող հանքաքարերի պաշարները։ Գրանիտային շերտի և նստվածքային թաղանթի բնորոշ տարրերից է։

Նրա պարունակությունը մեծ է հրաբխային թթու ապարներում (3,5•10⁻⁴ %), կավերում և թերթաքարերում (3,2•10⁻⁴ %)։ Հայտնի են ուրանի մոտ 100 միներալներ, որոնցից արդյունաբերական նշանակություն ունեն 12-ը։ Ուրանիի պարունակությունը երկրակեղևում աստիճանաբար պակասում է, քայքայման հետևանքով անջատվող էներգիան երկրի ընդերքի ջերմության հիմնական աղբյուրն է։

Ուրանը բնության մեջ տարածված է շուրջ 200 հանքատեսակների ձևերով, որոնցից առավել հայտնի են նրա խեժահանքը (նաստուրան՝ U₃O₈, որը կոչվում է նաև ուրանի խաբուսիկ)։

Բնական ռեակտորների համար պիտանի է միայն ²³⁵U իզոտոպը, իսկ ²³⁸U -ը միջուկային վառելիք է ծառայում բարդ ռեակտորների համար։ Մաքուր ²³⁵U-ը կամ նրանով հարստացված մետաղը խառնում են մոլիբդենի հետ, որը նրան հաղորդում է ամրություն ու կայունություն, և նոր միայն այդ համաձուլվածքից պատրաստում են միջուկային ռեակտորների ձողեր։

Ի տարբերություն սովորական վառելիքի, որը հնոցներում այրվում է մինչև վերջ, միջուկային վառելիքի միայն չնչին մասն է ծախսվում, ինչը, սակայն, բավական է, որպեսզի ռեակտորի ջերմատվիչ տարրը «աղտոտվի» միջուկային ռեակցիայի ընթացքում առաջացող նյութերով (դրանք սովորաբար շատ արժեքավոր են և ոսկուց թանկ են ավելի քան տասն անգամ)։

Դրանցից անհրաժեշտ է ազատվել, հակառակ դեպքում միջուկային այրումը կդանդաղի, և ռեակտորը կհանգչի։ Բանեցված միջուկային վառելիքի մշակումը կատարվում է փակ տեխնոլոգիայով, այլապես շրջակա միջավայրը կաղտոտվի ճառագայթաակտիվ մասնիկներով, ինչը շատ վտանգավոր է ինչպես բուսական, այնպես էլ կենդանական աշխարհի և մարդկանց համար։

Մետաղական ուրանը և նրա համաձուլվածքներն օգտագործվում են որպես միջուկային վառելիք։

Ուրանի չնչին (10-5–10-8%) քանակություններ են պարունակվում բուսական և կենդանական հյուսվածքներում։ Սնկերի ու ջրիմուռների որոշ տեսակներ ուրանի կուտակիչներ են։ Ուրանը մարդու օրգանիզմ է թափանցում սննդի, ջրի հետ և արտազատվում է մեզի, կղանքի ու մազերի հետ։ Մարդու օրգանիզմում ուրանը կուտակվում է հիմնականում փայծաղում և մազերում։ Ուրանի թունավոր ներգործությունը պայմանավորված է նրա ճառագայթաակտիվությամբ և քիմիական հատկություններով։ Թունավորման հիմնական նշանները երիկամների, լյարդի, ստամոքսաղիքային համակարգի ախտահարումներն են։

Միներալ	Միներալների հիմնական կառուցվածքը	Ուրանի պարունակությունը, %
Ուրանիտ	UO2, UO3 + ThO2, CeO2	65-74
Կարնոտիտ	K2(UO2)2(VO4)2·2H2O	~50
Կազոլիտ	PbO2·UO3·SiO2·H2O	~40
Սամարսկիտ	(Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th)·(Nb, Ta, Ti, Sn)2O6	3.15-14
Բրաններիտ	(U, Ca, Fe, Y, Th)3Ti5O15	40
Թյուամունիտ	CaO·2UO3·V2O5·nH2O	50-60
Ցեյներիտ	Cu(UO2)2(AsO4)2·nH2O	50-53
Օտենիտ	Ca(UO2)2(PO4)2·nH2O	~50
Շրեկինգերիտ	Ca3NaUO2(CO3)3SO4(OH)·9H2O	25
Ուրանոֆան	CaO·UO2·2SiO2·6H2O	~57
Ֆերգյուսոնիտ	(Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O4	0.2-8
Տորբերիտ	Cu(UO2)2(PO4)2·nH2O	~50
Կոֆֆինիտ	U(SiO4)(OH)4	~50

Հանքավայրեր

Ուրանի խոշոր հանքավայրեր կան Կանադայում, Ռուսաստանում, Հարավաֆրիկյան Հանրապետությունում, ԱՄՆ-ում, Ավստրալիայում, Ֆրանսիայում։

Ռուսաստանւոմ հիմնական պաշարները կենտրոնացված են Օկտյաբրսկոեյում, Կուրգանի մարզում, Սախա-Յակուտիայի Հանրապետությունում։

№	Հանքավայրի անվանում	Երկիր	Պաշարներ	Հանքավայրի օպերատոր
1	Մակ Արտուր Ռիվեր	Կանադա	200 000	Cameco
2	Հյուսիսային Խորասան	Ղազախստան	160 000	Կազատոմպրոմ
3	Սիգար Լեյկ	Կանադա	135 000	Cameco
4	Հարավային Էլկոնսկո	Ռուսաստան	112 600	Ավտոմրեդմետոսկի
5	Ինկայ	Ղազախստան	75 900	Կազատոմպրոմ
6	Ստրելցովսկի	Ռուսաստան	50 000	Ավտոմրեդմետոսկի
7	Զոովչ Օվո	Մոնղոլիա	50 000	AREVA
8	Մոինկում	Ղազախստան	43 700	Կազատոմպրոմ, AREVA
9	Մարդայ	Մոնղոլիա	22 000	Khan Resources
10	Իրկոլ	Ղազախստան	18 900	Կազատոմպրոմ, China Guangdong Nuclear Power Co
11	Դեղին ջրեր	Ուկրաինա	-	-

Իզոտոպներ

Բնական ուրանը բաղկացած է 3 ռադիոակտիվ իզոտոպներից՝ ²³⁸Ս (99,282 %, T_1/2 = 4,51•10⁹ տարի), ²³⁵Ս(0,712 %, T_1/2= 7,13•10⁸ տարի) և ²³⁴Ս (0,006 %, T_1/2=2,48 • 10⁵ տարի), որոնք α ճառագայթիչներ են։ ²³⁸Ս–ը և ²³⁵Ս–ը բնական ռադիոակտիվ շարքերի՝ 4_ո+2 և 4_n+3 առաջին անդամներն են։ Ստացվել են ուրանի թվով 11 արհեստական իզոտոպները 227–240 զանգվածի թվերով, որոնցից ամենաերկարակյացը ²³³Ս–ն է (T_1/2= = 1,62•10⁵ տարի)։

Զանգվածային թիվ	Կյանքի տևողություն	Տրոհման հիմնական ձևերը
233	1,59×105 տարի	α
234	2,45×105 տարի	α
235	7,13×108 տարի	α
236	2,39×107 տարի	α
237	6,75 դար	β−
238	4,47×109 տարի	α
239	23,54 րոպե	β−
240	14 ժամ	β−

Ստացում

Բարձր մաքրության ուրան ստանալու համար ուրանի նիտրատը էքստրահում են և, օրգանական լուծիչը հեռացնելուց հետո, քայքայում (500–700 °C)։ Ստացվում են մաքուր օքսիդներ՝ Ս₃O₈ և ՍO₃, որոնք վերականգնում են ջրածնով (650–800 °C) մինչև ՍO₂։

Մետաղական ուրանը ստանում են այդ օքսիդը կամ, ավելի հաճախ, գազային ֆտորաջրածնով նրանից ստացված ֆտորիդը՝ UF₄, կալցիումով կամ մագնեզիումով վերականգնելով։ Երկրորդ դեպքում ստացվում են ուրանիի մինչև 1,5 տ կշռող և բարձր մաքրության (0,0045 % Fe, 0,001 % Si, 0,003 % С) ձուլածո կտորներ։

Ֆիզիկական հատկություններ

Ուրանը սպիտակ, արծաթափայլ, կռելի մետաղ է։ Առաջացնում է բյուրեղական կառուցվածքով իրարից տարբերվող 3 ալոտրոպային ձևափոխություն։ Սովորական ջերմաստիճաններում (մինչև 668,8±0,4 °С) կայուն է α-ձևը (խտությունը 19040 կգ/մ³)։ Ուրանի հալման ջերմաստիճանը 1134±l °C է, եռմանը՝ 4200 °C։ Թույլ պարամագնիսական է, 0,68 К-ում՝ գերհաղորդիչ։

²³⁵Ս–ը և ²³³Ս–ը տրոհվում են ինքնաբուխ, նաև նեյտրոններ կլանելով։ Դանդաղ նեյտրոններ կլանելիս ²³⁸Ս–ը փոխարկվում է ²³⁹Ս–ի, որը նույնպես կարևոր միջուկային վառելիք է։ Ուրանի (93,5 % ²³⁵Ս) կրիտիկական զանգվածը գնդաձև մետաղի համար 50 կգ է (անդրադարձիչների առկայությամբ՝ 15–23 կգ, ջրային լուծույթներում՝ 1 կգ)։ Քիմիական միացություններում ուրանը ցուցաբերում է +3, +4, +5, +6 և հազվադեպ՝ +2 օքսիդացման աստիճաններ։ Առավել կայուն են Ս (IV) և Ս (VI) վիճակները։

Օքսիդացման աստիճան	Օքսիդ	Հիդրօքսիդ	Բնույթ	Կառուցվածք	Ծանոթագրություն
+3	Գոյություն չունեն	Գոյություն չունեն	--	U3+, UH3	Ուժեղ վերականգնիճներ
+4	UO2	Գոյություն չունեն	հիմնական	UO2, հալոգենիդներ
+5	Գոյություն չունեն	Գոյություն չունեն	--	Հալոգենիդներ	Ջրում դիսոցվում են
+6	UO3	UO2(OH)2	ամֆոտեր	UO22+ (ուրանիլ) UO42- (ուրանատ) U2O72- դիուրանատ)	Կայուն են օդում և ջրում

Քիմիական հատկություններ

Մետաղների լարվածության շարքում ուրանը գտնվում է ջրածնից առաջ, ջրածին է դուրս մղում եռացող ջրից՝ առաջացնելով ՍO₂, և թթուներից։

Օդում դանդաղ օքսիդանում է՝ առաջացնելով ՍO₂։ Փոշեկերպ ուրանը այրվում է օդում վառ բոցով։ Թթվածնի հետ ուրանը առաջացնում է օքսիդներ՝ ՍO₂, ՍO₃, Ս₃O₈։

Տաքացնելիս ուրանը միանում է ջրածնի (220 °C), ազոտի (450–700 °C), ածխածնի (750–800 °C) հետ՝ առաջացնելով համապատասխանաբար հիդրիդ, նիտրիդներ՝ կարբիդներ։

Ֆտորի հետ ուրանը առաջացնում է (500–600 °C) քառաֆտորիդ՝ UF₄ և վեցաֆտորիդ՝ UF₆։ Ուրանը մի շարք միացություններ է առաջացնում ծծմբի հետ, որոնցից ՍS–ն օգտագործվում է որպես միջուկային վառելիք։

Մետաղների հետ Ուրանը առաջացնում է ուրանիլ իոնի՝ ՍO₂²⁺ աղեր։ Ուրանական (VI) թթուն չի անջատվել, ստացվել են նրա աղերը՝ ուրանատները (վատ են լուծվում ջրում)։ Ուրանի (IV) աղերը ջրում վատ լուծվող, կանաչ նյութեր են։ Արտադրյունաբերական նշանակություն ունեն 0,05–0,5 % ուրան պարունակող հանքերը։

Կիրառություն

Մետաղական ուրանը և նրա համաձուլվածքներն օգտագործվում են որպես միջուկային վառելիք բնական և իզոտոպների քիչ հարստացված խառնուրդները՝ ատոմական էլեկտրակայանների ռեակտորներում, բարձր հարստացվածը՝ միջուկային ուժային ռեակտորներում և միջուկային զենք պատրաստելու համար։Որանը նաև օգտագործում են կանաչ գույնի ապակու մեջ։

²³⁸Ս–ը երկրորդային միջուկային վառելիքի՝ ²³⁹Pu–ի ստացման աղբյուրն է։ Ուրանի չնչին քանակություններ՝ 10⁻⁵-10⁻⁸ % են պարունակվում կենդանական և բուսական հյուսվածքներում։ Սնկերի և ջրիմուռների որոշ տեսակներ ուրանի կուտակիչներ են։

Մարդու օրգանիզմ է ներմուծվում սննդի, ջրի հետ, արտազատվում է մեզի, կղանքի և մազերի հետ։ Մարդու օրգանիզմում ուրանը կուտակվում է առավելապես փայծաղում և մազերում։ Ուրանի թունավոր ներգործությունը պայմանավորված է նրա ռադիոակտիվությամբ և քիմիական հատկություններով, հատկապես թունավոր են ուրանի լուծելի միացությունները (ուրանիլներ և այլն)։ Թունավորման հիմնական նշանները երիկամների ախտահարումն է (սպիտակուցի և շաքարի առկայություն մեզում, այնուհետև՝ սակավամիզություն)։

Ախտահարվում են նաև լյարդը և ստամոքսաաղիքային համակարգը։ Ուրանը արտահանող և վերամշակող ձեռնարկություններում ուրանով և նրա միացություններով թունավորումը կանխարգելելու համար կիրառվում է անընդհատ տեխնոլոգիա, օգտագործվում են հերմետիկ սարքավորումներ։

Կարևոր են օդային միջավայրի աղտոտման կանխումը, թափվող արտադրյունաբերական ջրերի մաքրումը։ Օրենսդրական հիմունքներով իրականացվում է աշխատողների բժշկական զննում, ուրանի և նրա միացությունների պարունակության թույլատրելի քանակների առկայության հսկում շրջակա միջավայրում։

Ուրանի համաշխարհային պաշարներ

U պաշարները ըստ երկրների, տոննաներով 2005, 2009 և 2012 թվականներին

№	Երկիր	2005 թվական	Երկիր	2009 թվական	Երկիր	2012 թվական
1	Կանադա	11 628	Ղազախստան	14 020	Ղազախստան	19 451
2	Ավստրալիա	9516	Կանադա	10 173	Կանադա	9145
3	Ղազախստան	4020	Ավստրալիա	7982	Ավստրալիա	5983
4	Ռուսաստան	3570	Նամիբիա	4626	Նիգեր	4351
5	Նամիբիա	3147	Ռուսաստան	3564	Նամիբիա	3258
6	Նիգեր	3093	Նիգեր	3234	Ուզբեկստան	3000
7	Ուզբեկստան	2300	Ուզբեկստան	2429	Ռուսաստան	2993
8	ԱՄՆ	1039	ԱՄՆ	1453	ԱՄՆ	1537
9	Ուկրաինա	800	Չինաստան	1200	Չինաստան	1500
10	Չինաստան	750	Ուկրաինա	840	Ուկրաինա	890

Պաշարները ըստ ընկերությունների 2006, 2009 և 2011 թվականներին

№	Երկիր	Ընկերություն	2006 թվական	Երկիր	Ընկերություն	2009 թվական	Երկիր	Ընկերություն	2011 թվական
1	Կանադա	Cameco	8 100	Ֆրանսիա	Areva	8 600	Ղազախստան	KazAtomProm	8 884
2	Ավստրալիա Կաղապար:Դրոշավորում/Մեխ Բրիտանիա	Rio Tinto	7 000	Կանադա	Cameco	8 000	Ֆրանսիա	Areva	8 790
3	Ֆրանսիա	Areva	5 000	Ավստրալիա Միացյալ Թագավորություն	Rio Tinto	7 900	Կանադա	Cameco	8 630
4	Ղազախստան	KazAtomProm	3 800	Ղազախստան	KazAtomProm	7 500	Ռուսաստան	ARMZ	7 088
5	Ռուսաստան	ARMZ	3 500	Ռուսաստան	ARMZ	4 600	Ավստրալիա Միացյալ Թագավորություն	Rio Tinto	4 061
6	Ավստրալիա Միացյալ Թագավորություն	BHP Billiton	3 000	Ավստրալիա Միացյալ Թագավորություն	BHP Billiton	2 900	Ավստրալիա Միացյալ Թագավորություն	BHP Billiton	3 353
7	Ուզբեկստան	Navoi	2 100	Ուզբեկստան	Navoi	2 400	Ուզբեկստան	Navoi	3 000
8	Կանադա	Uranium One	1 000	Կանադա Ռուսաստան	Uranium One	1 400	Ավստրալիա	Paladin Energy	2 282
9	Ավստրալիա	Heathgate	800	Ավստրալիա	Paladin Energy	1 200	Նիգերիա	SOPamin	-
10	Կանադա	Denison Mines	500	ԱՄՆ	General Atomics	600	Չինաստան	CNNC	-

Տես նաև

• Պարբերական աղյուսակ
• Ուրանի հանքանյութեր
• Միջուկային վառելիք
• Միջուկային ռեակտոր

Արտաքին հղումներ

• Ուրանի մասին դասարան․ամ կայքում Արխիվացված 2016-09-04 Wayback Machine
• Ուրանը Webelements-ում
• Ուրանը քիմիական տարրերի հայտնի գրադարանում Արխիվացված 2012-01-14 Wayback Machine
• Nuclear Weapons Frequently Asked Questions
• Ռուսաստանը ԱՄՆ-ին վաճառեց ուրանի միջուկային պաշարների զգալի մասը Արխիվացված 2014-08-21 Wayback Machine