اطلاعات اوليه
اورانيوم يکي از عناصر شيميايي جدول تناوبي است که نماد آن ، U و عدد اتمي آن 92 مي‌باشد. اورانيوم که يک عنصر سنگين ، سمي ، فلزي ، راديواکتيو و براق به رنگ سفيد مايل به نقره‌اي مي‌باشد، به گروه آکتيندها تعلق داشته و ايزوتوپ 235 آن براي سوخت راکتورهاي هسته‌اي و سلاحهاي هسته‌اي استفاده مي‌شود. اورانيوم فلزي راديواكتيو و پرتوزاست كه در سراسر پوسته سخت زمين موجود است. اين فلز حدوداً 500 بار از طلا فراوان‌تر و به اندازه قوطي حلبي معمولي و عادي است. اورانيوم اكنون به اندازه‌اي در صخره‌ها و خاك و زمين وجود دارد كه در آب رودخانه‌ها، درياها و اقيانوس‌ها موجود است. براي مثال اين فلز با غلظتي در حدود 4 قسمت در هر ميليون (ppm4) در گرانيت وجود دارد كه 60 درصد از كره زمين را شامل مي‌شود، در كودها با غلظتي بالغ بر ppm400 و در ته‌مانده زغال‌سنگ با غلظتي بيش از ppm100 موجود است. اكثر راديو اكتيويته مربوط به اورانيوم در طبيعت در حقيقت ناشي از معدن‌هاي ديگري است كه با عمليات راديواكتيو به وجود آمده‌اند و در هنگام استخراج از معدن و آسياب كردن به جا مانده‌اند.
چند منطقه در سراسر دنيا وجود دارد كه غلظت اورانيوم موجود در آنها به قدر كافي است كه استخراج آن براي استفاده از نظر اقتصادي به صرفه و امكان‌پذير است. اين نوع مواد غليظ، سنگ معدن يا كانه ناميده مي‌شوند
معمولا اورانيوم در مقادير بسيار ناچيز در صخره‌ها ، خاک ، آب ، گياهان و جانوران از جمله انسان يافت مي‌شود.
يکي از چگالترين فلزات راديو اکتيو است که در طبيعت يافت مي شود. اين فلز در بسياري از قسمتهاي دنيا در صخره ها، خاک و حتي اعماق دريا و اقيانوس ها وجود دارد. اگر بخواهيد از ميزان موجوديت آن ايده اي بدست آوريد بايد بگوييم که ميزان وجود و پراکندگي آن از طلا، نقر يا جيوه بسيار بيشتر است.
اورانيوم در طبيعت بصورت اکسيد و يا نمک هاي مخلوط در مواد معدني (مانند اورانيت يا کارونيت) يافت مي شود. اين نوع مواد اغلب از فوران آتشفشانها بوجود مي آيند و نسبت وجود آنها در زمين چيزي معادل دو در ميليون نسبت به ساير سنگها و مواد کاني است. اين فلز به رنگ سفيد نقره اي است و کمي نرم تر از استيل بوده و تقريبآ قابل انعطاف است.
اورانيوم در سال 1789 توسط مارتين کلاپورت شيمي دان آلماني از نوعي اورانيت بنام Pitchblendeکشف شد. وجه تسميه اين فلز به کشف سياره اورانوس بازمي گردد که هشت سال قبل از آن، ستاره شناسان آنرا کشف کرده بودند.
اورانيوم يکي از اصلي ترين منابع گرمايشي در مرکز زمين است و بيش از 40 سال است که بشر براي توليد انرژي از آن استفاده مي کند.
دانشمندان معتقد هستند که اورانيوم بيش از 6.6 بيليون سال پيش در اثر انفجار يک ستاره بزرگ بوجود آمده و در منظومه شمسي پراکنده شده است.
براي درک بهتر از توانايي اورانيوم در توليد انرژي لازم است نگاهي به ساختمان اتمي اين فلز داشته باشيم.
استخراج اورانيوم
هر دو نوع حفاري و تكنيك‌هاي موقعيتي براي كشف كردن اورانيوم به كار مي‌روند، حفاري ممكن است به صورت زيرزميني يا چال‌هاي باز و روي زمين انجام شود.
در كل، حفاري‌هاي روزميني در جاهايي استفاده مي‌شود كه ذخيره معدني نزديك به سطح زمين و حفاري‌هاي زيرزميني براي ذخيره‌هاي معدني عميق‌تر به كار مي‌رود. به‌طور نمونه براي حفاري روزميني بيشتر از 120 متر عمق، نياز به گودال‌هاي بزرگي بر سطح زمين است؛ اندازه گودال‌ها بايد بزرگتر از اندازه ذخيره معدني باشد تا زماني كه ديواره‌هاي گودال محكم شوند تا مانع ريزش آنها شود. در نتيجه، تعداد موادي كه بايد به بيرون از معدن انتقال داده شود تا به كانه دسترسي پيدا كند زياد است.
حفاري‌هاي زيرزميني داراي خرابي و اخلال‌هاي كمتري در سطح زمين هستند و تعداد موادي كه بايد براي دسترسي به سنگ معدن يا كانه به بيرون از معدن انتقال داده شوند به‌طور قابل ملاحظه‌اي كمتر از حفاري نوع روزميني است.
مقدار زيادي از اورانيوم جهاني از (ISL) (In Sitaleding) مي‌آيد. جايي كه آب‌هاي اكسيژنه زيرزميني در معدن‌هاي كانه‌اي پرمنفذ به گردش مي‌افتند تا اورانيوم موجود در معدن را در خود حل كنند و آن را به سطح زمين آورند. (ISL) شايد با اسيد رقيق يا با محلول‌هاي قليايي همراه باشد تا اورانيوم را محلول نگهدارد، سپس اورانيوم در كارخانه‌هاي آسياب‌سازي اورانيوم، از محلول خود جدا مي‌شود.
در نتيجه انتخاب روش حفاري براي ته‌نشين كردن اورانيوم بستگي به جنس ديواره معدن كانه سنگ، امنيت و ملاحظات اقتصادي دارد.
در غالب معدن‌هاي زيرزميني اورانيوم، پيشگيري‌هاي مخصوصي كه شامل افزايش تهويه هوا مي‌شود، لازم است تا از پرتوافشاني جلوگيري شود.
آسياب كردن اورانيوم
محل آسياب كردن معمولاً به معدن استخراج اورانيوم نزديك است. بيشتر امكانات استخراجي شامل يك آسياب مي‌شود. هرچه جايي كه معدن‌ها قرار دارند به هم نزديك‌تر باشند يك آسياب مي‌تواند عمل آسياب‌سازي چند معدن را انجام دهد. عمل آسياب‌سازي اكسيد اورانيوم غليظي توليد مي‌كند كه از آسياب حمل مي‌شود. گاهي اوقات به اين اكسيدها كيك زرد مي‌گويند كه شامل 80 درصد اورانيوم مي‌باشد. سنگ معدن اصل شايد داراي چيزي در حدود 1/0 درصد اورانيوم باشد.
در يك آسياب، اورانيوم با عمل سنگ‌شويي از سنگ‌هاي معدني خرد شده جدا مي‌شود كه يا با اسيد قوي و يا با محلول قليايي قوي حل مي‌شود و به صورت محلول در مي‌آيد. سپس اورانيوم با ته‌نشين كردن از محلول جدا مي‌شود و بعداز خشك كردن و معمولاً حرارت دادن به صورت اشباع شده و غليظ در استوانه‌هاي 200 ليتري بسته‌بندي مي‌شود.
باقيمانده سنگ معدن كه بيشتر شامل مواد پرتوزا و سنگ معدن مي‌شود در محلي معين به دور از محيط معدن در امكانات مهندسي نگهداري مي‌شود. (معمولاً در گودال‌هايي روي زمين).
پس‌مانده‌هاي داراي مواد راديواكتيو عمري طولاني دارند و غلظت آنها كم خاصيتي سمي دارند. هرچند مقدار كلي عناصر پرتوزا كمتر از سنگ معدن اصلي است و نيمه عمر آنها كوتاه خواهد بود اما اين مواد بايد از محيط زيست دور بمانند.
تبديل و تغيير
محلول آسياب شده اورانيوم مستقيماً قابل استفاده به‌عنوان سوخت در راكتورهاي هسته‌اي نيست. پردازش اضافي به غني‌سازي اورانيوم مربوط است كه براي تمام راكتورها لازم است.
اين عمل اورانيوم را به نوع گازي تبديل مي‌كند و راه به‌دست آوردن آن تبديل كردن به هگزا فلوريد (Hexa Fluoride) است كه در دماي نسبتاً پايين گاز است.
در وسيله‌اي تبديل‌گر، اورانيوم به اورانيوم دي‌اكسيد تبديل مي‌شود كه در راكتورهايي كه نياز به اورانيوم غني شده ندارند استفاده مي‌شود.
بيشتر آنها بعداز آن كه به هگزافلوريد تبديل شدند براي غني‌سازي در كارخانه آماده هستند و در كانتينرهايي كه از جنس فلز مقاوم و محكم است حمل مي‌شوند. خطر اصلي اين طبقه از چرخه سوختي اثر هيدروژن فلوريد (Hydrogen Fluoride) است.
اورانيوم را بهتر بشناسيم
اورانيم را درواقع مي توان سنگين ترين (به بيان دقيقتر چگالترين) عنصر در طبيعت ناميد. شايد بد نباشد بدانيد که در اين ميان هيدروژن سبکترين عناصر طبيعت است.
اورانيوم خالص حدود 18.7 بار از آب چگالتر است و همانند بسياري از ديگر مواد راديو اکتيو در طبيعت بصورت ايزوتوپ يافت مي شود.
بطور ساده ايزوتوپ حالت خاصي از حضور يک عنصر در طبيعت است که در هسته آن به تعداد مساوي - با عنصر اصلي - پروتون وجود دارد اما تعداد نوترون هاي آن متفاوت است. بنابراين طبق اين تعريف ساده مي توان دريافت که ايزوتوپ هاي يک عنصر عدد اتمي مشابه خود عنصر را خواهند داشت اما وزن اتمي متفاوتي دارند.
اورانيوم شانزده ايزوتوپ دارد که هريک از آنها داراي وزن اتمي خاصي هستند. حدود 99.3 درصد ازاورانيومي که در طبيعت يافت مي شود ايزوتوپ 238 (U-238) است و حدود 0.7 درصد ايزوتوپ 235 (U-235)، ساير ايزوتوپ ها بسيار نادر هستند.
در اين ميان ايزوتوپ 235 براي بدست آوردن انرژي از نوع 238 آن بسيار مهمتر است چرا که U-235 (با فراواني تنها 0.7 درصد) آمادگي آنرا دارد که تحت شرايط خاص شکافته شده و مقادير زيادي انرژي آزاد کند. به اين ايزوتوپ Fissil Uranium، به معناي اروانيوم شکافتني هم گفته مي شود و براي اين عمليات از اصطلاح شکافت هسته اي يا Nuclear Fissio استفاده مي شود.
اورانيوم نيز همانند ساير مواد راديواکتيو دچار پوسيدگي و زوال مي شود. مواد راديو اکتيو داراي اين خاصيت هستند که از خود بطور دائم ذرات آلفا و بتا و يا اشعه گاما منتشر مي کنند.
U-238 باسرعت بسيار کمي فسيل مي شود و نيمه عمر آن چيزي در حدود 4,500 ميلون سال (تقريبآ معادل عمر زمين) است.
اين موضوع به اين معني است که با فسيل شدن اورانيوم با همين سرعت کم انرژي معادل 0.1 وات براي هر يک تن اورانيوم توليد مي شود و اين براي گرم نگاه داشتن هسته زمين کافي است.
فراواني
اين عنصر از نظر فراواني در ميان عناصر طبيعي پوسته زمين در رده 48 قراردارد.
اورانيوم در طبيعت بصورت اکسيد و يا نمک‌هاي مخلوط در مواد معدني (مانند اورانيت يا کارونيت) يافت مي‌شود. اين نوع مواد اغلب از فوران آتشفشانها بوجود مي‌آيند و نسبت وجود آنها در زمين برابر دو در ميليون نسبت به ساير سنگها و مواد کاني است. اورانيوم طبيعي شامل 99/3? از ايزوتوپ 238U و 0/7? 235U است.
اين فلز در بسياري از قسمتهاي دنيا در صخره‌ها، خاک و حتي اعماق دريا و اقيانوس‌ها وجود دارد. ميزان وجود و پراکندگي آن از طلا، نقره يا جيوه بسيار بيشتر است.
خصوصيتهاي قابل توجه
اورانيوم هنگام عمل پالايش به رنگ سفيد مايل به نقره‌اي فلزي با خاصيت راديواکتيوي ضعيف مي‌باشد که کمي از فولاد نرم‌تر است. اين فلز چکش‌خار ، رساناي جريان الکتريسيته و کمي Paramagnetic مي‌باشد. چگالي اورانيوم 65% بيشتر از چگاليسرب مي‌باشد. اگر اورانيوم به‌خوبي جدا شود، بشدت از آب سرد متاثر شده و در برابر هوا اکسيد مي‌شود. اورانيوم استخراج شده از معادن ، مي‌تواند به‌صورت شيميايي به دي‌اکسيد اورانيوم و ديگر گونه‌هاي قابل استفاده در صنعت تبديل شود.
گونه‌هاي اورانيوم در صنعت
اورانيوم در صنعت سه گونه دارد:
آلفا (Orthohombic) که تا دماي 667.7 درجه پايدار است.
بتا (Tetragonal) که از دماي 667.7 تا 774.8 درجه پايدار است.
گاما (Body-centered cubic) که از دماي 774.8 درجه تا نقطه ذوب پايدار است. ( اين رساناترين و چکش‌خوارترين گونه اورانيوم مي‌باشد(
دو ايزوتوپ مهم ان U235 و U238> مي‌باشند که U235 مهمترين براي راکتورهاي و سلاحهاي هسته‌اي است. چرا که اين ايزوتوپ تنها ايزوتوپي است که طبيعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترونهاي حرارتي شکافته مي‌شود. ايزوتوپ U238 نيز از اين جهت مهم است که نوترونها را براي توليد ايزوتوپ راديواکتيو جذب کرده و آن را به ايزوتوپ Pu239 پلوتونيوم تجزيه مي‌کند. ايزوتوپ مصنوعي U233 نيز شکافته شده و توسط بمباران نوتروني Thorium232 بوجود مي‌آيد.
اورانيوم اولين عنصر يافته شده بود که مي‌توانست شکافته شود. براي نمونه با بمباران آرام نوتروني ايزوتوپ U235 آن به ايزوتوپ کوتاه عمر U236 تبديل شده و بلافاصله به دو هسته کوچکتر تقسيم مي‌شود که اين عمل انرژي آزاد کرده و نوترونهاي بيشتري توليد مي‌کند.
اگر اين نوترونها توسط هسته U235 ديگري جذب شوند، عملکرد حلقه هسته‌اي دوباره اتفاق مي‌افتد و اگر چيزي براي جذب نوترونها وجود نداشته باشد، به حالت انفجاري در مي‌آيند. اولين بمب اتمي با اين اصل جواب داد (شکاف هسته‌اي). نام دقيقتر براي اين بمبها و بمبهاي هيدروژني(آميزش هسته‌اي) ، سلاحهاي هسته‌اي مي‌باشد.
کاربردها
.jpg)
|
عمومي |
نام, علامت اختصاري, شماره | Uranium, U, 92 |
گروه هاي شيميايي | اکتينيدها |
دوره, بلوک | 7 , f |
جرم حجمي, سختي | 19050 kg/m3, ND |
رنگ | سفيد نقره اي فلزي |
خواص اتمي |
وزن اتمي | 238.0289 amu |
شعاع اتميcalc. | 175 ND»pm |
شعاع کووالانسي | ND pm |
شعاع وندروالس | 186 pm |
ساختار الکتروني | Rn]7s25f26d1] |
-eبازاي هر سطح انرژي | 2,8,18,32,21,9,2 |
درجه اکسيداسيون (اکسيد( | 5 باز ضعيف |
ساختار کريستالي | اورتورومبيک |
خواص فيزيکي |
حالتماده | جامد (مغناطيسي) |
نقطه ذوب | 1405 °F |
نقطه جوش | 2070( K(7473 °F |
حجم مولي | 12.49 ?»10-6 ««متر مکعب برمول |
گرماي تبخير | 477 kJ/mol |
گرماي هم‌جوشي | 15.48 kJ/mol |
فشاربخار | ND Pa at 2200 K |
سرعت صوت | 3155 m/s at 293.15 K |
متفرقه |
الکترونگاتيويته | 1.38 درجه پائولينگ |
ظرفيت گرمايي ويژه | 120 J/kg·K |
رسانايي الکتريکي | 3.8 106/m اهم |
رسانايي گرمايي | 27.6 W/m·K) |
1st پتانسيل يونيزاسيون | 597.6 kJ/mol |
2nd پتانسيل يونيزاسيون | 1420 kJ/mol |
پايدارترين ايزوتوپها |
iso | NA | نيمه عمر | DM | DE MeV | DP | 232U | {syn.} | 68.9 y | ? & SF | 5.414 | 228Th | 233U | {syn.} | 159,200 y | SF & ? | 4.909 | 229Th | 234U | 0.006% | 245,500 y | SF & ? | 4.859 | 230Th | 235U | 0.72% | 7.038 E8 y | SF & ? | 4.679 | 231Th |
|
|
|