اورانیوم

Uranium

 

عمومی نام, علامت اختصاری, شماره Uranium, U, 92 گروه های شیمیایی اکتینید ها دوره, بلوک 7 , f جرم حجمی, سختی 19050 kg/m3, ND رنگ سفید نقره ای فلزی

خواص اتمی       وزن اتمی 238.0289 amu شعاع اتمیcalc. 175 ND(pm) شعاع کووالانسی ND pm شعاع واندروالس 186 pm ساختار الکترونی Rn]7s25f26d1] -e بازای هر سطح انرژی 2,8,18,32,21,9,2 درجه اکسیداسیون (اکسید) 5 (باز ضعیف) ساختار کریستالی اورتورومبیک

خواص فیزیکی       حالت ماده جامد نقطه ذوب 1405K ( 2912 °F  نقطه جوش 2070K (7473 °F حجم مولی 12.49 * 10-6 ««متر مکعب بر مول گرمای تبخیر 477 kJ/mol گرمای هم جوشی 15.48 kJ/mol فشار بخار ND Pa at 2200 K سرعت صوت 3155 m/s at 293.15 K

متفرقه     الکترونگاتیویته 1.38 (درجه پائولینگ) ظرفیت گرمایی ویژه 120 (J/(kg*K رسانایی الکتریکی 3.8 106/m اهم رسانایی گرمایی 27.6 W/(m·K) 1st پتانسیل یونیزاسیون 597.6 kJ/mol 2nd پتانسیل یونیزاسیون 1420 kJ/mol

پایدارترین  ایزوتوپها       iso NA نیمه عمر DM DE MeV DP 232U {syn.} 68.9 y α & SF 5.414 228Th 233U {syn.} 159,200 y SF & α 4.909 229Th 234U 0.006% 245,500 y SF & α 4.859 230Th 235U 0.72% 7.038 E8 y SF & α 4.679 231Th SI واحدهای STP استفاده شده مگر آنکه ذکر شده باشد.

 

اورانیوم یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن U و عدد اتمِی آن 92 می باشد. اورانیوم که یک عنصر سنگین، سمی، فلزی، رادیواکتیو و براق به رنگ سفید مایل به نقره ای می باشد به گروه آستیندها تعلق داشته و ایزوتوپ 235 آن برای سوخت راکتورهای هسته ای و سلاحهای هسته ای استفاده می شود. معمولاً اورانیوم در مقادیر بسیار ناچیز در صخره ها_ خاک_ آب_ گیاهان و جانوران از جمله انسان یافت می شود.

خصوصیات قابل توجه

اورانیوم هنگام عمل پالایش به رنگ سفید مایل به نقره ای فلزی با خاصیت رادیواکتیوی ضعیف می باشد که کمی از فولاد نرم تر است. این فلز چکش خوار رسانای جریان الکتریسیته و کمی Paramagnetic می باشد. چگالی اورانیوم 65% بیشتر از چگالی سرب می باشد. اگر اورانیوم به خوبی جدا شود بشدت از آب سرد متأثر شده و در برابر هوا اکسید می شود. اورانیوم استخراج شده از معادن می تواند به صورت شیمیایی به دی اکسید اورانیوم و دیگر گونه های قابل استفاده در صنعت تبدیل شود. اورانیوم در صنعت سه گونه دارد: آلفا (Orthohombic) که تا دمای 667.7 درجه پایدار است.   بتا (Tetragonal) که از دمای 667.7 تا 774.8 درجه پایدار است.   گاما (Body-centered cubic) که از دمای 774.8 درجه تا نقطه ذوب پایدار است. (این رساناترین و چکش خوارترین گونه اورانیوم می باشد.) دو ایزوتوپ مهم آن U235 و U238 می باشند که u235 مهمترین برای راکتورهای و سلاحهای هسته ای است. چرا که این ایزوتوپ تنها ایزوتوپی است که در طبیعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترونهای حرارتی شکافته می شود. ایزوتوپ u238 نیز از این جهت مهم است که نوترونها را برای تولید ایزوتوپ رادیواکتیو جذب کرده و آن را به ایزوتوپ Pu239 پلوتونیوم تجزیه می کند. ایزوتوپ مصنوعی U233 نیز شکافته شده و توسط بمباران نوترونی Thorium232 بوجود می آید. اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که می توانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ U235 آن به ایزوتوپ کوتاه عمر U236 تبدیل شده و بلا فاصله به دو هسته کوچکتر تقسیم می شود که این عمل انرژی آزاد کرده و نوترونهای بیشتری تولید می کند. اگر این نوترونها توسط هسته u235 دیگری جذب شوند عملکرد حلقه هسته ای دوباره اتفاق می افتد و اگر چیزی برای جذب نوترونها وجود نداشته باشد به حالت انفجاری در می آیند. اولین بمب اتمی با این اصل جواب داد "شکاف هسته ای" نام دقیقتر برای این بمبها و بمب های هیدروژنی "آمیزش هسته ای" سلاحهای هسته ای می باشد.

 

کاربردها

فلز اورانیوم بسیار سنگین و پرچگالی می باشد. اورانیوم خالی توسط بعضی از ارتشها برای ساخت محافظ برای تانکها و ساخت قسمتهایی از موشکها و ادوات جنگی استفاده می شود. ارتشها همچنین از اورانیوم غنی شده برای سوخت ناوگان خود و زیردریایی ها و همچنین سلاحهای هسته ای استفاده می کند. سوخت استفاده شده در راکتورهای ناوگان ایالات متحده معمولاً اورانیوم U235 غنی شده می باشد. اورانیوم موجود در سلاحهای هسته ای بشدت غنی می شوند که این مقدار بصورت تقریبی 90% می باشد. مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاههای تولید نیروی هسته ای است که در آنها سوخت U235 به میزان 2 الی 3% غنی می شود. اورانیوم تخلیه شده در هلیکوپترها و هواپیماها به عنوان وزن متقابل بر هر بار استفاده می شود. دیگر کاربردهای این عنصر عبارتند از : لعاب ظروف سفالی از مقدار کمی اورانیوم طبیعی تشکیل شده است (که داخل فرایند غنی سازی نمی شود) که این عنصر برای اضافه کردن رنگ به آن اضافه می شود.   نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم 238 آن را برای تخمین سن سنگهای آتشفشانی مناسب می سازد.   U235 در راکتورهای هسته ای Breeder به پلوتونیوم تبدیل می شود. و پلوتونیوم نیز در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار می گیرد.   استات اورانیوم در شیمی تحلیلی کاربرد دارد.   برخی از لوازم نوردهنده از اورانیوم و برخی در مواد شیمیایی عکاسی مانند نیترات اورانیوم استفاده می کنند.   معمولاً کودهای فسفاتی حاوی مقدار زیادی اورانیوم طبیعی می باشند. چراکه مواد کانی که آنها از آنجا گرفته شده اند حاوی مقدار زیادی اورانیوم می باشند.   فلز اورانیوم برای اهداف اشعه ایکس در ساخت این اشعه با انرژی بالا استفاده می شود.   این عنصر در وسایل Interial Guidance و Gyro Compass استفاده می شود.

 

تاریخچه

استفاده از اورانیوم به شکل اکسید طبیعی آن به سال 79 میلادی بر می گردد یعنی زمانی که این عنصر برای اضافه کردن رنگ زرد به سفال لعابدار استفاده شد (شیشه زرد با یک در صد اورانیوم در نزدیکی ناپل ایتالیا کشف شده است.) کشف این عنصر به شیمیدان آلمانی به نام مارتین هنریچ کلاپرس اختصاص داده شد که در سال 1789 اورانیوم را به صورت قسمتی از کانی که آن را pitchblende نامید کشف شد. نام این عنصر را بر اساس سیاره اورانوس که هشت سال قبل از آن کشف شده بود برگزیده شد. این عنصر در سال 1841 به صورت فلز جداگانه توسط eugne melchior peligot استفاده شد. در سال 1896 Henri Becquerel فیزیکدان فرانسوی برای اولین بار به خاصیت رادیو اکتیویته آن پی برد. در پروژه Manhattan نامهای Tuballoy و Oralloy برای اورانیوم طبیعی و اورانیوم غنی شده به کار برده شد. این اسامی هنوز نیز برای اورانیوم غنی شده و اورانیوم طبیعی بکار برده می شوند. در آغاز قرن بیستم تفحص و جستجو برای یافتن معادن رادیواکتیو در ایالات متحده آغاز شد. منابع رادیوم که حاوی کانی های اورانیوم نیز می بودند برای استفاده آنها در رنگ ساعت های شب نما و دیگر ابزار جستجو شدند. در طی جنگ جهانی دوم اورانیوم از نظر اهداف دفاعی اهمیت پیدا کرد. در سال 1943 Union Mines Development Corporation کنگره ای را در کلرادو به منظور استفاده ارتش از قدرت اتمی در پروژه Manhattan تشکیل داد. برای اطمینان از ذخایر کافی اورانیوم این کنگره US Atomic Enecry Act of 1946 را ایجاد و کمیسیون انرژی اتمی را بوجود آورد. در دهه 1960 ملزومات ارتش تزلزل یافت و در اواخر سال 1970دولت برنامه تهیه اورانیوم خود را کامل کرد. همزمان با همین مساله بازار دیگری بوجود آمد که در واقع همان کارخانه های نیروگاه های هسته ای اقتصادی بود.

 

ترکیبات

تترا فلوروئید اورانیوم UF4 که به نمک سبز معروف است یک محصول میانی هگزافلورید اورانیوم می باشد. هگزا فلورید اورانیوم UF6 جامد است که در دمای بالای 56 درجه سانتیگراد بخار می شود. UF6 ترکیب اورانیوم است که برای دو فرایند غنی سازی Gaseous Diffusion و Centrifuge استفاده می شود. و در صنعت با نام ساده Hex خوانده می شود. Yellowcake اورانیوم غلیظ شده است. نام این عنصر بدلیل رنگ و شکل آن در هنگام تولید می باشد اگرچه تولید امروزه Yellowcake بیشتر به رنگ سبز مایل به سیاه می گراید تا زرد. Yellowcake تقریبا 70 تا 90 درصد اکسید اورانیوم دارد (U3O8 ). Diuranate آمونیوم محصول جنبی تولید Yellowcake می باشد که رنگ آن زرد درخشان می باشد. که گاهی اوقات باعث اشتباه شده و Yellowcake نامیده می شود اما این نام درست این محصول نمی باشد.

 

پیدایش

اورانیوم عنصر طبیعی است که تقریباً در تمام سنگها_ آب و خاک به میزان کم یافت می شود. و بنظر می رسد که مقدار آن از Antimony، برلیوم، کادیوم، جیوه، طلا، نقره و تنگستن بیشتر باشد و این فراوانی در حد آرسنیک و مولیبدنیوم است. این عنصر در بیشتر کانی های اورانیومی از قبیل Pitchblende،Uraninite ،Autunite,، Uranophane, tobernite و Coffinite یافت می شود. مقدار بیشتری از اورانیوم در موادی از قبیل صخره های فسفاتی و کانیهای مانند Lignite و Monazite یافت می شود. که بیشتر برای مصارف اقتصادی از همین منابع استخراج می شود. از آنجا که اورانیوم نیمه عمر رادیو اکتیوی طولانی 4.47x109 سال برای U-238 دارد مقدار آن همیشه در زمین ثابت می ماند. بنظر می رسد که فرو پاشی اورانیوم و واکنشهای هسته ای آن با توریوم همان منبع گرمایی عظیمی است که در هسته زمین، باعث ذوب شدن قسمت خارجی هسته زمین گردیده و باعث ایجاد حرکت پوسته ای زمین می شود. معدن اورانیوم صخره ای است که تمرکزهای اورانیومی می باشد که مقدار اقتصادی آن یک تا چهار پوند اکسید اورانیوم در هر تن می باشد که تقریباً 0.05 تا 0.20 درصد اکسید اورانیوم دارد.

 

تولید و توزیع

اورانیوم اقتصادی از طریق تقلیل هالیدهای اورانیوم با خاک فلزات قلیایی تولید می شود. همچنین فلز اورانیوم می تواند از طریق عمل الکترولیز 5KUF یا Uf4 که در CaCl2 و NaCl حل شده است بدست آید. اورانیوم خالص نیز از طریق تجزیه حرارتی هالیدهای اورانیوم حاصل می شود. در سال 2001 مالکان راکتورهای هسته ای غیر نظامی آمریکا از این کشور و منابع خارجی 21300 تن اورانیوم خریداری کردند. قیمت پرداخت شده برای هر کیلوگرم اورانیوم حدوداً 26.39 دلار بود که در مقایسه با سال 1998 16% کاهش داشت. در سال 2001 ایالات متحده 1018 تن اورانیوم از 7 عملیات معدنی در غرب رود می سی سی پی تولید کرد. اورانیوم بیشتر توسط فرانسوی ها در کشورهای جهان توزیع شده است. معمولاً کشورهای بزرگتر اورانیوم بیشتری در مقایسه با کشورهای کوچکتر تولید می کنند. چراکه گسترش و توزیع اورانیوم در جهان یک شکل و یکنواخت است. کشور استرالیا ذخایر بسیار زیادی از این عنصر دارد که تقریباً 30% ذخایر دنیا را شامل می شود.

 

تولید و توزیع

اورانیوم طبیعی از 3 ایزوتوپ U-238, U-235, U-234 تشکیل شده است که U-238 فراوان ترین آنها (99.3%) می باشد. این سه ایزوتوپ رادیو اکتیو بوده که نیمه عمر آنها عبارت است از    U-235 4.5x109 سال که پایدارترین آنها می باشد. U-235 7x108 سال و U234 2.5x105 سال. ایزوتوپهای اورانیوم می توانند از هم جدا شوند تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند "غنی سازی" نام دارد. وزن U-235 برای غنی شدن باید 0.711 درصد افزایش یابد. اورانیوم 235 برای استفاده در سلاحهای هسته ای و نیروگاه های اتمی مناسب تر است . این فرایند مقادیر بسیاری اورانیوم بوجود می آورد که در U-235 تخلیه می شوند و خالصترین اورانیوم یعنی U238 اورانیوم خالی یا DU نام دارد. اگر ایزوتوپ 235 بخواهد تخلیه شود باید وزنش 0.711 درصد کم شود.

 

هشدارها

تمام ترکیبات اورانیوم سمی و رادیو اکتیو هستند. سمی بودن این عنصر می تواند کشنده باشد. در مقادیر بسیار کم خاصیت سمی بودن این عنصر به کلیه آسیب می رساند. خواص رادیواکتیوی این عنصر نیز سیستماتیک و نظام بند است. در کل ترکیبات اورانیوم به سختی جذب روده و ریه می شوند و خطرات رادیولوژیکی آن باقی می ماند. فلز خالص اورانیوم نیز خطر آتش سوزی به همراه دارد. فرد ممکن است با تنفس غبار اورانیوم در هوا یا خوردن و آشامیدن آب و غذا در معرض این عنصر قرار بگیرد. البته بیشتر این عمل از طریق خوردن آب و غذا صورت می گیرد. جذب روزانه اورانیوم در غذا 0.07 تا 1.1 میکروگرم می باشد. مقدار اورانیوم در هوا معمولاً بسیار ناچیز است. افرادی که در کنار تاسیسات هسته ای دولت و یا معادن استخراج اورانیوم زندگی می کنند بیشتر در معرض این عنصر قرار می گیرند. اورانیوم ممکن است که از طریق تنفس یا بلع و یا در موارد استثنایی از طریق شکافی روی پوست وارد بدن شود. اورانیوم توسط پوست جذب نمی شود و ذرات آلفای ساتع شده از این عنصر نمی تواند به پوست نفوذ کند. بنابر این اورانیومی که خارج از بدن باشد نمی تواند به اندازه اورانیوم داخل بدن مضر و خطرناک باشد. اگر اورانیوم به بدن وارد شود ممکن است موجب سرطان شده یا به کلیه ها آسیب برساند.