Реферат: Принцип роботи ядерного реактора

ЗНАХОДЖЕННЯ В ПРИРОДІ Уран — характерний елемент для гранітного шару й осадової оболонки земної кори. Зміст у земній корі 2,5·10-4% по масі. У морській воді концентрація урану менш 10-9 г/л, усього в морській воді утримується від 109 до 1010 тонн урану. У вільному виді уран у земній корі не зустрічається. Відомо близько 100 мінералів урану, найважливіші з них настуран U3O8, уранініт (U,Th)O2, уранова смоляна руда (містить оксиди урану перемінної сполуки) і тюямунит Ca[(UO2)2(VO4)2]·8H2O.

ОДЕРЖАННЯ Уран одержують з уранових руд, що містять 0,05-0,5% U. Витяг урану починається з одержання концентрату. Руди выщелачивают розчинами сарною, азотної кислот або лугом. В отриманому розчині завжди утримуються домішки інших металів. При відділенні від них урану, використовують розходження в їхніх окислювально-відновних властивостях. Окислювально-відновні процеси сполучать із процесами іонного обміну й екстракції.

З отриманого розчину уран витягають у виді оксиду або тетрафторида UF4, методом металлотермии:

UF4+ 2Mg = 2Mg2+ U

Уран, що утворився, містить у незначних кількостях домішки бор , кадмій і деякі інші елементи, так званих реакторних отрут. Поглинаючи нейтрони, що утворяться при роботі ядерного реактора, вони роблять уран непридатним для використання як ядерне пальне.

Щоб позбутися від домішок, металевий уран розчиняють в азотній кислоті, одержуючи уранилнитрат UO2(NO3)2. Уранилнитрат екстрагують з водного розчину трибутилфосфатом. Продукт очищення з екстракту знову переводять в оксид урану або в тетрафторид, з яких знову одержують метал.

Частина урану одержують регенерацією ядерного пального, що відробив у реакторі. Всі операції по регенерації урану проводять дистанційно.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ Уран — сріблисто-білий блискучий метал. Металевий уран існує в трьох аллотропичних модифікаціях. До 669°C стійка a-модифікація з орторомбичної ґратами, параметри а = 0,2854нм, у = 0,5869 нм і з = 0,4956 нм, щільність 19,12 кг/дм3. Від 669°C до 776°C стійка b-модифікація з тетрагональними ґратами (параметри а = 1,0758 нм, з = 0,5656 нм). До температури плавлення 1135°C стійка g-модифікація з кубічною об’ємно-центрированої ґратами ( а = 0,3525 нм). Температура кипіння 4200°C.

Хімічна активність металевого урану висока. На повітрі він покривається плівкою оксиду. Порошкоподібний уран пирофорен, при згорянні урану і термічному розкладанні багатьох його сполук на повітрі утвориться оксид урану U3O8. Якщо цей оксид нагрівати в атмосфері водню при температурі вище 500°C, утвориться диоксид урану UO2:

U3O8 + Н2 = 3UO2 + 2Н2ПРО

Якщо уранилнитрат UO2(NO3)2 нагріти при 500°C, то, розкладаючи, він утворить триоксид урану UO3. Крім оксидів урану стехиометричного сполуки UO2, UO3 і U3ПРО8, відомий оксид урану сполуки U4O9 і кілька метастабільних оксидів і оксидів перемінної сполуки.

При сплавці оксидів урану з оксидами інших металів утворяться уранати: ДО2UO4 (уранат калію), СаUо4 (уранат кальцію), Na2U2O7 (диуранат натрію).

Взаємодіючи з галогенами, уран дає галогеніди урану. Серед них гексафторид UF6 являє собою жовта кристалічна речовина, що легко сублімується навіть при слабкому нагріванні (40-60°C) і настільки ж легко гидролизующееся водою. Найважливіше практичне значення має гексафторид урану UF6. Одержують його взаємодією металевого урану, оксидів урану або UF4 із фтором або фторирующими агентами Br3, Ссl3F (фреон-11) або Ссl2F2 (фреон-12):

U3O8+ 6CCl2F2 = UF4 + 3COCl2 + CCl4 + Cl2

UF4+ F2= UF6

або

U3O8+ 9F2 = 3UF6+ 4O2

Відомі фториди і хлориди, що відповідають ступеням окислювання урану +3, +4, +5 і +6. Отримано броміди урану UBr3, UBr4 і UBr5, а також иодіди урану UI3 і UI4. Синтезовано такі оксигалогеніди урану, як UO2Cl2 UOCl2 і інші.

При взаємодії урану з воднем утвориться гідрид урану UH3, що володіє високою хімічною активністю. При нагріванні гідрид розкладається, утворити водень і порошкоподібний уран. При спіканні урану з бором виникають, у залежності від молярного відношення реагентів і умов проведення процесу, бориди UB2, UB4 і UB12.

З вуглецем уран утворить три карбіди UC, U2C3 і UC2.

Взаємодією урану з кремнієм отримані силіциди U3Si, U3Si2, USi, U3Si5, USi2 і U3Si2.

Отримано нітриди урану (UN, UN2, U2N3) і фосфіди урану (UP, U3P4, UP2). Із сіркою уран утворить ряд сульфідів: U3S5, US, US2, US3 і U2S3.

Металевий уран розчиняється в HCl і HNO3, повільно реагує з H2SO4 і H3PO4. Виникають солі, що містять катіон уранілу UO22+.

У водних розчинах існують сполуки урану в ступенях окислювання від +3 до +6. Стандартний окисний потенціал пари U(IV)/U(III) — 0,52 B, пари U(V)/U(IV) 0,38 B, пари U(VI)/U(V) 0,17 B, пари U(VI)/U(IV) 0,27. Іон U3+ у розчині хитливий, іон U4+ стабільний під час відсутності повітря. Катіон UO2+ нестабільний і в розчині диспропорціонує на U4+і UO22+. Іони U3+ мають характерне червоне фарбування, іони U4+ — зелену, іони UO22+ — жовту.

У розчинах найбільш стійкі сполуки урану в ступені окислювання +6. Усі сполуки урану в розчинах схильні до гідролізу і комплексоутворенню, найбільше сильно — катіони U4+ і UO22+.

Застосування металічного урану і його сполук використовуються в основному як ядерне пальне в ядерних реакторах. Малозбагачена суміш ізотопів урану застосовується в стаціонарних реакторах атомних електростанцій. Продукт високого ступеня збагачення — у ядерних реакторах, що працюють на швидких нейтронах. 235U є джерелом ядерної енергії в ядерній зброї. 238U служить джерелом вторинного ядерного пального — плутонію.

ФІЗІОЛОГІЧНА ДІЯ. В мікрокількостях (10-5-10-8 %) виявляється в тканинах рослин, тварин і людину. Найбільшою мірою накопичується деякими грибами і водоростями. Сполуки урану всмоктуються в шлунково-кишковому тракті (близько 1%), у легенях — 50%. Основні депо в організмі: селезінка, бруньки, кістяк, печінка, легкі і бронхо-леглегеневі лімфатичні вузли. Зміст в органах і тканинах людини і тварин не перевищує 10-7 р.

Уран і його сполуки високотоксичні. Особливо небезпечні аерозолі урану і його сполук. Для аерозолей розчинних у воді сполук урану ПДК у повітрі 0,015 мг/м3, для нерозчинних форм урану ПДК 0,075 мг/м3. При влученні в організм уран діє на всі органи, будучи загальклітинною отрутою. Молекулярний механізм дії урану зв'язаний з його здатністю придушувати активність ферментів. У першу чергу уражаються бруньки (з'являються білок і цукор у сечі, олигурія). При хронічній інтоксикації можливі порушення кровотворення і нервової системи.

ПЛУТОНІЙ (лат. Plutonium, від назви планети Плутон), Pu (читається "плутоній"), радіоактивний штучно отриманий хімічний елемент, атомний номер 94. Стабільних нуклідів не має. Відноситься до актиноидам, розташований у IIIB групі, у 7 періоді періодичної системи. Електронна конфігурація трьох зовнішніх шарів незбудженого атома 5 s 2 p 6 d 10 f 66 s 2 p 67 s2. У сполуках виявляє ступеня окислювання +3, +4 (найбільш стійка), +5, +6 і +7 (валентності III, IV, V, VI і VII).

Радіус нейтрального атома Pu 0,160 нм, іонів Pu3+ 0,0974 нм, Pu4+ 0,0896 нм, Pu 5+ 0,087 нм, Pu 6+0,081 нм. Енергія іонізації нейтрального атома 5,71 ев. Електронегативність по Полингу 1,2.

Історія відкриття

Уперше Pu одержали в 1940 американські дослідники Г. Сиборг , Э. М. Макмилан, Дж. Кеннеді й А. Валь опроміненням 238U розігнаними на прискорювачі ядрами дейтерію:

23892U + 21H = 23893Np + 21 n.

Що утвориться 238Np за рахунок швидкого --перетворення ( Т1/2 2,117 сут) дає 238Pu (a-радіоактивний, Т1/2 87,74 роки). З побоювання створення ядерної зброї в роки Другої світової війни зведення про одержання плутонію були опублікували тільки в 1946. У 1942 американські фізики одержали 239Pu опроміненням нейтронами 238U. До дійсного часу отримані 15 ізотопів Pu з масовими числами 232-246. Найбільш стійкі 244Pu (a-розпад, Т1/2 = 8,26.107 років) і 242Pu (a-розпад, Т1/2 = 3,76.105 років).

ЗНАХОДЖЕННЯ В ПРИРОДІ В природі зустрічається в незначних кількостях в уранових рудах (239Pu), він утвориться з урану під дією нейронів, джерелом яких є спонтанний розподіл ядер U і космічне випромінювання.

ОДЕРЖАННЯ В даний час плутоній (його радіонуклід 239Pu у суміші з невеликою домішкою 240Pu) одержують із продуктів опромінення урану в ядерних реакторах. При відділенні плутонію від урану і нептунія використовують розходження в стійкості ступенів окислювання +4, +5 і +6 для Pu (найбільш стійкий у розчині в ступені окислювання +4), Np (найбільш стійкий у розчині в ступені окислювання +5) і U (найбільш стійкий у розчині в ступені окислювання +6). Світове виробництво плутонію складає кілька десятків тонн у рік.

Для одержання металевого плутонію тетрафторид Pu4 або трихлорид плутонії PuCl3 відновлюють магнієм або кальцієм при нагріванні:

Pu4 + 2Са = 2Са2 + Pu

ФІЗИЧНІ І ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ Плутоній — тендітний сріблистий метал. До температури плавлення, 640°C, існує в шести поліморфних модифікаціях: a, b, g, d, d' (іноді позначається h) і e. Кожне поліморфне перетворення супроводжується перебудовою атомів плутонію в кристалічних ґратах і зміною щільності (крім перетворення модифікацій d d'). При 320-480°C плутоній не розширюється, як інші метали, а стискується.

Стійка при температурах до 122°C a-модифікація має моноклінні ґрати, з а = 0,6183 нм, у = 0,4822 нм і з = 0,1,096 нм, кут 101,79°. Щільність Pu при 20°C 19,86 кг/дм3. Температура кипіння 3352°C.

Компактний плутоній повільно окисляється на повітрі, порошок загоряється при нагріванні до 300°C. Повільно взаємодіє з водою. Легко розчиняється в соляній, фосфорній і хлорній кислотах, пасивується концентрованими сірчаною, оцтовою й азотною кислотами. У лугах не розчиняється.

Страницы: 1, 2, 3