Уран (элемент)

Уран
← Протактиний | Нептуний →
92 Nd ↑ U ↓ (Uqh) 92U
Внешний вид простого вещества
Образец урана
Свойства атома
Название, символ, номер	Уран / Uranium (U), 92
Группа, период, блок	3, 7, f-элемент
Атомная масса (молярная масса)	238,02891(3)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Rn] 5f36d17s2
Радиус атома	138 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	196 пм
Радиус Ван-дер-Ваальса	186 пм
Радиус иона	(+6e) 80 (+4e) 97 пм
Электроотрицательность	+1,38 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	U←U4+ −1,38 В U←U3+ −1,66 В U←U2+ −0,1 В
Степени окисления	+2, +3, +4, +5, +6[2]
Энергия ионизации (первый электрон)	686,4(7,11) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	19,05 г/см³
Температура плавления	1405,5 (1132,2 °C)
Температура кипения	4404,2 (4131 °C)
Мол. теплота плавления	12,6 кДж/моль
Мол. теплота испарения	417 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	27,67[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём	12,5 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Орторомбическая
Параметры решётки	a = 2,854 Å; b = 5,870 Å; c = 4,955 Å[3]
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 27,5 Вт/(м·К)
Скорость звука	3155 м/с
Номер CAS	7440-61-1
Эмиссионный спектр
Наиболее долгоживущие изотопы
Основная статья: Изотопы урана Изотоп Распростра- нённость Период полураспада Канал распада Продукт распада 232U синт. 68,9 года СД – α 228Th 233U следовые количества 1,592⋅105 лет СД – α 229Th 234U 0,005% 2,455⋅105 лет СД – α 230Th 235U 0,720% 7,04⋅108 лет СД – α 231Th 236U следовые количества 2,342⋅107 лет СД – α 232Th 238U 99,274% 4,468⋅109 лет α 234Th СД – β−β− 238Pu

Ура́н (U, лат. Uranium; устар. название — ура́ний^[4]) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 92.

Относится к семейству актиноидов.

Простое вещество уран — слаборадиоактивный металл серебристо-белого цвета.

Уран — радиоактивный элемент, он не имеет стабильных изотопов. Самыми распространёнными изотопами урана являются уран-238 (имеет 146 нейтронов, период полураспада 4,47⋅10⁹ лет, в природном уране составляет 99,2742 %) и уран-235 (143 нейтрона, период полураспада 7,13⋅10⁸ лет, содержание в природном уране 0,7204 %^[5]).

Ещё в древнейшие времена природный оксид урана использовался для изготовления жёлтой посуды. Так, возле Неаполя после извержения Везувия найден осколок жёлтого стекла, содержащий 1 % оксида урана и датируемый 79 годом н. э.^[6]

Первая важная дата в истории урана — 1789 год, когда немецкий натурфилософ и химик Мартин Генрих Клапрот восстановил извлечённую из саксонской руды настурана золотисто-жёлтую «землю» до чёрного металлоподобного вещества. В честь самой далёкой из известных тогда планет (открытой Гершелем восемью годами раньше) в 1781 году Клапрот, считая новое вещество элементом, назвал его ураном (этим он хотел поддержать предложение Иоганна Боде назвать новую планету «Уран» вместо «Звезда Георга», как предложил Гершель). Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом. Только в 1841 году французский химик Эжен Пелиго (1811—1890) доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а оксид UO₂. В 1840 году Пелиго удалось получить простое вещество уран — тяжёлый металл серо-стального цвета — и определить его атомный вес. Следующий важный шаг в изучении урана сделал в 1874 году Д. И. Менделеев. Опираясь на разработанную им периодическую систему, он поместил уран в самой дальней клетке своей таблицы. Прежде атомный вес урана считали равным 120. Менделеев удвоил это значение. Через 12 лет его предвидение было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана (J. Zimmermann)^[7].

В 1804 году немецкий химик Адольф Гелен открыл светочувствительность раствора хлорида уранила в эфире^[8]; это свойство французский изобретатель Абель Ньепс де Сен-Виктор в 1857 году пытался использовать в фотографии, однако обнаружил, что соли урана испускают некое невидимое излучение, экспонирующее светочувствительные материалы; на тот момент это наблюдение осталось незамеченным.

В 1896 году, исследуя уран, французский учёный Антуан Анри Беккерель случайно открыл радиоактивный распад. В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ получения чистого металлического урана. В 1899 году Эрнест Резерфорд обнаружил, что излучение урановых препаратов неоднородно, что есть два вида излучения — альфа- и бета-лучи. Они несут различный электрический заряд; далеко не одинаковы их пробег в веществе и ионизирующая способность. В мае 1900 года Поль Вийяр открыл третий вид излучения — гамма-лучи.

Резерфорд провёл в 1907 году первые опыты по определению возраста минералов при изучении радиоактивных урана и тория на основе созданной им совместно с Фредериком Содди теории радиоактивности.

В 1938 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман открыли непредсказанное явление, происходящее с ядром урана при облучении его нейтронами. Захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа урана ²³⁵U делится, при этом выделяется (в расчёте на одно ядро урана) достаточно большая энергия, в основном в виде кинетической энергии осколков и излучения. Позднее теория этого явления была обоснована Лизой Мейтнер и Отто Фришем и независимо от них Готтфридом фон Дросте и Зигфридом Флюгге^[9]. Данное открытие явилось истоком как мирного, так и военного использования внутриатомной энергии.

В 1939—1940 годах химик и физик-ядерщик Ю. Б. Харитон и его ассистент Я. Б. Зельдович впервые теоретически показали, что при небольшом обогащении природного урана ураном-235 можно создать условия для непрерывного деления атомных ядер, то есть придать процессу цепной характер.

2 декабря 1942 года в США была экспериментально доказана гипотеза о возможности процесса превращения урана в плутоний.

Полная электронная конфигурация атома урана: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶5f³6d¹7s².

Уран — очень тяжёлый, слабо радиоактивный глянцевитый металл серебристо-белого цвета. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Температура плавления 1132,3 °C^[10][11]. Уран имеет три кристаллические модификации:

• α-U (стабильна до 667,7 °C), ромбическая сингония, пространственная группа C mcm, параметры ячейки a = 0,2858 нм, b = 0,5877 нм, c = 0,4955 нм, Z = 4;
• β-U (стабильна от 667,7 °C до 774,8 °C), тетрагональная сингония, пространственная группа P 4₂/mnm, параметры ячейки a = 1,0759 нм, c = 0,5656 нм, Z = 30;
• γ-U (существует от 774,8 °C до точки плавления при 1132,2 °C), кубическая сингония (объёмно-центрированная решётка), пространственная группа I m3m, параметры ячейки a = 0,3524 нм, Z = 2.

Уран как химический элемент имеет следующие свойства^[12][13]:

Уран может проявлять в водных растворах степени окисления от +3 до +6, вне контакта с водой наблюдается также степень окисления +2^[2]. Наиболее характерны степени окисления +4 и +6.

Кроме того, существует оксид U₃O₈. Степень окисления в нём формально дробная, а реально он представляет собой смешанный оксид урана(IV) и (VI).

Нетрудно видеть, что по набору степеней окисления и характерных соединений уран близок к элементам 6-й (VIB) подгруппы (хрому, молибдену, вольфраму). Из-за этого его длительное время относили к этой подгруппе («размывание периодичности»).

Химически уран весьма активен. Он быстро окисляется на воздухе и покрывается радужной плёнкой оксида. Мелкий порошок урана пирофорен — самовоспламеняется на воздухе, он загорается при температуре 150—175 °C, образуя U₃O₈. Реакции металлического урана с другими неметаллами приведены в таблице.

Взаимодействует с водой, вытесняя водород, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана:

${\displaystyle {\mathsf {U+2H_{2}O\ {\xrightarrow {t}}\ UO_{2}+2H_{2}\uparrow }}}$

В кислотах-неокислителях уран растворяется, образуя UO₂ (на воздухе) или соли U⁴⁺ (при этом выделяется водород). С кислотами-окислителями (азотной, концентрированной серной) уран образует соответствующие соли уранила UO₂²⁺.

С растворами щелочей уран не взаимодействует.

При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.

Соли урана(III) (преимущественно галогениды) — восстановители. На воздухе при комнатной температуре они обычно устойчивы, однако при нагревании окисляются до смеси продуктов. Хлор окисляет их до UCl₄. Образуют неустойчивые растворы красного цвета, в которых проявляют сильные восстановительные свойства:

${\displaystyle {\mathsf {4UCl_{3}+2H_{2}O\rightarrow 3UCl_{4}+UO_{2}+2H_{2}\uparrow }}}$

Галогениды урана(III) образуются при восстановлении галогенидов урана(IV) водородом:

${\displaystyle {\mathsf {2UCl_{4}+H_{2}\rightarrow 2UCl_{3}+2HCl}}}$ (550—590 °C)

или иодоводородом:

${\displaystyle {\mathsf {2UCl_{4}+2HI\rightarrow 2UCl_{3}+2HCl+I_{2}}}}$ (500 °C)

а также при действии галогеноводорода на гидрид урана UH₃.

Кроме того, существует гидрид урана(III) UH₃. Его можно получить, нагревая порошок урана в водороде при температурах до 225 °C, а выше 350 °C он разлагается. Бо́льшую часть его реакций (например, реакцию с парами воды и кислотами) можно формально рассматривать как реакцию разложения с последующей реакцией металлического урана:

${\displaystyle {\mathsf {UH_{3}+3HCl\rightarrow UCl_{3}+3H_{2}\uparrow }}}$

${\displaystyle {\mathsf {2UH_{3}+7Cl_{2}\rightarrow 2UCl_{4}+6HCl}}}$

Уран(IV) образует легко растворимые в воде соли зелёного цвета (исключение составляют оксалаты и карбонаты). Они легко окисляются до урана(VI).

Соединения урана(V) неустойчивы и легко диспропорционируют в водном растворе:

${\displaystyle {\mathsf {2UO_{2}Cl\rightarrow UO_{2}Cl_{2}+UO_{2}}}}$

Хлорид урана V при стоянии частично диспропорционирует:

${\displaystyle {\mathsf {2UCl_{5}\rightarrow UCl_{4}+UCl_{6}}}}$

а частично отщепляет хлор:

${\displaystyle {\mathsf {2UCl_{5}\rightarrow 2UCl_{4}+Cl_{2}}}}$

Степени окисления +6 соответствует оксид UO₃. В кислотах он растворяется с образованием соединений катиона уранила UO₂²⁺:

${\displaystyle {\mathsf {UO_{3}+2CH_{3}COOH\rightarrow UO_{2}(CH_{3}COO)_{2}+H_{2}O}}}$

C основаниями UO₃ (аналогично CrO₃, MoO₃ и WO₃) образует различные уранат-анионы (в первую очередь, диуранат U₂O₇^2-). Последние, однако, чаще получают действием оснований на соли уранила:

${\displaystyle {\mathsf {2UO_{2}(CH_{3}COO)_{2}+6NaOH\rightarrow Na_{2}U_{2}O_{7}+4CH_{3}COONa+3H_{2}O}}}$

Из соединений урана(VI), не содержащих кислород, известны только гексахлорид UCl₆ и фторид UF₆. Последний играет важнейшую роль в разделении изотопов урана.

На воздухе и в водных растворах наиболее устойчивы среди соединений урана именно соединения урана(VI).

Ураниловые соли, такие, как уранилхлорид, распадаются на ярком свету или в присутствии органических соединений.

Уран также образует ураноорганические соединения.

Радиоактивные свойства некоторых изотопов урана (жирным выделены природные изотопы)^[14]:

Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: ²³⁸U (изотопная распространённость 99,2745 %, период полураспада T_1/2 = 4,468⋅10⁹ лет), ²³⁵U (0,7200 %, T_1/2 = 7,04⋅10⁸ лет) и ²³⁴U (0,0055 %, T_1/2 = 2,455⋅10⁵ лет)^[14]. Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда ²³⁸U^[15].

Радиоактивность природного урана обусловлена в основном изотопами ²³⁸U и его дочерним нуклидом ²³⁴U. В равновесии их удельные активности равны. Удельная активность изотопа ²³⁵U в природном уране в 21 раз меньше активности ²³⁸U.

На данный момент известно 25 искусственных радиоактивных изотопов урана с массовыми числами от 214 до 242. Наиболее важный из них — ²³³U (T_1/2 = 1,59⋅10⁵лет), он получается при облучении тория-232 нейтронами и способен к делению под воздействием тепловых нейтронов, что делает его перспективным топливом для ядерных реакторов. Наиболее долгоживущим из изотопов урана, не встречающихся в природе, является ²³⁶U с периодом полураспада 2,39⋅10⁷ лет.

Изотопы урана ²³⁸U и ²³⁵U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов. Конечными элементами этих рядов являются изотопы свинца ²⁰⁶Pb и ²⁰⁷Pb.

В природных условиях распространены в основном изотопы ²³⁴U, ²³⁵U и ²³⁸U с относительным содержанием ²³⁴U : ²³⁵U : ²³⁸U = 0,0054 : 0,711 : 99,283. Почти половина радиоактивности природного урана обусловлена изотопом ²³⁴U, который, как уже отмечено, образуется в ходе распада ²³⁸U. Для отношения содержаний ²³⁵U : ²³⁸U, в отличие от других пар изотопов и независимо от высокой миграционной способности урана, характерно географическое постоянство: ²³⁸U/²³⁵U = 137,88. Величина этого отношения в природных образованиях не зависит от их возраста. Многочисленные натурные измерения показали его незначительные колебания. Так, в роллах величина этого отношения относительно эталона изменяется в пределах 0,9959—1,0042^[16], в солях — 0,996—1,005^[17]. В урансодержащих минералах (настуран, урановая чернь, циртолит, редкоземельные руды) величина этого отношения колеблется в пределах 137,30—138,51, причём различие между формами U^IV и U^VI не установлено^[18]; в сфене — 138,4^[19]. В отдельных метеоритах выявлен недостаток изотопа ²³⁵U. Наименьшая его концентрация в земных условиях найдена в 1972 году французским исследователем Бужигесом в местечке Окло в Африке (месторождение в Габоне). Так, в природном уране содержится 0,720 % урана ²³⁵U, а в Окло оно составляет 0,557 %^[20]. Это послужило подтверждением гипотезы о существовании природного ядерного реактора, который стал причиной выгорания изотопа ²³⁵U. Гипотеза была высказана американскими учёными Джорджем Ветриллом^[англ.], Марком Ингрэмом^[англ.] и Полом Курода, ещё в 1956 г. описавшим процесс^[21]. Кроме этого, в этих же округах найдены природные ядерные реакторы: Окелобондо, Бангомбе (Bangombe) и другие. В настоящее время известно 17 природных ядерных реакторов, которые обычно объединяют под общим названием «Природный ядерный реактор в Окло».

Уран является элементом с самым большим номером из встречающихся в природе в весовых количествах^[22]. Содержание в земной коре составляет 0,00027 % (вес.), концентрация в морской воде — 3,2 мкг/л^[5] (по другим данным, 3,3·10^-7%^[23]). Количество урана в литосфере оценивается в 3 или 4·10⁻⁴%^[24].

Основная масса урана находится в кислых породах с высоким содержанием кремния. Значительная масса урана сконцентрирована в осадочных породах, особенно богатых органикой. В больших количествах как примесь уран присутствует в ториевых и редкоземельных минералах (алланит (Ca,Ce,La,Y)₂(Al,Fe)₃(SiO₄)₃(OH), монацит (La,Ce)PO₄, циркон ZrSiO₄, ксенотим YPO₄ и др.). Важнейшими урановыми рудами являются настуран (урановая смолка, уранинит) и карнотит. Основными минералами-спутниками минералов урана являются молибденит MoS₂, галенит PbS, кварц SiO₂, кальцит CaCO₃, гидромусковит и др.

Основными формами нахождений урана в природе являются уранинит, настуран (урановая смолка) и урановые черни. Они отличаются только формами нахождения; имеется возрастная зависимость: уранинит присутствует преимущественно в древних (докембрийских) породах, настуран — вулканогенный и гидротермальный — преимущественно в палеозойских и более молодых высоко- и среднетемпературных образованиях; урановые черни — в основном в молодых — кайнозойских и моложе — образованиях преимущественно в низкотемпературных осадочных породах.

См. также раздел «Добыча урана».

Количество урана в земной коре примерно в 1000 раз превосходит количество золота, в 30 раз — серебра, при этом данный показатель приблизительно равен аналогичному показателю у свинца и цинка. Немалая часть урана рассеяна в почвах, горных породах и морской воде. Только относительно небольшая часть концентрируется в месторождениях, где содержание данного элемента в сотни раз превышает его среднее содержание в земной коре^[25]. По оценке 2015 года разведанные мировые запасы урана в месторождениях составляют более 5,7 млн тонн^[26][27].

Крупнейшие запасы урана, с учётом резервных месторождений, имеют: Австралия, Казахстан (первое место в мире по добыче), Канада (второе место по добыче), Россия. По оценке 2015 года, в месторождениях России содержится около 507 800 тонн запасов урана (9 % его мировых запасов)^[26][27]; около 63 % их сосредоточено в Республике Саха (Якутия). Основными месторождениями урана в России являются: Стрельцовское, Октябрьское, Антей, Мало-Тулукуевское, Аргунское молибден-урановые в вулканитах (Забайкальский край), Далматовское урановое в песчаниках (Курганская область), Хиагдинское урановое в песчаниках (Республика Бурятия), Южное золото-урановое в метасоматитах и Северное урановое в метасоматитах (Республика Якутия)^[28]. Кроме того, выявлено и оценено множество более мелких урановых месторождений и рудопроявлений^[29].

№	Название месторождения	Страна	Запасы, т	Оператор месторождения	начало разработки
1	Северный Хорасан	Казахстан	200 000	Казатомпром	2008
2	Мак-Артур-Ривер	Австралия	160 000	Cameco	1999
3	Сигар-Лейк	Канада	135 000	Cameco
4	Южное Эльконское	Россия	112 600	Атомредметзолото
5	Инкай	Казахстан	75 900	Казатомпром	2007
6	Стрельцовское	Россия	50 000	Атомредметзолото
7	Зоовч Овоо	Монголия	50 000	AREVA
8	Моинкум	Казахстан	43 700	Казатомпром, AREVA
9	Мардай	Монголия	22 000	Khan Resources, Атомредметзолото, Правительство Монголии
10	Ирколь	Казахстан	18 900	Казатомпром, China Guangdong Nuclear Power Co	2009
11	Жёлтые Воды	Украина	12 000	ВостГок	1959
12	Олимпик-Дэм	Австралия			1988
13	Россинг	Намибия			1976
13	Доминион	ЮАР			2007
13	Рейнджер	Австралия			1980

Самая первая стадия уранового производства — концентрирование в виде «жёлтого кека»^[30]. Породу дробят и смешивают с водой. Тяжёлые компоненты взвеси осаждаются быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они осаждаются быстро: это тяжёлые минералы. Вторичные минералы урана легче, в этом случае раньше оседает тяжёлая пустая порода. (Впрочем, далеко не всегда она действительно пустая; в ней могут быть многие полезные элементы, в том числе и уран.)

Следующая стадия — выщелачивание концентратов, перевод урана в раствор. Применяют кислотное и щелочное выщелачивание. Первое — дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке, уран находится в четырёхвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырёхвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. В этом случае нужно либо прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Не применяют кислотное выщелачивание и в тех случаях, если урановый концентрат содержит доломит или магнезит, реагирующие с серной кислотой. В этих случаях пользуются едким натром (гидроксидом натрия).

Проблему выщелачивания урана из руд решает кислородная продувка. В нагретую до 150 °C смесь урановой руды с сульфидными минералами подают поток кислорода. При этом из сернистых минералов образуется серная кислота, которая и вымывает уран.

На следующем этапе из полученного раствора нужно избирательно выделить уран. Современные методы — экстракция и ионный обмен — позволяют решить эту проблему.

Раствор содержит не только уран, но и другие катионы. Некоторые из них в определённых условиях ведут себя так же, как уран: экстрагируются теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. Поэтому для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, чтобы на каждой стадии избавляться от того или иного нежелательного попутчика. На современных ионообменных смолах уран выделяется весьма селективно.

Методы ионного обмена и экстракции хороши ещё и тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов (содержание урана — десятые доли грамма на литр).

После этих операций уран переводят в твёрдое состояние — в один из оксидов или в тетрафторид UF₄. Но этот уран ещё надо очистить от примесей с большим сечением захвата тепловых нейтронов — бора, кадмия, гафния. Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Для удаления этих примесей технически чистое соединение урана растворяют в азотной кислоте. При этом образуется уранилнитрат UO₂(NO₃)₂, который при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций. Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO₄·2H₂O) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трёхокись урана UO₃, которую восстанавливают водородом до UO₂.

На диоксид урана UO₂ при температуре от 430 до 600 °C воздействуют газообразным фтористым водородом для получения тетрафторида UF₄^[31]. Из этого соединения восстанавливают металлический уран с помощью кальция или магния.

Наибольшее применение имеет изотоп урана ²³⁵U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция деления ядра тепловыми нейтронами. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Выделение изотопа ²³⁵U из природного урана — сложная технологическая проблема (см. разделение изотопов).

Приведём некоторые цифры для реактора мощностью 1000 МВт, работающего с нагрузкой в 80 % и вырабатывающего 7000 ГВт·ч в год. Работа одного такого реактора в течение года требует 20 тонн уранового топлива с содержанием 3,5 % ²³⁵U, который получают после обогащения примерно 153 тонн природного урана.

Изотоп ²³⁸U способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией).

В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом ²³⁸U может превращаться в ²³⁹Pu, который затем используется как ядерное топливо.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), может в будущем стать распространённым ядерным топливом для атомных электростанций (уже сейчас существуют реакторы, использующие этот нуклид в качестве топлива, например, KAMINI в Индии) и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).

Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Полное использование заключённой в уране потенциальной энергии пока технически невозможно. Величина выделившейся в ядерном реакторе полезной энергии урана характеризуется понятием глубины выгорания. Глубина выгорания — это суммарная энергия, отданная килограммом урана за все время работы в реакторе, от свежего топлива до утилизации. Измеряют глубину выгорания обычно в таких единицах как мегаватт-часы выделившейся тепловой энергии на килограмм топлива (МВт·час/кг). Иногда её приводят в пересчёте к реакторному урану того обогащения, которое загружается в реактор, не учитывая обеднённый уран в отвалах обогатительных производств, а иногда в пересчёте на природный уран.

Глубина выгорания ограничена особенностями конкретного типа реактора, конструктивной целостностью топливной матрицы и накоплением паразитных продуктов ядерных реакций. Глубина выгорания в пересчёте на природный уран в современных энергетических реакторах достигает 10 МВт·сутки/кг и более (то есть 240 МВт·час/кг и более). Для сравнения, типичное тепловыделение природного газа 0,013 МВт·час/кг, то есть примерно в 20 000 раз меньше.

Существуют проекты значительно более полного использования урана за счёт трансмутации урана-238 в плутоний. Наиболее проработанным является проект так называемого замкнутого топливного цикла на основе реакторов на быстрых нейтронах. Также развиваются проекты на основе гибридных термоядерных реакторов.

Изотопы урана являются исходным веществом для синтеза многих искусственных (нестабильных) изотопов, применяемых в промышленности и медицине. Наиболее известными искусственными изотопами, синтезируемыми из урана, являются изотопы плутония. Многие другие трансурановые элементы также получают из урана.

В медицине широкое применение нашёл изотоп молибден-99, одним из способов получения которого является выделение из продуктов деления урана, появляющихся в облучённом ядерном топливе.

Основное применение урана в геологии — определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимается раздел геохронологии, носящий название радиоизотопное датирование. Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках вещества.

В основе решения задачи лежат уравнения радиоактивного распада:

${\displaystyle N_{^{206}\mathrm {Pb} }=N_{^{238}\mathrm {U} }(e^{\lambda _{238}t}-1),}$

${\displaystyle N_{^{207}\mathrm {Pb} }=N_{^{235}\mathrm {U} }(e^{\lambda _{235}t}-1),}$

где ${\displaystyle N_{^{238}\mathrm {U} }}$, ${\displaystyle N_{^{235}\mathrm {U} }}$ — современные концентрации изотопов урана; ${\displaystyle \lambda _{238}}$ и ${\displaystyle \lambda _{235}}$ — постоянные распада соответственно ²³⁸U и ²³⁵U.

Весьма важной является их комбинация:

${\displaystyle {\frac {N_{^{206}\mathrm {Pb} }}{N_{^{207}\mathrm {Pb} }}}=K_{o}^{\mathrm {U} }{\frac {(e^{\lambda _{238}t}-1)}{(e^{\lambda _{235}t}-1)}}}$.

Здесь

${\displaystyle K_{o}^{\mathrm {U} }={\frac {N_{^{238}\mathrm {U} }}{N_{^{235}\mathrm {U} }}}=137.88}$ — современное отношение концентраций изотопов урана.

В связи с тем, что горные породы содержат различные концентрации урана, они обладают различной радиоактивностью. Это свойство используется при анализе горных пород геофизическими методами. Наиболее широко этот метод применяется в нефтяной геологии при геофизических исследованиях скважин, в этот комплекс входит, в частности, гамма-каротаж или нейтронный гамма-каротаж, гамма-гамма-каротаж и так далее^[32]. С их помощью происходит выделение коллекторов и флюидоупоров^[33].

• Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу (см. Урановое стекло)^[34].
• Уранат натрия Na₂U₂O₇ использовался как жёлтый пигмент в живописи^[34].
• Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления)^[34].
• Некоторые соединения урана светочувствительны^[34].
• В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет^[34].
• Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело — водород + гексан).
• Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.
• Ацетат уранила UO₂(CH₃COO)₂ и ацетат цинка-уранила Zn[(UO₂)₃(CH₃COO)₈] применяются в аналитической химии при проведении качественного и количественного анализа катионов лития и натрия.

После извлечения ²³⁵U и ²³⁴U из природного урана, оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. По некоторым данным, в США хранится около 560 000 тонн обеднённого гексафторида урана (UF₆). Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него ²³⁴U.

Из-за того, что основное использование урана — производство энергии, обеднённый уран — малополезный продукт с низкой экономической ценностью.

Сколь-нибудь эффективным ядерным топливом обеднённый уран может служить только в редких экстремальных условиях, например в пучке быстрых нейтронов. В таком качестве обеднённый уран используется в реакторах на быстрых нейтронах, в реакторах-размножителях, а также в термоядерном оружии — обеднённые урановые элементы в составе термоядерного заряда, не являясь необходимыми для, собственно, реакции ядерного синтеза, могут обеспечивать до 80 % суммарной энергии заряда.

В обычных же условиях использование обеднённого урана связано в основном с его большой плотностью и относительно низкой стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты благодаря чрезвычайно высокому сечению захвата. Обеднённый уран применяется также в качестве балластной массы в аэрокосмических приложениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов. В первых экземплярах самолёта «Боинг-747» содержалось от 300 до 500 кг обеднённого урана для этих целей (с 1981 года «Боинг» применяет вольфрам)^[35]. Кроме того, этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, болидах «Формулы-1», при бурении нефтяных скважин.

Самое известное применение обеднённого урана — в качестве сердечников для бронебойных снарядов. Большая плотность (в два с половиной раза тяжелее стали) делает закалённую урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому и ненамного более тяжёлому вольфраму. Тяжёлый урановый наконечник также изменяет распределение масс в снаряде, улучшая его аэродинамическую устойчивость.

Подобные сплавы типа «Стабаллой^[англ.]» применяются в стреловидных оперённых снарядах танковых и противотанковых артиллерийских орудий.

Процесс разрушения брони сопровождается измельчением в пыль урановой болванки и воспламенением её на воздухе с другой стороны брони (см. Пирофорность). Около 300 тонн обеднённого урана остались на поле боя во время операции «Буря в пустыне» (по большей части это остатки снарядов 30-мм пушки GAU-8 штурмовых самолётов A-10, каждый снаряд содержит 272 г уранового сплава). Усовершенствованные американские танки M1A1, снабжённые 120-мм орудиями, сражались с иракскими Т-72. В этих боях американские силы применяли снаряды с обеднённым ураном M829A1, которые показали высокую эффективность. Снаряд, прозванный «серебряной пулей», был способен пробить эквивалент 570-мм брони с расстояния в 2000 метров, что делало его на стандартной дистанции эффективным даже против Т-80^[36].

Такие снаряды были использованы войсками НАТО в боевых действиях на территории Косово^[37]. После их применения обсуждалась экологическая проблема радиационного загрязнения территории страны.

В Советском Союзе также были разработаны и поставлены на вооружение бронебойные снаряды с сердечником из обеднённого урана (например, «Свинец»).

Обеднённый уран используется в современной танковой броне, например, танка M-1 «Абрамс».

По заявлению начальника войск радиационной, химической и биологической защиты РФ генерал-лейтенанта Игоря Кириллова, основным видом онкологических заболеваний лиц, пострадавших в результате применения боеприпасов с обеднённым ураном, является рак лёгких^[38].

Уран в микроколичествах (10⁻⁵—10⁻⁸ %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в лёгких — 50 %. Основные депо в организме: селезёнка, почки, скелет, печень, лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10⁻⁷ г.

Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Уран, как и многие другие тяжёлые металлы, практически необратимо связывается с белками, прежде всего с сульфидными группами аминокислот, нарушая их функцию. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Химическая токсичность обеднённого урана в естественных условиях представляет примерно в миллион раз большую опасность, чем его радиоактивность.

По данным МАГАТЭ, мировые ресурсы урана превышают 6 млн тонн^[30]. При текущей динамике потребления разведанных запасов урана хватит ~118 лет^[39]. В 2019 году в мире было произведено 54,7 тыс. тонн концентратов природного урана, 40 % которого приходится на Казахстан. Потребление достигало в том же году 72 тыс. тонн, часть из которого составляло сырьё из вторичных и альтернативных источников (складские запасы, дообогащение обеднённого гексафторида урана, регенерированный уран и пр.). По прогнозу Всемирной ядерной ассоциации, только реакторные потребности к 2030 году составят до 85 тыс. тонн^[30].

Согласно «Красной книге по урану»^[27], выпущенной ОЭСР, в 2005 г. добыто 41 250 тонн урана (в 2003 — 35 492 тонны). Согласно данным ОЭСР, в мире функционирует 440 реакторов коммерческого назначения и около 60 научных, которые потребляли в год 67 тысяч тонн урана. Это означает, что его добыча из месторождений обеспечивала лишь 60 % объёма его потребления (на 2009 год эта доля возросла до 79 %^[40]). Остальной уран, потребляемый энергетикой, или 17,7 %, поступал из вторичных источников. На 2016—2017 год потребность в ядерном топливе, 449 действующих^{[комм. 1][41]} реакторов составляла те же 65 000 тонн урана. Первичные источники обеспечили около 85 %, а вторичные источники 15 % (оружейный уран, запасы от переработки отработанного топлива, а также за счёт повторного обогащения хвостов (остатков от первоначального обогащения)^[42].

Распределение добычи по странам (в тоннах) выглядит следующим образом^[43]:

№	Страна	2005 год	Страна	2009 год	Страна	2012 год	Страна	2015 год	Страна	2017 год
1	Канада	11 628	Казахстан	14 020	Казахстан	19 451	Казахстан	23 800	Казахстан	23 391
2	Австралия	9516	Канада	10 173	Канада	9145	Канада	13 325	Канада	13 116
3	Казахстан	4020	Австралия	7982	Австралия	5983	Австралия	5654	Австралия	5882
4	Россия	3570	Намибия	4626	Нигер	4351	Нигер	4116	Намибия	4224
5	Намибия	3147	Россия	3564	Намибия	3258	Намибия	2993	Нигер	3449
6	Нигер	3093	Нигер	3234	Узбекистан	3000	Россия	3055	Россия	2917
7	Узбекистан	2300	Узбекистан	2429	Россия	2993	Узбекистан	2385	Узбекистан	2404
8	США	1039	США	1453	США	1537	Китай	1616	Китай	1885
9	Украина	800	Китай	1200	Китай	1500	США	1256	США	940
10	Китай	750	Украина	840	Украина	890	Украина	1200	Украина	550
11	Другие страны	1387	Другие страны	1251	Другие страны	6385	Другие страны	904	Другие страны	704
Итого		41250		50772		58493		60304		59462

В СССР основными уранорудными регионами были:

• Украинская ССР (месторождение Желтореченское, Первомайское и другие);
• Казахская ССР (Северный — Балкашинское рудное поле и другие; Южный — Кызылсайское рудное поле и другие; Восточный; все они принадлежат преимущественно вулканогенно-гидротермальному типу);
• Забайкалье (Антей, Стрельцовское и другие);
• регион Кавказских Минеральных Вод (Рудник № 1 в горе Бештау и Рудник № 2 в горе Бык);
• Средняя Азия, в основном Узбекская ССР с оруденениями в чёрных сланцах с центром в городе Учкудук.

Имелось также множество мелких рудопроявлений.

В России основным урановорудным регионом осталось Забайкалье. На месторождении в Забайкальском крае (около города Краснокаменска) добывается около 93 % российского урана. Добычу осуществляет шахтным способом «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ППГХО), входящее в состав ОАО «Атомредметзолото» (Урановый холдинг).

Остальные 7 % получают методом подземного выщелачивания ЗАО «Далур» (Курганская область) и ОАО «Хиагда» (Бурятия).

Полученные руды и урановый концентрат перерабатываются на Чепецком механическом заводе.

На 2008 год по годовому производству урана (около 3,3 тысячи тонн) Россия занимала 4-е место после Казахстана. Годовое же потребление урана в России составляло 16 тысяч тонн и складывалось из расходов на собственные АЭС в объёме 5,2 тысячи тонн, а также на экспорт тепловыделяющих сборок (5,5 тысячи тонн) и низкообогащённого урана (6 тысяч тонн)^[44].

В Казахстане сосредоточена примерно пятая часть мировых запасов урана (21 % и 2-е место в мире). Общие ресурсы урана порядка 1,5 млн тонн, из них около 1,1 млн тонн можно добывать методом подземного выщелачивания^[45].

В 2009 году Казахстан вышел на первое место в мире по добыче урана (добыто 13 500 тонн)^[46].

Основное предприятие по добыче и переработке — Восточный горно-обогатительный комбинат в городе Жёлтые Воды.

Распределение добычи по компаниям (в тоннах) выглядит следующим образом^[43][47]:

№	Страна	Компания	2006 год	Страна	Компания	2009 год	Страна	Компания	2011 год	Страна	Компания	2018 год
1		Cameco	8100 (24 %)		Areva	8600 ▲ (19 %)		Казатомпром	8884 ▲ (19 %)		Казатомпром	11074 ▲ (26 %)
2		Rio Tinto	7000 (21 %)		Cameco	8000▼ (18 %)		Areva	8790▲(19 %)		АРМЗ[комм. 2]	7289▲ (16 %)
3		Areva	5000 (15 %)		Rio Tinto	7900▲(18 %)		Cameco	8630▲ (19 %)		Orano/Areva[комм. 3]	5809▼ (13 %)
4		Казатомпром	3800 (11 %)		Казатомпром	7500▲ (17 %)		АРМЗ[комм. 4]	7088▲ (15 %)		Cameco	4613▼ (11 %)
5		АРМЗ	3500 (10 %)		АРМЗ	4600▲ (10 %)		Rio Tinto	4061▼ (9 %)		CGN	3185▲ (7 %)
6		BHP Billiton	3000 (9 %)		BHP Billiton	2900▼ (6 %)		BHP Billiton	3353▲(7 %)		BHP Billiton	3159▼ (7 %)
7		Навоийский ГМК	2100 (4 %)		Навоийский ГМК	2400▲ (5 %)		Навоийский ГМК	3000▲ (6 %)		Rio Tinto	2602▼ (6 %)
8		Uranium One	1000 (3 %)		Uranium One	1400▲ (3 %)		Paladin Energy	2282▲ (5 %)		Navoi	2404▼ (5 %)
9		Heathgate	800 (2 %)		Paladin Energy	1200▲ (3 %)		SOPamin	Н/Д▲(менее 1 %)		Energy Asia	2204▲ (5 %)
10		Denison Mines	500 (1 %)		General Atomics	600▲ (1 %)		CNNC	Н/Д▲ (менее 1 %)		CNNC	1983▬ (4 %)
Итого			34 800 (100 %)			45 100 (100 %)			более 46 088 (100 %)			44 322 (100 %)

В 2012 году появилась информация о возможном слиянии урановых подразделений BHP Billiton и Rio Tinto и доведения совместной добычи до 8000 тонн в год.

В 2023 году «Росатом» приобрёл Буденовское месторождение урана в Казахстане и вышел на второе место по запасам урана в мире, входит в тройку по всем переделам в ядерном топливном цикле^[50].

Вторичными источниками традиционно считаются запасы из ядерного оружия, от переработки отработанного топлива и от повторного обогащения хвостов (остатков от первоначального обогащения). Повторное обогащение отвалов критично (взаимно и неотъемлемо) для использования оружейного урана в мирных целях^[51].

В конце июля 1991 года в Москве СССР и США подписали Договор СНВ-I.

Преемником СССР в декабре 1991 года стала Россия, но ядерное вооружение находилось и в других бывших республиках СССР.

На начало 1992 года на территории России размещалась 961 пусковая установка (73 % от общего количества).

23 мая 1992 года в Лиссабоне Россией, США, Украиной, Казахстаном и Белоруссией был подписан дополнительный протокол к СНВ-1 (Лиссабонский протокол), в соответствии с которым к договору СНВ-1 присоединились Украина, Казахстан и Белоруссия. Все имеющиеся на их территории боеголовки они обязались ликвидировать или передать России.

В конце 1992 Россия в связи с нежеланием Украины выполнять Лиссабонский протокол обязалась демонтировать почти половину своих запасов ядерного оружия (около 35 % от запасов СССР) и переработать высвободившийся оружейный уран в металл топливного сорта. США в свою очередь обязались приобрести этот материал по рыночным ценам^[52].

К концу 1996 года на всём постсоветском пространстве Россия осталась единственной страной, входящей в ядерный клуб, а все запасы СССР были сосредоточены на eё территории для последующей переработки в соответствии с договором СНВ-1.

Вместе с тем, началось повторное обогащение урановых отвалов и переработка ОЯТ. План по переработке предусматривал начало работ с отвалов уровня месторождений III категории (рядовые) от 0,05 до 0,1 % аффинаж менее 60 %. Однако в середине и конце 1990-х годов обогащающие предприятия начали повторно обогащать отвалы для производства разбавителя по соглашению ВОУ-НОУ в связи с нестабильностью получаемого топлива из отвалов^[51].

Соглашение ВОУ-НОУ было рассчитано на 20 лет, закончило действовать в 2013 году. Всего в рамках программы из России в США было вывезено 14 446 тонн низкообогащённого урана:

• по договору СНВ-II 352 тонны — из оговорённых 500 (несмотря на то, что договор не вступил в силу, в связи с выходом России из договора 14 июня 2002);
• по договору СНВ-I (вступил в силу 5 декабря 1994 года, истёк 5 декабря 2009 года) с российской стороны 500 тонн;
• по договору СНВ-III (ДСНВ) — договор подписан 8 апреля 2010 года в Праге. Договор сменил истёкший в декабре 2009 года СНВ-I и действует до 2021 года.

В целом по возможности аффинажа урановые руды делятся на следующие (жирным выделены категории, пригодные для производства топлива)^[53]:

• I категория — супербогатые, содержание свыше 0,3 %, аффинаж 95—96 %;
• II категория — богатые, содержание от 0,1 до 0,3 %, аффинаж 60—80 %;
• III категория — рядовые, содержание от 0,05 до 0,1 %, аффинаж менее 60 %;
• IV категория — убогие, содержание от 0,03 до 0,05 %;
• V категория — забалансовые, содержание менее 0,03 %.

Горнодобывающие компании поставляют уран в виде закиси-окиси урана U₃O₈.

На всех этапах переработки урановых руд происходит очистка урана от сопутствующих ему примесей — элементов, обладающих большим сечением захвата нейтронов (гафний, бор, кадмий и т. д.). Наилучшие концентраты содержат 95—96 %, другие всего 60-80 % оксида урана, а остальное более 60 % различных примесей. «В чистом виде» такой уран непригоден в качестве ядерного топлива^[54].

По мнению вице-председателя урановой группы Александра Бойцова, на 2010 год месторождения I категории с себестоимостью добычи до 40 долл./кг в мире уже почти исчерпаны. К 2030 году будут исчерпаны известные крупные месторождения II категории, с себестоимостью до 80 долл./кг, и в освоение начнут вовлекаться труднодоступные месторождения III категории с себестоимостью добычи до 130 долл./кг и выше^[55].

Цена

В 1990-е годы стоимость урана природного изотопного состава колебалась вокруг отметки 20 долларов США за килограмм^[56]. С 2004 года цена начала активно расти и кратковременно достигла пиковых $300 в середине 2007 года, столь же резко обвалившись до $100 к 2009 году. Обновив в 2011 году кратковременный локальный максимум в $140, цена начала снижаться. С 2017 году цена стабилизировалась на отметке около $40 за килограмм закиси-окиси природного урана, резко увеличившись в начале 2020-х.

• Разделение изотопов
• Ядерное топливо
• Урановое стекло
• Ядерный реактор
• Урановые минералы

Комментарии

Источники

• Уран, химический элемент // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Handbook of chemistry and physics / Editor-in-Chief David R. Lide. — 84th edition 2003-2004. — CRC Press, 2004.
• Emsley J. Uranium // Nature's Building Blocks: An A to Z Guide to the Elements (англ.). — Oxford: Oxford University Press, 2001. — P. 476—482. — ISBN 978-0-19-850340-8.
• Seaborg G. T. Uranium // The Encyclopedia of the Chemical Elements (англ.). — Skokie, Illinois: Reinhold Book Corporation, 1968. — P. 773—786.

• Бекман, И. Н. Уран : [арх. 25 июня 2011]. — Вена, 2008.
• Uranium. the essentials (англ.). WebElements.
• Уран // Популярная библиотека химических элементов. — Электронная библиотека Наука и техника.
• Section 6.0 Nuclear Materials. Nuclear Weapons Frequently Asked Questions (англ.). Nuclear Weapon Archive (20 февраля 1999).
• Леонов, Николай. Россия продала США значительные запасы оружейного урана. — Столетие, 2011. — 9 марта.^[]
• «What is Uranium?» (англ.). World Nuclear Association.