Уран: Свойства, применение и история открытия

Введение

Уран — химический элемент с символом U и атомным номером 92. Это серебристо-серый металл, относящийся к серии актиноидов в периодической таблице. Атом урана содержит 92 протона и 92 электрона, из которых 6 являются валентными. Уран радиоактивно распадается, как правило, посредством испускания альфа-частиц. Период полураспада этого распада варьируется от 159 200 до 4,5 миллиардов лет для различных изотопов, что делает их полезными для определения возраста Земли. Наиболее распространенными изотопами природного урана являются уран-238 (содержащий 146 нейтронов и составляющий более 99% урана на Земле) и уран-235 (содержащий 143 нейтрона). Уран обладает самой высокой атомной массой среди природных элементов. Его плотность примерно на 70% выше, чем у свинца, и незначительно ниже, чем у золота или вольфрама. Он встречается в природе в низких концентрациях, исчисляемых частями на миллион, в почве, горных породах и воде, и коммерчески извлекается из урановых минералов, таких как уранит. Многие современные применения урана основаны на его уникальных ядерных свойствах. Уран-235 — единственный природный делящийся изотоп, что обуславливает его широкое использование в атомных электростанциях и ядерном оружии. Однако из-за низкой концентрации урана-235 в природном уране (который в основном состоит из урана-238) уран нуждается в обогащении для достижения необходимого содержания урана-235. Уран-238 делится под воздействием быстрых нейтронов и является воспроизводимым, то есть может быть трансмутирован в делящийся плутоний-239 в ядерном реакторе. Другой делящийся изотоп, уран-233, может быть получен из природного тория и изучается для перспективного промышленного применения в ядерных технологиях. Уран-238 имеет небольшую вероятность спонтанного деления или даже индуцированного деления быстрыми нейтронами; уран-235 и, в меньшей степени, уран-233 обладают значительно более высоким сечением деления для медленных нейтронов. При достаточной концентрации эти изотопы поддерживают устойчивую ядерную цепную реакцию, генерирующую тепло в ядерных реакторах и производящую делящийся материал для ядерного оружия. Обедненный уран (U) используется в кинетических бронебойных снарядах и бронеплитах. Открытие урана в минерале пехбленде в 1789 году приписывается Мартину Генриху Клапроту, который назвал новый элемент в честь недавно открытой планеты Уран. Эжен Мельхиор Пелиго первым выделил этот металл, а его радиоактивные свойства были обнаружены в 1896 году Анри Беккерелем. Исследования Отто Гана, Лизы Мейтнер, Энрико Ферми и других ученых, таких как Дж. Роберт Оппенгеймер, начиная с 1934 года, привели к его использованию в качестве топлива в атомной энергетике и в "Малыше" (Little Boy) — первом ядерном оружии, примененном в войне. Последующая гонка вооружений между Соединенными Штатами и Советским Союзом во время холодной войны привела к созданию десятков тысяч ядерных боеголовок, в которых использовались металлический уран и плутоний-239, полученный из урана. Демонтаж этого оружия и связанных с ним ядерных объектов осуществляется в рамках различных программ ядерного разоружения и требует миллиардных затрат. Уран, полученный из ядерного оружия, разбавляется ураном-238 и повторно используется в качестве топлива для ядерных реакторов. Разработка и внедрение этих ядерных реакторов продолжается во всем мире, поскольку они являются мощными источниками энергии, не производящей CO2. Отработанное ядерное топливо образует радиоактивные отходы, состоящие преимущественно из урана-238, представляющие серьезную угрозу для здоровья и окружающей среды.

the chemical element

Uranium is a chemical element; it has symbol U and atomic number 92. It is a silvery grey metal in the actinide series of the periodic table. A uranium atom has 92 protons and 92 electrons, of which 6 are valence electrons. Uranium radioactively decays, usually by emitting an alpha particle. The half life of this decay varies between 159,200 and 4.5 billion years for different isotopes, making them useful for dating the age of the Earth. The most common isotopes in natural uranium are uranium 238 (which has 146 neutrons and accounts for over 99% of uranium on Earth) and uranium 235 (which has 143 neutrons). Uranium has the highest atomic weight of the primordially occurring elements. Its density is about 70% higher than that of lead and slightly lower than that of gold or tungsten. It occurs naturally in low concentrations of a few parts per million in soil, rock and water, and is commercially extracted from uranium bearing minerals such as uraninite. Many contemporary uses of uranium exploit its unique nuclear properties. Uranium 235 is the only naturally occurring fissile isotope, which makes it widely used in nuclear power plants and nuclear weapons. However, because of the low abundance of uranium 235 in natural uranium (which is, overwhelmingly, mostly uranium 238), uranium needs to undergo enrichment so that enough uranium 235 is present. Uranium 238 is fissionable by fast neutrons and is fertile, meaning it can be transmuted to fissile plutonium 239 in a nuclear reactor. Another fissile isotope, uranium 233, can be produced from natural thorium and is studied for future industrial use in nuclear technology. Uranium 238 has a small probability for spontaneous fission or even induced fission with fast neutrons; uranium 235, and to a lesser degree uranium 233, have a much higher fission cross section for slow neutrons. In sufficient concentration, these isotopes maintain a sustained nuclear chain reaction. This generates the heat in nuclear power reactors and produces the fissile material for nuclear weapons. Depleted uranium (U) is used in kinetic energy penetrators and armor plating. The 1789 discovery of uranium in the mineral pitchblende is credited to Martin Heinrich Klaproth, who named the new element after the recently discovered planet Uranus. Eugène Melchior Péligot was the first person to isolate the metal, and its radioactive properties were discovered in 1896 by Henri Becquerel. Research by Otto Hahn, Lise Meitner, Enrico Fermi and others, such as J. Robert Oppenheimer starting in 1934 led to its use as a fuel in the nuclear power industry and in Little Boy, the first nuclear weapon used in war. An ensuing arms race during the Cold War between the United States and the Soviet Union produced tens of thousands of nuclear weapons that used uranium metal and uranium derived plutonium 239. Dismantling of these weapons and related nuclear facilities is carried out within various nuclear disarmament programs and costs billions of dollars. Weapon grade uranium obtained from nuclear weapons is diluted with uranium 238 and reused as fuel for nuclear reactors. The development and deployment of these nuclear reactors continue globally as they are powerful sources of CO free energy. Spent nuclear fuel forms radioactive waste, which mostly consists of uranium 238 and poses a significant health threat and environmental impact.

Гражданская

Основное использование урана в гражданском секторе — это топливо для атомных электростанций. Один килограмм урана-235 теоретически может произвести около 20 тераджоулей энергии (2 джоуля), при условии полного деления; это столько же энергии, сколько содержится в 1,5 миллиона килограммов (1500 тонн) угля. Коммерческие атомные электростанции используют топливо, обычно обогащенное до примерно 3% урана-235. Реакторы типов CANDU и Magnox — единственные коммерческие реакторы, способные использовать необогащенное урановое топливо. Топливо, используемое для реакторов атомного флота США, обычно сильно обогащено ураном-235 (точные значения засекречены). В реакторе-размножителе уран-238 также может быть преобразован в плутоний-239 посредством следующей реакции:

Открытие и выделение радия из урановой руды (пехбленда) Марией Кюри стимулировали развитие добычи урана для извлечения радия, который использовался для производства светящихся в темноте красок для циферблатов часов и приборных панелей самолетов. В результате этого в качестве отхода оставалось огромное количество урана, поскольку для получения одного грамма радия требуется три тонны урана. Этот отход направлялся в стекольную промышленность, что сделало урановые глазури очень дешевыми и доступными. Помимо глазурей для керамики, основная часть использования урана приходилась на урановые плитки, включая обычные плитки для ванных комнат и кухонь, которые могут быть произведены в зеленых, желтых, лиловых, черных, синих, красных и других цветах. Уран также использовался в фотохимических веществах (особенно нитрат урана в качестве тонера), для улучшения внешнего вида зубных протезов, а также в кожевенной и деревообрабатывающей промышленности в качестве морилок и красителей. Соли урана служат протравами для шелка или шерсти. Ураниловый ацетат и ураниловый формиат используются в качестве электронно-плотных "красителей" в просвечивающей электронной микроскопии для увеличения контрастности биологических образцов в ультратонких срезах и при негативном окрашивании вирусов, изолированных клеточных органелл и макромолекул. Открытие радиоактивности урана открыло дополнительные научные и практические возможности использования этого элемента. Длительный период полураспада урана-238 (4,47 миллиарда лет) делает его подходящим для определения возраста древнейших магматических пород и для других видов радиометрического датирования, включая уран-ториевое датирование, уран-свинцовое датирование и уран-урановое датирование. Металлический уран используется в качестве мишени для рентгеновских лучей при производстве высокоэнергетических рентгеновских лучей.

Открытие

Открытием элемента обычно признают немецкого химика Мартина Генриха Клапрота. Работая в своей экспериментальной лаборатории в Берлине в 1789 году, Клапрот смог осадить жёлтое соединение (вероятно, диуранат натрия), растворив урановую смолку в азотной кислоте и нейтрализовав раствор гидроксидом натрия. Клапрот предположил, что жёлтое вещество является оксидом ещё не открытого элемента и нагрел его с древесным углем, чтобы получить чёрный порошок, который он посчитал вновь открытым металлом (на самом деле, этот порошок был оксидом урана). Он назвал новый элемент в честь планеты Уран (названной в честь первобытного греческого бога неба), открытой Уильямом Гершелем восемь лет ранее. В 1841 году Эжен Мелхиор Пелиго, профессор аналитической химии в Национальной консерватории искусств и ремёсел (Центральной школе искусств и производств) в Париже, выделил первый образец металлического урана, нагревая тетрахлорид урана с калием. Анри Беккерель открыл радиоактивность, используя уран в 1896 году. Значительный спрос на уран для исследований деления и разработки оружия возник позже, с началом Манхэттенского проекта и Холодной войны.

Исследования деления

Команда под руководством Энрико Ферми в 1934 году обнаружила, что бомбардировка урана нейтронами приводит к образованию бета-лучей (электронов или позитронов из образующихся элементов; см. бета-частица). Продукты деления первоначально были ошибочно приняты за новые элементы с атомными номерами 93 и 94, которые декан Римского университета Сапиенца Орсо Марио Корбино назвал аусением и гесперием соответственно. Эксперименты, приведшие к открытию способности урана к делению (расщеплению) на более легкие элементы и высвобождению энергии связи, были проведены Отто Ханом и Фрицем Штрассманом в лаборатории Хана в Берлине. Лиза Майтнер и её племянник, физик Отто Роберт Фриш, опубликовали физическое объяснение в феврале 1939 года и назвали этот процесс «ядерным делением». Вскоре после этого Ферми предположил, что деление урана может высвобождать достаточное количество нейтронов для поддержания цепной реакции деления. Подтверждение этой гипотезы было получено в 1939 году, а последующие исследования показали, что в среднем при каждом делении урана-235 высвобождается около 2,5 нейтронов. Ферми настоятельно рекомендовал Альфреду О. К. Ниеру разделить изотопы урана для определения делящегося компонента, и 29 февраля 1940 года Ниер, используя прибор, сконструированный им в Университете Миннесоты, выделил первый в мире образец урана-235 в лаборатории Тейт. Используя циклотрон Колумбийского университета, Джон Даннинг 1 марта подтвердил, что образец представляет собой выделенный расщепляющийся материал. Дальнейшие исследования показали, что гораздо более распространенный изотоп урана-238 может быть трансмутирован в плутоний, который, как и уран-235, также расщепляется тепловыми нейтронами. Эти открытия побудили многие страны начать разработку ядерного оружия и ядерной энергетики. Несмотря на то, что деление было открыто в Германии, военный проект Германии «Uranverein» («урановый клуб»), направленный на исследование ядерной энергии и/или оружия, был затруднен ограниченными ресурсами, внутренними распрями, изгнанием или отсутствием участия нескольких выдающихся ученых в этой области, а также рядом серьезных ошибок, таких как неучет примесей в доступных образцах графита, что привело к заниженной оценке его пригодности в качестве нейтронного замедлителя. Попытки Германии построить реактор на природном уране и тяжелой воде не приблизились к достижению критичности к тому времени, когда американцы прибыли в Хайгерлох, место проведения последнего немецкого военного реакторного эксперимента. 2 декабря 1942 года, в рамках Манхэттенского проекта, другая команда под руководством Энрико Ферми смогла инициировать первую искусственную самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию – Чикагский куча-1. Первоначальный план использования обогащенного урана-235 был отменен из-за его недостаточной доступности. Работая в лаборатории под трибунами Стагг-филда в Чикагском университете, команда создала необходимые условия для этой реакции, сложив 360 тонн графита, 53 тонны оксида урана и 5,5 тонны металлического урана, большая часть которого была поставлена заводом Westinghouse Lamp в рамках импровизированного производственного процесса.

A team led by Enrico Fermi in 1934 found that bombarding uranium with neutrons produces beta rays (electrons or positrons from the elements produced; see beta particle). The fission products were at first mistaken for new elements with atomic numbers 93 and 94, which the Dean of the Sapienza University of Rome, Orso Mario Corbino, named ausenium and hesperium, respectively. The experiments leading to the discovery of uranium's ability to fission (break apart) into lighter elements and release binding energy were conducted by Otto Hahn and Fritz Strassmann in Hahn's laboratory in Berlin. Lise Meitner and her nephew, physicist Otto Robert Frisch, published the physical explanation in February 1939 and named the process "nuclear fission". Soon after, Fermi hypothesized that fission of uranium might release enough neutrons to sustain a fission reaction. Confirmation of this hypothesis came in 1939, and later work found that on average about 2.5 neutrons are released by each fission of uranium 235. Fermi urged Alfred O. C. Nier to separate uranium isotopes for determination of the fissile component, and on 29 February 1940, Nier used an instrument he built at the University of Minnesota to separate the world's first uranium 235 sample in the Tate Laboratory. Using Columbia University's cyclotron, John Dunning confirmed the sample to be the isolated fissile material on 1 March. Further work found that the far more common uranium 238 isotope can be transmuted into plutonium, which, like uranium 235, is also fissile by thermal neutrons. These discoveries led numerous countries to begin working on the development of nuclear weapons and nuclear power. Despite fission having been discovered in Germany, the Uranverein ("uranium club") Germany's wartime project to research nuclear power and/or weapons was hampered by limited resources, infighting, the exile or non involvement of several prominent scientists in the field and several crucial mistakes such as failing to account for impurities in available graphite samples which made it appear less suitable as a neutron moderator than it is in reality. Germany's attempts to build a natural uranium / heavy water reactor had not come close to reaching criticality by the time the Americans reached Haigerloch, the site of the last German wartime reactor experiment. On 2 December 1942, as part of the Manhattan Project, another team led by Enrico Fermi was able to initiate the first artificial self sustained nuclear chain reaction, Chicago Pile 1. An initial plan using enriched uranium 235 was abandoned as it was as yet unavailable in sufficient quantities. Working in a lab below the stands of Stagg Field at the University of Chicago, the team created the conditions needed for such a reaction by piling together 360 tonnes of graphite, 53 tonnes of uranium oxide, and 5.5 tonnes of uranium metal, most of which was supplied by Westinghouse Lamp Plant in a makeshift production process.

Ядерное оружие

Во время Второй мировой войны в США были разработаны два типа атомных бомб: урановое устройство (кодовое название "Маленький мальчик"), в котором в качестве делящегося материала использовался высокообогащенный уран, и плутониевое устройство (см. испытание "Тринити" и "Толстяк"), плутоний для которого был получен из урана-238. "Маленький мальчик" стал первым ядерным оружием, примененным в войне, когда он был взорван над Хиросимой (Япония) 6 августа 1945 года. Мощность взрыва, эквивалентная 12 500 тоннам тротила, привела к разрушению почти 50 000 зданий и гибели около 75 000 человек (см. Атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки). Изначально полагали, что уран относительно редок, и распространение ядерного оружия можно предотвратить, выкупив все известные запасы, однако в течение десятилетия крупные месторождения были обнаружены во многих частях света.

Реакторы

Графитовый реактор X-10 в Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL) в Оук-Ридж, штат Теннесси, ранее известный как Clinton Pile и X-10 Pile, был вторым в мире искусственным ядерным реактором (после Чикагского столба Энрико Ферми) и первым реактором, спроектированным и построенным для непрерывной работы. Экспериментальный реактор I Аргоннской национальной лаборатории, расположенный на Национальной испытательной станции реакторов Комиссии по атомной энергии вблизи Арко, штат Айдахо, стал первым ядерным реактором, выработавшим электроэнергию 20 декабря 1951 года. Первоначально реактор освещал четыре 150-ваттные лампочки, но последующие улучшения позволили ему питать весь комплекс (позже город Арко стал первым в мире, полностью обеспечиваемым электроэнергией, вырабатываемой ядерным реактором BORAX III, разработанным и эксплуатируемым Аргоннской национальной лабораторией). Первая в мире коммерческая атомная электростанция в Обнинске, в Советском Союзе, начала выработку электроэнергии 27 июня 1954 года с реактором АМ-1. Другими ранними атомными электростанциями были Кальдер-Холл в Англии, начавшая выработку 17 октября 1956 года, и атомная электростанция Shippingport в Пенсильвании, начавшая выработку 26 мая 1958 года. Ядерная энергия впервые была использована для привода подводной лодки USS Nautilus в 1954 году.

Доисторический естественный деление

В 1972 году французский физик Фрэнсис Перрен обнаружил пятнадцать древних и недействующих природных ядерных реакторов в трех отдельных месторождениях руды на шахте Окло в Габоне, Африка, известных как Оклоские ископаемые реакторы. Возраст рудного месторождения составляет 1,7 миллиарда лет; тогда уран-235 составлял около 3% всего урана на Земле. Этого достаточно для поддержания цепной реакции при наличии других необходимых условий. Способность окружающих отложений удерживать опасные для здоровья продукты ядерных отходов была приведена федеральным правительством США в качестве аргумента в пользу возможности хранения отработавшего ядерного топлива на ядерном хранилище Юкка-Маунтин. Дополнительное радиоактивное загрязнение произошло в результате нескольких ядерных аварий. Урановые шахтеры подвержены более высокому риску развития рака. Например, зафиксирован повышенный риск рака легких среди шахтеров-навахо, связанный с их профессией. Закон о компенсациях за радиационное воздействие, принятый в США в 1990 году, предусматривал выплату в размере 100 000 долларов в качестве "компенсационных выплат" шахтерам, которым был диагностирован рак или другие респираторные заболевания. Во время холодной войны между Советским Союзом и Соединенными Штатами были созданы огромные запасы урана и десятки тысяч единиц ядерного оружия, использующих обогащенный уран и плутоний, полученный из урана. После распада Советского Союза в 1991 году, по оценкам, 600 коротких тонн (540 метрических тонн) высокообогащенного урана оружейного качества (достаточного для изготовления 40 000 ядерных боеголовок) хранились на часто недостаточно охраняемых объектах в Российской Федерации и нескольких других бывших советских республиках. Активность в этой области значительно снизилась примерно в 2000 году. В ноябре 2015 года правительство России утвердило федеральную программу ядерной и радиационной безопасности на 2016–2030 годы с бюджетом в 562 миллиарда рублей (около 8 миллиардов долларов США). Ее ключевая задача – "накопленные за 70 лет развития ядерной отрасли обязательства, особенно в период Советского Союза". Около 73% бюджета будет направлено на вывод из эксплуатации старых и устаревших ядерных реакторов и ядерных установок, особенно тех, которые связаны с государственными оборонными программами; 20% – на переработку и захоронение ядерного топлива и радиоактивных отходов, а 5% – на мониторинг и обеспечение ядерной и радиационной безопасности.

In 1972, French physicist Francis Perrin discovered fifteen ancient and no longer active natural nuclear fission reactors in three separate ore deposits at the Oklo mine in Gabon, Africa, collectively known as the Oklo Fossil Reactors. The ore deposit is 1.7 billion years old; then, uranium 235 constituted about 3% of uranium on Earth. This is high enough to permit a sustained chain reaction, if other supporting conditions exist. The capacity of the surrounding sediment to contain the health threatening nuclear waste products has been cited by the U. S. federal government as supporting evidence for the feasibility to store spent nuclear fuel at the Yucca Mountain nuclear waste repository. Additional fallout and pollution occurred from several nuclear accidents. Uranium miners have a higher incidence of cancer. An excess risk of lung cancer among Navajo uranium miners, for example, has been documented and linked to their occupation. The Radiation Exposure Compensation Act, a 1990 law in the US, required $100,000 in "compassion payments" to uranium miners diagnosed with cancer or other respiratory ailments. During the Cold War between the Soviet Union and the United States, huge stockpiles of uranium were amassed and tens of thousands of nuclear weapons were created using enriched uranium and plutonium made from uranium. After the break up of the Soviet Union in 1991, an estimated 600 short tons (540 metric tons) of highly enriched weapons grade uranium (enough to make 40,000 nuclear warheads) had been stored in often inadequately guarded facilities in the Russian Federation and several other former Soviet states. saw a strong decline around 2000. In November 2015, the Russian government approved a federal program for nuclear and radiation safety for 2016 to 2030 with a budget of 562 billion rubles (ca. 8 billion USD). Its key issue is "the deferred liabilities accumulated during the 70 years of the nuclear industry, particularly during the time of the Soviet Union". About 73% of the budget will be spent on decommissioning aged and obsolete nuclear reactors and nuclear facilities, especially those involved in state defense programs; 20% will go in processing and disposal of nuclear fuel and radioactive waste, and 5% into monitoring and ensuring of nuclear and radiation safety.

Возникновение

Уран – это природный элемент, который встречается в небольших количествах во всех породах, почве и воде. Уран является элементом с самым высоким атомным номером, который в значительных количествах встречается в природе на Земле, и почти всегда находится в сочетании с другими элементами. Он поддерживает внешнее ядро Земли в жидком состоянии и является причиной конвекции мантии, которая, в свою очередь, движет тектоникой плит. Концентрация урана в земной коре составляет (в зависимости от источника) от 2 до 4 частей на миллион, что примерно в 40 раз больше, чем концентрация серебра, а его концентрация в морской воде – 3 части на миллиард. Уран встречается чаще, чем сурьма, олово, кадмий, ртуть или серебро, и его количество сопоставимо с количеством мышьяка или молибдена. Первичный торий и уран образуются исключительно в r-процессе, поскольку s-процесс (медленный захват нейтронов) слишком медленный и не может преодолеть область нестабильности после висмута. Помимо двух существующих изотопов первичного урана, U и U, r-процесс также произвел значительное количество U, который имеет более короткий период полураспада и поэтому является вымершим радионуклидом, полностью распавшимся до Th. Кроме того, уран-236 образовался в результате распада Pu, что объясняет наблюдаемое более высокое, чем ожидалось, содержание тория и более низкое, чем ожидалось, содержание урана. Хотя естественное содержание урана пополнилось за счет распада вымерших Pu (период полураспада 375 000 лет) и Cm (период полураспада 16 миллионов лет), производящих U и U соответственно, это произошло в незначительной степени из-за более короткого периода полураспада этих родительских изотопов и их меньшей производительности по сравнению с U и Pu, родительскими изотопами тория: соотношение Cm/U при формировании Солнечной системы составляло 7,0e 5.

Биотические и абиотические

Некоторые бактерии, такие как Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens и некоторые штаммы Burkholderia fungorum, используют уран для роста и преобразуют U(VI) в U(IV). Недавние исследования показывают, что этот путь включает восстановление растворимого U(VI) через промежуточное пятивалентное состояние U(V). Другие организмы, такие как лишайник Trapelia involuta или микроорганизмы, например бактерия Citrobacter, способны поглощать концентрации урана, в 300 раз превышающие уровень в окружающей среде. Виды Citrobacter поглощают уранильные ионы при добавлении глицерофосфата (или других подобных органических фосфатов). Через сутки один грамм бактерий может покрыться девятью граммами кристаллов уранилфосфата, что открывает возможность использования этих организмов в биоремедиации для очистки воды, загрязненной ураном. Протеобактерия Geobacter также продемонстрировала способность к биоремедиации урана в грунтовых водах. Микоризный гриб Glomus intraradices повышает содержание урана в корнях своего симбиотического растения. В природе уран(VI) образует высокорастворимые карбонатные комплексы при щелочном pH, что увеличивает его подвижность и доступность из ядерных отходов для подземных вод и почвы, создавая угрозу для здоровья. Однако, осаждение урана в виде фосфата затруднено в присутствии избыточного карбоната при щелочном pH. Штамм Sphingomonas sp. BSAR 1 был обнаружен экспрессирующим высокоактивную щелочную фосфатазу (PhoK), которая используется для биопреципитации урана в виде уранилфосфатных соединений из щелочных растворов. Способность к осаждению была увеличена за счет сверхэкспрессии белка PhoK в E. coli. Растения поглощают некоторое количество урана из почвы. Концентрация урана в сухом весе растений варьируется от 5 до 60 частей на миллиард, а в золе сожженного дерева она может достигать 4 частей на миллион. Концентрация урана в пищевых растениях обычно ниже, и люди потребляют от одного до двух микрограммов в день с пищей.

Some bacteria, such as Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens and some strains of Burkholderia fungorum, use uranium for their growth and convert U(VI) to U(IV). Recent research suggests that this pathway includes reduction of the soluble U(VI) via an intermediate U(V) pentavalent state. Other organisms, such as the lichen Trapelia involuta or microorganisms such as the bacterium Citrobacter, can absorb concentrations of uranium that are up to 300 times the level of their environment. Citrobacter species absorb uranyl ions when given glycerol phosphate (or other similar organic phosphates). After one day, one gram of bacteria can encrust themselves with nine grams of uranyl phosphate crystals; this creates the possibility that these organisms could be used in bioremediation to decontaminate uranium polluted water. The proteobacterium Geobacter has also been shown to bioremediate uranium in ground water. The mycorrhizal fungus Glomus intraradices increases uranium content in the roots of its symbiotic plant. In nature, uranium(VI) forms highly soluble carbonate complexes at alkaline pH. This leads to an increase in mobility and availability of uranium to groundwater and soil from nuclear wastes which leads to health hazards. However, it is difficult to precipitate uranium as phosphate in the presence of excess carbonate at alkaline pH. A Sphingomonas sp. strain BSAR 1 has been found to express a high activity alkaline phosphatase (PhoK) that has been applied for bioprecipitation of uranium as uranyl phosphate species from alkaline solutions. The precipitation ability was enhanced by overexpressing PhoK protein in E. coli. Plants absorb some uranium from soil. Dry weight concentrations of uranium in plants range from 5 to 60 parts per billion, and ash from burnt wood can have concentrations up to 4 parts per million. Dry weight concentrations of uranium in food plants are typically lower with one to two micrograms per day ingested through the food people eat.

Ресурсы и резервы

По оценкам, 6,1 миллиона тонн урана содержится в рудах, экономически целесообразных при цене 130 долларов США за килограмм урана, а крупнейшее в мире единичное месторождение урана находится в руднике Olympic Dam в Южной Австралии. Значительные запасы урана имеются в Бакуме, подпрефектуре в префектуре Мбому в Центральноафриканской Республике. Часть урана также происходит из демонтированного ядерного оружия. Например, в период с 1993 по 2013 год Россия поставила Соединенным Штатам 15 000 тонн низкообогащенного урана в рамках программы «Мегатоны в мегаватты». По оценкам, еще 4,6 миллиарда тонн урана растворено в морской воде (японские ученые в 1980-х годах показали, что извлечение урана из морской воды с использованием ионных обменников технически возможно). Проводились эксперименты по извлечению урана из морской воды, но выход был низким из-за содержания карбонатов в воде. В 2012 году исследователи из ORNL объявили об успешной разработке нового абсорбирующего материала под названием HiCap, который обеспечивает поверхностное удержание твердых или газообразных молекул, атомов или ионов, а также эффективно удаляет токсичные металлы из воды, что подтверждено результатами, проверенными исследователями из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории.

Поставки

В 2005 году на долю десяти стран приходилось большинство мирового объема концентрированных оксидов урана: Канада (27,9%), Австралия (22,8%), Казахстан (10,5%), Россия (8,0%), Намибия (7,5%), Нигер (7,4%), Узбекистан (5,5%), Соединенные Штаты (2,5%), Аргентина (2,1%) и Украина (1,9%). В 2008 году прогнозировалось, что Казахстан увеличит производство и станет крупнейшим в мире поставщиком урана к 2009 году; с 2010 года Казахстан доминирует на мировом рынке урана. В 2021 году его доля составила 45,1%, за ней следуют Намибия (11,9%), Канада (9,7%), Австралия (8,7%), Узбекистан (7,2%), Нигер (4,7%), Россия (5,5%), Китай (3,9%), Индия (1,3%), Украина (0,9%) и Южная Африка (0,8%), при этом общее мировое производство составило 48 332 тонны. В конце 1960-х годов геологи ООН обнаружили крупные месторождения урана и другие запасы редких минеральных ресурсов в Сомали. Эта находка была крупнейшей в своем роде, по оценкам экспертов, она составляла более 25% от известных на тот момент мировых запасов урана в 800 000 тонн. Считается, что доступных запасов хватит как минимум на следующие 85 лет, хотя некоторые исследования указывают на то, что недостаточные инвестиции в конце двадцатого века могут привести к проблемам с поставками в XXI веке. Распределение месторождений урана, по-видимому, подчиняется логнормальному закону. Количество извлекаемого урана увеличивается в 300 раз при каждом десятикратном снижении содержания полезного компонента в руде. Иными словами, высококачественной руды немного, а низкокачественной – пропорционально больше.

Последствия и меры предосторожности

Нормальное функционирование почек, мозга, печени, сердца и других систем может быть нарушено под воздействием урана, поскольку он является токсичным металлом, помимо своей слабой радиоактивности. Уран также оказывает токсичное воздействие на репродуктивную функцию. Радиологические эффекты обычно носят локальный характер, так как альфа-излучение, являющееся основной формой распада урана, имеет очень малую дальность и не проникает через кожу. Показано, что альфа-излучение, поступающее в организм с вдыхаемым ураном, вызывает рак легких у работников ядерной промышленности. Несмотря на то, что Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC) опубликовали исследование, в котором не было выявлено случаев рака у людей, связанных с воздействием природного или обедненного урана, воздействие урана и продуктов его распада, особенно радона, представляет собой серьезную угрозу для здоровья. Воздействие стронция-90, йода-131 и других продуктов деления не связано с воздействием урана, но может произойти в результате медицинских процедур или контакта с отработавшим ядерным топливом или радиоактивными осадками. Хотя случайное вдыхание высокой концентрации гексафторида урана приводило к смертельным случаям, эти смерти были связаны с образованием высокотоксичной плавиковой кислоты и фторида уранила, а не с самим ураном. Мелкодисперсный металлический уран представляет пожарную опасность, поскольку он пирофорный – мелкие частицы могут самовоспламеняться на воздухе при комнатной температуре. Урановый концентрат обрабатывается и хранится таким образом, чтобы исключить его попадание в организм человека при вдыхании или проглатывании.