Основы радиохимии и радиоэкологии (стр. 61 из 63)

Применение тория в качестве ядерного горючего затруднено прежде всего тем, что в побочных реакциях образуются изотопы с высокой активностью. Главный из таких загрязнителей - уран-232 - альфа- и гамма-излучатель с периодом полураспада 73.6 года. Его использованию препятствует и то обстоятельство, что торий дороже урана. Уран легче выделить. Некоторые урановые минералы (уранит, урановая смолка) - это простые окислы урана. У тория таких. простых минералов (имеющих промышленное значение) нет. А попутное выделение из редкоземельных минералов осложнено сходством тория с элементами семейства лантана.

Главная проблема получения делящегося материала из тория состоит в том, что он изначально не присутствует в реальном реакторном топливе, в отличие от U-238. Для использования ториевого воспроизводства высокообогащенный делящийся материал (U-235, U-233, Pu-239) должен использоваться в качестве топлива реактора с включениями тория по большей части только для возможности воспроизводства (т.е. не происходит или происходит незначительное выделение энергии, хотя сгорание U-233, полученного на месте, может внести вклад в выделение энергии). С другой стороны, тепловые бридерные реакторы (на медленных нейтронов) способны использовать U-233/торий цикл воспроизводства, особенно если в качестве замедлителя использовать тяжелую воду.

Торий является перспективным материалом для ядерной энергетики. Делящимся элементом при этом служит

, образующийся по схеме:

.

Достоинство тория как топливного материала определяется высокой температурой его плавления, отсутствием фазовых переходов, высокой механической прочностью и радиационной устойчивостью металлического тория и ряда его соединений. Использование тория в ядерной энергетике способно решить проблему истощения природных запасов урана. Из других областей применения тория представляет интерес использование его как катализатора, а также в качестве легирующих присадок к многокомпонентным сплавам, используемым в авиационной и ракетной технике.

Протактиний ₉₁Pa

Протактиний по своим свойствам сходен с Nb, Ta, Zr, Hf, Ti. Это блестящий металл светло-серого цвета, покрытый на воздухе тонкой пленкой оксида. По твердости протактиний близок к урану. Интересным свойством протактиния является его сверхпроводимость при 2˚ К.

Металлический протактиний может быть получен термическим разложением его галогенидов на вольфрамовой нити при высокой температуре и давлении 10^-3 – 10^-4 Па. Протактиний легко реагирует с водородом. Степени окисления протактиния +5, +4,+3,+2, из которых наиболее устойчивой является +5.

Изучение химии протактиния осуществлялось методами классической химии с использованием долгоживущего изотопа

.

Основными методами выделения протактиния являются соосаждение, экстракция и хроматография. Наилучшими носителями являются фосфат циркония и гидроксид марганца (1У).

Применение протактиния.

применяется как источник получения по ядерной реакции:

.

- используется как изотопный источник тока, используется в качестве ядерного топлива .

Уран и трансурановые элементы.

Уран ₉₂U

Уран- 92 –ой элемент Периодической системы Менделеева, последний и самый тяжелый из существующих в природе элементов. Этот элемент занимает в современной жизни особое место.

Главный элемент ядерной энергетики и сырье для получения другого главного энергетического элемента- плутония, он причастен ко многим открытиям ХХ века . Уран помог раскрыть тайны атома, стал источником невиданной мощи. Он основа современной « алхимии», превращения элементов и получения новых.

Рис. Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы)

Открыл уран немецкий химик Клапрот в 1789 г., выделив из саксонской смоляной руды черное металлоподобное веществ, и назвал его ураном Более пятидесяти лет это вещество считалось металлом и только в 1841 году францезский химик Пелиго доказал, что это окисел урана UO₂. Прошло еще 55 лет и в 1896 году Беккерель обнаружил, благодаря урану, явление радиоактивности. В 1903 году Д. И. Менделеев

Уран довольно широко распространен в природе( содержание урана в земной коре 10^-3 % по массе). Основным источником получения урана является урановая смоляная руда и карнотит (K₂(UO₄)(VO₄)₂nH₂O, а в последнее время и более бедные урановые руды. Химические свойства урана изучены методами классической химии

Выделение урана из природных объектов производится путем кислотного или карбонатного выщелачивания его после предварительного обогащения руды. Окончательное извлечение урана осуществляется методами осаждения, экстракции, сорбции и т.д.

Степени окисления урана +3, +4, +5, +7.

Для урана в металлическом состоянии характерно взаимодействие с водородом, азотом и другими элементами.

Соединения урана обладают большой склонностью к комплексообразованию, гидролизу.

Трансурановые элементы(₉₃Np, ₉₄Pu, ₉₅Am)

Основным методом получения Np, Pu, Am является облучение урана, нептуния, плутония медленными нейтронами:

В свободном состоянии нептуний, плутоний, америций – серебристые металлы большой плотности, в порошкообразном состоянии они пирофорны. Все эти металлы сплавляются друг с другом в широком интервале концентраций и проявляют способность образовывать интерметаллические соединения. Для этих элементов в металлическом состоянии характерно взаимодействие с водородом, азотом и другими элементами.

Наиболее сложной проблемой является их отделение от облучаемого элемента и друг от друга. Наиболее распространенными методами получения этих элементов в металлическом состоянии является восстановление их фторидов щелочами или щелочноземельными металлами или электролиз расплавов их солей Решение этой задачи основано на том, что для каждого элемента рассматриваемой группы характерна своя устойчивая степень окисления: для урана +6, для нептуния +5, для плутония +4, для америция +3. Наиболее эффективными являются ионообменные и экстракционные методы. Меньшее значение для целей разделения и выделения этих элементов имеют осадительные методы.

Химия водных растворов этих элементов исследована с использованием микрохимии из-за их высокой массовой активности

Практическое использование элементов рассматриваемой группы определяется их ядерно-физическими характеристиками, а не химическими свойствами. Многие изотопы рассматриваемых элементов способны к делению под действием нейтронов и используются в качестве ядерного топлива. К наиболее важным из них относятся

, делящиеся под действием медленных нейтронов. имеет очень большое сечение деления и следовательно, малую критическую массу, что позволяет использовать его в качестве ядерного топлива в небольших реакторах, пригодных для космических исследований. служит источником получения ядерного топлива - .

Кроме того важной областью применения рассматриваемых элементов является изготовление на основе

изотопных источников. Эти источники могут быть использованы для получения электрической энергии, теплоты и механической энергии. Изотопные источники на основе использовались в космических летательных аппаратах для термостатирования замкнутых объектов с электронной аппаратурой, для жизнеобеспечения космических орбитальных станций и снабжения их электроэнергией.

используется для создания стимуляторов сердечной деятельности.

Изотоп

, испускающий γ – кванты с энергией 59,6 кэВ используют в качестве источника возбуждения в рентгенофлюоресцентном анализе.

Наиболее распространенными методами получения этих элементов в металлическом состоянии является восстановление их фторидов щелочами или щелочноземельными металлами или электролиз расплавов их солей.

Степени окисления этих элементов +3, +4, +5, +7.

Для всех четырех элементов в металлическом состоянии характерно взаимодействие с водородом, азотом и другими элементами.

Химия водных растворов этих элементов исследована с использованием микрохимии из-за их высокой массовой активности.

Все эти элементы обладают большой склонностью к комплексообразованию, гидролизу.

Основным источником получения урана является урановая смоляная руда и карнотит (K₂(UO₄)(VO₄)₂nH₂O, а в последнее время и более бедные урановые руды.