دانشچی پورتال جامع تحقیق و مقاله، مطالب علمی و هنری ، وبگردی و…
همه چیز درباره عنصر اورانیوم (U)
اورانیوم، (به انگلیسی : Uranium) با علامت اختصاری U و عدد اتمی ۹۲، عنصری از جدول تناوبی در دسته فلزات است که در ادامه بیشتر با آن آشنا می شوید. با دانشچی همراه باشید.
اورانیوم یا اورانیم یکی از عنصرهای شیمیایی است که در جدول تناوبی جزو آکتنیدها قرار میگیرد. ایزوتوپ ۲۳۵U اورانیم در نیروگاههای انرژی هستهای به عنوان سوخت و در سلاحهایاتمی به عنوان ماده منفجره استفاده میشود.
اورانیم بهطور طبیعی فلزی است سخت، سنگین، نقرهای رنگ و پرتوزا. این فلز کمی نرمتر از فولاد بوده و تقریباً قابل انعطاف است. اورانیم یکی از چگالترین فلزات پرتوزا است که در طبیعت یافت میشود. چگالی آن ۶۵٪ بیشتر از سرب و کمی کمتر از طلا است.
شناسنامه اورانیوم
عدد اتمی: ۹۲
جرم اتمی: ۲۳۸.۰۳
نقطه ذوب: ۱۱۳۲ ºC
نقطه جوش: ۳۸۱۸ ºC
شعاع اتمی: ۱۵۶ pm
رنگ: سفید نقره ای
حالت استاندارد: جامد
انرژی یونیزاسیون: ۵۹۷.۶ Kj/mol
شکل الکترونی: [ Rn ] 5f3 6d1 7s2
الکترونگاتیوی: ۱.۷
چگالی: ۱۸.۹۵ g/cm3
دوره تناوبی: ۷
شماره سطح انرژی یونیزاسیون: ۷
شعاع کووالانسی: ۱۹۶±۷ pm
گرمای تبخیر: ۴۱۷.۱ Kj/mol
تاریخچه اورانیوم
استفاده از اورانیوم به شکل اکسید طبیعی آن به سال ۷۹ میلادی بر میگردد، یعنی زمانی که این عنصر برای اضافه کردن رنگ زرد به سفال لعابدار استفاده شد (شیشه زرد با یک در صد اورانیوم در نزدیکی ناپل ایتالیا کشف شده است. ) کشف این عنصر به شیمیدان آلمانی به نام “مارتین هنریچ کلاپرس” اختصاص داده شد که در سال ۱۷۸۹ اورانیوم را به صورت قسمتی از کانی که آن را pitchblende نامید، کشف شد. نام این عنصر را بر اساس سیاره اورانوس که هشت سال قبل از آن کشف شده بود برگزیده شد. این عنصر در سال ۱۸۴۱ به صورت فلز جداگانه توسط “eugne melchior peligot” استفاده شد.
در سال ۱۸۹۶ “هانری بکرل” فیزیکدان فرانسوی برای اولین بار به خاصیت رادیواکتیویته آن پی برد. در پروژه Manhattan نامهای Tuballoy و Oralloy برای اورانیوم طبیعی و اورانیوم غنی شده بکار برده شد. این اسامی هنوز نیز برای اورانیوم غنی شده و اورانیوم طبیعی بکار برده می شوند.
در آغاز قرن بیستم تفحص و جستجو برای یافتن معادن رادیو اکتیو در ایالات متحده آغاز شد. منابع رادیوم که حاوی کانی های اورانیوم نیز میبودند، برای استفاده آنها در رنگ ساعت های شبنما و دیگر ابزار جستجو شدند. در طی جنگ جهانی دوم اورانیوم از نظر اهداف دفاعی اهمیت پیدا کرد. در سال ۱۹۴۳ Union Mines Development Corporation کنگره ای را در کلرادو به منظور استفاده ارتش از قدرت اتمی در پروژه Manhattan تشکیل داد.
برای اطمینان از ذخایر کافی اورانیوم این کنگره US Atomic Enecry Act of 1946 را ایجاد و کمیسیون انرژی اتمی را بوجود آورد. در دهه ۱۹۶۰ ملزومات ارتش تزلزل یافت و در اواخر سال ۱۹۷۰ دولت برنامه تهیه اورانیوم خود را کامل کرد. همزمان با همین مساله بازار دیگری بوجود آمد که درواقع همان کارخانههای نیروگاههای هستهای اقتصادی بود.
پیدایش اورانیوم
اورانیوم عنصر طبیعی است که تقریبا در تمام سنگ ها آب و خاک به میزان کم یافت میشود و بنظر میرسد که مقدار آن از Antimony ، بریلیوم ، کادمیوم ، جیوه ، طلا ، نقره و تنگستن بیشتر باشد و این فراوانی در حد آرسنیک و مولیبدنیوم است. این عنصر در بیشتر کانیهای اورانیومی از قبیل Pitchblende، Uraninite ،Autunite ، Uranophane tobernite و Coffinite یافت میشود.
br>مقدار بیشتری از اورانیوم در موادی از قبیل صخرههای فسفاتی و کانیهایی مانند Lignite و Monazite یافت میشود که بیشتر برای مصارف اقتصادی از همین منابع استخراج میشود. از آنجا که اورانیوم نیمه عمر رادیواکتیوی طولانی ۴.۴۷×۱۰۹ سال برای U-238 دارد مقدار آن همیشه در زمین ثابت میماند.
بنظر میرسد که فرو پاشی اورانیوم و واکنشهای هستهای آن با توریوم همان منبع گرمایی عظیمی است که در هسته زمین ، باعث ذوب شدن قسمت خارجی هسته زمین گردیده و باعث ایجاد حرکت پوستهای زمین میشود. معدن اورانیوم صخره ای است که محل تمرکز اورانیومی میباشد که مقدار اقتصادی آن ، یک تا چهار پوند اکسید اورانیوم در هر تن است که تقریبا ۰.۰۵ تا ۰.۲۰ درصد اکسید اورانیوم دارد.
ویژگیهای اورانیم
اورانیم یکی از سنگینترین و چگالترین ۱۸/۹۷ g/cm³ عنصر است که در طبیعت یافت میشود (هیدروژن سبکترین عنصر طبیعت است Platin ۲۱/۴۵ g/cm³ .) اورانیم خالص حدود ۱۸/۷ بار از آب چگالتر است و همانند بسیاری از دیگر مواد پرتوزا در طبیعت بصورت ایزوتوپ یافت میشود.
اورانیم شانزده ایزوتوپ دارد. حدود ۹۹/۳ درصد از اورانیمی که در طبیعت یافت میشود ایزوتوپ ۲۳۸ (U-۲۳۸) است و حدود ۰/۷ درصد ایزوتوپ ۲۳۵ (U-۲۳۵). دیگر ایزوتوپهای اورانیم بسیار نادر هستند. در این میان ایزوتوپ ۲۳۵ برای بدست آوردن انرژی از نوع ۲۳۸ آن بسیار مهمتر است چرا که U-۲۳۵ (با فراوانی تنها ۰/۷ درصد) آمادگی آن را دارد که در شرایط خاص شکافته شود و مقادیر زیادی انرژی آزاد کند. به این ایزوتوپ «ماده شکافا» (Fissile material) هم گفته میشود و برای شکافت هستهای استفاده میشود.
کاربردهای اورانیم
♦ اورانیم به عنوان سوخت هسته ای در رآکتورها استفاده می شود. یک کیلوگرم اورانیم ۲۳۵ انرژی برابر با ۱۵۰۰۰۰۰ کیلوگرم(۱۵۰۰ تن) زغال تولید می کند.
♦ در حدود %۹۹ اورانیم موجود در طبیعت به صورت U-238 و تنها %۰.۷ از آن به شکل U-235 است. نیروگاه های بزرگ گازی اورانیم را غنی سازی می کنند، به طوری که بیشترین مقدار تمرکز U-235 باشد.
♦ اورانیم به عنوان سوخت هسته ای در حدود %۳-۲، اورانیم ۲۳۵ دارد.
♦ در اسلحه های هسته ای، اعتقاد بر این است که اورانیم تا %۹۰ غنی سازی می شود، اگرچه در غلظت های خیلی کمتر هم عملکرد یک بمب کاری را دارا می باشد.
♦ اورانیم تهی شده محصول جانبی غنی سازی اورانیوم در فرایندهای هسته ای است. این محصول در حدود %۰.۲ اورانیم ۲۳۵ دارد و در حدود نصف اورانیم معمولی خاصیت تشعشعاتی دارد.
♦ این خاصیت مغناطیسی کم آن سبب می شود که در جایی که دانسیته ی بالایی از اورانیم نیاز است کاربرد داشته باشد(در توپ تنیس که باید وزنی در حدود ۵.۷ پوند یعنی در حدود ۲.۶ کیلوگرم داشته باشد). در صنایع نظامی برای حفاظت از تانک های سربازان و همچنین در گلوله و موشک مورد استفاده قرار می گیرد.
♦ استفاده از اورانیم تهی شده در موشک ها بحث برانگیز است چرا که در ضربه، بخارات اورانیمی و گردو غبار بسیار سمی شکل می گیرد.
♦ U-238 می تواند به پلوتونیم شکافت پذیر در رآکتور تولید کننده تبدیل شود.
ایزوتوپ های اورانیوم
اورانیوم طبیعی از ۳ ایزوتوپ U-238, U-235, U-234 تشکیل شده است که U-238 فراوانترین آنها (۹۹.۳%) می باشد. این سه ایزوتوپ رادیو اکتیو بوده که نیمه عمر آنها عبارت است از U-235 4.5×109 سال که پایدارترین آنها می باشد. U-235 7×108 سال و U234 2.5×105 سال.
ایزوتوپهای اورانیوم میتوانند از هم جدا شوند تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند ، غنی سازی نام دارد. وزن U-235 برای غنی شدن باید ۰.۷۱۱ درصد افزایش یابد. اورانیوم م۲۳۵ برای استفاده در سلاحهای هستهای و نیروگاه های اتمی مناسبتر است. این فرایند مقادیر بسیاری اورانیوم بوجود میآورد که در U-235 تخلیه می شوند و خالصترین اورانیوم یعنی U238 اورانیوم خالی یا DU نام دارد. اگر ایزوتوپ ۲۳۵ بخواهد تخلیه شود باید وزنش ۰.۷۱۱ درصد کم شود.
غنی سازی اورانیوم
غنیسازی اورانیوم عملی است که بهواسطهٔ آن در یک تودهٔ اورانیوم طبیعی مقدار ایزوتوپ ۲۳۵U بیشتر شود و مقدار ایزوتوپ ۲۳۸U کمتر گردد. غنیسازی اورانیوم یکی از مراحل چرخهٔ سوخت هستهای است.
اورانیوم طبیعی (که بهشکل اکسید اورانیوم است) شامل ۹۹٫۳٪ از ایزوتوپ ۲۳۸U و ۰٫۷٪ از ۲۳۵U است. ایزوتوپ ۲۳۵U اورانیوم قابل شکافت و مناسب برای بمبها و نیروگاههای هستهای است.
۲۳۸U باقیمانده را اورانیوم ضعیفشده مینامند و نوعی زباله اتمی است. بهخاطر سختی زیاد و آتشگیری و ویژگیهای دیگر از آن در ساختن گلولههای ضد زره استفاده میکنند. اورانیوم ضعیفشده نیز همچنان پرتوزا است.
خطرات اورانیوم
تمام ترکیبات اورانیوم سمی و رادیو اکتیو هستند. سمی بودن این عنصر میتواند کشنده باشد. در مقادیر بسیار کم خاصیت سمی بودن این عنصر به کلیه آسیب میرساند. خواص رادیواکتیوی این عنصر نیز سیستماتیک و نظام بند است. در کل ترکیبات اورانیوم بهسختی جذب روده و ریه میشوند و خطرات رادیولوژیکی آن باقی میماند. فلز خالص اورانیوم نیز خطر آتشسوزی به همراه دارد.
فرد ممکن است با تنفس غبار اورانیوم در هوا یا خوردن و آشامیدن آب و غذا در معرض این عنصر قرار بگیرد. البته بیشتر این عمل از طریق خوردن آب و غذا صورت میگیرد. جذب روزانه اورانیوم در غذا ۰.۰۷ تا ۱.۱ میکروگرم میباشد. مقدار اورانیوم در هوا معمولا بسیار ناچیز است. افرادی که در کنار تاسیسات هستهای دولت و یا معادن استخراج اورانیوم زندگی میکنند، بیشتر در معرض این عنصر قرار میگیرند.
اورانیوم ممکن است که درطریق تنفس یا بلع و یا در موارد استثنایی از طریق شکافی روی پوست وارد بدن شود. اورانیوم توسط پوست جذب نمیشود و ذرات آلفای ساتع شده از این عنصر نمیتواند به پوست نفوذ کند. بنابراین اورانیومی که خارج از بدن باشد، نمیتواند به اندازه اورانیوم داخل بدن مضر و خطرناک باشد. اگر اورانیوم به بدن وارد شود، ممکن است موجب سرطان شده یا به کلیهها آسیب برساند.
پیشنهادی: همه چیز درباره عنصر ایتربیمویژگی های عنصر اورانیوم و کاربردهایش _ دانشچی
