Uraniu

1. Uraniu Voicu Andreea cl.a VIII-a B Sc. nr. 3 Moreni

2. Cuprins • Caracteristici generale • Stare naturala • Proprietăţi fizice • Utilizările uraniului • Începutul erei atomice • Testele nucleare • Centrala nucleară din România • Radioactivitate • Uraniu • Imagini

3. Caracteristici generale • Uraniu, în latină uranium, este un element chimic, un metal, din seria actinidelor a sistemului periodic al elementelor care are simbolul chimicU şi numărul de ordine92. • Uraniul are cea mai mare masă atomică dintre toate elementele naturale. Uraniul este aproximativ cu 70 % mai dens decât plumbul si este usor radioactiv. Distributia sa naturală este de circa câteva părti per milion în sol, roci si apă. Uraniul este extras industrial din minerale relativ bogate în concentrasie fasă de cea naturală prin procedee mecanice, fizice si chimice . • Forma naturală a elementului chimic Uraniu care are numărul atomic 92. Principalii izotopi ai uraniului sunt: • U-234 cu o abundenta de 0,006%; • U-235 cu o abundenta de 0,72%; • U-238cu o abundenta de 99,275%. • Uraniul cu o concentratie de U-235 mai mare decât cea naturala este numit uraniu îmbogatit (se obtine într-o instalatie de separare izotopica).

4. Stare naturală • În stare naturală, uraniul se găseste sub formă preponderent a izotopului uraniu 238(99.275%), respectiv a izotopilor uraniu 235(0.711%) si a unei cantităti foarte reduse de uraniu 234(0.0058%). Această proportie din natură se datoreaza timpului de injumatatire al celor trei izotopi, pentru uraniu 238 acesta este de 4,47 miliarde de ani, dar pentru uraniu 235 este de 704 milioane de ani. Indiferent de izotop, atomii de uraniu fisioneaza spontan emitândparticule alfa., făcându-se folositori în datarea varstei Pamantului. La fel ca toriul siplutoniul, uraniul este unul din cele trei elemente fisionabile, însemnând că se poate descompune(scinda) usor în elemente mai usoare. În timp ce uraniul-238(material fertil) prezintă o mică probabilitate de fisiune spontană sau fisiune datorată bombardării cu neutroni rapizi, uraniul-235si uraniul-233 prezintă o mare probabilitate de fisiune când sunt bombardati cu neutroni lenti. Acest efect generează căldura din reactoarele nucleare, fiind folosită ca sursă de putere si generează materialul fisionabil pentru armele nucleare. Amândouă consecintele se bazează pe capacitatea uraniului de a întretine o reactie nucleară în lant. Uraniulepuizat (uraniul-238) este folosit în penetratorul cu energie cinetică si blindareavehiculelor.

5. Proprietăţi fizice • Metal radioactiv, Izotopul U235 având timpul de înjumătătire de cca. 760 de milioane de ani. • Are densitate foarte mare, lucru care-l face să fie utilizat (izotopul U238) la fabricarea unor greutăti mici (de exemplu pentru giroscoape), dar cu masa mare, de asemenea, izotopul mentionat se poate utiliza la fabricarea blindajelor pentru tancuri, dar si pentru fabricarea munitiei (proiectile cu vârf de uraniu). Dezavantajul munitiei de uraniu este contaminarea terenului la momentul exploziei, un lucru nedorit, praful de uraniu putând ajunge în organisme vii unde va provoca mutatii în celule si deci cancer (uraniul si toate radioelementele sunt cunoscute pentru proprietătile lor mutagene si cancerigene). În anumite cazuri, uraniul se utilizează la ecranarea unor surse foarte puternice de radiatie (de exemplu Cobalt 60, Cesiu 137) utilizate în radioterapie sau defectoscopie. Oxidul U3O8 are culoarea galbenă, lucru ce l-a făcut utilizat la colorarea vaselor de portelan si a sticlei (sticla de uraniu). În anumite cazuri, oxidul de uraniu a fost utilizat la fabricarea danturilor false. Uraniul era adăugat pentru că dintii falsi să aibă fluorescenta celor adevărati. În general, oxizii uraniului au fost folositi ca si coloranti. Chiar si oxidul negru de uraniu a fost folosit pentru emailarea anumitor vase de portelan. Sărurile de uraniu (azotat) erau folosite în tehnica fotografică, pentru realizarea fotografiilor în ton sepia.

6. Utilizările uraniului Inainte de 1940 existau cantitati foarte mari de uraniu rezultat ca subprodus de la extractia radiului si a vanadului , care nu aveau desfacere . O situatie asemanatoare se intalneste si astazi : cantitati mari de uraniu insaracit in izotopul U-235 care asteapta sa fie folosit ca element fertil in reactoare neproducatoare este disponibil pentru a fi folosit in diferite domenii ale economiei .Exista o singura utilizare traditionala a uraniului : pigment in sticla si ceramica . Adaugat in proportie de la 0,3 la 0,15% , uraniul confera sticlei o coloratie stralucitoare care merge de la negru la rosu . aceste sticle au fost clasificate in urmatoarele trei grupe :- sticle fluorescente , care contin radicalul uranil , obtinut prin adaugarea uraniului in timpul fabricarii sticlei din soda , var si silice , in conditii oxidante ;- sticlele contin uranati , nu sunt fuorescente ,iar culoarea lor variaza de la galben in silicati, puternic alcalini la portocaliu si rosu intens in sticla continand mult plumb;- sticla nefluorescenta de culoare bruna sau verde contine saruri ale uraniului tetravalent adaugate in conditii reducatoare .Oxizii uraniului pot fi incorporati usor în sticle silicatice , fosfatice sau cu continut de fluor , până la 50% . Calitatea sticlei silicatice se imbunatăţeşte prin adaugarea de uraniu în sensul ca devine mai insolubila în acizi şi în soda caustică.Pigmenţii pe baza de uraniu sunt folosiţi de mult timp şi în ceramică : nuanţe de galben stralucitor în porţelanuri se obţine cu săruri de uraniu .În industria chimică se utilizează catalizatori pe bază de uraniu , prima menţiune în acest sens aparţinându-i lui Fritz Haber care a sugerat folosirea carburii de uraniu drept catalizator la fabricarea amoniacului din azot si hidrogen . Utilizarea cea mai largă a uraniului în procesele de catalizare se întâlneste însă la convertirea titeiului în gaze combustibile ( pentru uz casnic ) în prezenţa de oxid de uraniu . De fapt catalizatorul constă dintr-un amestec de oxizi de nichel si de uraniu pe un suport de aluminiu si se caracterizează printr-o stabilitate foarte mare , posibilitatea de indepărtare a sulfului din titei si rezistenţa faţă de depunerile de carbon . Au fost elaborate şi cercetate numeroase aliaje continând uraniu. Metalele care formeaza solutii solide cu uraniul prezinta uninteres deosebit deoarece ele permit sa se imbunatateasca proprietatile mecanice si anticorosive ale aliajelor . Dar si adaugarea de cantitati reduse de metale de aliere poate conduce la btinerea unor aliaje cu proprietati deosebite . Cu toate acestea , uraniul nu prezinta avantajele evidente ca elemente de aliere in comparatie cu metalele mai putin costisitoare , ceea ce explica utilizarea sa relativ restransa

7. Începutul erei atomice Primul pas spre era atomica a fost facut de fizicianul Henri Becquerel, pe 26 februarie1896 . Acesta a lasat cateva placi fotografice ferite de lumina in apropierea unui minereu de uraniu. Developandu-lele-a descoperit innegrite, ca si cand ar fi fost expuse la lumina . De aici a trasconcluzia ca minereuldeuraniu emite radiatii necunoscute. Apoi fizicienii Marie Curie si sotul ei Pierre Curie si-au dedicat multi ani cercetarii radiatiilor radioactive. Impreuna, cei trei cercetatori au primit premiul Nobel pentru fizica in anul 1903. Identificarea si cercetarea radiatiilor incepe sa-i pasioneze pe cercetatori, asa ca la inceputul secolului trecut Rutherfort si elevii lui, Chadwick, Cockfroft is Walton, au investigat proprietatile nucleelor cu ajutorul unor particule accelerate artificial la energii cinetice mai mari decat cele ale radiatiilor, emise de substante radioactive.Descoperirea, in anul 1789 a uraniului in mineralul plehbendă, ii este acreditată lui Martin Heinrich Klaproth, care a numit noul element după planeta Uranus. Eugène-Melchior Péligot a fost prima persoană care a reuşit să izoleze acest metal, iar proprietatile sale radioactive au fost descoperite, in 1896, de Antoine Becquerel. Cercetările lui Enrico Fermi, Otto Hahn si altii, începând din 1934, au condus la folosirea acestuia drept combustibil în industria energiei nucleare si în Little Boy, prima armă nucleară folosită în război. Disputa ce a dat tonul Razboiului Receîntre Statele Unite si Uniunea Sovietica a dus la producerea a zeci de mii de arme nucleare ce foloseau uraniu îmbogătit, sau un derivat al uraniului, plutoniul. Date despre securizarea acestor arme si a materialelor fisionabile folosite in acestea, potrivit articolului "destrămarea UniuniiSovietice" in 1991, impreună cu sumedenia de teste nucleare si accidente nucleare reprezintă o neliniste pentru sănătatea si siguranta publică.

8. Testele nucleare Efectuarea numeroaselor teste, peste 1000, mai ales in perioada 1945-1963, cu diverse tipuri de arme nucleare in aer, in apa sau in subteran, a dus la contaminarea Pamantului cu cantitati uriase de radionuclizi. Testele cele mai contaminante la nivel zonal, sau chiar planetar, au fost cele realizate pe suprafata solului (in aer). Era exploziilor a fost inaugurata in 1945, in desertul Alamogordo (New Mexico), fiind urmata, la scurt timp, de detonarea celor doua arme nucleare, de la Hiroshima Si Nagasaki, din Japonia, pe 6 si respectiv 9 august 1945. cele doua explozii nucleare au facut sute de mii de vicime omenesti - efectele lor nu au disparut in totalitate nici in zilele noastre, alaturi de distrugeri materiale incalculabile.Explozia unei arme nucleare elibereaza in natura o gama larga de produse de fisiune si de activare, precum si material nefisionat (uraniu-235 sau plutoniu-239), care sunt transportate in straturile inalte ale atmosferei, ceea ce face ca aceasta radioactivitate artificiala sa fie raspandita in toata lumea. De aici radionuclizii fixati pe particule de praf, în functie de dimensiuni revin pe pământ la diverşi timpi după explozie, sub formă de caderi sau depuneri de ploi radioactive.Datorită numeroaselor teste nucleare, evaluările din 1964 arătau că emisfera nordică prezenta o contaminare radioactiva de 3 ori mai ridicata fata de cea sudica, iar inventarul continutului de strontiu-90 din stratosfera se ridica la uriasa activitate de 5.10 17 Bq. In ceeasi situatie se afla si cesiu-137, in timp ce pe sol s-au depus cca 3 tone de plutoniu-239.Radioactivitatea depunerilor atmosferice a scazut treptat dupa 1963 (odata cu semnarea Tratatului de interzicere a experientelor cu arme nucleare, intre SUA, fosta URSS si Anglia), ajungand in prezent sa fie foarte redusa si greu de decelat.

9. Centrala nucleara din România • Centrala Nucleară de la Cernavodă este unica din România. • În prezent (2007) functionează unitătile I si II, ce produc împreună circa 18% din consumul de energie electrică al tării. • Planul initial, datând de la începutul anilor 1980 prevedea constructia a cinci unităti. Unitatea I a fost terminată în 1996, are o putere electrica instalata de 706 MW si produce anual circa 5 TWh. Unitatea II a fost pornită pe 6 mai, conectată la sistemul energetic national pe 7 august si functionează la parametrii normali din luna septembrie 2007. • Reactoarele nucleare de la Cernavodă utilizează tehnologia canadiană cunoscută sub acronimul CANDU. Apa grea, folosită drept moderator, este produsa la ROMAG PROD Drobeta-Turn Severin. • În mod cu totul exceptional, când nivelul Dunării scade mult, iar apa de răcire nu mai poate fi pompată în instalatiile de răcire, reactoarele trebuieoprite. Acest lucru s-a întâmplat, de exemplu, în august-septembrie 2003, când centrala a fost oprită timp de trei săptămâni. • Pentru realizarea Unitătilor 3 si 4 de la Cernavodă a fost ales modelul unei Companii de Proiect realizată prin parteneriat între statul roman prin intermediul Nuclearelectrica si investitori privati. Cei sase investitori care au depus oferte si au fost selectati sunt: Arcelor Mittal România care va detine 6,2 din actiunile viitoarei companii, Grupul CEZ Republica Cehă – 9,15%, ENEL Italia – 9,15%, GDF Suez – 9,15%, Iberdrola Spania – 6,2% si RWE Germania – 9,15%, în conditiile în care statul roman va detine 51% din actiuni. Compania de proiect numita EnergoNuclear a fost înfiintată în martie 2009, iar cele două unitati se estimează că vor fi puse în functiune în 2015-2016.

10. Radioactivitate • Radioactivitatea naturală • Fenomenul radioactivității a fost descoperit în 1896 de fizicianul Henri Becquerel la elementul uraniu, ca urmare a dezvoltării generale a fizicii și ca o consecință directă a descoperirii de către Roentgen, în 1895 a razelor X. Becquerel a observat că uraniul emite raze invizibile, cu proprietăți asemănătoare razelor X. Ceva mai târziu s-a descoperit că și thoriul emite asemenea radiații și de asemenea faptul că razele γ sunt cele mai asemănătoare cu razele X, atât prin duritatea lor, adică puterea lor de penetrare, cât și prin viteza lor. • Ceva mai târziu, în 1898, soții Pierre și Marie Curie au descoperit două noi specii atomice radioactive pe care le-au numit: pe cea dintâi poloniu (Po), pe al doilea radiu (Ra) pentru deosebita sa radioactivitate. Un număr mare de savanți din diferite țări au întreprins apoi cercetări pe căile deschise de aceste noi importante descoperiri. • Radioactivitatea artificială • Experiențele de bombardare cu raze α au dus în 1934 la o nouă descoperire de importanță primordială. Este vorba de radioactivitatea artificială descoperită de soții Frederic și Irene Joliot-Curie, ginere și fiică ai descoperitorului poloniului și radiului. În 1934 aceștia au supus unui bombardament cu raze α niște foițe de aluminiu. Au observat faptul că în timpul bombardamentului, aluminiul emitea neutroni. Când bombardamentul înceta, foițele de aluminiu încetau și ele să mai emită neutroni, însă foițele de aluminiu continuau să emită o radiație asemănătoare cu razele β. • După multe cercetări, soții Joliot-Curie au lămurit ce se întâmpla: sub acțiunea razelor α, nucleul de aluminiu se transmuta într-un nucleu de fosfor radioactiv care nu exista în natură. • În același mod, prin transmutarea elementului magneziu și bor soții Joliot-Curie au obținut un radiosiliciu și respectiv un radioazot. Descoperirea posibilității de a crea pe cale artificială izotopi radioactivi ai celor mai felurite elemente au avut un răsunet deopotrivă de mare ca și descoperirea radioactivității naturale cu 36 de ani în urmă. Punând această idee în practică, fizicianul Ernico Fermi a bombardat vreo 60 de elemente diferite și 40 dintre ele a dat naștere la izotopi radioactivi artificiali, cu timpi de înjumătățire cuprinși între câteva secunde și câteva zile.

11. Uraniu • Uraniuleste un metal care face parte dintre elementele chimice care au jucat un rol deosebit la dezvoltarea energeticii nucleare prin proprietatea acestuia de a fi fisionabil si a elibera energie. Uraniul este destul de rãspândit în naturã sub forma diferitelor tipuri de minereuri (pehblendã, uraninit, torbernit, carnotit etc...). Uraniul este folosit, actualmente, drept combustibil nuclear sub forma Uraniului Metalic sau a unor compusi chimici. În reactoarele atomice este folosit uraniul ca sursă de energie pentru producerea curentului electric. În reactorul atomic este produsă, de fapt, o explozie atomică controlată, prin intermediul unor bare absorbante de neutroni (continând bor sau cadmiu care au rolul de a absorbi neutronii în exces. În toate cazurile se pune problema obtinerii, fie a uraniului, fie a unor sãruri ale acestuia de puritate nuclearã. Impuritãtile (chiar urme, de exemplu, bor, element cu sectiune de captură foarte mare) pot duce la deranjamente grave, din cauza unor sectiuni de capturã mari. Datoritã acestui lucru apare necesitatea utilizãrii unei tehnologii de purificare a substantelor. Uraniul formeazã o serie de oxizi, dintre care îi amintim pe cei mai importanti: U3O8, UO3 si UO2. Primul se poate obtine din calcinarea diuranatului de amoniu si azotatului de uraniu, UO3 rezultã prin calcinarea azotatului, iar UO2 prin reducerea UO3 cu H. Uraniul natural este un uraniu sărac in izotopul U235, izotop fisionabil utilizat la reactoare nucleare. In cazul reactoarelor cu moderator de grafit si apa usoară se pune problema îmbogătirii uraniului, crescând concentratia în izotopul U235( care există cam în proportie de 0,5-1% în uraniul natural, restul fiind U238 nefisionabil. Un exemplu de proces de îmbogătire este următorul:în prima fază se amestecă UF6 cu un gaz purtător( H2 sau He). Curentul de gaze este trecut printr-o centrifugă de îmbogătire compusă dintr-un cilindru metalic care se roteste foarte repede(20000 rotatii/minut). Aici are loc separarea izotopilor după masele lor. Spre centrul cilindrului ajunge izotopul usor, U235 care părăseste cilindrul printr-o serie de conducte si ajunge într-o uzină de procesare unde este transformat în oxizi.Izotopul U238 se va deplasa spre exteriorul cilindrului, loc de unde va fi colectat si va fi utilizat, în general, la prepararea unor reactiv de laborator[UO2(CH3COO)2,UO2(NO3)2] care nu trebuie să contină izotopul periculos( emite si raze gamma) U235.Alte metode de îmbogătire sunt difuzia gazoasă, separarea electromagnetică (în calutron), etc.

12. Imagini Centrale nucleare Martin Heinrich KlaprothMarie si Pierre Curie Minereu de uraniu Henri Becquerel