Закись-окись урана

Закись-окись урана (U₃O₈) — неорганическое соединение, представляющее собой смешанный оксид урана, в котором атомы урана находятся в степенях окисления +4 и +6. Встречается в природе в виде минерала уранинита (настурана), являясь основной рудной формой урана. В промышленности используется как промежуточный продукт при переработке урановых руд и как исходное сырьё для получения гексафторида урана (UF₆) при обогащении.

Физические и химические свойства

Закись-окись урана представляет собой твёрдое кристаллическое вещество от тёмно-зелёного до чёрного цвета. Плотность составляет около 8,3 г/см³. Температура плавления — около 1300 °C (с разложением). Соединение нерастворимо в воде, но растворяется в сильных кислотах (азотной, серной) при нагревании.

Химическая формула U₃O₈ отражает стехиометрию, при которой на три атома урана приходится восемь атомов кислорода. Кристаллическая решётка имеет ромбическую сингонию (пространственная группа C2mm). Соединение обладает слабой радиоактивностью, обусловленной естественным распадом изотопов урана.

При нагревании на воздухе до 600–700 °C диоксид урана (UO₂) окисляется до U₃O₈, а при дальнейшем нагреве до 1000–1200 °C — до триоксида урана (UO₃). Восстановление U₃O₈ водородом или углеродом при высоких температурах приводит к получению диоксида урана.

История открытия и изучения

Минерал, содержащий закись-окись урана, — уранинит — был известен ещё в античности, но его состав долгое время оставался неясным. В 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот выделил из уранинита «уран» как новый элемент, однако полученное им вещество на самом деле представляло собой смесь оксидов, преимущественно U₃O₈. Чистый металлический уран был впервые получен лишь в 1841 году французским химиком Эженом-Мельхиором Пелиго.

Систематическое изучение оксидов урана началось в конце XIX века с развитием радиохимии. В 1896 году Анри Беккерель обнаружил радиоактивность урановых соединений, в том числе U₃O₈, что положило начало ядерной физике. Промышленное значение закись-окиси урана возросло с середины XX века, когда она стала ключевым звеном в ядерном топливном цикле.

Распространение в природе

Закись-окись урана является основной рудной формой урана в природе. Минерал уранинит (настуран) содержит U₃O₈ в качестве главного компонента, часто с примесями тория, свинца, редкоземельных элементов. Крупные месторождения уранинита известны в Канаде (провинция Саскачеван), Австралии (рудник Олимпик-Дам), Казахстане, Намибии, а также в России (Забайкальский край, Республика Бурятия, Курганская область).

Содержание U₃O₈ в рудах варьируется от десятых долей процента до нескольких процентов. Руды с концентрацией более 0,1 % считаются промышленно значимыми.

Получение

Промышленное получение закиси-окиси урана осуществляется в несколько этапов:

1. Добыча руды (шахтным, карьерным или скважинным подземным выщелачиванием).
2. Измельчение и обогащение — механическое и химическое концентрирование урана.
3. Выщелачивание — обработка руды серной или азотной кислотой с переводом урана в раствор.
4. Экстракция и очистка — выделение урана из растворов с помощью ионообменных смол или органических растворителей.
5. Осаждение — получение концентрата в виде «жёлтого кека» (смеси оксидов, преимущественно U₃O₈).
6. Прокаливание — термическая обработка при 600–800 °C для удаления примесей и стабилизации состава.

Конечный продукт — порошок U₃O₈ с чистотой 99,5–99,9 %.

Применение

Основное применение закиси-окиси урана — ядерная энергетика. U₃O₈ служит исходным сырьём для производства гексафторида урана (UF₆), который затем обогащается по изотопу уран-235 на газодиффузионных или центрифужных заводах. После обогащения UF₆ конвертируется в диоксид урана (UO₂), используемый для изготовления топливных таблеток для тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) атомных реакторов.

В меньших масштабах U₃O₈ применяется:

• в производстве керамических глазурей и эмалей (для придания жёлто-зелёных оттенков);
• в качестве катализатора в некоторых химических реакциях;
• в научных исследованиях радиоактивности и свойств актиноидов.

Токсикология и радиационная безопасность

Закись-окись урана относится к веществам с умеренной химической токсичностью и слабой радиоактивностью. Основную опасность представляет внутреннее облучение при попадании пыли соединения в организм через органы дыхания или пищеварительный тракт. Уран накапливается в костях и почках, вызывая хроническое отравление.

Работа с U₃O₈ требует соблюдения мер радиационной безопасности: герметизация оборудования, вентиляция, использование средств индивидуальной защиты (респираторы, перчатки, защитные костюмы). Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны для нерастворимых соединений урана составляет 0,075 мг/м³ (по урану).

Экологические аспекты

Добыча и переработка урановых руд, содержащих U₃O₈, сопровождается образованием радиоактивных отходов — «хвостов» переработки, содержащих радий, торий и продукты распада. Эти отходы складируются в специальных хвостохранилищах, которые требуют долговременного мониторинга и изоляции от окружающей среды. В России вопросы обращения с такими отходами регулируются Федеральным законом № 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии» и нормативными актами Ростехнадзора.

Интересные факты

• Название «закись-окись» отражает историческую номенклатуру: «закись» соответствует низшей степени окисления (+4), «окись» — высшей (+6), что указывает на смешанный характер соединения.
• В минерале уранините содержание U₃O₈ может достигать 80–90 % по массе.
• Природный уран содержит 99,2745 % изотопа уран-238, 0,720 % уран-235 и 0,0055 % уран-234. Для использования в реакторах на тепловых нейтронах необходимо обогащение по урану-235 до 3–5 %.

Источники

• Громов Б.В. «Введение в химическую технологию урана». — М.: Атомиздат, 1978.
• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. «Современная неорганическая химия». — М.: Мир, 1969.
• «Химическая энциклопедия» / под ред. И.Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
• «Uranium: Mineralogy, Geochemistry and the Environment» / Reviews in Mineralogy, Vol. 38. — Mineralogical Society of America, 1999.
• Федеральный закон от 21.11.1995 № 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии».