ویکی‌پدیا:ویکی‌پروژه شیمی/اهداف/اورانیوم

اورانیم
برگردان نسخه انگلیسی
Uranium

لید

---

• 1 Characteristics
• 2 Applications
• 2.1 Military
• 2.2 Civilian
• 3 History
• 3.1 Pre-discovery use
• 3.2 Discovery
• 3.3 Fission research
• 3.4 Nuclear weaponry
• 3.5 Reactors
• 3.6 Prehistoric naturally occurring fission
• 3.7 Contamination and the Cold War legacy
• 4 Occurrence در حال انجام...
• 4.1 Origin در حال انجام...
• 4.2 Biotic and abiotic در حال انجام...
• 4.3 Production and mining در حال انجام...
• 4.4 Resources and reserves
• 4.5 Supplies
• 5 Compounds
• 5.1 Oxidation states and oxides
• 5.1.1 Oxides
• 5.1.2 Aqueous chemistry
• 5.1.3 Carbonates
• 5.1.4 Effects of pH
• 5.2 Hydrides, carbides and nitrides
• 5.3 Halides
• 6 Isotopes
• 6.1 Natural concentrations
• 6.2 Enrichment
• 7 Human exposure در حال انجام...

---

لید

تاریخچه

استفاده قبل از کشف

کشف

تحقیقات شکافت

در سال ۱۹۳۴، تیم پژوهشی ای، هدایت شده توسط انریکو فرمی، بررسی کرد که بمباران ذرات اورانیوم با نوترون‌ها باعث نشر پرتوهای بتا می‌شود. (الکترون‌ها یا پوزیترون‌ها از عناصر تولید شده، به ذرات بتا رجوع شود) محصولاتی که از این شکافت هسته ای تولید می‌شدند در ابتدا با عناصر جدیدی که قرار بود با عدد اتمی ۹۳ و ۹۴ شناخته شوند، اشتباه گرفته شدند، که در ابتدا، رئیس دانشکده روم، اورسو ماریو کوربینو، آنها را آسونیوم و هسپریوم نام گذاری کرد. آزمایشاتی که باعث کشف قابل شکافت بودن اورانیوم به عناصر سبک‌تر و آزاد شد انرژی بود، توسط اوتو هان و فریتز سترسمن در آزمایشگاه هان در برلین انجام شد. لیس مایتنر و خواهر/برادر زاده اش، فیزیکدان، اوتو رابرت فریش، توضیحی برای دلیل فیزیکی وقوع این پدیده را در فوریه ۱۹۳۹ پیدا کردند و این پدیده را «شکافت هسته ای» نامیدند. کمی بعد فرمی فرضیه ای را ارائه کرد که احتمال وقوع واکنش شکافت را در نتیجه شکافت اورانیوم ارائه می‌کرد. اثبات این فرضیه کمی بعد در همان سال انجام شد، و تحقیقات بعد از آن متوجه شدند که به‌طور متوسط آزاد شدن ۲ اورانیوم، از شکافت ایزوتوپ کمیاب اورانیوم-۲۳۵ امکانپذیر بود. فرمی از آلفرد او. سی نیر درخواست کرد تا ایزوتوپ‌های اورانیوم را، برای پیدا کردن اتم شکاف پذیر جدا کند، در ۲۹ فوریه ۱۹۴۰ نیر ابزاری را که در دانشگاه مینسوتا ساخته بود را برای جداسازی اولین نمونه اورانیوم-۲۳۵، را در آزمایشگاه تات استفاده کرد. بعد از این که این نمونه برای استفاده در شتاب‌دهنده حلقوی دانشگاه کلمبیا فرستاده شد، جان دانینگ، شکاف پذیر بودن این ماده را در اول مارس همان سال تأیید کرد. با تحقیقات بیشتر، متوجه شدند که ایزوتوپ نه چندان کمیاب اورانیوم-۲۳۸ می‌تواند به پلوتونیوم تبدیل بشود، که مانند اورانیوم-۲۳۵، می‌تواند توسط نوترون‌هایی با دمای بالا شکافته شود. این یافته‌ها، باعث شدند که چندین کشور در سراسر جهان، کلید ساخت انرژی و سلاح‌های اتمی را بزنند. در ۲ دسامبر ۱۹۴۲، به عنوان بخشی از پرژه منهتن، تیم دیگری به رهبری انریکو فرمی، موفق شد که اولین واکنش خودپایدار و زنجیره ای اتمی را، به نام شیکاگو پایل-۱ را شروع کند. نقشه اولیه ای که از اورانیوم-۲۳۵ غنی شده را به عنوان شروع کننده واکنش استفاده می‌کرد، به دلیل کمیت پایین اورانیوم بدست آمده از غنی سازی رها شد. تیمی که در آزمایشگاه استگفیلد دانشگاه شیکاگو کار می‌کرد، موفق شد که شرایط بوجود آمدن واکنشی شبیه به این را با کنار هم جمع کردن ۳۶۰ تون گرافیت، ۵۳ تون اورانیوم اکسید و ۵٫۵ تون فلز اورانیوم، که توسط کارخانه ساخت لامپ وستینگ‌هاوس، در پروسه ای موقتی، تهیه شده بود، درست کند.

تسلیحات هسته ای

دو گونه بمب هسته ای توسط آمریکا در طول جنگ جهانی دوم ساخته شدند: اولی، یک دستگاه اورانیومی (که نام کد آن «پسر بچه» بود) که ماده شکافت پذیر آن، اورانیوم بسیار غنی شده بود و دومی، یک دستگاه پلوتونیومی (به آزمایش تثلیث و «مرد چاق» رجوع شود) که پلوتونیوم آن از اورانیوم-۲۳۸ تهیه شده بود. بمب «پسربچه» که مبنی اورانیومی داشت، اولین سلاح هسته ای استفاده شده در جنگ بود که بر فراز شهر هیروشیما در کشور ژاپن، در ششم اوت ۱۹۴۵ منفجر شد. با نیرویی که تقریباً با ۱۲۵۰۰ تن تی ان تی برابری می‌کرد و با موج انفجار و حرارتی که تقریباً ۵۰۰۰۰ ساختمان را نابود و ۷۵۰۰۰ نفر را کشت. (به بمباران اتمی هیروشیما و ناگاساکی رجوع شود) در ابتدا این باور رایج بود که اورانیوم نسبتاً کمیاب است و از تکثیر آن می‌توان با خریدن تمام اورانیوم موجود در جهان، جلوگیری کرد، اما بعد از گذشته یک دهه، معادن بزرگی از اورانیم در نقاط مختلف جهان پیدا شد.

راکتورها

رآکتور گرافیت ایکس ده در آزمایشگاه ملی اوک ریج، در شهر اوک ریج تنسی، که قبلاً به نام کلینتون پایل و پایل ایکس ده شناخته می‌شد، دومین رآکتور مصنوعی اتمی جهان بود (بعد از شیکاگو پایل انریکو فرمی) و اولین رآکتور طراحی و ساخته شده برای بهره‌برداری پیوسته بود. رآکتور مولد آزمایشی آزمایشگاه ملی آرگون شماره یک، که در ایستگاه آزمایش رآکتور ملی کمیسیون انرژی اتمی در نزدیکی شهر آرکو در ایالت آیداهو واقع شده‌است؛ اولین رآکتور هسته ای ای شد که موفق به ساخت برق در ۲۰ دسامبر ۱۹۵۱ شد. در ابتدا، چهار لامب ۱۵۰ واتی توسط این رآکتور روشن شدند، در ادامه، بهبودهایی که به بهینگی این رآکتور داده شد توانست کل این مجموعه را برق رسانی کند (بعدها، آرکو اولین شهری شد که تمام انرژی اش را از یک نیروگاه هسته ای بگیرد، برای تولید برق این شهر از رآکتور بوراکس سوم استفاده شد، که توسط آزمایشگاه ملی آرگون طراحی و اداره می‌شد. اولین رآکتور هسته ای ای که در ابعاد تجاری ساخته شد، اوبنینسک در شوروی بود، که تولید خود را با رآکتور ای ام-۱ را در ۲۷ ژوئن ۱۹۵۴ شروع کرد. از اولین رآکتورهای انرژی هسته ای، همچنین می‌توان به کالدر هال در انگلیس، که تولید خود را در ۱۷ اکتبر ۱۹۵۶، و ایستگاه نیروی اتمی شیپینگپورت در ایالت پنسیلوانیای آمریکا، که در بیست و ششم ماه می سال ۱۹۵۸ تولید خودش را شروع کرد اشاره کرد. انرژی اتمی برای اولین بار به عنوان محرک زیردریایی ناتیلوس ارتش آمریکا در سال ۱۹۵۴ استفاده شد.

قبل از تاریخ شکافت طبیعی

در سال ۱۹۷۲، فیزیکدان فرانسوی، فرانسیس پرین پانزده رآکتور هسته ای طبیعی باستانی از کار افتاده را در سه نقطه ته نشست فلز در معدن اوکلو در گابون آفریقای غربی پیدا کرد؛ که این یافته‌ها در مجموع به عنوان رآکتورهای فسیل اوکلو شناخته می‌شوند. این نقطه ته نشست تقریباً ۱٫۷ میلیارد سال عمر دارد و اورانیوم-۲۳۵ آن تقریباً ۳ درصد اورانیوم روی جهان را تشکیل می‌دهد. این مقدار به قدری کافی است که اجازه رخ دادن واکنش زنجیره ای شکافت پایدار را بدهد، اگر شرایط آن فراهم باشد. ظرفیت رسوب اطراف این ته نشست، که محصولات هسته ای را در خود جای می‌دهد، توسط دولت آمریکا، مدرکی برای امکان نگهداری سوخت هسته ای مصرف شده در انبار ضایعات اتمی کوه یوکا شناخته شد.

آلودگی و میراث جنگ سرد

آزمایشات سطح زمینی که توسط شوروی و آمریکا در دهه ۱۹۵۰ و اوایل ۱۹۶۰؛ و توسط فرانسه در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ صورت گرفت، مقدار زیادی باران رادیو اکتیو، تشکیل شده از ایزوتوپ‌های فرزند اورانیوم را در جاهن پخش کرد. مقدار زیادی باران و زباله‌های رادیو اکتیو هم از حادثه‌های اتفاق افتاده در نیروگاه نیز پخش شد. معدنکاوهای اورانیوم، شانس بیشتری برای گرفتن سرطان دارند. برای مثال، مقدار زیادی کیس سرطان ریه در معدنکاوهای ناواهو ثبت شده‌است و ارتباط این سرطان با شغل آنها تأیید شده‌است. در مصوبه «جبران خسارت در معرض تشعشع قرار گرفتن» سال ۱۹۹۰ آمریکا، از کارگزاران درخواست شد که صد هزار دلار در صورت تشخیص سرطان به معدنکاوهای اورانیوم پرداخت شود. در جنگ سرد میان آمریکا و شوروی، انباشته‌های بزرگی از اورانیوم برای استفاده فشرده شدند و ده‌ها هزار سلاح هسته ای بوسیله اورانیوم غنی شده و پلوتونیوم ساخته شده از اورانیوم ساخته شدند. از زمان تجزیه شوروی در سال ۱۹۹۱، در روسیه و چندین ایالت مختلف شوروی سابق، ۵۴۰ تن از اورانیوم درجه یک و بسیار غنی شده (که برای ساخت چهل هزار کلاهک هسته ای کافی است) در انبارهایی که بعضی از اوقات حتی از محافظت کافی برخوردار نیستند، یافت و نگه داری شده‌است. پلیس و سازمان‌های امنیت ملی مختلف در آسیا، اروپا و آمریکی جنوبی حداقل شانزده واقعه از ۱۹۹۳ تا ۲۰۰۵ از حمل و نقل اورانیوم و پلوتونیوم قاچاقی و قابل استفاده برای بمب پیدا کرده‌اند، که منبع بیشتر آن‌ها کشوری از شوروی سابق بوده‌است. از سال ۱۹۹۳ تا ۲۰۰۵، برنامه محافظت، کنترل و حسابداری ماده در آمریکا، تقریباً ۵۵۰ میلیون دلار به دولت روسیه کمک کرد تا از انبارهای اورانیوم و پلوتونیوم محافظت نشده در این کشور محافظت کند. این پول برای بهبود امنیت در سازمان‌های تحقیق و نگه داری خرج شد. مجله Scientific American در فوریه ۲۰۰۶، گزارش کرد که هنوز برای محافظت از بعضی از این سازمان‌ها، از حصارهای فلزی ای استفاده می‌شود که در وضعیتی هستند که نیاز به تعمیر شدید دارند. به نقل از یکی از مصاحبه‌ها در این مقاله، یکی از این سازمان‌ها، قبل از پروژه بهبود سازی امنیت، اورانیم غنی شده درجه یک را در گنجه ای برای نگه داری وسایل تمیز کاری نگه داری می‌کرد. یکی دیگر از این سازمان‌ها، برای شمارش و حسابداری مقدار کلاهک‌های هسته ای موجود در این سازمان‌ها، از کاغذهای نوت برداری در یک جعبه کفش استفاده می‌کرد.

کاربردها

نظامی

اصلی‌ترین کاربرد اورانیوم در بخش نظامی در دستگاه‌های نفوذگر با چگالی بالاست. این اسلحه از اورانیوم بدون بار (DU) آلیاژ شده با یک تا دو درصد از عناصر دیگر، مثل تیتانیوم یا مولیبدن تشکیل شده‌است.[۱۹] در سرعت بالای ضربه، چگالی، سختی، و توانایی شعله‌وری خود به خودی در معرض هوای پرتابه، امکان تخریب اهداف شدیداً زرهی را فراهم می‌کند. تانک زرهی و سایر وسایل نقلیه زرهی نیز می‌توانند بوسیلهٔ صفحات اورانیوم خنثی مستحکم شوند. استفاده از اورانیوم بدون بار پس از استفاده از چنین مهمات توسط ایالات متحده، انگلیس و سایر کشورها در جریان جنگ‌ها در خلیج فارس و بالکان، از نظر سیاسی و محیط زیست مورد بحث و جدال قرار گرفت و سوالاتی در رابطه با ترکیبات اورانیوم باقی مانده در خاک پیش آورد. (سندروم جنگ خلیج را ببینید).[۱۶] اورانیوم خنثی همچنین به عنوان مادهٔ محافظ در بعضی از حامل‌های استفاده شده در ذخیره‌سازی و انتقال مواد رادیواکتیو، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حالی که این فلز خود رادیواکتیو است، چگالی بالای آن سبب می‌شود، نسبت به قلع در متوقف کردن اشعه از منابع قوی مثل رادیوم، موثرتر باشد.[۹] سایر کاربردهای اورانیوم بدون بار شامل وزنه‌های متقابل برای سطوح کنترل کنندهٔ هواپیما، بالاست برای وسایل نقلیه ورود مجدد و به عنوان مادهٔ محافظ می‌باشد.[۱۰] به دلیل چگالی بالا، این ماده در سیستم‌های هدایت اینرسی و در قطب‌نماهای ژیروسکوپی یافت می‌شود.[۱۰] اورانیوم تخلیه شده به دلیل توانایی ماشینکاری و ریخته‌گری و همچنین هزینه نسبتاً کم، نسبت به فلزات مشابه متراکم ترجیح داده می‌شود.[۲۰] ریسک اصلی قرار گرفتن در معرض اورانیوم خنثی مسمومیت شیمیایی بوسیلهٔ اورانیوم است نه رادیواکتیویتهٔ آن. (اورانیوم تنها یک نشرکنندهٔ ضعیف آلفاست). در مراحل اخیر جنگ جهانی دوم، کل جنگ سرد و به مدت زمان کوتاهی پس از آن، از اورانیوم-۲۳۵ به عنوان ماده منفجره قابل شکافت، برای تولید سلاح‌های هسته ای استفاده شده‌است. در ابتدا، دو نوع اصلی از بمب‌های قابل شکافت ساخته شد:یک دستگاه نسبتاً ساده که از اورانیوم-۲۳۵ استفاده می‌کند و یک مکانیسم بسیار پیشرفته تر که از پلوتونیوم-۲۳۹ مشتق شده از اورانیوم-۲۳۸ استفاده می‌کند. بعدها، یک بمب از نوع شکافتی/گداختی که بسیار پیچیده‌تر و بسیار قویتر است (اسلحه وابسته به درجه حرارت هسته اتم) ساخته شد، که از دستگاهی براساس پلوتونیم استفاده می‌کند تا سبب شود مخلوطی از تریتیم و دوتریم تحت گداخت هسته ای قرار گیرند. چنین بمب‌هایی در دستهٔ موارد اورانیوم غیر شکافتی (غنی نشده) قرار می‌گیرند، و بیشتر نیروی خود را، از شکافت این ماده بوسیلهٔ نوترون‌های تسریع شده از پروسهٔ گداخت هسته، منشأ می‌گیرند.

غیرنظامی

اصلی‌ترین کاربرد غیرنظامی اورانیوم در بخش غیرنظامی به عنوان سوخت نیروگاه‌های انرژی هسته ای می‌باشد. یک کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ به لحاظ تئوری می‌تواند حدود ۲۰ تراژول انرژی (۲×۱۰۱۳ ژول) تولید کند، با فرض شکافت کامل؛ برابر با انرژی یک و نیم میلیون کیلوگرم (۱۵۰۰ تن) زغال سنگ. نیروگاه‌های تجاری انرژی هسته ای از سوختی استفاده می‌کنند که معمولاً تا حدود ۳٪ اورانیوم-۲۳۵ غنی شده‌است.[۶] طراحی‌های کندو [candu] و مگناکس [megnox] تنها رآکتورهای تجاری توانمند در استفاده از سوخت اورانیوم غنی نشده هستند. سوخت استفاده شده در رآکتورهای نیروی دریایی ایالات متحدهٔ آمریکا به‌طور معمول بسیار در از نظر اورانیوم-۲۳۵ غنی می‌باشد (مقادیر دقیق طبقه‌بندی شده‌اند). در یک رآکتور مولد، اورانیوم-۲۳۸ همچنین می‌تواند توسط واکنش زیر به پلوتونیم تبدیل شود.[۱۰]

قبل (و، گاهی، بعد) از کشف رادیواکتیویته، اورانیوم در ابتدا در مقادیر کم برای شیشه زرد و درخشش ظروف، مانند شیشه اورانیوم و در فیستاور[fiestaware] استفاده می‌شد.[۲۲]

کشف و ایزوله کردن رادیوم در سنگ معدن اورانیوم (pitchblende) توسط ماری کوری شروعی برای گسترش حفاری اورانیوم به منظور استخراج رادیوم بود، که برای ساخت رنگ‌های درخشنده در تاریکی در ساعت‌ها و صفحهٔ عقربه دار هواپیما استفاده می‌شد.[۲۳]این امر سبب می‌شد مقدار زیادی از اورانیوم هدر برود، زیرا برای استخراج یک گرم رادیوم به سه تن اورانیوم احتیاج است. این پسماند به صنعت لعاب دادن منتقل شد، که باعث می‌شد لعاب اورانیوم بسیار ارزان و فراوان باشد. علاوه بر لعاب ظروف، لعاب سرامیک اورانیوم شامل سرامیک‌های معمول آشپزخانه و حمام در حجم زیاد استفاده می‌شد که می‌تواند در رنگ‌های سبز، زرد، بنفش، سیاه، آبی، قرمز و سایر رنگ‌ها تولید شود.

اورانیوم همچنین در مواد شیمیایی عکاسی (به ویژه اورانیوم نیترات به عنوان تونر) [۱۰]، در رشتهٔ لامپ برای حباب چراغ صحنه،[۲۴] به منظور بهبود ظاهر دندان‌های مصنوعی، [۲۵] و در صنایع چوب و چرم برای رنگ و لک، استفاده می‌شد. نمک‌های اورانیوم مواد تثبیت کنندهٔ ابریشم و پشم هستند. اورانیل استات و اورانیل فرمات به عنوان استین های(stains) چگال الکترون در میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده می‌شوند، به منظور افزایش کنتراست نمونه‌های زیستی در مقاطع بسیار نازک و در ویروس‌های گرم منفی، ارگانل‌های سلول تک و ماکرومولکول‌ها.

کشف رادیواکتیویتهٔ اورانیوم سبب ظهور موارد استفادهٔ علمی و عملی بیشتری از این عنصر شد. نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۸ (۵٫۵۱ × ۱۰۹ سال)، آن را برای استفاده در تخمین سن ابتدایی‌ترین سنگ‌ها ی آذرین و سایر انواع تاریخ‌نگاری رادیومتریک، من جمله تاریخ‌نگاری اورانیوم-توریم، تاریخ‌نگاری اورانیوم-سرب و تاریخ‌نگاری اورانیوم-اورانیوم، مناسب می‌سازد. فلز اورانیوم به عنوان اهداف ایکس-ری در تولید اشعهٔ ایکس-ری پر انرژی، استفاده می‌شود.