Chế biến Urani, chuẩn bị quặng để sử dụng trong các sản phẩm khác nhau.
Uranium (U), mặc dù rất đậm đặc (19,1 gram trên mỗi cm khối), là một kim loại tương đối yếu, không chịu lửa. Thật vậy, tính chất kim loại của urani dường như là trung gian giữa bạc và kim loại thật khác và các nguyên tố phi kim loại, do đó nó không có giá trị cho các ứng dụng cấu trúc. Giá trị chính của urani nằm ở tính chất phóng xạ và phân hạch của các đồng vị của nó. Trong tự nhiên, gần như tất cả (99,27%) kim loại bao gồm uranium-238; phần còn lại bao gồm uranium-235 (0,72 phần trăm) và uranium-234 (0,006 phần trăm). Trong số các đồng vị xuất hiện tự nhiên này, chỉ có urani-235 có thể phân hạch trực tiếp bằng chiếu xạ neutron. Tuy nhiên, uranium-238, sau khi hấp thụ neutron, tạo thành uranium-239, và đồng vị sau này cuối cùng phân rã thành plutonium-239, một vật liệu phân hạch có tầm quan trọng lớn trong năng lượng hạt nhân và vũ khí hạt nhân. Một đồng vị phân hạch khác, uranium-233, có thể được hình thành bằng cách chiếu xạ neutron của thorium-232.
Ngay cả ở nhiệt độ phòng, kim loại urani được phân chia mịn sẽ phản ứng với oxy và nitơ. Ở nhiệt độ cao hơn, nó phản ứng với nhiều loại kim loại hợp kim để tạo thành các hợp chất intermetallic. Sự hình thành dung dịch rắn với các kim loại khác chỉ xảy ra hiếm khi, do các cấu trúc tinh thể đơn lẻ được hình thành bởi các nguyên tử urani. Giữa nhiệt độ phòng và điểm nóng chảy của nó là 1.132 ° C (2.070 ° F), kim loại urani tồn tại ở ba dạng tinh thể được gọi là các pha alpha (α), beta () và gamma (γ). Sự chuyển đổi từ giai đoạn alpha sang giai đoạn beta xảy ra ở 668 ° C (1.234 ° F) và từ giai đoạn beta sang giai đoạn gamma ở 775 ° C (1.427 ° F). Gamma uranium có cấu trúc tinh thể khối (bcc) tập trung vào cơ thể, trong khi uranium beta có cấu trúc tứ giác. Tuy nhiên, pha alpha bao gồm các tấm nguyên tử dạng sóng trong cấu trúc chỉnh hình không đối xứng cao. Cấu trúc dị hướng, hoặc bị biến dạng này làm cho các nguyên tử kim loại hợp kim khó thay thế cho các nguyên tử urani hoặc chiếm không gian giữa các nguyên tử urani trong mạng tinh thể. Chỉ có molypden và niobi đã được quan sát để tạo thành hợp kim dung dịch rắn với urani.
Lịch sử
Nhà hóa học người Đức Martin Heinrich Klaproth được ghi nhận đã khám phá ra nguyên tố uranium vào năm 1789 trong một mẫu pitchblende. Klaproth đã đặt tên cho nguyên tố mới theo tên hành tinh Uranus, được phát hiện vào năm 1781. Tuy nhiên, mãi đến năm 1841, nhà hóa học người Pháp Eugène-Melchior Péligot đã chỉ ra rằng chất kim loại đen thu được bởi Klaproth thực sự là hợp chất uranium dioxide. Péligot đã điều chế kim loại urani thực tế bằng cách khử urani tetraclorua bằng kim loại kali.
Trước khi phát hiện và làm sáng tỏ sự phân hạch hạt nhân, một số ít sử dụng thực tế của uranium (và những thứ này rất nhỏ) là trong việc tô màu gốm sứ và làm chất xúc tác trong một số ứng dụng chuyên biệt. Ngày nay, uranium được đánh giá cao cho các ứng dụng hạt nhân, cả quân sự và thương mại, và thậm chí quặng cấp thấp có giá trị kinh tế lớn. Kim loại Uranium được sản xuất thường xuyên bằng phương pháp của quá trình Ames, được phát triển bởi nhà hóa học người Mỹ FH Sppping và các đồng nghiệp của ông vào năm 1942 tại Đại học bang Iowa, Ames. Trong quá trình này, kim loại thu được từ urani tetrafluoride bằng cách khử nhiệt bằng magiê.
Quặng
Lớp vỏ Trái đất chứa khoảng hai phần triệu uranium, phản ánh sự phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Các đại dương được ước tính chứa 4,5 × 10 9 tấn nguyên tố. Uranium xuất hiện như một thành phần quan trọng trong hơn 150 khoáng chất khác nhau và là thành phần thứ yếu của 50 khoáng chất khác. Các khoáng chất urani chính, được tìm thấy trong các tĩnh mạch thủy nhiệt magma và trong các pegmatit, bao gồm uraninite và pitchblende (sau này là một loạt các uraninite). Urani trong hai quặng này xảy ra dưới dạng urani điôxit, do mà quá trình oxy hóa có thể thay đổi thành phần hóa học chính xác từ UO 2 đến UO 2.67. Quặng urani khác có tầm quan trọng về kinh tế là autunite, một loại canxi uranyl phosphate ngậm nước; tobernite, một uranyl phosphate đồng ngậm nước; coffinite, một silicat uranium ngậm nước màu đen; và carnotite, một kali uranyl vanadate ngậm nước màu vàng.
Người ta ước tính rằng hơn 90 phần trăm trữ lượng uranium chi phí thấp đã biết xảy ra ở Canada, Nam Phi, Hoa Kỳ, Úc, Nigeria, Namibia, Brazil, Algeria và Pháp. Khoảng 50 đến 60 phần trăm của các khu bảo tồn này nằm trong các khối đá tập trung của hồ Elliot, nằm ở phía bắc hồ Huron ở Ontario, Can, và trong các mỏ vàng của Witwatersrand ở Nam Phi. Các thành tạo sa thạch ở cao nguyên Colorado và lưu vực bang Utah của miền tây Hoa Kỳ cũng chứa trữ lượng uranium đáng kể.
Khai thác và tập trung
Quặng Urani xuất hiện trong các mỏ có bề mặt gần và rất sâu (ví dụ: 300 đến 1.200 mét, hoặc 1.000 đến 4.000 feet). Quặng sâu đôi khi xảy ra trong các vỉa dày tới 30 mét. Như trường hợp với quặng của các kim loại khác, quặng urani bề mặt dễ dàng được khai thác với thiết bị chuyển động lớn của trái đất, trong khi các mỏ sâu được khai thác bằng phương pháp trục dọc và trôi truyền thống.
Quặng urani thường chỉ chứa một lượng nhỏ khoáng chất chứa urani và chúng không thể được nấu chảy bằng phương pháp nhiệt luyện trực tiếp; thay vào đó, các quy trình thủy luyện phải được sử dụng để chiết xuất và tinh chế các giá trị urani. Nồng độ vật lý sẽ làm giảm đáng kể tải trọng cho các mạch xử lý thủy luyện, nhưng không có phương pháp lợi ích thông thường nào được sử dụng trong chế biến khoáng sản, ví dụ như trọng lực, tuyển nổi, tĩnh điện và thậm chí là phân loại bằng tay thường áp dụng cho quặng urani. Với một vài ngoại lệ, các phương pháp tập trung dẫn đến mất uranium quá mức cho chất thải.
