Radioaktivní prvky Uran, Thorium, Rádium

 

 

URAN (Uranium) 92UIII,IV,V,IV

 

VLASTNOSTI A POUŽITÍ URANU

Uran - U - je těžký tvrdý kov až šedobílé barvy. Přírodní uran se skládá ze tří izotopů: uranu 238, uranu 235 a uranu 234. Všechny tři vyzařují částice alfa, popř. gama, a proto jsou nebezpečné, zejména při vdechování prachu nebo par. Teplota tavení uranu je 1133 °C, teplota varu 3900  °C, měrná hmotnost se pohybuje mezi 18,5 až 19 g/cm3 a závisí na způsobu výroby. Odolnost uranu proti korozi ve vodě, vodní páře a na vzduchu je velmi malá, a proto je nutno palivové články v reaktoru chránit povlaky.

            Z uranu se vyrábějí palivové články jaderných reaktorů. Pro lepší vlastnosti se někdy užívá uranových slitin nebo sloučenin.

 

VÝSKYT A NALEZiŠTĚ

 

            V zemské kůře je uranu více než např. kadmia, vizmutu a rtuti, asi stokrát více než stříbra a dokonce 1000krát více než zlata. Zásoby uranu se však většinou vyskytují v koncentracích menších než 0,001 %, takže se uran získává velmi nákladně. Odhaduje se, že celkové světové zásoby uranových rud se po energetické stránce rovnají asi trojnásobku zásob uhlí a ropy na světě.

            Nejbohatšími a nejdůležitějšími uranovými nerosty jsou uraninity a smolince, ve kterých jsou v různém poměru zastoupeny kysličníky UO2 a UO3. Důležitým minerálem je carnotit, vanadičnan uranylodraselný, který je hlavní složkou mnoha průmyslově těžených rud. Z technologického hlediska jsou zajímavé tzv. uranové slídy, mezi které patří fosforečnany, vanadičnany a arzeničnany, které se na rozdíl od jiných minerálů uranu velmi snadno rozpouštějí v kyselinách.

            Jakostní uranové rudy se vyskytují v Kanadě, Kongu (Kinshassa), JAR, ČR, Francii, NSR aj.

 

 VÝROBA URANU

 

            Uranové rudy se zpracovávají výhradně postupy hydrometalurgickými, tj. loužením a separací uranu z výluhů. Vlastnímu loužení předchází fyzikální úprava rudniny, koncentrace úpravnickými postupy např. gravitací, tříděním v těžkých kapalinách nebo radiometrickou separací. Flotací se spíše jen oddělují nežádoucí složky, které by rušily loužení, např. uhličitany, sirníky apod. Stejný význam má tepelná úprava (odstranění uhlíkatých látek).

            K loužení uranových rud se výhradně používá roztoků kyseliny sírové nebo uhličitanu sodného. Volba závisí na typu rudy. Loužení probíhá za přítomnosti oxidačních činidel, při zvýšené teplotě, někdy též při vyšším tlaku.

            K oddělení uranu z výluhů lze použít postupů srážecích, iontoměničových a extrakčních. Posledními dvěma postupy uran koncentruje a odděluje se od nečistot. V konečné fázi se uran vylučuje rovněž srážením, a to většinou ve formě dvojurananu sodného nebo amonného, jako koncentrát až se 70 % U.

            Před zpracováním na palivový materiál se chemický uranový koncentrát čistí extrakcí organickými rozpouštědly z dusičnanového prostředí. Vyčištěný dusičnan uranylu se převádí na kysličník uranový nebo uraničitouranový U3O8. V dalším postupu se vyšší kysličníky redukují na kysličník uraničitý UO2, který se bezvodým fluorovodíkem převádí na fluorid UF4.

            Kovový uran se dnes vyrábí pouze redukcí fluoridu uraničitého vápníkem nebo hořčíkem:

 

UF4+2Mg = U + 2 MgF2

UF4 + 2 Ca = U + 2 CaF2

 

Výhodnější je hořčík, který je levnější a čistší než vápník. Redukuje se v ocelových bombách, vyložených vhodným žárovzdorným materiálem, v prostředí inertního plynu. Tímto postupem se vyrábějí slitky uranu o váze až přes 1 tunu.

            Z vyrobeného kovu, který je dostatečně rafinován předem, se vyrábějí

palivové články z přírodního uranu.

            Pro výrobu paliva obohaceného izotopem 235U se meziprodukt fluorid uraničitý převádí reakcí s elementárním fluórem na fluorid uranový, sublimující při teplotě 56°C. Plynovou difúzí této sloučeniny lze oddělit izotop 235U od 238U. Koncentrovaný izotop se dále zpracovává jako přírodní uran.

 

 

THORIUM 90ThIII,IV

 

VLASTNOSTI A POUŽITÍ THORIA

 

            Thorium - Th - je poměrně měkký, kovově stříbrný kov. Podobně jako uran se i thorium vyznačuje přirozenou radioaktivitou a je lidskému zdraví škodlivé, zejména v podobě prachu a par. Teplota tavení je 1 500°C, teplota varu nad 3 000 °C. Měrná hmotnost se pohybuje podle způsobu výroby mezi 11,55 až 11,66 g/cm3.

            Thorium je jednou ze surovin pro výrobu jaderných paliv - v reaktoru lze thorium převést na izotop uranu 233U. Mimo jaderné účely se dosud používá jeho kysličník k výrobě plynových punčošek. Kovové thorium (do 3 %) zlepšuje mechanické vlastnosti hořčíkových slitin za vyšších teplot.

 

VÝSKYT A NALEZIŠTĚ

 

            Ačkoli se zásoby thoria v zemské kůře odhadují na trojnásobek zásob uranových, naleziště s významnějšími obsahy thoria jsou vzácná. Nejbohatším thoriovým nerostem je thorit, obsahující 50 až 70 % ThO2. Hlavním zdrojem thoria jsou monazitové písky, jejichž největší ložiska jsou v Indii, Kanadě, Brazílii a JAR.

 

VÝROBA THORIA

 

            Monazitové písky jsou směsí fosforečnanů vzácných zemin s menším množstvím thoria a uranu. Koncentráty, získané obvyklými fyzikálními metodami, obsahují 5 až 8 % kysličníků thoria a 0,15 až 0,25 % kysličníků uranu. Thorium se z rudniny získává zpravidla dvěma metodami: alkalickým nebo kyselým pochodem.

1. Při alkalickém pochodu se monazitové koncentráty louží hydroxidem sodným při teplotě asi 140°C. Vzniklé nerozpustné kysličníky thoria, uranu a vzácných zemin se odfiltrují a rozpustí v horké kyselině solné. Při určité kyselosti se z roztoku vysrážejí kysličníky které obsahují až 99 % thoria a uranu. Uran se od thoria oddělí kapalinovou extrakcí.

2. Při kyselém pochodu se koncentrát louží koncentrovanou kyselinou sírovou, roztok se zředí a sloučeniny thoria a uranu se frakcionovaně vysrážejí částečnou neutralizací roztoku. Z roztoku se vyloučí surový fosforečnan thoričitý, znečištěný prvky vzácných zemin. Surový fosfát se převede na šťavelany a na základě rozdílné rozpustnosti se oddělí šťavelan thoria od šťavelanů vzácných zemin.

            Kovové thorium se v provozním měřítku vyrábí redukcí kysličníku ThO2 vápníkem a elektrolýzou roztaveného podvojného fluoridu ThF4.KF. Produktem všech pochodů je práškové thorium, které se převádí na kompaktní kov slinováním a tavením ve vakuu nebo atmosféře inertního plynu.

 

RÁDIUM     88RaII

 

VLASTNOSTI A NALEZIŠTĚ

 

            Rádium - Ra - je kov s teplotou tavení 960°C, který se na vzduchu přeměňuje snadno na nitridy. Vyznačuje se přirozenou radioaktivitou. Silné záření beta a gama vzniká též z jeho rozkladných produktů, z nichž nejdůležitější je plyn radon.

            Protože rádium vzniká rozpadem uranu jako jeho šestá složka, vyskytuje se v rudách společně s uranem. Nejvýznamnějšími rudami jsou podobně jako u uranu uraninit a smolinec, dále karnotit, autunit a torkenit, vyskytující se v Kongu (Kinshassa) v provincii Katanga, v ČR, Kanadě, USA a jinde. Obsah rádia v rudě je nepatrný. V nejbohatších koncentrátech s 55 % kysličníku uranu je 150 až 170 mg/t rádia, u chudších rud s 2 % kysličníku uranu se musí na výrobu 1 g rádia zpracovat 200 až 220 t rudy, z čehož vyplývá jeho vysoká cena. Největším výrobcem rádia je Belgie, která vyrábí ročně 50 až 60 g rádia, většinou ze surovin dovážených z Konga (Kinshassa).

Dnes, kdy se poměrně levně získává řada umělých radioizotopů, význam rádia poklesl. Přesto je nenahraditelné pro některé, zvláště lékařské aplikace.

 

VÝROBA RÁDIA

 

            Rádium se vyrábí ze smolince s menšími obměnami stále původní Curieovou metodou, kterou se získalo poprvé. Podstatou této metody je převedení rádia na nerozpustný síran a jeho vázání na síran barnatý. Celý pochod lze rozdělit do dvou částí:

a)     zpracování rudy na koncentrát rádia v podobě rádiobarnaté soli a její oddělení od uranu;

b)     oddělování rádia od barya a příprava čistého rádia.

            Koncentrát, obsahující 40 až 60 % kysličníku uraničitého, se oxidačně

praží, aby se odstranily síra a arzén. Výpražek se louží kyselinou sírovou a přidá se chlorid barnatý. Uran přejde do roztoku a v nerozpustném zbytku zůstávají rádium a baryum. Usazenina se přemění vařením s uhličitanem sodným ze síranů na uhličitany a pak kyselinou solnou na nerozpustné chloridy. Z roztoku se vysráží rádium společně s baryem kyselinou sírovou. Sraženina obsahuje 10 až 12 mg rádia na 1 kg.

Oddělování rádia od barya je založeno na frakcionované krystalizaci, závislé na různé rozpustnosti chloridů rádia a barya. Chlorid rádia je ve vodě méně rozpustný než chlorid barnatý, a proto se při odpařování koncentruje do krystalů, kdežto baryum zůstává v roztoku. Sírany rádia a barya se nejdříve přemění vařením se sodou na uhličitany a pak přidáním kyseliny solné na chloridy. Roztok chloridů se odpařuje, až se objeví zárodky krystalů, a pak se ochladí. Objeví se shluky krystalů bohatší na rádium. Krystaly se oddělí od roztoku a celý postup se mnohokrát (až 200krát) opakuje, až roztok vůbec rádium neobsahuje. Po poslední krystalizaci se chlorid rádia suší a plní se do stříbrných nebo platinových tubiček. V této podobě se dodává do nemocnic a k průmyslovým účelům.

            Modernější postup, používaný např. v Rusku, pracuje s extrakčním oddělováním uranu, společným srážením rádia s chromanem barnatým a jeho frakčním srážením. Již po devátém stupni frakčního srážení obsahuje sraženina 75 % chromanu radnatého a je konečným produktem, který se tavením se sodou převede na uhličitan a pak na jakoukoliv sůl. Čisté kovové rádium se nevyrábí, neboť sloučeniny rádia září stejně jako kov.