Fakta o uranu

6. srpna 1945 spadla z nebe nad japonským městem Hirošima 10 stop (3 metry) dlouhá bomba. O necelou minutu později bylo vše v okruhu jedné míle od výbuchu bomby vyhlazeno. Mohutná ohnivá bouře rychle zničila další kilometry a zabila desítky tisíc lidí.

Jednalo se o vůbec první použití atomové bomby ve válce a k jejímu zpustošení byl použit jeden známý prvek: uran. Tento radioaktivní kov je jedinečný tím, že jeden z jeho izotopů, uran-235, je jediným přirozeně se vyskytujícím izotopem schopným udržet štěpnou jadernou reakci. (Izotop je verze prvku s různým počtem neutronů v jádře.)

Pro pochopení uranu je důležité porozumět radioaktivitě. Uran je přirozeně radioaktivní: Jeho jádro je nestabilní, takže prvek se neustále rozpadá a hledá stabilnější uspořádání. Uran byl vlastně prvkem, který umožnil objev radioaktivity. V roce 1897 nechal francouzský fyzik Henri Becquerel na fotografické desce několik solí uranu v rámci výzkumu vlivu světla na tyto soli. K jeho překvapení se deska zamlžila, což svědčilo o určitém druhu emisí z uranových solí. Becquerel se za tento objev v roce 1903 podělil s Marií a Pierrem Curieovými o Nobelovu cenu.

Jen fakta

Podle Jeffersonovy národní laboratoře lineárních urychlovačů jsou vlastnosti uranu následující:

• Atomové číslo (počet protonů v jádře): 92
• Atomová značka (v periodické tabulce prvků): U
• Atomová hmotnost (průměrná hmotnost atomu): 238,02891
• Hustota: 18,95 gramů na centimetr krychlový
• Fáze při pokojové teplotě:
• Teplota tání: 2 075 stupňů Fahrenheita (1 135 stupňů Celsia)
• Teplota varu: 7 468 F (4 131 C)
• Počet izotopů (atomy téhož prvku s různým počtem neutronů): 16, 3 se vyskytují v přírodě
• Nejběžnější izotopy: U-234 (0,0054 % přirozený výskyt), U-235 (0,7204 % přirozený výskyt), U-238 (99,2742 % přirozený výskyt)

Historie uranu

Martin Heinrich Klaproth, německý chemik, objevil uran v roce 1789, ačkoli o něm bylo známo přinejmenším od roku A.D. 79, kdy se oxid uraničitý používal jako barvivo do keramických glazur a do skla, jak uvádí Chemicool. Klaproth tento prvek objevil v minerálu smolinci, který byl v té době považován za rudu zinku a železa. Minerál byl rozpuštěn v kyselině dusičné a poté byla do zbývající žluté sraženiny přidána potaš (draselné soli). Klaproth dospěl k závěru, že objevil nový prvek, když reakce mezi potaší a sraženinou neprobíhala podle žádné reakce známých prvků. Ukázalo se, že jeho objev je oxid uranu, a nikoli čistý uran, jak se původně domníval.

Podle Národní laboratoře v Los Alamos Klaproth pojmenoval nový prvek podle nedávno objevené planety Uran, která byla pojmenována podle řeckého boha oblohy. Francouzský chemik Eugène-Melchior Péligot izoloval v roce 1841 čistý uran zahříváním tetrachloridu uranu s draslíkem.

Radioaktivitu uranu zjistil v roce 1896 francouzský fyzik Antoine H. Becquerel. Becquerel nechal vzorek uranu na neexponované fotografické desce, která se zakalila. Podle Královské chemické společnosti dospěl k závěru, že vyzařuje neviditelné paprsky. Jednalo se o první případ zkoumání radioaktivity, který otevřel nový vědní obor. Polská vědkyně Marie Curieová krátce po Becquerelově objevu zavedla termín radioaktivita a spolu s francouzským vědcem Pierrem Curiem pokračovala ve výzkumu a objevila další radioaktivní prvky, například polonium a radium, a jejich vlastnosti.

Energie a válka

Uran ve vesmíru podle Světové jaderné asociace vznikl před 6,6 miliardami let v supernovách. Nachází se po celé planetě a ve většině hornin tvoří asi 2 až 4 části na milion. Podle amerického ministerstva energetiky je na 48. místě mezi nejrozšířenějšími prvky, které se nacházejí v přírodních horninách zemské kůry, a je 40krát rozšířenější než stříbro.

Ačkoli je uran velmi spojován s radioaktivitou, rychlost jeho rozpadu je tak nízká, že tento prvek ve skutečnosti nepatří mezi ty radioaktivnější. Uran-238 má poločas rozpadu neuvěřitelných 4,5 miliardy let. Uran-235 má poločas rozpadu jen něco málo přes 700 milionů let. Uran-234 má ze všech nejkratší poločas rozpadu 245 500 let, ale vzniká pouze nepřímo rozpadem U-238.

Pro srovnání, nejradioaktivnějším prvkem je polonium. Jeho poločas rozpadu je pouhých 138 dní.

Uran má přesto výbušný potenciál díky své schopnosti udržovat jadernou řetězovou reakci. U-235 je „štěpný“, což znamená, že jeho jádro může být štěpeno tepelnými neutrony – neutrony se stejnou energií jako jejich okolní prostředí. Podle Světové jaderné asociace to funguje takto: Jádro atomu U-235 má 143 neutronů. Když do atomu narazí volný neutron, rozštěpí jádro, čímž vyvrhne další neutrony, které se pak mohou zanořit do jader okolních atomů U-235, čímž vznikne samovolná kaskáda jaderného štěpení. Při každém štěpení vzniká teplo. V jaderném reaktoru se toto teplo využívá k vaření vody, čímž vzniká pára, která roztáčí turbínu k výrobě energie, a reakce je řízena materiály, jako je kadmium nebo bór, které mohou absorbovat další neutrony a vyřadit je tak z reakčního řetězce.

V případě štěpné bomby, jako byla ta, která zničila Hirošimu, probíhá reakce nadkriticky. To znamená, že štěpení probíhá stále rychleji. Při těchto nadkritických reakcích se uvolňuje obrovské množství energie: Výbuch, který zničil Hirošimu, měl podle odhadů sílu 15 kilotun TNT a k jeho vytvoření stačil necelý kilogram uranu, který prošel štěpením.

Aby bylo štěpení uranu účinnější, jaderní inženýři ho obohacují. Přírodní uran obsahuje pouze asi 0,7 % U-235, štěpného izotopu. Zbytek tvoří U-238. Pro zvýšení podílu U-235 inženýři uran buď zplyňují, aby oddělili jednotlivé izotopy, nebo používají odstředivky. Podle Světové jaderné asociace se většina obohaceného uranu pro jaderné elektrárny skládá z 3 až 5 procent U-235.

Na druhém konci stupnice je ochuzený uran, který se používá pro tankové pancíře a k výrobě nábojů. Ochuzený uran je to, co zůstane po spotřebování obohaceného uranu v elektrárně. Podle amerického ministerstva pro záležitosti veteránů je asi o 40 % méně radioaktivní než přírodní uran. Tento ochuzený uran je nebezpečný pouze v případě, že je vdechnut, spolknut nebo se dostane do těla při střelbě či výbuchu.

Kdo by to byl řekl?

• Podle nadace Atomic Heritage Foundation prošlo štěpením pouze 1,38 procenta uranu v bombě „Little Boy“, která zničila Hirošimu. Bomba obsahovala celkem asi 140 liber (64 kg) uranu.
• Bomba „Little Boy“ explodovala ve výšce 1 670 stop (509 metrů) nad Hirošimou a v okruhu několika kilometrů kolem Ground Zero po ní zůstaly stát pouze rámy několika železobetonových budov, uvádí se ve zprávě Defense Nuclear Agency z roku 1980. Ohnivé bouře zničily vše v okruhu 4,4 míle (7 kilometrů) od výbuchu.
• Rozpad uranu 238 je 4,5 miliardy let. Rozpadá se na radium-226, které se zase rozpadá na radon-222. Z radonu-222 se stává polonium-210, které se nakonec rozpadá na stabilní nuklid, olovo.
• Marie Curieová, která pracovala s uranem a objevila několik ještě radioaktivnějších prvků (polonium a radium), pravděpodobně podlehla radiační zátěži spojené s její prací. Zemřela v roce 1934 na aplastickou anémii, nedostatek červených krvinek, který byl pravděpodobně způsoben poškozením kostní dřeně zářením.
• Čistý uran je stříbřitý kov, který na vzduchu rychle oxiduje.
• Uran se někdy používá k barvení skla, které v černém světle svítí zelenožlutě – nikoli však kvůli radioaktivitě (sklo je radioaktivní jen nepatrně). Podle časopisu Collectors Weekly je fluorescence způsobena tím, že UV světlo excituje sloučeninu uranylu ve skle, která při zpětném usazování vyzařuje fotony.
• Yellowcake je pevný oxid uranu. V této formě se uran běžně prodává před obohacením.
• Uran se podle Světové jaderné asociace těží ve 20 zemích, přičemž více než polovina pochází z Kanady, Kazachstánu, Austrálie, Nigeru, Ruska a Namibie.
• Podle společnosti Lenntech jsou všichni lidé a zvířata přirozeně vystaveni nepatrnému množství uranu z potravin, vody, půdy a vzduchu. Běžná populace může přijímaná množství většinou bezpečně ignorovat, s výjimkou případů, kdy žije v blízkosti skládek nebezpečného odpadu, dolů nebo pěstuje plodiny v kontaminované půdě či zalévá kontaminovanou vodou.

Současný výzkum

Vědci se vzhledem k významu uranu v jaderném palivu živě zajímají o to, jak funguje – zejména při havárii. K roztavení dochází, když selžou chladicí systémy v okolí reaktoru a teplo vznikající při štěpných reakcích v aktivní zóně reaktoru roztaví palivo. To se stalo během jaderné katastrofy v černobylské jaderné elektrárně, jejímž výsledkem byla radioaktivní skvrna přezdívaná „sloní noha“.

Podle Johna Pariseho, chemika a mineraloga ze Stony Brook University a Brookhavenské národní laboratoře, je pro jaderné inženýry, kteří staví ochranné nádoby, klíčové pochopit, jak se jaderné palivo chová při tavení.

V listopadu 2014 Parise a jeho kolegové z Argonne National Lab a dalších institucí publikovali v časopise Science článek, který poprvé objasnil vnitřní fungování roztaveného oxidu uraničitého, hlavní složky jaderného paliva. Oxid uraničitý se neroztaví, dokud teplota nepřekročí 5 432 F (3 000 C), takže je obtížné měřit, co se děje, když se materiál stane tekutým, řekl Parise v rozhovoru pro Live Science – prostě neexistuje dostatečně pevná nádoba.

„Řešíme to tak, že zahříváme kuličku oxidu uraničitého shora pomocí laseru na oxid uhličitý a tato kulička levituje na proudu plynu,“ řekl Parise. „Tato koule materiálu levituje na proudu plynu, takže nepotřebujete žádný kontejner.“

Výzkumníci pak skrz bublinu oxidu uraničitého vysílají rentgenové paprsky a detektorem měří rozptyl těchto rentgenových paprsků. Úhel rozptylu odhalí strukturu atomů uvnitř oxidu uraničitého.

Výzkumníci zjistili, že v pevném oxidu uraničitém jsou atomy uspořádány jako řada krychlí střídajících se s prázdným prostorem ve tvaru mřížky, přičemž každý atom uranu obklopuje osm atomů kyslíku. Jakmile se materiál přiblíží k bodu tání, kyslíky se „zblázní“, uvedl výzkumník Lawrie Skinner z Argonne National Laboratory ve videu o výsledcích. Atomy kyslíku se začnou pohybovat, vyplňovat prázdný prostor a poskakovat od jednoho atomu uranu k druhému.

Když se materiál nakonec roztaví, struktura připomíná obraz Salvadora Dalího, protože krychle se mění v neuspořádané mnohostěny. V tomto okamžiku, řekl Parise, klesne počet atomů kyslíku kolem každého atomu uranu – známý jako koordinační číslo – z osmi na přibližně sedm (některé atomy uranu mají kolem sebe šest kyslíkových atomů a některé sedm, takže v průměru připadá na jeden uran 6,7 kyslíku).

Znalost tohoto čísla umožňuje modelovat, jak se bude oxid uraničitý chovat při těchto vysokých teplotách, řekl Parise. Dalším krokem je přidat další složitost. Jaderná jádra nejsou jen z oxidu uraničitého, řekl. Zahrnují také materiály, jako je zirkonium a cokoli, co se používá k odstínění vnitřku reaktoru. Výzkumný tým nyní plánuje přidávat tyto materiály, aby zjistil, jak se změní reakce materiálu.

„Potřebujete vědět, jak se chová čistá kapalina oxidu uraničitého, abyste, když začnete zkoumat účinky malých příměsí, viděli, jaké jsou rozdíly?“ řekl. Parise řekl.

Převážná většina uranu se používá k výrobě energie, obvykle v řízených jaderných reakcích. Zbylý odpad, ochuzený uran, lze recyklovat k využití jiných druhů energie, například energie slunce. Patent Igora Usova a Milana Sýkory, vědců z Los Alamos National Laboratory, z roku 2017 pojednává o využití ochuzeného uranu z jaderných reakcí k výrobě solárních článků. Autoři napsali, že ochuzený oxid uranu je hojný a levný jako zbytky z procesu obohacování jaderného paliva a mohl by být optimalizován pro použití jako solární články řízením tloušťky, poměru uranu a kyslíku, krystalinity a dopování.

Dle článku Thomase Meeka z Oak Ridge National Laboratory z roku 2000 je oxid uraničitý vynikající polovodič a mohl by být potenciálně pro určité použití lepší než tradiční použití křemíku, germania nebo arsenidu galia. Při pokojové teplotě by oxid uraničitý poskytoval nejvyšší možnou účinnost solárních článků ve srovnání s tradičními prvky a sloučeninami pro stejné použití.

Doplňující zpravodajství Rachel Ross, spolupracovnice Live Science

.