Tények az uránról

1945. augusztus 6-án egy 3 méteres bomba hullott az égből a japán Hirosima város fölé. Kevesebb mint egy perccel később a bomba detonációjának egy mérföldes körzetében minden megsemmisült. A hatalmas tűzvihar gyorsan további mérföldeket pusztított el, emberek tízezreinek halálát okozva.

Ez volt az atombomba minden idők első háborús alkalmazása, és egy híres elemet használt fel a pusztításhoz: az uránt. Ez a radioaktív fém egyedülálló abban, hogy egyik izotópja, az urán-235 az egyetlen a természetben előforduló izotóp, amely képes nukleáris hasadási reakciót fenntartani. (Az izotóp az elem olyan változata, amelynek atommagjában eltérő számú neutron van.)

Az urán megértéséhez fontos megérteni a radioaktivitást. Az urán természetes módon radioaktív: Magja instabil, így az elem állandó bomlásban van, stabilabb elrendeződést keresve. Valójában az urán volt az az elem, amely lehetővé tette a radioaktivitás felfedezését. 1897-ben Henri Becquerel francia fizikus néhány uránsót hagyott egy fényképészeti lemezen annak a kutatásnak a részeként, hogy a fény hogyan befolyásolja ezeket a sókat. Meglepetésére a lemez bepárásodott, ami az uránsók valamiféle kibocsátására utalt. Becquerel 1903-ban Marie és Pierre Curie-vel közösen kapott Nobel-díjat a felfedezésért.

Csak a tények

A Jefferson Nemzeti Lineáris Gyorsító Laboratórium szerint az urán tulajdonságai:

• Atommagszám (a protonok száma az atommagban): 92
• Atommagjel (az elemek periódusos rendszerében): U
• Atomsúly (az atom átlagos tömege): 238,02891
• Sűrűség: 18,95 gramm köbcentiméterenként
• Fázis szobahőmérsékleten:
• olvadáspont: 2,075 Fahrenheit fok (1,135 Celsius fok)
• forraláspont: 7,468 F (4,131 C)
• izotópok száma (ugyanazon elem atomjai különböző számú neutronokkal): 16, 3 a természetben előforduló
• Leggyakoribb izotópok: U-234 (0,0054 százalék természetes gyakoriság), U-235 (0,7204 százalék természetes gyakoriság), U-238 (99,2742 százalék természetes gyakoriság)

Az urán története

Martin Heinrich Klaproth német kémikus 1789-ben fedezte fel az uránt, bár már legalább A. óta ismert volt.D. 79 óta, amikor az urán-oxidot kerámiamázak és üvegek színezőanyagaként használták a Chemicool szerint. Klaproth az elemet a pitchblende nevű ásványban fedezte fel, amelyet akkoriban cink- és vasércnek gondoltak. Az ásványt salétromsavban feloldották, majd a visszamaradt sárga csapadékhoz káliumot (káliumsót) adtak. Klaproth arra a következtetésre jutott, hogy új elemet fedezett fel, amikor a kálium és a csapadék közötti reakció nem követte az ismert elemek reakcióit. Felfedezéséről kiderült, hogy urán-oxid, és nem tiszta urán, ahogy eredetileg hitte.

A Los Alamos Nemzeti Laboratórium szerint Klaproth az új elemet a nemrég felfedezett Uránusz bolygóról nevezte el, amelyet az ég görög istenéről neveztek el. Eugène-Melchior Péligot francia kémikus 1841-ben izolálta a tiszta uránt az urán-tetraklorid káliummal való hevítésével.

Az uránt 1896-ban Antoine H. Becquerel francia fizikus radioaktívnak találta. Becquerel uránmintát hagyott egy nem exponált fotólemez tetején, amely elhomályosodott. A Royal Society of Chemistry szerint arra a következtetésre jutott, hogy láthatatlan sugarakat bocsát ki. Ez volt az első eset, amikor a radioaktivitást tanulmányozták, és egy új tudományterületet nyitott meg. Marie Curie lengyel tudós röviddel Becquerel felfedezése után alkotta meg a radioaktivitás kifejezést, és Pierre Curie francia tudóssal együtt folytatta a kutatásokat, hogy felfedezzenek más radioaktív elemeket, például a polóniumot és a rádiumot, valamint azok tulajdonságait.

Hatalom és háború

A világegyetem uránja 6,6 milliárd évvel ezelőtt szupernóvákban keletkezett, a Nukleáris Világszövetség szerint. Bolygónkon mindenütt megtalálható, és a legtöbb kőzetben 2-4 milliomodrésznyi mennyiséget tesz ki. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma szerint a 48. helyen áll a természetes kéreg kőzetekben található leggyakoribb elemek között, és 40-szer gyakoribb, mint az ezüst.

Az uránt ugyan erősen összefüggésbe hozzák a radioaktivitással, de bomlási sebessége olyan alacsony, hogy ez az elem valójában nem tartozik a radioaktívabbak közé. Az urán-238 felezési ideje hihetetlenül hosszú, 4,5 milliárd év. Az urán-235 felezési ideje alig több mint 700 millió év. Az urán-234 felezési ideje mind közül a legrövidebb, 245 500 év, de ez csak közvetve fordul elő az U-238 bomlásából.

Összehasonlításképpen, a legrádióaktívabb elem a polónium. Ennek felezési ideje mindössze 138 nap.

Az urán mégis robbanásveszélyes, köszönhetően annak, hogy képes nukleáris láncreakciót fenntartani. Az U-235 “hasadóanyag”, ami azt jelenti, hogy atommagját termikus neutronok – a környezetükkel azonos energiájú neutronok – hasíthatják. A Nukleáris Világszövetség szerint ez így működik: Az U-235 atom atommagja 143 neutronnal rendelkezik. Amikor egy szabad neutron beleütközik az atomba, felhasítja az atommagot, további neutronokat dobva ki, amelyek aztán a közeli U-235 atomok magjába cikázhatnak, létrehozva a maghasadás önfenntartó kaszkádját. A hasadási események mindegyike hőt termel. Egy atomreaktorban ezt a hőt víz forralására használják fel, gőz keletkezik, amely megforgat egy turbinát az energiatermelés érdekében, és a reakciót olyan anyagokkal szabályozzák, mint a kadmium vagy a bór, amelyek képesek elnyelni az extra neutronokat, hogy kivegyék őket a reakcióláncból.

Egy olyan hasadóbombában, mint amilyen Hirosimát elpusztította, a reakció szuperkritikussá válik. Ez azt jelenti, hogy a hasadás egyre nagyobb sebességgel megy végbe. Ezek a szuperkritikus reakciók hatalmas mennyiségű energiát szabadítanak fel: A Hirosimát elpusztító robbanás becslések szerint 15 kilotonna TNT erejével rendelkezett, és mindezt kevesebb, mint egy kilogramm (2,2 font) hasadáson átesett uránból hozta létre.

Az urán hasadásának hatékonyabbá tétele érdekében a nukleáris mérnökök dúsítják az uránt. A természetes urán csak körülbelül 0,7 százalékban tartalmaz U-235-öt, a hasadó izotópot. A többi U-238. Az U-235 arányának növeléséhez a mérnökök vagy elgázosítják az uránt az izotópok szétválasztása érdekében, vagy centrifugákat használnak. A Nukleáris Világszövetség szerint az atomerőművek számára a legtöbb dúsított urán 3 és 5 százalék közötti U-235-öt tartalmaz.

A skála másik végén a szegényített urán áll, amelyet tankpáncélokhoz és lövedékek gyártásához használnak. A szegényített urán az, ami megmarad, miután a dúsított uránt elhasználták egy erőműben. Az Egyesült Államok Veteránügyi Minisztériuma szerint körülbelül 40 százalékkal kevésbé radioaktív, mint a természetes urán. Ez a szegényített urán csak akkor veszélyes, ha belélegzik, lenyelik, vagy lövés vagy robbanás során kerül a szervezetbe.

Ki gondolta volna?

• A Hirosimát megsemmisítő “Little Boy” bombában lévő uránnak csak 1,38 százaléka ment át hasadáson az Atomic Heritage Foundation szerint. A bomba összesen körülbelül 64 kg uránt tartalmazott.
• A “Little Boy” bomba Hirosima felett 509 méterrel robbant fel, és a Védelmi Nukleáris Ügynökség 1980-as jelentése szerint csak néhány vasbeton épület vázát hagyta állva a Ground Zero egy mérföldes körzetében. Tűzviharok pusztítottak el mindent a robbanás 4,4 mérföldes (7 kilométeres) körzetében.
• Az urán-238 felezési ideje 4,5 milliárd év. Rádium-226-ra bomlik, amely viszont radon-222-re bomlik. A radon-222-ből polónium-210 lesz, amely végül egy stabil nukliddá, ólommá bomlik.
• Marie Curie, aki az urániummal dolgozott, hogy felfedezzen több még radioaktívabb elemet (polónium és rádium), valószínűleg belehalt a munkájával járó sugárterhelésbe. 1934-ben halt meg aplasztikus anémiában, a vörösvérsejtek hiányában, amelyet valószínűleg a csontvelőjének sugárkárosodása okozott.
• A tiszta urán ezüstös fém, amely a levegőn gyorsan oxidálódik.
• Az uránt néha üveg színezésére használják, amely fekete fényben zöldessárgán világít – de nem a radioaktivitás miatt (az üveg csak a legapróbb mértékben radioaktív). A Collectors Weekly szerint a fluoreszcenciát az okozza, hogy az UV-fény gerjeszti az üvegben lévő uránvegyületet, ami fotonokat bocsát ki, amint az visszaülepedik.
• A yellowcake szilárd urán-oxid. Ez az a forma, amelyben az uránt általában eladják, mielőtt dúsítják.
• A World Nuclear Association szerint az uránt 20 országban bányásszák, amelynek több mint fele Kanadából, Kazahsztánból, Ausztráliából, Nigerből, Oroszországból és Namíbiából származik.
• A Lenntech szerint minden ember és állat természetes módon ki van téve az élelmiszerek, a víz, a talaj és a levegő révén apró mennyiségű uránnak. A lakosság nagy része nyugodtan figyelmen kívül hagyhatja a bevitt mennyiséget, kivéve, ha veszélyes hulladéklerakók, bányák közelében él, vagy ha szennyezett talajban termesztik a növényeket, vagy szennyezett vízzel öntözik őket.

Jelenlegi kutatások

A nukleáris üzemanyagban betöltött fontossága miatt a kutatókat élénken érdekli, hogyan működik az urán – különösen egy olvadás során. Olvadás akkor következik be, amikor a reaktor körüli hűtőrendszerek meghibásodnak, és a reaktormagban lejátszódó hasadási reakciók által termelt hő megolvasztja az üzemanyagot. Ez történt a csernobili atomerőműben bekövetkezett nukleáris katasztrófa során, amelynek következtében egy “elefántlábnak” nevezett radioaktív folt keletkezett.”

Az, hogy a nukleáris üzemanyagok hogyan viselkednek olvadás közben, döntő fontosságú a biztonsági tartályokat építő nukleáris mérnökök számára, mondta John Parise, a Stony Brook Egyetem és a Brookhaven Nemzeti Laboratórium vegyésze és mineralógusa.

2014 novemberében Parise és az Argonne National Lab és más intézmények munkatársai a Science folyóiratban publikáltak egy tanulmányt, amely először világította meg az olvadt urándioxid, a nukleáris üzemanyag egyik fő összetevőjének belső működését. Az urándioxid nem olvad meg, amíg a hőmérséklet el nem éri az 5432 F (3000 C) hőmérsékletet, ezért nehéz mérni, mi történik, amikor az anyag folyékonnyá válik, mondta Parise a Live Science-nek – egyszerűen nincs elég kemény tartály.

“A megoldás erre az, hogy egy urándioxid-golyót felülről szén-dioxid lézerrel melegítünk, és ezt a golyót egy gázáramban lebegtetjük” – mondta Parise. “Ez az anyaggömb lebeg a gázáramon, így nincs szükségünk tartályra.”

A kutatók ezután röntgensugarakat sugároznak át az urándioxid-buborékon, és egy detektorral mérik a röntgensugarak szóródását. A szórás szöge elárulja az urándioxid belsejében lévő atomok szerkezetét.

A kutatók megállapították, hogy a szilárd urándioxidban az atomok úgy helyezkednek el, mint egy sor kocka, amelyek üres térrel váltakoznak rácsszerű mintázatban, és minden egyes uránatomot nyolc oxigénatom vesz körül. Ahogy az anyag közeledik az olvadáspontjához, az oxigének “megőrülnek” – mondta Lawrie Skinner, az Argonne Nemzeti Laboratórium kutatója az eredményekről készült videóban. Az oxigénatomok elkezdenek mozogni, kitöltik az üres teret, és egyik uránatomról a másikra ugrálnak.

Az anyag olvadásakor végül a szerkezet egy Salvador Dalí-festményre hasonlít, ahogy a kockák rendezetlen poliéderekké alakulnak. Ekkor, mondta Parise, az egyes uránatomokat körülvevő oxigénatomok száma – az úgynevezett koordinációs szám – nyolcról körülbelül hétre csökken (néhány uránatomot hat oxigén vesz körül, néhányat pedig hét, így átlagosan 6,7 oxigén van uránonként).

A szám ismerete lehetővé teszi annak modellezését, hogyan viselkedik az urándioxid ilyen magas hőmérsékleten, mondta Parise. A következő lépés a további komplexitás hozzáadása. A nukleáris magok nem csak urándioxidból állnak, mondta. Olyan anyagokat is tartalmaznak, mint a cirkónium és bármi, amit a reaktor belsejének árnyékolására használnak. A kutatócsoport most azt tervezi, hogy hozzáadja ezeket az anyagokat, hogy megnézze, hogyan változik az anyag reakciója.

“Tudnunk kell, hogyan viselkedik a tiszta urándioxid folyadék, hogy amikor elkezdjük vizsgálni a kis adalékanyagok hatásait, láthassuk, mik a különbségek”. mondta Parise.

Az urán túlnyomó többségét energiára használják, általában ellenőrzött nukleáris reakciókban. A megmaradt hulladék, a szegényített urán újrahasznosítható más típusú energiák, például a napenergia hasznosítására. Igor Usov és Milan Sykora, a Los Alamos Nemzeti Laboratórium tudósainak 2017-es szabadalma a nukleáris reakciókból származó szegényített urán felhasználását tárgyalja napelemek létrehozására. A szerzők azt írták, hogy a kimerített urán-oxid bőségesen rendelkezésre áll és olcsó a nukleáris üzemanyag-dúsítási folyamat maradványaként, és a vastagság, az urán/oxigén arány, a kristályosság és az adalékolás szabályozásával optimalizálható napelemként való felhasználásra.

A Thomas Meek által az Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumban 2000-ben írt tanulmány szerint az urándioxid kiváló félvezető, és bizonyos felhasználási célokra potenciálisan előrelépést jelenthet a szilícium, a germánium vagy a gallium-arzenid hagyományos felhasználásával szemben. Szobahőmérsékleten az urán-oxid adná a lehető legnagyobb hatásfokot a napelemeknél, ha összehasonlítjuk az azonos felhasználásra szánt hagyományos elemekkel és vegyületekkel.

Kiegészítő tudósítás: Rachel Ross, Live Science Contributor