On August 6, 1945, a 10-foot-long (3 metry) bomba spadła z nieba nad japońskim mieście Hiroszima. Niespełna minutę później wszystko w promieniu mili od detonacji bomby zostało zniszczone. Potężna burza ogniowa szybko zniszczyła kolejne kilometry, zabijając dziesiątki tysięcy ludzi.

To było pierwsze w historii użycie bomby atomowej w działaniach wojennych, a do spustoszenia użyto jednego słynnego pierwiastka: uranu. Ten radioaktywny metal jest wyjątkowy, ponieważ jeden z jego izotopów, uran-235, jest jedynym naturalnie występującym izotopem zdolnym do podtrzymania reakcji rozszczepienia jądra atomowego. (Izotop to wersja pierwiastka z różną liczbą neutronów w jądrze.)

Aby zrozumieć uran, ważne jest, aby zrozumieć radioaktywność. Uran jest naturalnie radioaktywny: Jego jądro jest niestabilne, więc element jest w ciągłym stanie rozpadu, poszukując bardziej stabilnego układu. W rzeczywistości to właśnie uran był pierwiastkiem, który umożliwił odkrycie promieniotwórczości. W 1897 r. francuski fizyk Henri Becquerel pozostawił kilka soli uranu na kliszy fotograficznej w ramach badań nad wpływem światła na te sole. Ku jego zaskoczeniu płytka zaparowała, co wskazywało na pewien rodzaj emisji z soli uranu. Za to odkrycie Becquerel otrzymał w 1903 r. Nagrodę Nobla wraz z Marią i Pierrem Curie.

Po prostu fakty

Według Jefferson National Linear Accelerator Laboratory, właściwości uranu to:

Uran

Uran (Image credit: Andrei Marincas )
  • Liczba atomowa (liczba protonów w jądrze): 92
  • Symbol atomowy (w układzie okresowym pierwiastków): U
  • Waga atomowa (średnia masa atomu): 238,02891
  • Gęstość: 18,95 grama na centymetr sześcienny
  • Faza w temperaturze pokojowej: Ciało stałe
  • Punkt topnienia: 2,075 stopni Fahrenheita (1,135 stopni Celsjusza)
  • Punkt wrzenia: 7,468 F (4,131 C)
  • Liczba izotopów (atomy tego samego pierwiastka o różnej liczbie neutronów): 16, 3 naturalnie występujące
  • Najczęściej występujące izotopy: U-234 (0,0054 procent naturalnej obfitości), U-235 (0,7204 procent naturalnej obfitości), U-238 (99,2742 procent naturalnej obfitości)

Historia uranu

Martin Heinrich Klaproth, niemiecki chemik, odkrył uran w 1789 roku, chociaż wiedziano o nim co najmniej od A.D. 79, kiedy tlenek uranu był używany jako środek barwiący do glazury ceramicznej i szkła, według Chemicool. Klaproth odkrył pierwiastek w minerale pitchblende, który w tamtym czasie uważany był za rudę cynku i żelaza. Minerał rozpuszczono w kwasie azotowym, a następnie do pozostałego żółtego osadu dodano potas (sole potasu). Klaproth doszedł do wniosku, że odkrył nowy pierwiastek, gdy reakcja między potażem a osadem nie przebiegała zgodnie z żadną reakcją znanych pierwiastków. Jego odkrycie okazało się być tlenkiem uranu, a nie czystym uranem, jak początkowo sądził.

Według Los Alamos National Laboratory, Klaproth nazwał nowy element po niedawno odkrytej planecie Uran, która została nazwana na cześć greckiego boga nieba. Eugène-Melchior Péligot, francuski chemik, wyizolował czysty uran w 1841 roku, podgrzewając czterochlorek uranu z potasem.

Uran został uznany za radioaktywny w 1896 roku przez Antoine’a H. Becquerela, francuskiego fizyka. Becquerel pozostawił próbkę uranu na wierzchu nienaświetlonej płyty fotograficznej, która stała się mętna. Doszedł do wniosku, że wydziela on niewidzialne promienie, jak podaje Royal Society of Chemistry. Był to pierwszy przypadek badania radioaktywności, który otworzył nową dziedzinę nauki. Marie Curie, polska naukowiec, ukuła termin radioaktywność wkrótce po odkryciu Becquerela, a wraz z Pierre Curie, francuskim naukowcem, kontynuowała badania w celu odkrycia innych pierwiastków radioaktywnych, takich jak polon i rad, oraz ich właściwości.

Władza i wojna

Uran we wszechświecie powstał 6,6 miliarda lat temu w supernowych, według Światowego Stowarzyszenia Jądrowego. Jest on wszędzie na naszej planecie i stanowi około 2 do 4 części na milion w większości skał. Zajmuje 48 miejsce wśród najbardziej obfitych pierwiastków występujących w naturalnych skałach skorupowych, według Departamentu Energii USA, i jest 40 razy bardziej obfity niż srebro.

Chociaż uran jest silnie związany z radioaktywnością, jego szybkość rozpadu jest tak niska, że ten element nie jest w rzeczywistości jednym z bardziej radioaktywnych tam. Czas połowicznego rozpadu uranu-238 wynosi niewiarygodne 4,5 miliarda lat. Czas połowicznego rozpadu uranu-235 wynosi nieco ponad 700 milionów lat. Uran-234 ma najkrótszy okres połowicznego rozpadu z nich wszystkich 245 500 lat, ale występuje tylko pośrednio z rozpadu U-238.

Dla porównania, najbardziej radioaktywnym pierwiastkiem jest polon. Jego okres połowicznego zaniku wynosi zaledwie 138 dni.

Uran ma jednak potencjał wybuchowy, dzięki zdolności do podtrzymywania jądrowej reakcji łańcuchowej. U-235 jest „rozszczepialny”, co oznacza, że jego jądro może zostać rozszczepione przez neutrony termiczne – neutrony o takiej samej energii jak ich otoczenie. Oto jak to działa, według Światowego Stowarzyszenia Jądrowego (World Nuclear Association): Jądro atomu U-235 ma 143 neutrony. Kiedy wolny neutron wpada na atom, rozszczepia jądro, wyrzucając dodatkowe neutrony, które mogą następnie uderzyć w jądra pobliskich atomów U-235, tworząc samopodtrzymującą się kaskadę rozszczepień jądrowych. Każde z tych rozszczepień generuje ciepło. W reaktorze jądrowym ciepło to jest wykorzystywane do zagotowania wody, tworząc parę, która obraca turbinę wytwarzającą energię, a reakcja jest kontrolowana przez materiały takie jak kadm lub bor, które mogą absorbować dodatkowe neutrony, aby usunąć je z łańcucha reakcji.

W bombie rozszczepieniowej, takiej jak ta, która zniszczyła Hiroszimę, reakcja przebiega w stanie nadkrytycznym. Oznacza to, że rozszczepienie zachodzi w coraz szybszym tempie. Te nadkrytyczne reakcje uwalniają ogromne ilości energii: Wybuch, który zniszczył Hiroszimę, miał moc szacowaną na 15 kiloton TNT, a wszystko to powstało przy użyciu mniej niż kilograma (2,2 funta) uranu ulegającego rozszczepieniu.

Aby uczynić rozszczepienie uranu bardziej wydajnym, inżynierowie jądrowi wzbogacają go. Uran naturalny zawiera tylko około 0,7 procent U-235, izotopu rozszczepialnego. Pozostała część to U-238. Aby zwiększyć zawartość U-235, inżynierowie albo gazują uran w celu oddzielenia izotopów, albo stosują wirówki. Według World Nuclear Association, większość wzbogaconego uranu dla elektrowni jądrowych składa się z 3-5% U-235.

Na drugim końcu skali jest zubożony uran, który jest używany do zbrojeń czołgów i do produkcji pocisków. Uran zubożony jest tym, co zostaje po zużyciu wzbogaconego uranu w elektrowni. Jest on o około 40 procent mniej radioaktywny niż uran naturalny, jak podaje amerykański Departament Spraw Weteranów. Ten zubożony uran jest niebezpieczny tylko wtedy, gdy jest wdychany, połykany lub dostaje się do organizmu w wyniku strzelaniny lub eksplozji.

Kto wiedział?

  • Tylko 1,38 procent uranu w bombie „Little Boy”, która zniszczyła Hiroszimę, uległo rozszczepieniu, według Atomic Heritage Foundation. Bomba zawierała około 140 funtów (64 kg) uranu.
  • Bomba „Little Boy” wybuchła 1670 stóp (509 metrów) nad Hiroszimą i pozostawiła po sobie tylko szkielety kilku żelbetonowych budynków w promieniu mili wokół Ground Zero, według raportu Defense Nuclear Agency z 1980 roku. Burze pożarowe zniszczyły wszystko w promieniu 4,4 mili (7 kilometrów) od wybuchu.
  • Półokres rozpadu uranu-238 wynosi 4,5 miliarda lat. Rozpada się on na rad-226, który z kolei rozpada się na radon-222. Radon-222 staje się polonem-210, który ostatecznie rozpada się na stabilny nuklid, ołów.
  • Marie Curie, która pracowała z uranem, aby odkryć kilka jeszcze bardziej radioaktywnych pierwiastków (polon i rad), prawdopodobnie uległa narażeniu na promieniowanie związane z jej pracą. Zmarła w 1934 roku na anemię aplastyczną, niedobór czerwonych krwinek prawdopodobnie spowodowany uszkodzeniem szpiku kostnego przez promieniowanie.
  • Czysty uran jest srebrzystym metalem, który szybko utlenia się w powietrzu.
  • Uran jest czasami używany do barwienia szkła, które świeci na zielonkawo-żółto w czarnym świetle – ale nie z powodu radioaktywności (szkło jest tylko w najmniejszym stopniu radioaktywne). Według Collectors Weekly, fluorescencja jest ze względu na światło ultrafioletowe ekscytujące związek uranylowy w szkle, powodując, że wydziela fotony, jak to osiada back down.
  • Yellowcake jest stały tlenek uranu. Jest to forma, w której uran jest powszechnie sprzedawany przed jego wzbogaceniem.
  • Uran jest wydobywany w 20 krajach, z czego ponad połowa pochodzi z Kanady, Kazachstanu, Australii, Nigru, Rosji i Namibii, zgodnie z danymi Światowego Stowarzyszenia Nuklearnego.
  • Według Lenntech, wszyscy ludzie i zwierzęta są naturalnie narażeni na niewielkie ilości uranu z żywności, wody, gleby i powietrza. W większości przypadków ogół społeczeństwa może bezpiecznie ignorować spożywane ilości uranu, z wyjątkiem osób mieszkających w pobliżu składowisk odpadów niebezpiecznych, kopalni, upraw w skażonej glebie lub podlewanych skażoną wodą.

Bieżące badania

Zważywszy na jego znaczenie w paliwie jądrowym, naukowcy są żywo zainteresowani funkcjonowaniem uranu – szczególnie podczas stopienia. Do stopienia dochodzi, gdy zawodzą systemy chłodzenia reaktora, a ciepło wytworzone w wyniku reakcji rozszczepienia w rdzeniu reaktora powoduje stopienie paliwa. Stało się to podczas katastrofy jądrowej w elektrowni atomowej w Czarnobylu, w wyniku której powstała radioaktywna plama nazwana „stopą słonia”.”

Zrozumienie tego, jak paliwa jądrowe zachowują się podczas topnienia, jest kluczowe dla inżynierów jądrowych budujących pojemniki izolacyjne, powiedział John Parise, chemik i mineralog z Uniwersytetu Stony Brook i Brookhaven National Laboratory.

W listopadzie 2014 roku Parise i koledzy z Argonne National Lab i innych instytucji opublikowali w czasopiśmie Science pracę, która po raz pierwszy wyjaśniła wewnętrzne działanie stopionego dwutlenku uranu, głównego składnika paliwa jądrowego. Dwutlenek uranu nie topi się, dopóki temperatura nie przekroczy 5,432 F (3,000 C), więc trudno jest zmierzyć, co się dzieje, gdy materiał przechodzi w stan ciekły, Parise powiedział Live Science – po prostu nie ma wystarczająco wytrzymałego pojemnika.

„Rozwiązaniem tego problemu jest podgrzanie kulki dwutlenku uranu od góry za pomocą lasera dwutlenku węgla, a ta kulka jest lewitowana na strumieniu gazu,” powiedział Parise. „Masz tę kulę materiału lewitującą na strumieniu gazu, więc nie potrzebujesz pojemnika.”

Badacze następnie wysyłają promienie rentgenowskie przez pęcherzyk dwutlenku uranu i mierzą rozproszenie tych promieni rentgenowskich za pomocą detektora. Kąt rozproszenia ujawnia strukturę atomów wewnątrz dwutlenku uranu.

Badacze odkryli, że w stałym dwutlenku uranu atomy są ułożone jak seria sześcianów na przemian z pustą przestrzenią w kratkę, z ośmioma atomami tlenu otaczającymi każdy atom uranu. Gdy materiał zbliża się do temperatury topnienia, atomy tlenu „szaleją”, powiedział Lawrie Skinner, badacz z Argonne National Laboratory, w filmie na temat wyników. Atomy tlenu zaczynają się poruszać, wypełniając pustą przestrzeń i przeskakując z jednego atomu uranu na drugi.

W końcu, gdy materiał się topi, struktura przypomina obraz Salvadora Dali, gdy kostki zamieniają się w nieuporządkowane wielościany. W tym momencie, Parise powiedział, liczba atomów tlenu wokół każdego atomu uranu – znany jako liczba koordynacyjna – spada z ośmiu do około siedmiu (niektóre atomy uranu mają sześć oksygenów otaczających je, a niektóre mają siedem, co daje średnio 6,7 oksygenów na uran).

Znajomość tej liczby umożliwia modelowanie, jak dwutlenek uranu będzie działać w tych wysokich temperaturach, Parise powiedział. Następnym krokiem jest dodanie większej złożoności. Rdzenie jądrowe to nie tylko dwutlenek uranu, powiedział. Zawierają one również materiały takie jak cyrkon i wszystko to, co jest używane do osłony wnętrza reaktora. Zespół badawczy planuje teraz dodać te materiały, aby zobaczyć, jak zmienia się reakcja materiału.

„Musisz wiedzieć, jak zachowuje się czysta ciecz dwutlenku uranu, aby kiedy zaczniesz patrzeć na efekty małych dodatków, możesz zobaczyć, jakie są różnice?” Parise said.

Ogromna większość uranu jest wykorzystywana do produkcji energii, zwykle w kontrolowanych reakcjach jądrowych. Resztki odpadów, zubożony uran, można poddać recyklingowi, aby wykorzystać inne rodzaje energii, takie jak moc słońca. Patent z 2017 roku autorstwa Igora Usova i Milana Sykory, naukowców z Los Alamos National Laboratory, omawia wykorzystanie zubożonego uranu z reakcji jądrowych do tworzenia ogniw słonecznych. Autorzy napisali, że zubożony tlenek uranu był obfity i tani jako pozostałość po procesie wzbogacania paliwa jądrowego i mógłby być zoptymalizowany do użytku jako ogniwa słoneczne poprzez kontrolowanie grubości, stosunku uranu do tlenu, krystaliczności i dopingu.

Dwutlenek uranu jest doskonałym półprzewodnikiem, zgodnie z papierem z 2000 r. autorstwa Thomasa Meeka w Oak Ridge National Laboratory, i potencjalnie mógłby być ulepszeniem dla niektórych zastosowań w stosunku do tradycyjnych zastosowań krzemu, germanu lub arsenku galu. W temperaturze pokojowej, tlenek uranu dałby najwyższą możliwą wydajność ogniwa słonecznego w porównaniu z tradycyjnymi pierwiastkami i związkami do tego samego zastosowania.

Dodatkowe raportowanie przez Rachel Ross, Live Science Contributor