Fapte despre uraniu

La 6 august 1945, o bombă de 3 metri (10 picioare) a căzut din cer deasupra orașului japonez Hiroshima. Mai puțin de un minut mai târziu, totul pe o rază de 1,5 km de la detonarea bombei a fost distrus. O furtună masivă de foc a distrus rapid kilometri mai mult, ucigând zeci de mii de oameni.

Aceasta a fost prima utilizare vreodată a unei bombe atomice în război și a folosit un element celebru pentru a face ravagii: uraniul. Acest metal radioactiv este unic prin faptul că unul dintre izotopii săi, uraniul-235, este singurul izotop din natură capabil să susțină o reacție de fisiune nucleară. (Un izotop este o versiune a elementului cu un număr diferit de neutroni în nucleul său.)

Pentru a înțelege uraniul, este important să înțelegem radioactivitatea. Uraniul este radioactiv în mod natural: Nucleul său este instabil, astfel încât elementul se află într-o stare constantă de dezintegrare, căutând un aranjament mai stabil. De fapt, uraniul a fost elementul care a făcut posibilă descoperirea radioactivității. În 1897, fizicianul francez Henri Becquerel a lăsat câteva săruri de uraniu pe o placă fotografică, ca parte a unor cercetări privind modul în care lumina influența aceste săruri. Spre surprinderea sa, placa s-a aburit, indicând un fel de emisii din partea sărurilor de uraniu. Becquerel a împărțit Premiul Nobel cu Marie și Pierre Curie în 1903 pentru această descoperire.

Doar fapte

Conform Jefferson National Linear Accelerator Laboratory, proprietățile uraniului sunt:

• Numărul atomic (numărul de protoni din nucleu): 92
• Simbolul atomic (în tabelul periodic al elementelor):
• Numărul atomic (în tabelul periodic al elementelor): U
• Greutate atomică (masa medie a atomului): 238,02891
• Densitate: 18,95 grame pe centimetru cub
• Fază la temperatura camerei: Solid
• Punctul de topire: 2.075 grade Fahrenheit (1.135 grade Celsius)
• Punctul de fierbere: 7.468 F (4.131 C)
• Numărul de izotopi (atomi ai aceluiași element cu un număr diferit de neutroni): 16, 3 în stare naturală
• Cei mai comuni izotopi: U-234 (0,0054 la sută din abundența naturală), U-235 (0,7204 la sută din abundența naturală), U-238 (99,2742 la sută din abundența naturală)

Istoria uraniului

Martin Heinrich Klaproth, un chimist german, a descoperit uraniul în 1789, deși se știa despre el cel puțin de la A.D. 79, când oxidul de uraniu era folosit ca agent colorant pentru glazuri ceramice și în sticlă, potrivit Chemicool. Klaproth a descoperit elementul în mineralul pechblenda, despre care la acea vreme se credea că este un minereu de zinc și fier. Mineralul a fost dizolvat în acid azotic, iar apoi s-a adăugat potasă (săruri de potasiu) la precipitatul galben rămas. Klaproth a ajuns la concluzia că a descoperit un element nou atunci când reacția dintre potasă și precipitat nu a urmat nicio reacție a elementelor cunoscute. Descoperirea sa s-a dovedit a fi oxid de uraniu și nu uraniu pur, așa cum crezuse inițial.

Potrivit Laboratorului Național Los Alamos, Klaproth a numit noul element după planeta Uranus, recent descoperită, care a fost numită după zeul grec al cerului. Eugène-Melchior Péligot, un chimist francez, a izolat uraniul pur în 1841 prin încălzirea tetraclorurii de uraniu cu potasiu.

Uraniul a fost descoperit ca fiind radioactiv în 1896 de către Antoine H. Becquerel, un fizician francez. Becquerel a lăsat o mostră de uraniu deasupra unei plăci fotografice neexpuse, care a devenit tulbure. El a concluzionat că acesta emitea raze invizibile, potrivit Societății Regale de Chimie. Acesta a fost primul caz în care radioactivitatea a fost studiată și a deschis un nou domeniu al științei. Marie Curie, un om de știință polonez, a inventat termenul de radioactivitate la scurt timp după descoperirea lui Becquerel și, împreună cu Pierre Curie, un om de știință francez, a continuat cercetările pentru a descoperi alte elemente radioactive, cum ar fi poloniul și radiul, și proprietățile acestora.

Putere și război

Urbanul din univers s-a format acum 6,6 miliarde de ani în supernove, potrivit Asociației Mondiale Nucleare. Acesta se găsește peste tot pe planetă și reprezintă aproximativ 2 până la 4 părți la milion din majoritatea rocilor. Este pe locul 48 în topul celor mai abundente elemente care se găsesc în rocile naturale din scoarța terestră, potrivit Departamentului de Energie al SUA, și este de 40 de ori mai abundent decât argintul.

Deși uraniul este foarte asociat cu radioactivitatea, rata sa de dezintegrare este atât de scăzută încât acest element nu este, de fapt, unul dintre cele mai radioactive care există. Uraniul-238 are un timp de înjumătățire de un incredibil 4,5 miliarde de ani. Uraniul-235 are un timp de înjumătățire de puțin peste 700 de milioane de ani. Uraniul-234 are cel mai scurt timp de înjumătățire dintre toate, de 245.500 de ani, dar apare doar indirect din dezintegrarea lui U-238.

În comparație, cel mai radioactiv element este poloniul. Acesta are un timp de înjumătățire de doar 138 de zile.

Cu toate acestea, uraniul are un potențial exploziv, datorită capacității sale de a susține o reacție nucleară în lanț. U-235 este „fisionabil”, ceea ce înseamnă că nucleul său poate fi divizat de neutroni termici – neutroni cu aceeași energie ca și mediul înconjurător. Iată cum funcționează, potrivit Asociației Nucleare Mondiale: Nucleul unui atom de U-235 are 143 de neutroni. Atunci când un neutron liber se lovește de atom, acesta scindează nucleul, aruncând neuroni suplimentari, care pot apoi să zbârnâie în nucleele atomilor de U-235 din apropiere, creând o cascadă de fisiune nucleară care se întreține singură. Evenimentele de fisiune generează fiecare căldură. Într-un reactor nuclear, această căldură este folosită pentru a fierbe apa, creând abur care învârte o turbină pentru a genera energie, iar reacția este controlată de materiale precum cadmiul sau borul, care pot absorbi neutronii suplimentari pentru a-i scoate din lanțul de reacție.

Într-o bombă cu fisiune precum cea care a distrus Hiroshima, reacția devine supercritică. Ceea ce înseamnă că fisiunea are loc la o rată din ce în ce mai mare. Aceste reacții supercritice eliberează cantități masive de energie: Explozia care a distrus Hiroshima a avut puterea unei cantități estimate de 15 kilotone de TNT, toate create cu mai puțin de un kilogram de uraniu supus fisiunii.

Pentru a face fisiunea uraniului mai eficientă, inginerii nucleari îl îmbogățesc. Uraniul natural are doar aproximativ 0,7 la sută U-235, izotopul fisionabil. Restul este U-238. Pentru a crește proporția de U-235, inginerii fie gazifică uraniul pentru a separa izotopii, fie folosesc centrifuge. Potrivit Asociației Mondiale Nucleare, majoritatea uraniului îmbogățit pentru centralele nucleare este alcătuit din 3 la sută până la 5 la sută U-235.

La celălalt capăt al scalei se află uraniul sărăcit, care este folosit pentru blindajul tancurilor și pentru fabricarea gloanțelor. Uraniul sărăcit este ceea ce rămâne după ce uraniul îmbogățit este cheltuit la o centrală electrică. Este cu aproximativ 40% mai puțin radioactiv decât uraniul natural, potrivit Departamentului american al Afacerilor Veteranilor. Acest uraniu sărăcit este periculos doar dacă este inhalat, ingerat sau dacă intră în corp în urma unei împușcături sau a unei explozii.

Cine ar fi știut?

• Doar 1,38% din uraniul din bomba „Little Boy” care a distrus Hiroshima a suferit fisiune, potrivit Atomic Heritage Foundation. Bomba conținea în total aproximativ 64 kg de uraniu.
• Bomba „Little Boy” a detonat la 509 metri deasupra Hiroshimei și a lăsat în picioare doar cadrele câtorva clădiri din beton armat pe o rază de 1,5 km în jurul Ground Zero, potrivit unui raport al Agenției Nucleare de Apărare din 1980. Furtunile de foc au distrus totul pe o rază de 4,4 mile (7 kilometri) de la explozie.
• Viața de înjumătățire a uraniului-238 este de 4,5 miliarde de ani. Acesta se dezintegrează în radiu-226, care la rândul său se dezintegrează în radon-222. Radonul-222 devine poloniu-210, care în cele din urmă se dezintegrează într-un nuclid stabil, plumbul.
• Marie Curie, care a lucrat cu uraniu pentru a descoperi câteva elemente și mai radioactive (poloniu și radiu), a sucombat probabil din cauza expunerii la radiațiile implicate în munca sa. Ea a murit în 1934 de anemie aplastică, o deficiență de globule roșii din sânge cauzată probabil de afectarea măduvei sale osoase de către radiații.
• Uraniul pur este un metal argintiu care se oxidează rapid în aer.
• Uraniul este folosit uneori pentru a colora sticla, care strălucește galben-verzui sub lumină neagră – dar nu din cauza radioactivității (sticla este doar foarte puțin radioactivă). Potrivit Collectors Weekly, fluorescența se datorează faptului că lumina UV excită compusul de uranil din sticlă, făcându-l să emită fotoni pe măsură ce se depune la loc.
• Yellowcake este oxid de uraniu solid. Aceasta este forma în care este vândut în mod obișnuit uraniul înainte de a fi îmbogățit.
• Uraniul este exploatat în 20 de țări, mai mult de jumătate provenind din Canada, Kazahstan, Australia, Niger, Rusia și Namibia, potrivit Asociației Mondiale Nucleare.
• Potrivit Lenntech, toți oamenii și animalele sunt expuși în mod natural la cantități infime de uraniu din alimente, apă, sol și aer. În cea mai mare parte, populația generală poate ignora în siguranță cantitățile ingerate, cu excepția celor care locuiesc în apropierea unor situri de deșeuri periculoase, a minelor sau dacă culturile sunt cultivate în sol contaminat sau udate cu apă contaminată.

Cercetări actuale

Datorită importanței sale în combustibilul nuclear, cercetătorii sunt foarte interesați de modul în care funcționează uraniul – în special în timpul unei fuziuni. Topirea are loc atunci când sistemele de răcire din jurul unui reactor cedează, iar căldura generată de reacțiile de fisiune din miezul reactorului topește combustibilul. Acest lucru s-a întâmplat în timpul dezastrului nuclear de la centrala nucleară de la Cernobîl, rezultând o pată radioactivă supranumită „piciorul de elefant.”

Înțelegerea modului în care acționează combustibilii nucleari atunci când se topesc este crucială pentru inginerii nucleari care construiesc vase de reținere, a declarat John Parise, chimist și mineralogist la Universitatea Stony Brook și la Laboratorul Național Brookhaven.

În noiembrie 2014, Parise și colegii de la Argonne National Lab și de la alte instituții au publicat un articol în revista Science care a elucidat pentru prima dată mecanismele interne ale dioxidului de uraniu topit, o componentă majoră a combustibilului nuclear. Dioxidul de uraniu nu se topește până când temperaturile nu depășesc 3.000 de grade Celsius (5.432 F), așa că este greu de măsurat ce se întâmplă atunci când materialul devine lichid, a declarat Parise pentru Live Science – pur și simplu nu există un recipient suficient de dur.

„Soluția este să încălzim o bilă de dioxid de uraniu de sus cu un laser cu dioxid de carbon, iar această bilă este levitată pe un flux de gaz”, a spus Parise. „Aveți această bilă de material care levitează pe curentul de gaz, așa că nu aveți nevoie de un recipient.”

Cercetătorii au trimis apoi raze X prin bula de dioxid de uraniu și măsoară împrăștierea acestor raze X cu un detector. Unghiul de împrăștiere dezvăluie structura atomilor din interiorul dioxidului de uraniu.

Cercetătorii au descoperit că în dioxidul de uraniu solid, atomii sunt aranjați ca o serie de cuburi care alternează cu spațiu gol într-un model de tip grilă, cu opt atomi de oxigen în jurul fiecărui atom de uraniu. Pe măsură ce materialul se apropie de punctul de topire, oxigenii o iau „razna”, a declarat Lawrie Skinner, cercetător la Argonne National Laboratory, într-un videoclip despre rezultate. Atomii de oxigen încep să se deplaseze, umplând spațiul gol și sărind de la un atom de uraniu la altul.

În cele din urmă, când materialul se topește, structura seamănă cu o pictură a lui Salvador Dali, pe măsură ce cuburile se transformă în poliedre dezordonate. În acest moment, a spus Parise, numărul de atomi de oxigen din jurul fiecărui atom de uraniu – cunoscut sub numele de număr de coordonare – scade de la opt la aproximativ șapte (unii atomi de uraniu au șase oxigen în jurul lor, iar alții au șapte, ceea ce face ca media să fie de 6,7 oxigen pe uraniu).

Cunoașterea acestui număr face posibilă modelarea modului în care dioxidul de uraniu va acționa la aceste temperaturi ridicate, a spus Parise. Următorul pas este acela de a adăuga mai multă complexitate. Miezurile nucleare nu sunt doar dioxid de uraniu, a spus el. Ele includ, de asemenea, materiale precum zirconiul și orice este folosit pentru a proteja interiorul reactorului. Echipa de cercetare plănuiește acum să adauge aceste materiale pentru a vedea cum se schimbă reacția materialului.

„Trebuie să știi cum se comportă lichidul de dioxid de uraniu pur, astfel încât atunci când începi să te uiți la efectele micilor aditivi, să poți vedea care sunt diferențele?” a spus Parise.

Marea majoritate a uraniului este folosită pentru energie, de obicei în reacții nucleare controlate. Deșeurile rămase, uraniu sărăcit, pot fi reciclate pentru a valorifica alte tipuri de energie, cum ar fi energia solară. Un brevet din 2017 al lui Igor Usov și Milan Sykora, oameni de știință de la Laboratorul Național Los Alamos, vorbește despre utilizarea uraniului sărăcit din reacțiile nucleare pentru a crea celule solare. Autorii au scris că oxidul de uraniu sărăcit este abundent și ieftin ca resturi ale procesului de îmbogățire a combustibilului nuclear și ar putea fi optimizat pentru a fi utilizat ca celule solare prin controlul grosimii, al raportului uraniu/oxigen, al cristalinității și al dopajului.

Dioxidul de uraniu este un semiconductor excelent, potrivit unei lucrări din 2000 a lui Thomas Meek de la Oak Ridge National Laboratory, și ar putea fi o îmbunătățire potențială pentru anumite utilizări față de utilizările tradiționale ale siliciului, germaniului sau arsenurii de galiu. La temperatura camerei, oxidul de uraniu ar oferi cea mai mare eficiență posibilă a celulelor solare în comparație cu elementele și compușii tradiționali pentru aceeași utilizare.

Reportaj suplimentar de Rachel Ross, colaborator Live Science

.