Odkud se uran vzal? S největší pravděpodobností se objevuje při explozích supernov. Faktem je, že pro nukleosyntézu prvků těžších než železo musí existovat silný proud neutronů, ke kterému dochází právě při výbuchu supernovy. Zdálo by se, že pak, během kondenzace z oblaku nových hvězdných systémů, které tvoří, uran, který se shromáždil v protoplanetárním oblaku a je velmi těžký, by měl klesnout do hlubin planet. Ale to není pravda. Uran je radioaktivní prvek a při rozkladu uvolňuje teplo. Výpočty ukazují, že pokud by byl uran rovnoměrně rozložen po celé tloušťce planety, alespoň ve stejné koncentraci jako na povrchu, vyzařoval by příliš mnoho tepla. Navíc by jeho tok měl slábnout se spotřebou uranu. Protože nic takového nebylo pozorováno, geologové se domnívají, že nejméně třetina uranu a možná i všechen je koncentrován v zemské kůře, kde je jeho obsah 2,5∙10 –4 %. Proč se tak stalo, se nediskutuje.
Kde se těží uran? Na Zemi není tak málo uranu – co do množství je na 38. místě. A nejvíce tohoto prvku se nachází v sedimentárních horninách – uhlíkatých břidlicích a fosforitech: až 8∙10 –3, respektive 2,5∙10 –2 %. Celkově zemská kůra obsahuje 10 14 tun uranu, ale hlavním problémem je, že je velmi rozptýlený a netvoří mocná ložiska. Přibližně 15 uranových nerostů má průmyslový význam. Jedná se o uranový dehet - jeho základem je oxid čtyřmocný uran, uranová slída - různé silikáty, fosfáty a složitější sloučeniny s vanadem nebo titanem na bázi šestimocného uranu.
Co jsou Becquerelovy paprsky? Po objevu rentgenového záření Wolfgangem Roentgenem se francouzský fyzik Antoine-Henri Becquerel začal zajímat o záři uranových solí, ke které dochází vlivem slunečního záření. Chtěl pochopit, jestli jsou i tady rentgeny. Opravdu byli přítomni - sůl osvětlovala fotografickou desku skrz černý papír. V jednom z experimentů však sůl nebyla osvětlena, ale fotografická deska přesto ztmavla. Když byl mezi sůl a fotografickou desku umístěn kovový předmět, ztmavení pod ním bylo menší. Nové paprsky proto nevznikaly excitací uranu světlem a částečně neprošly kovem. Původně se jim říkalo „Becquerelovy paprsky“. Následně bylo zjištěno, že se jedná především o alfa paprsky s malým přídavkem beta paprsků: faktem je, že hlavní izotopy uranu vyzařují při rozpadu alfa částici a beta rozpad zažívají i dceřiné produkty.
Jak radioaktivní je uran? Uran nemá žádné stabilní izotopy, všechny jsou radioaktivní. Nejdéle žijící je uran-238 s poločasem rozpadu 4,4 miliardy let. Následuje uran-235 - 0,7 miliardy let. Oba podléhají rozpadu alfa a stávají se odpovídajícími izotopy thoria. Uran-238 tvoří více než 99 % veškerého přírodního uranu. Vzhledem k obrovskému poločasu rozpadu je radioaktivita tohoto prvku nízká a navíc částice alfa nejsou schopny proniknout do stratum corneum na povrchu lidského těla. Říká se, že po práci s uranem si I.V Kurchatov jednoduše otřel ruce kapesníkem a netrpěl žádnými nemocemi spojenými s radioaktivitou.
Vědci se opakovaně obraceli na statistiky nemocí pracovníků v uranových dolech a zpracovatelských závodech. Zde je například nedávný článek kanadských a amerických specialistů, kteří analyzovali zdravotní údaje více než 17 tisíc pracovníků v dole Eldorado v kanadské provincii Saskatchewan za roky 1950–1999 ( Environmentální výzkum, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Vycházeli z toho, že záření má nejsilnější vliv na rychle se množící krvinky, což vede k odpovídajícím typům rakoviny. Statistiky ukázaly, že u pracovníků v dolech je výskyt různých typů rakoviny krve nižší než u průměrné kanadské populace. Za hlavní zdroj záření se v tomto případě nepovažuje uran samotný, ale jím vytvářený plynný radon a produkty jeho rozpadu, které se mohou dostat do těla plícemi.
Proč je uran škodlivý?? Stejně jako ostatní těžké kovy je vysoce toxický a může způsobit selhání ledvin a jater. Na druhé straně je uran jako rozptýlený prvek nevyhnutelně přítomen ve vodě, půdě a koncentruje se v potravním řetězci a dostává se do lidského těla. Je rozumné předpokládat, že v procesu evoluce se živé bytosti naučily neutralizovat uran v přirozených koncentracích. Uran je ve vodě nejnebezpečnější, proto WHO stanovila limit: zpočátku to bylo 15 μg/l, ale v roce 2011 byla norma zvýšena na 30 μg/g. Ve vodě je zpravidla mnohem méně uranu: v USA v průměru 6,7 µg/l, v Číně a Francii - 2,2 µg/l. Existují ale také silné odchylky. Takže v některých oblastech Kalifornie je to stokrát více, než je standard - 2,5 mg/l, a v jižním Finsku dosahuje 7,8 mg/l. Vědci se snaží pochopit, zda je norma WHO příliš přísná studiem vlivu uranu na zvířata. Zde je typická práce ( BioMed Research International, 2014, IČ 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Francouzští vědci krmili krysy vodou po dobu devíti měsíců s přísadami ochuzeného uranu a v relativně vysokých koncentracích – od 0,2 do 120 mg/l. Spodní hodnota je voda v blízkosti dolu, zatímco horní hodnota se nikde nenachází - maximální koncentrace uranu, naměřená ve Finsku, je 20 mg/l. K překvapení autorů - článek se jmenuje: „Neočekávaná absence znatelného účinku uranu na fyziologické systémy ...“ - uran neměl prakticky žádný vliv na zdraví potkanů. Zvířata dobře jedla, řádně přibrala, nestěžovala si na nemoci a neumřela na rakovinu. Uran, jak má být, se ukládal především v ledvinách a kostech a ve stokrát menším množství v játrech a jeho hromadění se předpokládalo odvíjelo od obsahu ve vodě. To však nevedlo k renálnímu selhání nebo dokonce ke znatelnému výskytu jakýchkoli molekulárních markerů zánětu. Autoři navrhli, že by měla být zahájena revize přísných pokynů WHO. Je tu však jedno upozornění: vliv na mozek. V mozcích krys bylo méně uranu než v játrech, ale jeho obsah nezávisel na množství ve vodě. Uran však ovlivnil fungování antioxidačního systému mozku: aktivita katalázy se zvýšila o 20 %, glutathionperoxidázy o 68–90 % a aktivita superoxiddismutázy se snížila o 50 %, bez ohledu na dávku. To znamená, že uran jednoznačně způsobil oxidační stres v mozku a tělo na něj reagovalo. Tento účinek - silný účinek uranu na mozek v nepřítomnosti jeho akumulace v něm, mimochodem, stejně jako v genitáliích - byl zaznamenán dříve. Navíc voda s uranem v koncentraci 75–150 mg/l, kterou výzkumníci z University of Nebraska krmili krysy po dobu šesti měsíců ( Neurotoxikologie a teratologie, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), ovlivnilo chování zvířat, především samců, vypuštěných do terénu: překračovali linie, vstávali na zadní nohy a předháněli si srst jinak než kontrolní. Existují důkazy, že uran také vede ke zhoršení paměti u zvířat. Změny chování korelovaly s úrovněmi oxidace lipidů v mozku. Ukázalo se, že uranová voda udělala krysy zdravými, ale spíše hloupými. Tyto údaje se nám budou hodit při analýze tzv. syndromu války v Zálivu.
Kontaminuje uran lokality pro rozvoj břidlicového plynu? Záleží na tom, kolik uranu je v horninách obsahujících plyn a jak je s nimi spojen. Například docent Tracy Bank z univerzity v Buffalu studoval Marcellus Shale, který se táhne od západního New Yorku přes Pensylvánii a Ohio až po Západní Virginii. Ukázalo se, že uran je chemicky příbuzný právě se zdrojem uhlovodíků (nezapomeňte, že příbuzné uhlíkaté břidlice mají nejvyšší obsah uranu). Experimenty ukázaly, že roztok používaný při štěpení dokonale rozpouští uran. „Když se uran v těchto vodách dostane na povrch, může způsobit kontaminaci okolí. To nepředstavuje radiační riziko, ale uran je jedovatý prvek,“ poznamenává Tracy Bank v univerzitní tiskové zprávě z 25. října 2010. O riziku kontaminace životního prostředí uranem nebo thoriem při výrobě břidlicového plynu zatím nebyly zpracovány žádné podrobné články.
Proč je potřeba uran? Dříve se používal jako pigment pro výrobu keramiky a barevného skla. Nyní je uran základem jaderné energie a atomových zbraní. V tomto případě se využívá jeho jedinečná vlastnost – schopnost jádra se dělit.
Co je jaderné štěpení? Rozpad jádra na dva nestejně velké kusy. Právě pro tuto vlastnost se při nukleosyntéze v důsledku ozařování neutrony s velkými obtížemi tvoří jádra těžší než uran. Podstata jevu je následující. Pokud není poměr počtu neutronů a protonů v jádře optimální, stává se nestabilním. Typicky takové jádro emituje buď částici alfa - dva protony a dva neutrony, nebo částici beta - pozitron, která je doprovázena přeměnou jednoho z neutronů na proton. V prvním případě se získá prvek periodické tabulky, vzdálený dvě buňky dozadu, ve druhém - jedna buňka dopředu. Uranové jádro je však kromě vyzařování částic alfa a beta schopné štěpení – rozpadu na jádra dvou prvků uprostřed periodické tabulky, například barya a kryptonu, což se mu po přijetí nového neutronu daří. Tento jev byl objeven krátce po objevu radioaktivity, kdy fyzici nově objevené záření vystavili všemu, co mohli. Zde je, jak o tom píše účastník událostí Otto Frisch („Pokroky ve fyzikálních vědách“, 1968, 96, 4). Po objevu paprsků berylia - neutronů - jimi Enrico Fermi ozařoval zejména uran, aby způsobil beta rozpad - doufal, že jej využije k získání dalšího, 93. prvku, nyní zvaného neptunium. Byl to on, kdo objevil nový typ radioaktivity v ozářeném uranu, který spojoval s výskytem transuraniových prvků. Tuto indukovanou radioaktivitu zároveň zvýšilo zpomalení neutronů, pro které byl zdroj berylia pokrytý vrstvou parafínu. Americký radiochemik Aristide von Grosse navrhl, že jedním z těchto prvků bylo protaktinium, ale mýlil se. Ale Otto Hahn, který tehdy působil na univerzitě ve Vídni a považoval protaktinium objevené v roce 1917 za jeho duchovní dítě, se rozhodl, že je povinen zjistit, jaké prvky byly získány. Spolu s Lise Meitnerovou na začátku roku 1938 Hahn na základě experimentálních výsledků navrhl, že celé řetězce radioaktivních prvků vznikají v důsledku mnohočetných beta rozpadů jader uranu-238 pohlcujících neutrony a jeho dceřiných prvků. Lise Meitner byla brzy nucena uprchnout do Švédska, protože se bála možné odvety ze strany nacistů po anšlusu Rakouska. Hahn, který pokračoval ve svých experimentech s Fritzem Strassmannem, zjistil, že mezi produkty bylo také baryum, prvek číslo 56, který nelze v žádném případě získat z uranu: všechny řetězce alfa rozpadů uranu končí mnohem těžším olovem. Vědci byli výsledkem tak překvapeni, že jej nezveřejnili, pouze napsali dopisy přátelům, zejména Lise Meitnerové do Göteborgu. Tam ji o Vánocích 1938 navštívil její synovec Otto Frisch a při procházkách v okolí zimního města - on na lyžích, teta pěšky - diskutovali o možnosti výskytu barya při ozařování uranu jako výsledek jaderného štěpení (více informací o Lise Meitnerové viz „Chemie a život “, 2013, č. 4). Po návratu do Kodaně Frisch doslova chytil Nielse Bohra na můstku lodi odplouvající do Spojených států a řekl mu o myšlence štěpení. Bohr se plácl na čelo a řekl: „Ach, jací jsme byli blázni! Měli jsme si toho všimnout dříve." V lednu 1939 Frisch a Meitner publikovali článek o štěpení jader uranu pod vlivem neutronů. V té době již Otto Frisch provedl kontrolní experiment, stejně jako mnoho amerických skupin, které obdržely zprávu od Bohra. Říká se, že fyzici se začali rozcházet do svých laboratoří právě během jeho zprávy 26. ledna 1939 ve Washingtonu na výroční konferenci o teoretické fyzice, když pochopili podstatu myšlenky. Po objevu štěpení Hahn a Strassmann revidovali své experimenty a zjistili, stejně jako jejich kolegové, že radioaktivita ozářeného uranu není spojena s transurany, ale s rozpadem radioaktivních prvků vznikajících při štěpení ze středu periodické tabulky.
Jak probíhá řetězová reakce v uranu? Brzy poté, co byla experimentálně prokázána možnost štěpení jader uranu a thoria (a na Zemi nejsou žádné další štěpné prvky ve významném množství), Niels Bohr a John Wheeler, kteří pracovali v Princetonu, a nezávisle na nich Sovětský teoretický fyzik Ya I. Frenkel a Němci Siegfried Flügge a Gottfried von Droste vytvořili teorii jaderného štěpení. Z toho vyplynuly dva mechanismy. Jedna je spojena s prahovou absorpcí rychlých neutronů. Podle ní musí mít neutron k zahájení štěpení poměrně vysokou energii, více než 1 MeV pro jádra hlavních izotopů - uranu-238 a thoria-232. Při nižších energiích má absorpce neutronů uranem-238 rezonanční charakter. Neutron s energií 25 eV má tedy plochu záchytného průřezu tisíckrát větší než u jiných energií. V tomto případě nedojde k žádnému štěpení: z uranu-238 se stane uran-239, který se s poločasem rozpadu 23,54 minut změní na neptunium-239, které se s poločasem rozpadu 2,33 dne změní na dlouhověký. plutonium-239. Thorium-232 se stane uranem-233.
Druhým mechanismem je bezprahová absorpce neutronu, po ní následuje třetí víceméně běžný štěpný izotop - uran-235 (stejně jako plutonium-239 a uran-233, které se v přírodě nevyskytují): tzv. pohlcení jakéhokoliv neutronu, i pomalého, tzv. tepelného, s energií jako u molekul účastnících se tepelného pohybu - 0,025 eV, se takové jádro rozštěpí. A to je velmi dobré: tepelné neutrony mají záchytnou plochu čtyřikrát větší než rychlé megaelektronvoltové neutrony. To je význam uranu-235 pro celou následující historii jaderné energetiky: právě on zajišťuje množení neutronů v přírodním uranu. Po zásahu neutronem se jádro uranu-235 stává nestabilním a rychle se rozdělí na dvě nestejné části. Po cestě je emitováno několik (v průměru 2,75) nových neutronů. Pokud narazí na jádra stejného uranu, způsobí exponenciální množení neutronů – dojde k řetězové reakci, která v důsledku rychlého uvolnění obrovského množství tepla povede k explozi. Ani uran-238, ani thorium-232 tak fungovat nemohou: vždyť při štěpení jsou neutrony emitovány s průměrnou energií 1–3 MeV, tedy pokud existuje práh energie 1 MeV, významná část neutrony jistě nebudou schopny vyvolat reakci a nedojde k žádné reprodukci. To znamená, že na tyto izotopy by se mělo zapomenout a neutrony bude nutné zpomalit na tepelnou energii, aby co nejúčinněji interagovaly s jádry uranu-235. Zároveň nelze připustit jejich rezonanční absorpci uranem-238: koneckonců v přírodním uranu je tento izotop o něco méně než 99,3% a neutrony se s ním častěji srážejí, a ne s cílovým uranem-235. A působením jako moderátor je možné udržet množení neutronů na konstantní úrovni a zabránit explozi – řídit řetězovou reakci.
Výpočet, který provedli Ya B. Zeldovich a Yu B. Khariton ve stejném osudném roce 1939, ukázal, že k tomu je nutné použít moderátor neutronů ve formě těžké vody nebo grafitu a obohatit přírodní uran o uran. 235 alespoň 1,83krát. Pak se jim tato myšlenka zdála čirou fantazií: „Je třeba poznamenat, že přibližně dvojnásobné obohacení oněch poměrně významných množství uranu, které je nutné k provedení řetězové exploze,<...>je extrémně těžkopádný úkol, který se blíží praktické nemožnosti.“ Nyní je tento problém vyřešen a jaderný průmysl masově vyrábí uran obohacený uranem-235 na 3,5 % pro elektrárny.
Co je spontánní jaderné štěpení? V roce 1940 G. N. Flerov a K. A. Petrzhak zjistili, že štěpení uranu může probíhat spontánně, bez jakéhokoli vnějšího vlivu, i když poločas rozpadu je mnohem delší než u běžného alfa rozpadu. Protože takové štěpení také produkuje neutrony, pokud jim nebude umožněno uniknout z reakční zóny, budou sloužit jako iniciátory řetězové reakce. Právě tento jev se využívá při vytváření jaderných reaktorů.
Proč je potřeba jaderná energie? Zeldovich a Khariton byli mezi prvními, kdo vypočítali ekonomický efekt jaderné energie (Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1940, 23, 4). „...V tuto chvíli stále nelze učinit konečné závěry o možnosti či nemožnosti provedení jaderné štěpné reakce v uranu s nekonečně se rozvětvenými řetězci. Pokud je taková reakce proveditelná, pak se reakční rychlost automaticky upraví tak, aby byl zajištěn její hladký průběh, a to i přes obrovské množství energie, kterou má experimentátor k dispozici. Tato okolnost je mimořádně příznivá pro energetické využití reakce. Uveďme si proto – byť jde o dělení kůže nezabitého medvěda – některá čísla charakterizující možnosti energetického využití uranu. Pokud tedy štěpný proces probíhá s rychlými neutrony, reakce zachycuje hlavní izotop uranu (U238), pak<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>náklady na kalorii z hlavního izotopu uranu jsou přibližně 4000krát levnější než z uhlí (pokud ovšem procesy „spalování“ a odvodu tepla nejsou v případě uranu mnohem dražší než v případě uhlí). V případě pomalých neutronů bude cena „uranové“ kalorie (na základě výše uvedených čísel), s přihlédnutím k tomu, že množství izotopu U235 je 0,007, již jen 30krát levnější než kalorie „uhelné“, všechny ostatní věci jsou stejné."
První řízenou řetězovou reakci provedl v roce 1942 Enrico Fermi na Chicagské univerzitě a reaktor byl řízen ručně – zatlačováním grafitových tyčí dovnitř a ven podle změny toku neutronů. První elektrárna byla postavena v Obninsku v roce 1954. Kromě výroby energie pracovaly první reaktory také na výrobě plutonia pro zbraně.
Jak funguje jaderná elektrárna? V dnešní době většina reaktorů pracuje na pomalých neutronech. Obohacený uran ve formě kovu, slitiny, jako je hliník nebo oxidu, je umístěn v dlouhých válcích nazývaných palivové články. Jsou určitým způsobem instalovány v reaktoru a mezi ně jsou vloženy moderátorové tyče, které řídí řetězovou reakci. Postupem času se reaktorové jedy hromadí v palivovém prvku – produktech štěpení uranu, které jsou schopné pohlcovat i neutrony. Když koncentrace uranu-235 klesne pod kritickou úroveň, prvek je vyřazen z provozu. Obsahuje však mnoho štěpných úlomků se silnou radioaktivitou, která v průběhu let klesá, což způsobuje, že prvky po dlouhou dobu vydávají značné množství tepla. Jsou drženy v chladících bazénech a poté buď zakopány, nebo se pokusí zpracovat – získat nespálený uran-235, vyrobené plutonium (vyrábělo se z něj atomové bomby) a další izotopy, které lze použít. Nevyužitá část se posílá na pohřebiště.
V takzvaných rychlých reaktorech neboli množivých reaktorech jsou kolem prvků instalovány reflektory vyrobené z uranu-238 nebo thoria-232. Zpomalují a posílají zpět do reakční zóny neutrony, které jsou příliš rychlé. Neutrony zpomalené na rezonanční rychlosti absorbují tyto izotopy a mění se v plutonium-239, respektive uran-233, které mohou sloužit jako palivo pro jadernou elektrárnu. Vzhledem k tomu, že rychlé neutrony špatně reagují s uranem-235, musí být jeho koncentrace výrazně zvýšena, ale to se vyplatí se silnějším tokem neutronů. Navzdory skutečnosti, že množivé reaktory jsou považovány za budoucnost jaderné energetiky, protože produkují více jaderného paliva, než spotřebují, experimenty ukázaly, že je obtížné je řídit. Nyní na světě zbývá pouze jeden takový reaktor – ve čtvrtém energetickém bloku Bělojarské JE.
Jak je jaderná energie kritizována? Pokud se nebavíme o haváriích, tak hlavním bodem argumentace odpůrců jaderné energetiky je dnes návrh přidat do výpočtu její účinnosti náklady na ochranu životního prostředí po odstavení stanice a při práci s palivem. V obou případech vyvstávají problémy se spolehlivou likvidací radioaktivního odpadu, a to jsou náklady, které nese stát. Existuje názor, že pokud je přenesete do nákladů na energii, zmizí její ekonomická atraktivita.
Odpor je i mezi zastánci jaderné energetiky. Jeho představitelé poukazují na jedinečnost uranu-235, který nemá náhradu, protože alternativní izotopy štěpitelné tepelnými neutrony - plutonium-239 a uran-233 - se díky svým poločasům rozpadu v řádu tisíců let v přírodě nevyskytují. A jsou získávány právě v důsledku štěpení uranu-235. Pokud dojde, zmizí úžasný přírodní zdroj neutronů pro jadernou řetězovou reakci. V důsledku takového plýtvání lidstvo v budoucnu ztratí možnost zapojit do energetického cyklu thorium-232, jehož zásoby jsou několikanásobně větší než uran.
Teoreticky lze urychlovače částic použít k produkci toku rychlých neutronů s megaelektronvoltovými energiemi. Pokud však mluvíme například o meziplanetárních letech na jaderném motoru, pak bude implementace schématu s objemným urychlovačem velmi obtížná. Vyčerpání uranu-235 takové projekty ukončí.
Co je to uran pro zbraně? Jedná se o vysoce obohacený uran-235. Jeho kritická hmotnost – odpovídá velikosti kousku látky, ve které spontánně nastává řetězová reakce – je dostatečně malá na výrobu munice. Takový uran lze použít k výrobě atomové bomby a také jako zápalnici pro termonukleární bombu.
Jaké katastrofy jsou spojeny s používáním uranu? Energie uložená v jádrech štěpných prvků je obrovská. Pokud se nedopatřením nebo úmyslně vymkne kontrole, může tato energie způsobit spoustu problémů. Dvě nejhorší jaderné katastrofy se staly 6. a 8. srpna 1945, kdy americké letectvo svrhlo atomové bomby na Hirošimu a Nagasaki a zabilo a zranilo statisíce civilistů. Katastrofy menšího rozsahu jsou spojeny s nehodami v jaderných elektrárnách a podnicích jaderného cyklu. K první velké havárii došlo v roce 1949 v SSSR v závodě Mayak u Čeljabinska, kde se vyrábělo plutonium; Kapalný radioaktivní odpad skončil v řece Techa. V září 1957 na něm došlo k výbuchu, při kterém se uvolnilo velké množství radioaktivního materiálu. O jedenáct dní později shořel britský reaktor na výrobu plutonia ve Windscale a mrak s produkty výbuchu se rozptýlil nad západní Evropou. V roce 1979 vyhořel reaktor v jaderné elektrárně Three Mail Island v Pensylvánii. Nejrozšířenější následky měly havárie v jaderné elektrárně Černobyl (1986) a jaderné elektrárně Fukušima (2011), kdy byly radiaci vystaveny miliony lidí. První zasypaly rozsáhlé oblasti a v důsledku exploze, která se rozšířila po Evropě, uvolnilo 8 tun uranového paliva a produktů rozpadu. Druhý znečištěný a tři roky po nehodě nadále znečišťuje Tichý oceán v rybolovných oblastech. Odstraňování následků těchto havárií bylo velmi nákladné a pokud by se tyto náklady rozložily na náklady na elektrickou energii, výrazně by vzrostly.
Samostatnou otázkou jsou důsledky pro lidské zdraví. Podle oficiálních statistik mnoho lidí, kteří přežili bombardování nebo žili v kontaminovaných oblastech, těžilo z radiace – ti první mají vyšší průměrnou délku života, ti druzí méně rakoviny a odborníci připisují určité zvýšení úmrtnosti sociálnímu stresu. Počet lidí, kteří zemřeli právě na následky havárií nebo v důsledku jejich likvidace, činí stovky lidí. Odpůrci jaderných elektráren poukazují na to, že havárie vedly k několika milionům předčasných úmrtí na evropském kontinentu, ale ve statistickém kontextu jsou prostě neviditelné.
Odstranění půdy z oblasti nehody člověkem vede k zajímavému výsledku: stávají se jakousi přírodní rezervací, kde roste biodiverzita. Je pravda, že některá zvířata trpí nemocemi souvisejícími s radiací. Otázka, jak rychle se přizpůsobí zvýšenému zázemí, zůstává otevřená. Existuje také názor, že důsledkem chronického ozařování je „selekce pro hlupáky“ (viz „Chemie a život“, 2010, č. 5): i v embryonálním stadiu přežívají primitivnější organismy. Zejména ve vztahu k lidem by to mělo vést k poklesu rozumových schopností u generace narozené v kontaminovaných oblastech krátce po nehodě.
Co je ochuzený uran? Jedná se o uran-238, který zbyl po oddělení uranu-235 z něj. Objemy odpadu z výroby zbrojního uranu a palivových článků jsou velké - jen ve Spojených státech se nahromadilo 600 tisíc tun takového hexafluoridu uranu (problémy s ním viz Chemie a život, 2008, č. 5) . Obsah uranu-235 v něm je 0,2%. Tento odpad se musí buď uložit do lepších časů, kdy vzniknou rychlé neutronové reaktory a bude možné zpracovat uran-238 na plutonium, nebo nějak využít.
Našli pro to využití. Uran, stejně jako ostatní přechodné prvky, se používá jako katalyzátor. Například autoři článku v ACS Nano ze dne 30. června 2014 píší, že katalyzátor vyrobený z uranu nebo thoria s grafenem pro redukci kyslíku a peroxidu vodíku „má obrovský potenciál pro použití v energetickém sektoru“. Protože má uran vysokou hustotu, slouží jako zátěž pro lodě a protizávaží pro letadla. Tento kov je také vhodný pro radiační ochranu ve zdravotnických zařízeních se zdroji záření.
Jaké zbraně lze vyrobit z ochuzeného uranu? Kulky a jádra pro projektily prorážející pancíř. Výpočet je zde následující. Čím těžší je střela, tím vyšší je její kinetická energie. Ale čím větší je projektil, tím méně koncentrovaný je jeho dopad. To znamená, že jsou potřeba těžké kovy s vysokou hustotou. Kulky jsou vyrobeny z olova (uralští lovci svého času používali i nativní platinu, dokud nezjistili, že jde o drahý kov), zatímco jádra pláště jsou vyrobena ze slitiny wolframu. Ekologové upozorňují, že olovo kontaminuje půdu v místech vojenských operací nebo lovu a bylo by lepší ho nahradit něčím méně škodlivým, například wolframem. Wolfram ale není levný a uran s podobnou hustotou je škodlivý odpad. Přitom přípustná kontaminace půdy a vody uranem je přibližně dvakrát vyšší než u olova. To se děje proto, že se zanedbává slabá radioaktivita ochuzeného uranu (a je také o 40 % nižší než u přírodního uranu) a bere se v úvahu skutečně nebezpečný chemický faktor: uran, jak si pamatujeme, je jedovatý. Jeho hustota je přitom 1,7krát větší než u olova, což znamená, že velikost uranových kulek lze zmenšit na polovinu; uran je mnohem žáruvzdornější a tvrdší než olovo – při výstřelu se méně odpařuje a při dopadu na cíl produkuje méně mikročástic. Obecně platí, že uranová kulka je méně znečišťující než olověná kulka, i když takové použití uranu není s jistotou známo.
Je ale známo, že pláty vyrobené z ochuzeného uranu se používají ke zpevnění pancíře amerických tanků (umožňuje to jeho vysoká hustota a bod tání) a také místo wolframové slitiny v jádrech pro pancéřové střely. Uranové jádro je také dobré, protože uran je samozápalný: jeho horké malé částice vzniklé při dopadu na pancíř vzplanou a zapálí vše kolem. Obě aplikace jsou považovány za bezpečné pro záření. Výpočet tedy ukázal, že i po ročním sezení v tanku s uranovým pancířem nabitým uranovou municí by posádka dostala jen čtvrtinu přípustné dávky. A abyste získali roční přípustnou dávku, musíte takovou munici našroubovat na povrch kůže po dobu 250 hodin.
Náboje s uranovými jádry - pro 30mm letecká děla nebo dělostřelecké podkalibry - používali Američané v nedávných válkách, počínaje iráckou kampaní v roce 1991. Ten rok pršely na irácké obrněné jednotky v Kuvajtu a při jejich ústupu bylo vypáleno 300 tun ochuzeného uranu, z toho 250 tun, neboli 780 tisíc nábojů, bylo vypáleno do leteckých děl. V Bosně a Hercegovině bylo při bombardování armády neuznané Republiky srbské utraceno 2,75 tuny uranu a při ostřelování jugoslávské armády v oblasti Kosova a Metohije - 8,5 tuny, tedy 31 tisíc nábojů. Protože WHO byla v té době znepokojena důsledky používání uranu, byl prováděn monitoring. Ukázal, že jedna salva sestávala z přibližně 300 nábojů, z nichž 80 % obsahovalo ochuzený uran. 10 % zasáhlo cíle a 82 % spadlo do vzdálenosti 100 metrů od nich. Zbytek se rozptýlil do 1,85 km. Střela, která zasáhla tank, shořela a proměnila se v aerosol; Na uranový prach se tak v Iráku mohlo proměnit maximálně jeden a půl tuny granátů. Podle odborníků z amerického strategického výzkumného centra RAND Corporation se v aerosol změnilo více, od 10 do 35 % použitého uranu. Chorvatský aktivista proti uranové munici Asaf Durakovic, který pracoval v různých organizacích od nemocnice King Faisal v Rijádu po Washingtonské centrum pro lékařské výzkumy uranu, odhaduje, že jen v jižním Iráku se v roce 1991 vytvořilo 3-6 tun submikronových částic uranu, které byly roztroušeny po širokém okolí, to znamená, že tamní uranová kontaminace je srovnatelná s Černobylem.
Obsah článku
URAN, U (uran), kovový chemický prvek z rodiny aktinidů, který zahrnuje Ac, Th, Pa, U a transuranové prvky (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Uran se dostal do popředí díky jeho použití v jaderných zbraních a jaderné energii. Oxidy uranu se také používají k barvení skla a keramiky.
Být v přírodě.
Obsah uranu v zemské kůře je 0,003 % a nachází se v povrchové vrstvě země ve formě čtyř typů ložisek. Za prvé jsou to žíly uraninitu neboli uranové smoly (oxid uraničitý UO 2), velmi bohaté na uran, ale vzácné. Jsou doprovázeny depozity radia, protože radium je přímým produktem izotopového rozpadu uranu. Takové žíly se nacházejí v Zairu, Kanadě (Great Bear Lake), České republice a Francii. Druhým zdrojem uranu jsou konglomeráty thoria a uranových rud spolu s rudami dalších významných nerostů. Konglomeráty obvykle obsahují dostatečné množství zlata a stříbra k regeneraci, přičemž uran a thorium jsou související prvky. Velká ložiska těchto rud se nacházejí v Kanadě, Jižní Africe, Rusku a Austrálii. Třetím zdrojem uranu jsou usazené horniny a pískovce bohaté na minerál karnotit (draselný uranylvanadičnan), který obsahuje kromě uranu významné množství vanadu a dalších prvků. Takové rudy se nacházejí v západních státech Spojených států. Železo-uranové břidlice a fosfátové rudy tvoří čtvrtý zdroj sedimentů. Bohatá ložiska se nacházejí ve švédských břidlicích. Některé fosfátové rudy v Maroku a ve Spojených státech obsahují značné množství uranu a ložiska fosfátů v Angole a Středoafrické republice jsou na uran ještě bohatší. Většina lignitů a některá uhlí obvykle obsahují uranové nečistoty. Ložiska hnědého uhlí bohatá na uran byla nalezena v Severní a Jižní Dakotě (USA) a černé uhlí ve Španělsku a České republice.
Otevírací.
Uran objevil v roce 1789 německý chemik M. Klaproth, který prvek pojmenoval na počest objevu planety Uran o 8 let dříve. (Klaproth byl předním chemikem své doby; objevil i další prvky, včetně Ce, Ti a Zr.) Ve skutečnosti nebyla Klaprothem získaná látka elementární uran, ale jeho oxidovaná forma a elementární uran byl poprvé získán tzv. francouzský chemik E. .Peligo v roce 1841. Od okamžiku objevení až do 20. stol. uran neměl takový význam, jaký má dnes, ačkoli mnoho z jeho fyzikálních vlastností, stejně jako jeho atomová hmotnost a hustota, byly určeny. V roce 1896 A. Becquerel zjistil, že uranové soli mají záření, které osvětluje fotografickou desku ve tmě. Tento objev podnítil chemiky k výzkumu v oblasti radioaktivity a v roce 1898 francouzští fyzici manželé P. Curie a M. Sklodowska-Curie izolovali soli radioaktivních prvků polonia a radia a E. Rutherford, F. Soddy, K. Fayans a další vědci vyvinuli teorii radioaktivního rozpadu, která položila základy moderní jaderné chemie a jaderné energetiky.
První použití uranu.
Přestože radioaktivita uranových solí byla známa, jeho rudy byly v první třetině tohoto století využívány pouze k získávání doprovodného radia a uran byl považován za nežádoucí vedlejší produkt. Jeho využití se soustředilo především v keramické technologii a metalurgii; Oxidy uranu byly široce používány k barvení skla v barvách od světle žluté po tmavě zelenou, což přispělo k rozvoji levné výroby skla. Dnes jsou výrobky z těchto průmyslových odvětví označeny jako fluorescenční pod ultrafialovými paprsky. Během 1. světové války a krátce po ní byl uran ve formě karbidu používán při výrobě nástrojových ocelí, podobně jako Mo a W; 4–8 % uran nahradil wolfram, jehož výroba byla v té době omezená. Pro získávání nástrojových ocelí se v letech 1914–1926 vyrábělo ročně několik tun feruranu s obsahem až 30 % (hmot.) U. Toto využití uranu však nemělo dlouhého trvání.
Moderní využití uranu.
Uranový průmysl se začal formovat v roce 1939, kdy bylo provedeno štěpení izotopu uranu 235 U, což vedlo k technické realizaci řízených řetězových reakcí štěpení uranu v prosinci 1942. To byl zrod věku atomu , kdy uran vyrostl z nevýznamného prvku na jeden z nejdůležitějších prvků života společnosti. Vojenský význam uranu pro výrobu atomové bomby a jeho využití jako paliva v jaderných reaktorech způsobil astronomický nárůst poptávky po uranu. Zajímavá je chronologie růstu poptávky po uranu na základě historie sedimentů ve Velkém medvědím jezeře (Kanada). V roce 1930 byla v tomto jezeře objevena pryskyřicová směs, směs oxidů uranu a v roce 1932 byla v této oblasti zavedena technologie čištění radia. Z každé tuny rudy (pryskyřičné směsi) se získal 1 g radia a asi půl tuny vedlejšího produktu, uranového koncentrátu. Radia však bylo málo a jeho těžba byla zastavena. V letech 1940 až 1942 byl vývoj obnoven a uranová ruda se začala přepravovat do USA. V roce 1949 bylo podobné čištění uranu s určitými vylepšeními použito k výrobě čistého UO 2 . Tato produkce vzrostla a nyní je jedním z největších zařízení na výrobu uranu.
Vlastnosti.
Uran je jedním z nejtěžších prvků v přírodě. Čistý kov je velmi hustý, tažný, elektropozitivní s nízkou elektrickou vodivostí a vysoce reaktivní.
Uran má tři alotropní modifikace: A-uran (ortorombická krystalová mřížka), existuje v rozmezí od pokojové teploty do 668 °C; b-uran (komplexní krystalová mřížka tetragonálního typu), stabilní v rozmezí 668–774° C; G-uran (krychlová krystalická mřížka centrovaná na tělo), stabilní od 774°C do bodu tání (1132°C). Protože všechny izotopy uranu jsou nestabilní, všechny jeho sloučeniny vykazují radioaktivitu.
Izotopy uranu
238 U, 235 U, 234 U se v přírodě vyskytuje v poměru 99,3:0,7:0,0058 a 236 U se vyskytuje ve stopovém množství. Všechny ostatní izotopy uranu od 226 U do 242 U se získávají uměle. Zvláště důležitý je izotop 235 U. Pod vlivem pomalých (tepelných) neutronů se dělí a uvolňuje obrovskou energii. Úplné štěpení 235 U má za následek uvolnění „ekvivalentu tepelné energie“ 2H 10 7 kWh h/kg. Štěpení 235 U lze využít nejen k výrobě velkého množství energie, ale také k syntéze dalších důležitých aktinidových prvků. Přírodní izotop uranu lze použít v jaderných reaktorech k výrobě neutronů produkovaných štěpením 235 U, zatímco přebytečné neutrony, které řetězová reakce nevyžaduje, lze zachytit jiným přírodním izotopem, což vede k produkci plutonia:
Když je 238 U bombardováno rychlými neutrony, dochází k následujícím reakcím:
Podle tohoto schématu lze nejběžnější izotop 238 U přeměnit na plutonium-239, které je stejně jako 235 U také schopné štěpení pod vlivem pomalých neutronů.
V současné době bylo získáno velké množství umělých izotopů uranu. Mezi nimi je 233 U zvláště pozoruhodné, protože se také štěpí při interakci s pomalými neutrony.
Některé jiné umělé izotopy uranu se často používají jako radioaktivní indikátory v chemickém a fyzikálním výzkumu; toto je především b- emitor 237 U a A- emitor 232 U.
Spojení.
Uran, vysoce reaktivní kov, má oxidační stavy od +3 do +6, v řadě aktivit se blíží beryliu, interaguje se všemi nekovy a tvoří intermetalické sloučeniny s Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn a Zn. Jemně drcený uran je zvláště reaktivní a při teplotách nad 500 °C často vstupuje do reakcí charakteristických pro hydrid uranu. Kusový uran nebo hobliny hoří jasně při 700–1000 °C a uranové páry hoří již při 150–250 °C s HF za vzniku UF 4 a H 2 . Uran se pomalu rozpouští v koncentrovaném HF nebo H 2 SO 4 a 85 % H 3 PO 4 i při 90 °C, ale snadno reaguje s konc. HCl a méně aktivní s HBr nebo HI. K nejaktivnějším a nejrychlejším reakcím uranu se zředěnou a koncentrovanou HNO 3 dochází za vzniku dusičnanu uranylu ( viz. níže). V přítomnosti HCl se uran rychle rozpouští v organických kyselinách a tvoří organické soli U4+. V závislosti na stupni oxidace tvoří uran několik typů solí (nejvýznamnější z nich jsou s U 4+, jedna z nich UCl 4 je snadno oxidovatelná zelená sůl); uranylové soli (radikál UO 2 2+) typu UO 2 (NO 3) 2 mají žlutou barvu a fluoreskují zeleně. Uranylové soli vznikají rozpuštěním amfoterního oxidu UO 3 (žlutá barva) v kyselém prostředí. V alkalickém prostředí UO 3 tvoří uranáty, jako je Na 2 UO 4 nebo Na 2 U 2 O 7. Posledně jmenovaná sloučenina („žlutý uranyl“) se používá pro výrobu porcelánových glazur a při výrobě fluorescenčních skel.
Halogenidy uranu byly široce studovány v letech 1940–1950, protože byly použity k vývoji metod pro separaci izotopů uranu pro atomovou bombu nebo jaderný reaktor. Fluorid uranu UF 3 byl získán redukcí UF 4 vodíkem a fluorid uranu UF 4 se získává různými způsoby reakcemi HF s oxidy, jako je UO 3 nebo U 3 O 8 nebo elektrolytickou redukcí uranylových sloučenin. Hexafluorid uranu UF 6 se získává fluorací U nebo UF 4 elementárním fluorem nebo působením kyslíku na UF 4 . Hexafluorid tvoří průhledné krystaly s vysokým indexem lomu při 64 °C (1137 mm Hg); sloučenina je těkavá (za normálního tlaku sublimuje při 56,54 °C). Oxohalogenidy uranu, například oxofluoridy, mají složení UO 2 F 2 (fluorid urany), UOF 2 (difluorid oxidu uranu).
aplikace
Ačkoli uran-238 nelze použít jako primární štěpný materiál, vzhledem k vysokým energetickým neutronům potřebným pro jeho štěpení má v jaderném průmyslu důležité místo.
Díky vysoké hustotě a atomové hmotnosti je U-238 vhodný pro výrobu nábojových nábojů reflektorů ve fúzních a štěpných zařízeních. Skutečnost, že je štěpena rychlými neutrony, zvyšuje energetický výdej náboje: nepřímo, násobením odražených neutronů; přímo při štěpení jader obalů rychlými neutrony (při fúzi). Přibližně 40 % neutronů produkovaných štěpením a všechny fúzní neutrony mají dostatečnou energii ke štěpení U-238.
U-238 má rychlost spontánního štěpení 35krát vyšší než U-235, 5,51 štěpení/s*kg. To znemožňuje jeho použití jako pláště pro reflektorovou nálož v kanónových pumách, protože jeho vhodná hmotnost (200-300 kg) vytvoří příliš vysoké neutronové pozadí.
Čistý U-238 má specifickou radioaktivitu 0,333 mikrocurie/g.
Důležitou aplikací tohoto izotopu uranu je výroba plutonia-239. Plutonium se tvoří prostřednictvím několika reakcí, které začínají poté, co atom U-238 zachytí neutron. Jakékoli reaktorové palivo obsahující přírodní nebo částečně obohacený uran ve 235. izotopu obsahuje po skončení palivového cyklu určitý podíl plutonia.
Rozpadový řetězec uranu-238
Izotopem je uran-238, v přírodním uranu je ho více než 99 %. Tento izotop je také nejstabilnější, jeho jádro nelze rozštěpit tepelnými neutrony. K rozdělení 238U potřebuje neutron dodatečnou kinetickou energii 1,4 MeV. Jaderný reaktor vyrobený z čistého uranu-238 nebude fungovat za žádných okolností.
Atom uranu-238, v jehož jádru protony a neutrony sotva drží pohromadě kohezní síly. Čas od času z něj vytryskne kompaktní skupina čtyř částic: dvou protonů a dvou neutronů (b-částice). Uran-238 se tak mění na thorium-234, jehož jádro obsahuje 90 protonů a 144 neutronů. Ale thorium-234 je také nestabilní. Jeho přeměna však probíhá jinak než v předchozím případě: jeden z jeho neutronů se změní na proton a thorium-234 se změní na protaktinium-234, jehož jádro obsahuje 91 protonů a 143 neutronů. Tato metamorfóza, ke které došlo v jádře, také ovlivňuje elektrony pohybující se na jejich drahách: jeden z nich se stane nepárovým a vyletí z atomu. Protaktinium je velmi nestabilní a jeho transformace trvá velmi málo času. Následují další přeměny doprovázené zářením a celý tento řetězec nakonec končí stabilním nuklidem olova (viz obrázek č. 7, příloha B).
Nejdůležitější okolností pro jadernou energetiku je, že nejběžnější izotop uranu, 238U, je také potenciálním zdrojem jaderného paliva. Szilard i Fermi měli pravdu, když předpokládali, že absorpce neutronů uranem povede ke vzniku nových prvků. Ve skutečnosti, když se srazí s tepelným neutronem, uran-238 se neštěpí, místo toho jádro absorbuje neutron; V průměru za 23,5 minuty se jeden z neutronů v jádře změní na proton (s emisí elektronu dojde k rozpadu) a z jádra uranu-239 se stane jádro neptunia-239 (239Np). Po 2,4 dnech nastává druhý c - rozpad a vzniká plutonium-239 (239Pu).
V důsledku sekvenční absorpce neutronů v jaderném reaktoru lze vyrábět prvky ještě těžší než plutonium.
V přírodních minerálech a uranové rudě byla nalezena pouze stopová množství 239Pu, 244Pu a 237Np, takže transuranové prvky (těžší než uran) se v přírodním prostředí prakticky nikdy nevyskytují.
Izotopy uranu, které existují v přírodě, nejsou zcela stabilní s ohledem na b-rozpad a spontánní štěpení, ale rozpadají se velmi pomalu: poločas rozpadu uran-238 je 4,5 miliardy let a uran-235 je 710 milionů let. Vzhledem k nízké frekvenci jaderných reakcí nejsou takto dlouhověké izotopy nebezpečnými zdroji záření. Slitek přírodního uranu lze držet v rukou bez újmy na zdraví. Jeho konkrétní aktivita 0,67 mCi/kg (Ci - curie, extrasystémová jednotka aktivity rovna 3,7 x 1010 rozpadů za sekundu).
Při studiu fenoménu radioaktivity se každý vědec obrací k tak důležité vlastnosti, jako je její poločas rozpadu. Jak víte, říká se, že každou sekundu na světě se atomy rozpadají a kvantitativní charakteristiky těchto procesů přímo souvisí s počtem přítomných atomů. Pokud se za určitou dobu rozpadne polovina z celkového počtu dostupných atomů, pak rozpad ½ zbývajících atomů bude vyžadovat stejnou dobu. Právě toto časové období se nazývá poločas rozpadu. Liší se pro různé prvky – od tisícin milisekundy až po miliardy let, jako například v případě poločasu rozpadu uranu.
Uran, jako nejtěžší ze všech prvků existujících v přirozeném stavu na Zemi, je obecně nejznamenitějším objektem pro studium procesu radioaktivity. Tento prvek objevil již v roce 1789 německý vědec M. Klaproth, který jej pojmenoval na počest nedávno objevené planety Uran. Skutečnost, že uran je radioaktivní, objevil zcela náhodou na konci 19. století francouzský chemik A. Becquerel.
Uran se vypočítá pomocí stejného vzorce jako podobná období jiných radioaktivních prvků:
T_(1/2) = au ln 2 = frac(ln 2) (lambda),
kde „au“ je průměrná doba života atomu, „lambda“ je hlavní konstanta rozpadu. Protože ln 2 je přibližně 0,7, poločas rozpadu je v průměru pouze o 30 % kratší než celková životnost atomu.
Navzdory tomu, že dnes vědci znají 14 izotopů uranu, v přírodě se vyskytují pouze tři z nich: uran-234, uran-235 a uran-238. u uranu je to jinak: u U-234 je to „jen“ 270 tisíc let a poločas rozpadu uranu-238 přesahuje 4,5 miliardy. Poločas rozpadu uranu-235 je ve „zlatém průměru“ - 710 milionů let.
Za zmínku stojí, že radioaktivita uranu je v přírodních podmínkách poměrně vysoká a umožňuje například nasvícení fotografických desek během pouhé hodiny. Zároveň stojí za zmínku, že ze všech izotopů uranu je pro výrobu náplní vhodný pouze U-235. Jde o to, že poločas rozpadu uranu-235 v průmyslových podmínkách je méně intenzivní než jeho „bratři“. , proto je zde uvolňování zbytečných neutronů minimální.
Poločas rozpadu uranu-238 výrazně přesahuje 4 miliardy let, nyní se však aktivně používá v jaderném průmyslu. Takže k zahájení řetězové reakce zahrnující štěpení těžkých jader tohoto prvku je zapotřebí značné množství energie neutronů. Uran-238 se používá jako ochrana ve štěpných a fúzních zařízeních. Většina vytěženého uranu-238 se však používá k syntéze plutonia, používaného v jaderných zbraních.
Vědci používají poločas rozpadu uranu k výpočtu stáří jednotlivých minerálů a nebeských těles jako celku. Uranové hodiny jsou poměrně univerzálním mechanismem pro tento druh výpočtu. Zároveň, aby bylo možné více či méně přesně vypočítat stáří, je nutné znát nejen množství uranu v určitých horninách, ale také poměr uranu a olova jako finálního produktu, do kterého se jádra uranu přenášejí. převedeny.
Existuje další způsob, jak vypočítat horniny a minerály, je spojen s takzvaným spontánním Jak je známo, v důsledku samovolného štěpení uranu v přírodních podmínkách jeho částice bombardují okolní látky kolosální silou a zanechávají za sebou zvláštní stopy - stopy.
Právě podle počtu těchto stop, znajíce poločas rozpadu uranu, vědci vyvozují závěr o stáří konkrétní pevné látky – ať už jde o starověkou skálu nebo relativně „mladou“ vázu. Jde o to, že stáří objektu je přímo úměrné kvantitativnímu ukazateli atomů uranu, jejichž jádra jej bombardovala.
Jaderné štěpení je štěpení těžkého atomu na dva fragmenty přibližně stejné hmotnosti, doprovázené uvolněním velkého množství energie.
Objev jaderného štěpení zahájil novou éru – „atomový věk“. Potenciál jeho možného využití a poměr rizika a přínosu jeho použití přinesly nejen mnohé sociologické, politické, ekonomické a vědecké pokroky, ale také vážné problémy. I z čistě vědeckého hlediska vytvořil proces jaderného štěpení velké množství hádanek a komplikací a jeho úplné teoretické vysvětlení je otázkou budoucnosti.
Sdílení je ziskové
Vazebné energie (na nukleon) se pro různá jádra liší. Těžší mají nižší vazebnou energii než ty, které se nacházejí uprostřed periodické tabulky.
To znamená, že těžká jádra s atomovým číslem větším než 100 profitují z rozdělení na dva menší fragmenty, čímž se uvolní energie, která se přemění na kinetickou energii fragmentů. Tento proces se nazývá dělení
Podle křivky stability, která u stabilních nuklidů ukazuje počet protonů versus počet neutronů, těžší jádra preferují vyšší počet neutronů (v poměru k počtu protonů) než jádra lehčí. To naznačuje, že spolu s procesem štěpení budou emitovány některé "náhradní" neutrony. Kromě toho budou také absorbovat část uvolněné energie. Studium štěpení jádra atomu uranu ukázalo, že se uvolňují 3-4 neutrony: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Atomové číslo (a atomová hmotnost) fragmentu se nerovná polovině atomové hmotnosti rodiče. Rozdíl mezi hmotnostmi atomů vzniklých v důsledku štěpení je obvykle asi 50. Důvod toho však zatím není zcela jasný.
Vazebné energie 238 U, 145 La a 90 Br jsou 1803, 1198 a 763 MeV. To znamená, že v důsledku této reakce se uvolní štěpná energie jádra uranu, která se rovná 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Spontánní štěpení
Spontánní štěpné procesy jsou v přírodě známé, ale jsou velmi vzácné. Průměrná životnost tohoto procesu je asi 10 17 let a například průměrná doba rozpadu alfa stejného radionuklidu je asi 10 11 let.
Důvodem je to, že aby se jádro rozdělilo na dvě části, musí se nejprve deformovat (protáhnout) do elipsoidního tvaru a poté, než se definitivně rozdělí na dva fragmenty, vytvořit uprostřed „krk“.
Potenciální bariéra
V deformovaném stavu působí na jádro dvě síly. Jedním z nich je zvýšená povrchová energie (povrchové napětí kapky kapaliny vysvětluje její sférický tvar) a druhým je Coulombovo odpuzování mezi štěpnými fragmenty. Společně vytvářejí potenciální bariéru.
Stejně jako v případě rozpadu alfa, aby došlo ke spontánnímu štěpení jádra atomu uranu, musí fragmenty překonat tuto bariéru pomocí kvantového tunelování. Hodnota bariéry je asi 6 MeV, jako v případě rozpadu alfa, ale pravděpodobnost tunelování částice alfa je mnohem větší než u mnohem těžšího produktu atomového štěpení.
Nucené dělení
Mnohem pravděpodobnější je indukované štěpení jádra uranu. V tomto případě je mateřské jádro ozářeno neutrony. Pokud ji rodič absorbuje, spojí se a uvolní vazebnou energii ve formě vibrační energie, která může přesáhnout 6 MeV potřebných k překonání potenciální bariéry.
Tam, kde energie dalšího neutronu není dostatečná k překonání potenciální bariéry, musí mít dopadající neutron minimální kinetickou energii, aby mohl vyvolat atomové štěpení. V případě 238 U chybí vazebná energie dalších neutronů asi o 1 MeV. To znamená, že štěpení jádra uranu je indukováno pouze neutronem s kinetickou energií větší než 1 MeV. Na druhé straně izotop 235 U má jeden nepárový neutron. Když jádro absorbuje další, spáruje se s ním a toto párování má za následek další vazebnou energii. To stačí k tomu, aby se uvolnilo množství energie potřebné k tomu, aby jádro překonalo potenciální bariéru a při srážce s jakýmkoli neutronem dojde ke štěpení izotopu.
Beta rozpad
I když štěpná reakce produkuje tři nebo čtyři neutrony, fragmenty stále obsahují více neutronů než jejich stabilní izobary. To znamená, že fragmenty štěpení mají tendenci být nestabilní vůči beta rozpadu.
Například, když dojde ke štěpení jádra uranu 238 U, stabilní izobara s A = 145 je neodym 145 Nd, což znamená, že fragment lanthanu 145 La se rozpadá ve třech fázích, pokaždé emituje elektron a antineutrino, dokud vzniká stabilní nuklid. Stabilní izobara s A = 90 je zirkonium 90 Zr, takže štěpný fragment bromu 90 Br se rozpadá v pěti fázích β-rozpadového řetězce.
Tyto β-rozpadové řetězce uvolňují další energii, která je téměř všechna odnesena elektrony a antineutriny.
Jaderné reakce: štěpení jader uranu
Přímá emise neutronů z nuklidu s příliš mnoha neutrony k zajištění jaderné stability je nepravděpodobná. Jde o to, že nedochází k žádnému Coulombovu odpuzování, takže povrchová energie má tendenci udržovat neutron navázaný na rodiči. To se však občas stává. Například štěpný fragment 90 Br v první fázi rozpadu beta produkuje krypton-90, který může být v excitovaném stavu s dostatečnou energií, aby překonal povrchovou energii. V tomto případě může k emisi neutronů dojít přímo s tvorbou kryptonu-89. je stále nestabilní vůči β rozpadu, dokud se nestane stabilním yttrium-89, takže krypton-89 se rozpadá ve třech krocích.
Štěpení jader uranu: řetězová reakce
Neutrony emitované při štěpné reakci mohou být absorbovány jiným mateřským jádrem, které pak samo podléhá indukovanému štěpení. V případě uranu-238 vycházejí tři produkované neutrony s energií menší než 1 MeV (energie uvolněná při štěpení jádra uranu - 158 MeV - se převážně přeměňuje na kinetickou energii štěpných fragmentů ), takže nemohou způsobit další štěpení tohoto nuklidu. Při významné koncentraci vzácného izotopu 235 U však mohou být tyto volné neutrony zachyceny jádry 235 U, což může skutečně způsobit štěpení, protože v tomto případě neexistuje žádný energetický práh, pod kterým by štěpení nebylo vyvoláno.
To je princip řetězové reakce.
Typy jaderných reakcí
Nechť k je počet neutronů produkovaných ve vzorku štěpného materiálu ve fázi n tohoto řetězce dělený počtem neutronů produkovaných ve fázi n - 1. Toto číslo bude záviset na tom, kolik neutronů produkovaných ve fázi n - 1 je absorbováno jádrem, které může podstoupit nucené dělení.
Pokud k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.
Je-li k > 1, bude řetězová reakce růst, dokud nebude spotřebován veškerý štěpný materiál. Toho je dosaženo obohacením přírodní rudy, aby se získala dostatečně velká koncentrace uranu-235. U kulového vzorku se hodnota k zvyšuje s rostoucí pravděpodobností absorpce neutronů, která závisí na poloměru koule. Hmotnost U proto musí překročit určité množství, aby mohlo dojít ke štěpení jader uranu (řetězová reakce).
Je-li k = 1, pak probíhá řízená reakce. Toho se využívá v Proces je řízen distribucí kadmiových nebo borových tyčí mezi uran, které pohlcují většinu neutronů (tyto prvky mají schopnost neutrony zachycovat). Štěpení jádra uranu je řízeno automaticky pohybem tyčí tak, aby hodnota k zůstala rovna jednotce.
