Uran – izotopi, lastnosti, uporaba v jedrski energiji in tveganja
Uran je kemijski element (kovina) v periodnem sistemu. Njegovo atomsko število je 92, kar pomeni, da ima atom urana v svojem središču, imenovanem jedro, 92 protonov. Uran, ki ga izkopljemo iz zemlje, je sestavljen iz treh različnih izotopov: treh različnih vrst urana z različnim številom nevtronov v jedrih. Največ je urana-238, uran-235 je manj pogost, uran-234 pa je najredkejši. Glavna ruda, iz katere pridobivajo uran, je smolnata ruda.
Uran-235 se lahko uporablja v jedrskih reaktorjih in jedrskem orožju z jedrsko verižno reakcijo. Pri tem se uran-235 spremeni v uran-236, jedro pa se razcepi na dve manjši jedri. Tako nastaneta dva popolnoma različna elementa z manjšim atomskim številom. Ta proces se imenuje jedrska cepitev in povzroča veliko toplote. Ta toplota je zelo uporabna za proizvodnjo pare v jedrskih reaktorjih ali za eksplozije z jedrskim orožjem. Vendar se v večini takih orožij uporablja plutonij iz urana 238. Uran je nekoliko radioaktiven.
Uran, ki so mu odvzeli uran-235, se imenuje osiromašeni uran. Uporablja se v protitankovskem orožju. Uran se lahko uporablja tudi kot barvilo za vitraže ali keramiko, kar se je uporabljalo, preden so ljudje ugotovili, da je radioaktiven.
Uran je nevarna snov. Ker je uran radioaktiven, je pogosto označen z znakom za nevarnost radioaktivnih elementov, skupino treh trikotnikov z ukrivljenimi zunanjimi robovi, usmerjenimi proti sredini (kot vidite na levi). Nekateri ljudje verjamejo, da je uran svetlo zelen in da se sveti, saj je tako prikazan v številnih filmih. Vendar to ni res. Uran je sijoča bela kovina, vendar ga običajno vidimo v obliki oksida, ki je črne barve. Poleg tega, da je uran radioaktiven, je tudi težka kovina in je kemično strupen.
Izotopi urana in njihove lastnosti
Naravni uran je zmes izotopov, kjer so približne relativne abundančne vrednosti:
- Uran-238: ~99,27 % (najbolj razširjen),
- Uran-235: ~0,72 % (fisičen izotop, pomemben za jedrske reaktorje in orožje),
- Uran-234: ~0,0055 % (redno prisoten kot produkt razpada v seriji U-238).
Rudarjenje, predelava in gorivni cikel
Uran se pridobiva z različnimi metodami: odprtim kopanjem, podzemnim kopanjem in z in situ leaching (izpiranje) v primerih, ko je to ekonomsko smiselno. Po izkopu se ruda zdrobi in koncentrira v prah ter se običajno pretvori v rumeno pasto (znano kot "yellowcake", kem. U3O8). Nato poteka:
- konverzija v plinasto obliko (npr. UF6) za obogatitev,
- obogatitev (povečanje deleža U-235 za reaktorsko gorivo; za večino lahevno-vodnih reaktorjev je tipično 3–5 % U-235),
- izdelava gorivnih elementov, v katerih se železo/opekline uranove spojine (običajno UO2) zapakira v palice ali prituje v tablete,
- delovanje jedrskega reaktorja in končno nastajanje iztrošenega goriva.
Jedrsko orožje, obogatitev in osiromašeni uran
Za jedrsko orožje je običajno potreben zelo visok delež U-235 (t. i. visoko obogaten uran, HEU, pogosto >90 %), medtem ko je za večino gospodarskih reaktorjev zadostno zmerno obogateno gorivo (3–5 % U-235). Če se U-235 odstrani ali znatno zmanjšana njegova vsebnost, ostane osiromašeni uran — ima manjšo vsebnost U-235 kot naravni uran. Osiromašeni uran je zelo gosto materiale in se zato uporablja v protitankovskem orožju in kot protizdrsne uteži, vendar je njegova uporaba sporna zaradi možnih kemičnih in radioloških tveganj, kadar se v boju razprši v prah.
Fizikalne in kemijske lastnosti
Uran kot čista kovina je srebrno-sive barve in je zelo težek (gostota približno 19,1 g/cm3). Ima talilno točko okoli 1132 °C in visoko vrelišče. V običajnih razmerah hitro oksidira in tvori okside, ki so pogosto temnejši (npr. U3O8). V naravi se uran obnaša kot težka kovina in je kemično strupen, zato sta tako kemična kot radiološka toksikologija pomembna za varnost ljudi in okolja.
Okoljska in zdravstvena tveganja
Uran oddaja predvsem alfa delce (pri razpadu U-238 in U-234), ki imajo zelo majhen domet v zraku in ne prebijejo kože—zato je zunanji obseg poškodb zaradi same kovine omejen. Vendar pa:
- vdihanje ali zaužitje delcev urana (npr. prah iz rudnika ali osiromašenega urana) lahko povzroči notranje sevanje in tveganje za poškodbe pljuč ter povečano tveganje za raka,
- kemijska toksičnost urana (kot težke kovine) lahko poškoduje ledvice pri dovolj velikih izpostavitvah,
- dolgotrajno kopičenje v okolju (rudniki, odlagališča iztrošenega goriva, ostanki streliva) lahko povzroči onesnaženje tal in vodnih virov.
Zgodovinska in industrijska uporaba v steklu in keramiki
Pred razumevanjem radioaktivnosti so nekatere spojine urana uporabljali kot barvilo za vitraže in keramiko. Uranove soli dajejo značilne rumeno-oranžne, zelene in rdečkaste odtenke v steklu in glazurah, zato je bila uranova stekla (tudi imenovana "uranovo steklo") priljubljena v 19. in začetku 20. stoletja. Zaradi varnostnih razlogov se je uporaba komercialno prenehala ali omejila po odkritju radioaktivnosti in vzpostavitvi regulacij.
Raziskave, sodobne aplikacije in regulativa
Poleg proizvodnje električne energije in uporabe v oborožitvi ima uran v sodobni energetiki vlogo tudi v ciklih jedrskih reaktorjev, zlasti pri razvoju hitro reaktorskih in breeder reaktorjev, ki lahko izrabe U-238 in proizvedejo več fisilnega materiala. Obstajajo tudi raziskave o zmanjšanju odpadkov z reciklažo, naprednimi gorivnimi oblikami in izboljšanem upravljanju skladišč. Vse dejavnosti z uranom so predmet strogih mednarodnih in nacionalnih predpisov (npr. Mednarodna agencija za jedrsko energijo — IAEA) za preprečevanje širjenja jedrskega orožja in zaščito zdravja ljudi ter okolja.
Kratka priporočila za varnost
- Pri delu ali bivanju v območjih z znano prisotnostjo urana (rudniki, odlagališča) upoštevajte lokalne regulative in navodila za zaščito,
- preprečite vdihavanje prahu in uživanje onesnažene vode ali hrane,
- zaščitite delavce z ustrezno opremo in rednim zdravstvenim nadzorom,
- pri morebitnem stiku z ostanki vojnih dejanj (osiromašen uran) poiščite uradne informacije in priporočila pristojnih zdravstvenih in okoljskih služb.
Uran je torej element z veliko uporabami, pa tudi z znatnimi tveganji — razumevanje njegovih izotopov, fizikalno-kemijskih lastnosti in skrbno upravljanje so ključni za varno izkoriščanje njegovih potencialov.
Opozorilo o sevanju
Majhna količina urana v stekleni posodi
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je uran?
O: Uran je kemijski element (kovina) v periodnem sistemu z atomskim številom 92.
V: Koliko je izotopov urana?
O: Obstajajo trije različni izotopi urana, ki imajo v svojih jedrih različno število nevtronov. Najpogostejši je uran-238, sledi mu uran-235 in nato najredkejši uran-234.
V: Kaj je smolni blestnik?
O: Pitchblende je glavna ruda, iz katere pridobivajo uran.
V: Kako se lahko uran uporablja v jedrskih reaktorjih in orožju?
O: Z jedrsko verižno reakcijo se uran-235 spremeni v uran-236 in jedro razcepi na dve manjši jedri. Ta proces se imenuje jedrska cepitev in ustvarja veliko toplote, ki se lahko uporabi za proizvodnjo pare v jedrskih reaktorjih ali za eksplozije z jedrskim orožjem.
V: Ali je osiromašeni uran radioaktiven?
O: Iz osiromašenega urana je bil odstranjen uran-235, zato je manj radioaktiven kot naravni uran, vendar je še vedno nekoliko radioaktiven.
V: Kakšne barve je naravni nerafinirani uran?
O: Naravni nerafinirani uran je videti kot sijoča bela kovina, vendar ga običajno vidimo v obliki oksida, ki je črne barve. Izrabljene ali delno izrabljene gorivne palice, ki so shranjene pod vodo, lahko zaradi Čerenkovovega sevanja modro žarijo.
