Uran. To trzeba o nim wiedzieć

Spis treści:

• Do czego wykorzystuje się uran?
• Co to jest uran wzbogacony?
• Gdzie znajdują się zasoby uranu?
• Jakie jest jądrowe zastosowanie uranu?

Co to jest uran? 

Uran to pierwiastek chemiczny z grupy aktynowców. Jest radioaktywnym metalem o największej liczbie atomowej z występujących naturalnie na Ziemi pierwiastków. Należy też do najtwardszych metali. Ma wysoką gęstość i srebrny kolor. Jądra izotopów uranu ulegają rozszczepieniu, co sprawia, że jest on wykorzystywany m.in. w reaktorach atomowych i w produkcji broni nuklearnej.

Przeczytaj również: Szmaragd w ciągu dnia, rubin w nocy, a nawet laser. Jak to się dzieje?

Kto odkrył uran? 

Uran, jako niezależny pierwiastek, odkrył niemiecki chemik — Martin Heinrich Klaproth w 1789 roku, choć już na początku naszej ery ludzie nieświadomie go używali m.in. do barwienia szkła i ceramiki. Dziś nazywany uranolitem minerał, w czasach Klaprotha uznawano za mieszaninę rud cynku i żelaza. Chemik rozpuścił go kwasem azotowym, a to, co powstało, połączył z solami potasu. Reakcja, którą uzyskał, wskazywała na to, że jest to zupełnie nowy pierwiastek. Ponieważ osiem lat wcześniej odkryto planetę Uran, naukowiec nazwał go tym samym imieniem. Z tlenku uranu, który odkrył Klaproth, pół wieku później wyizolowano czysty uran, a końcem XIX wieku odkryto również jego radioaktywność. 

Przeczytaj również: Oto najrzadsze minerały na świecie. Niektóre odkryli Polacy

Do czego służy uran? 

Od początku naszej ery uran był wykorzystywany do barwienia ceramiki i szkła. W XIX wieku barwienie szkła uranem było modne, a dziś takie produkty z tamtych czasów są bardzo pożądane na rynku sztuki. Uranowe szkło charakteryzuje się niezwykłym kolorem i wykazuje silną fluorescencję w świetle UV. 

W obecnych czasach uran znajduje zastosowanie głównie jako materiał rozszczepialny w reaktorach jądrowych elektrowni atomowych. Używa się go do produkcji izotopów i broni, w szczególności amunicji przeciwczołgowej oraz bomb atomowych. Wykorzystywany jest także w fotografii oraz do szacowania wieku skał magmowych i hartowania stali.  

Przeczytaj również: Najrzadszy kamień szlachetny na świecie. Odkryli go poszukiwacze skarbów

Uran wzbogacony 

Występujący naturalnie uran jest złożony głównie z izotopu 238 (który jest słabo promieniotwórczy) oraz z niecałego procentu izotopu 235. Wzbogacony uran to natomiast taki, który posiada dużo większy udział izotopu 235, przez co zyskuje nowe zastosowania — może stać się podstawą działania reaktora jądrowego i broni atomowej. 

Do wzbogacania uranu wykorzystuje się m.in. wirówkę wzbogacającą, w której pod wpływem sił odśrodkowych te dwa izotopy rozdzielają się — izotop 235 pozostaje w środku komory, a 238 gromadzi się przy jej ściankach. W ten sposób można odseparować izotopy, a powtarzając procedurę wiele razy, zwiększyć masę izotopu 235 w uranie z 0,7% od 3-5% do zastosowania go w reaktorach i do nawet 90% do użycia w bombach atomowych. 

Uran zubożony 

Uran zubożony to materiał uboczny powstający w procesie wzbogacania uranu. Są to te izotopy, które podczas rozdzielania dwóch izotopów w wirówce, pozostają przy ściankach komory. Uran zubożony jest zatem prawie całkowicie pozbawiony izotopu 235, a jego promieniowanie jest o połowę mniejsze niż promieniowanie uranu naturalnego. Nie oznacza to jednak, że nie jest on niebezpieczny. Stosuje się go przede wszystkim do wyrobu amunicji przeciwpancernej. 

Przeczytaj również: „Złoto głupców” czy cenny kruszec? Wierzono w jego uzdrawiającą moc

Zasoby uranu w Polsce 

Kazachstan, Kanada i Australia są krajami, w których wydobywa się największe ilości uranu. W Polsce mamy nieszczególnie wydajne złoża, a część z nich została już w latach 50. i 60. wyeksploatowana przez ZSRR. Znajdują się one w Sudetach (Miedzianka, Kowary, Wambierzyce, Grzmiąca, Okrzeszyn, Kletno), w Górach Izerskich (Kromnów, Kopaniec), w Górach Świętokrzyskich (Rudki) oraz na Podlasiu (Rajsk). 

Czy uran jest niebezpieczny? 

W bardzo małych ilościach, w żaden sposób niezagrażających człowiekowi, uran występuje w wodzie, jedzeniu, powietrzu i glebie. Niebezpieczne stają się jego większe ilości, z którymi można mieć styczność np. w fabrykach nawozów fosforowych, zakładach wydobycia i przetwórstwa rud uranu, składowiskach tego metalu i miejscach, gdzie były prowadzone testy nuklearne. 

Wdychane przez człowieka związki uranu mogą przenikać do jego organów wewnętrznych i gromadzić się w nich (szczególnie w płucach i nerkach), czego efektem może być częstsze zapadanie na niektóre choroby, w tym głównie nowotwory, a także wady wrodzone u płodów. Zetknięcie się z bardzo dużymi ilościami promieniowania z uranu skutkuje chorobą popromienną, jak miało to miejsce w czasie katastrofy w Czarnobylu. 

Przeczytaj również: Fizycy kwantowi nazywają go dziwnym. Iterb – metal o niezwykłych reakcjach

Zastosowanie jądrowe uranu w reaktorach 

Wzbogacony uran wykorzystuje się jako paliwo w reaktorach jądrowych. Po wydobyciu i obróbce pierwiastka uzyskuje się oczyszczone tlenki uranu (tzw. yellowcake) np. U3O8. Następnie łączy się go z fluorem w sześciofluorek uranu (UF6), a później wzbogaca o większą ilość izotopu U-235 (do 3-5%). Po tym jest on zamieniany w tlenek uranu (UO2) i w bardzo wysokich temperaturach wypieka się z niego tzw. pastylki, które wkłada się do cyrkonowych rurek, czyli tzw. koszulek paliwowych, które są później szczelnie zamykane. Dzięki czemu tworzą pręty paliwowe o długości 3-4 m. Z ok. 200-300 takich prętów tworzy się zestaw paliwowy, a rdzenie reaktorów zawierają od kilkudziesięciu do 200 takich zestawów. 

Kontrolowana reakcja jądrowa daje energię cieplną do podgrzania pary wodnej, która napędza turbiny w elektrowni. Zatem energia wiązania atomowego jest przekształcana w energię cieplną, a następnie w energię elektryczną. 

Zastosowanie jądrowe uranu w bombach 

Uranu używa się również do produkcji broni jądrowej. Podobnie jak w przypadku reaktorów jądrowych, wykorzystuje się to samo zjawisko fizyczne, czyli reakcję rozszczepienia izotopu 235. Różnica jest jednak taka, że uran jest tu wzbogacony izotopem 235 do 90%, a sama reakcja zachodzi w dużo szybszy i gwałtowniejszy sposób. W działaniu bomby atomowej chodzi o to, żeby została przekroczona masa krytyczna ładunku jądrowego. Wówczas zachodzi gwałtowna reakcja, która powoduje wytworzenie się bardzo dużej ilości energii. 

Bomba atomowa składa się z m.in. ładunku jądrowego (np. uran-235) oraz zapalnika (np. tradycyjnego ładunku wybuchowego). Dwa podkrytyczne ładunki uranu rozdzielone są przeszkodą, która sprawia, że nie mogą się one połączyć, zatem nie wchodzą ze sobą w reakcję. Obok jednego z nich znajduje się zapalnik, czyli konwencjonalny ładunek wybuchowy, który w momencie wybuchu likwiduje przeszkodę, a to powoduje, że oba ładunki uranu zderzają się ze sobą. Wówczas zostaje przekroczona masa krytyczna, czyli taka, która powoduje reakcję łańcuchową (tj. bombardowanie neutronami jąder atomowych powoduje reakcję ich rozszczepienia, natomiast jądra, które zostały w ten sposób rozszczepione, emitują kolejne neutrony, które rozszczepiają następne jądra itd.). Wszystko to powoduje wytworzenie się bardzo dużej ilości energii i wybuch bomby, która jest najbardziej śmiercionośną bronią na świecie, ponieważ czynnikami rażenia są tu jednocześnie: fala uderzeniowa, promieniowanie cieplne oraz skażenie promieniotwórcze.  

oprac. Joanna Cwynar

Rozwiąż nasze quizy: 

Poniedziałkowy test z wiedzy ogólnej. Uczeń podstawówki nie ma z nim problemu, a ty?

QUIZ z najbardziej podchwytliwymi pytaniami. Dasz radę odpowiedzieć?

QUIZ: Prawda czy fałsz. Na te pytania odpowiadają dzieci z podstawówki. Odpowiesz?