Michał Karliński: Uran i jego bliscy

Boski pierwiastek.

fot. unsplash.com, Matthaeus

Uranos (Uran, Niebo) jako bóg starożytnej Grecji spłodzony przez Gaję (Ziemię), spłodził z nią (Gają) innych bogów i tytanów.  Czy bohater tego tekstu godzien jest nosić imię starożytnego boga, zwłaszcza, gdy nazwę wziął pośrednio od planety?


Martin Heinrich Klaproth to ikona chemii. Odkrył uran, cer, cyrkon, badał i weryfikował inne odkrycia, obalił teorię flogistonu. Odkryty w 1789 roku pierwiastek – uranus nazwał na cześć odkrytej kilka lat wcześniej planety Uran. Jest to jeden z najcięższych naturalnych pierwiastków, zrodzony z Ziemi. Z uranu powstało wiele innych pierwiastków. Stąd tekst o uranie będzie prezentować również najbliższe uranowi pierwiastki.

Trochę historii
Uran jest promieniotwórczy. W gramie czystego uranu zachodzi 12450 rozpadów na sekundę. Atom uranu emituje promieniowanie α, przechodząc w tor. Siła, jaka drzemie w uranie została odkryta przez Henriego Becquerela. To właśnie Becquerel  odkrył tajemniczy czynnik, który prześwietlał zabezpieczone przed światłem klisze fotograficzne (takie stare wynalazki, które uwieczniały obraz, gdy nie było jeszcze komórek i aparatów cyfrowych). Badania nad nim zaowocowały nagrodą Nobla, odebraną wraz z Marią Skłodowską – Curie i jej mężem Pierem. Nasza Wielka odkryła przyczyny anomalii dotyczącej różnej promieniotwórczości próbek metalicznego uranu, odkrywając przy okazji rad. Jeden z gazów szlachetnych nazwę radon wziął od emanacji radu. Podobno Becquerel dostał od Marii próbkę czystego radu, nosił ją ze sobą w kieszonce koszuli na wysokości serca, co było przyczyną jego śmierci.

Po tym jak James Chadwick odkrył w 1932 neutrony, rozpoczęto bombardowanie nimi wszelkich znanych surowców, z nadzieją na odkrycie nowych pierwiastków. Bombardowanie uranu przez Ottona Hahna w 1938 roku poskutkowało gwałtownym wzrostem promieniotwórczości materiału. Badanie wskazało na rozbicie jądra uranu na dwa, mniej więcej o połowę mniejsze. Okazało się, że produkty rozbicia atomu są dość przypadkowe, ale skupione wokół określonych mas atomowych. Odkrycie to poskutkowało jeszcze wzmożeniem badań nad tym dziwnym materiałem. Uran naturalny okazał się niejednorodny izotopowo. Naturalny uran zawiera trzy izotopy (atomy tego samego pierwiastka, różniące się masą atomową, a dokładniej ilością neutronów w jądrze). Głównym izotopem jest 238U (około 99,3%), któremu towarzyszy 235U (około 0,7%) i ślady 234U. Z tych izotopów jedynie 235 okazał się podatnym do rozpadu pod wpływem bombardowania neutronami o niezbyt dużej energii (które emitują np. inne atomy uranu), a więc mógłby sam powodować rozpad innych sąsiadujących atomów. Rozbiciu atomów towarzyszyło wydzielanie dużych ilości energii, co w niedługim czasie zainicjowało prace badawcze nad jej zastosowaniem.

Po zajęciu Czechosłowacji nazistowskie Niemcy przejęły cały urobek tamtejszego uranu, co wskazywało na potencjalne zainteresowanie stworzeniem nowego, nieznanego ludzkości typu broni.

Po zajęciu Czechosłowacji nazistowskie Niemcy przejęły cały urobek tamtejszego uranu, co wskazywało na potencjalne zainteresowanie stworzeniem nowego, nieznanego ludzkości typu broni. Warto przypomnieć, że do 1938 roku, w którym wybitny niemiecki naukowiec (Hahn) odkrył możliwość rozbicia jąder atomów uranu, rudy te były pozyskiwane dla produkcji odkrytego przez Marię Skłodowską – Curie radu, a uran stanowił dziwny i bardzo ciężki odpad. W latach 20. i 30. XX wieku w Niemczech działały najprężniejsze ośrodki badawcze fizyki jądrowej. Wielu naukowców zdobywało tam swoją wiedzę i prowadziło badania, m.in. Max Born, Max Planck, James Franck, Albert Einstein, Niels Bohr, czy Ernest Ruthenford. 16. marca 1939 roku, kilka miesięcy po odkryciu Hahna, Leó Szilárd, Eugene Winger, Enrico Fermi – trzej uciekinierzy z Europy postanowili zainteresować władze amerykańskie niebezpieczeństwem związanym z tym odkryciem. Namówili Einsteina do podpisania listu do Roosvelta. Zapoczątkowało to największe przedsięwzięcie, w nieznanej dotąd skali – Projekt Manhattan, mające na celu opracowanie broni o nieznanej ludzkości sile.

Niemcy w tym czasie pracowali nad Projektem U. Były to czasy, kiedy to utajniono wiele prac badawczych, ze względów militarnych. Losy wojny potoczyłyby się całkiem inaczej, gdyby Niemcy byli szybsi w swoich działaniach, gdyby nie działania wojsk alianckich. W Projekt Manhattan zaangażowano też Kanadyjczyków i Brytyjczyków. Kraje te są obecnie jednymi z potęg jądrowych, przy czym Kanada jest krajem nieposiadającym głowic. Projekt zakończył się Testem Trinity, oraz jedynym w historii ludzkości zastosowaniem tej broni przeciwko ludziom (Hiroshima i Nagasaki). Jeden z pomysłodawców bomby jądrowej, współtwórca reaktora jądrowego, wspomniany wcześniej Leó Szilárd był przeciwny użyciu broni jądrowej w wojnie przeciwko Japonii. Część osób współodpowiedzialnych za sukces programu budowy bomby stało się orędownikami pokoju, m.in. główny twórca sukcesu Projektu – Robert Oppenheimer.

Rosjanie, dzięki wytężonej pracy, przejęciu jeńców pracujących nad nazistowskim programem bomby jądrowej (Projekt U), oraz działalności szpiegowskiej również skonstruowali bombę jądrową. Ojcem tej bomby został Igor Kurczatow. Bomba radziecka była niemalże kopią bomby amerykańskiej, jednak warto sobie zdać sprawę, że sama działalność szpiegowska, a nawet posiadanie najnowocześniejszych laboratoriów nie wystarczyłoby do opracowania takiej broni. Stworzenie przez ZSRR broni jądrowej rozkręciło wyścig zbrojeń, dążenie do posiadania potężniejszej broni niż inne państwa. Poza rozwojem nowych rodzajów bomb, doskonalono techniki ich przenoszenia. Do mocarstw jądrowych dołączały kolejne, m.in. Wielka Brytania znana ze współpracy w Projekcie Manhattan, Francja, czy Chiny.

Okazało się że reaktory jądrowe działają od miliardów lat!

Chociaż Fermi i Szilárd są uznani za ojców reaktorów jądrowych, zwanych początkowo stosem jądrowym, to jednak właściwie nie ojcowie ją stworzyli, tylko matka, wspominana na początku bogini Gaja. Okazuje się że reaktory jądrowe działają od miliardów lat!
W 1972 roku odkryto reaktory jądrowe w Gabonie, w Oklo. Przypadkowo stwierdzono anomalie w proporcjach izotopów uranu z tamtejszego złoża. Na całym świecie zawartość 235U w uranie wynosi 0,7202%, a w złożach z Oklo wynosi 0,7171%. Co ciekawsze, w złożach tych stwierdzono obecność, znanych do tej pory jedynie z reaktorów jądrowych, izotopów neodymu czy ksenonu. Miejscami żyła uranonośna miała nawet 60% zawartość uranu. Stwierdzono, że w okolicy działało 17 reaktorów, z czego dziewięć było całkowicie wypalonych. Najprawdopodobniej w zakolach rzeki odkładał się uran, który umiejscowił się w postaci złóż soczewkowych. Znaczne wzbogacenie w 235U sprawiło, że mogła zachodzić reakcja rozszczepienia jąder, pod warunkiem obecności moderatora.

Moderator to substancja spowalniająca neutrony. Zbyt szybkie neutrony odbijają się od jądra, za wolne nie są w stanie skutecznie się wbić w jądro. By neutrony mogły zostać wlepione w jądro uranu, muszą mieć ściśle określoną energię (prędkość). Dlatego stosuje się substancje spowalniające za szybkie neutrony, tzw. moderatory. Materia organiczna zawarta w skałach była zbyt słabym moderatorem, ale skała piaskowcowa dobrze nasiąkała wodą, która jest dobrym moderatorem. W porze deszczowej złoża uranu były zwilżone wodą, co zapoczątkowało reakcję rozpadu jąder. Wydzielające się ciepło powodowało wyparowywanie wody ze skały, co zatrzymywało reakcję jądrową. Gdy reaktor stygł, skała znowu wodą nasiąkała, w ten sposób cykl się zamykał. I tak od dwóch miliardów lat. Natomiast sam fakt nierozprzestrzeniania się produktów rozpadu jądrowego w tworach geologicznych, wskazuje na możliwość bezpiecznego przechowywania odpadów jądrowych przez nawet miliardy lat! Związek Uranosa z Gają dawał  tytaniczne i boskie potomstwo, o którym wspomniałem na początku.

Związek Uranosa z Gają dawał  tytaniczne i boskie potomstwo

Trochę faktów
Uran jest pierwiastkiem dość rozpowszechnionym, zajmuje 51. miejsce wśród pierwiastków ziemskich, mamy go ok. 1,8 ppm. Dzięki czułości detektorów promieniotwórczości wiadomo, że jest wszędzie, w skałach, w glebie, w wodzie. Kilogram granitu może zawierać nawet 10 mg uranu! To jego naturalne źródła. Stąd przebywanie w urzędach z granitowym wystrojem wnętrz może nas narazić na zwiększoną ekspozycję promieniowania. Uran występuje w wodach mórz i oceanów w większej ilości niż złoto! We wszelkich zagłębieniach skalnych, (jaskinie, a nawet piwnice) zwłaszcza na dużych głębokościach jesteśmy narażeni na silnie szkodliwy radon, który jest jednym z promieniotwórczych dzieci Uranosa. Radon jest ważnym składnikiem radonowych wód zdrojowych. Najzasobniejsze w uran państwa to Kazachstan, Kanada i Australia. Kazachstan jest największym producentem i eksporterem uranu, natomiast Kanada jest jednym z ważniejszych eksporterów reaktorów jądrowych CANDU (Canadian, Deuterum, Uranium), stosowanych w energetyce.

Złoża rud tego metalu w Polsce są słabo wydajne. Występuje np. w Wambierzycach, Srebrnej Górze, Kowarach. Dawniej pozyskiwany był grabieżczo przez Związek Radziecki.
Uran w stanie naturalnym występuje w postaci trzech izotopów, o czym wcześniej wspomniałem, choć znanych jest sześć. Trzy izotopy otrzymano sztucznie. Obecnie głównym zastosowaniem uranu są techniki jądrowe. Dla tych celów stosuje się głównie 235U. 238U w części przerabiany jest na pluton 239Pu, który jest głównym surowcem do produkcji bomb plutonowych, a od lat 80. XX w. również jako paliwo w cywilnych reaktorach jądrowych (paliwo MOX – mieszanina tlenków plutonu i uranu).

Duże ilości 238U powstają jako odpad ze wzbogacania paliwa w izotop 235U. Ze względu na masę, odpadowy uran stosowany jest do produkcji pocisków przeciwpancernych. Choć promieniowanie takiego uranu można bagatelizować, o tyle produkty spalania uranu, a ten jest pirolityczny, stanowią duże niebezpieczeństwo – podobnie jak i inne metale ciężkie. Ponadto aerozole z tym izotopem są zabójcze, ze względu na silnie jonizujące promieniowanie α, przed którym chroni nawet zwykła kartka papieru, lecz jako aerozol jest on wprowadzany prosto do organizmu.

przebywanie w urzędach z granitowym wystrojem wnętrz może nas narazić na zwiększoną ekspozycję promieniowania.

Wspomniałem o zastosowaniu zarówno uranu jak i plutonu w reaktorach jądrowych. Reaktory obecnie można podzielić ze względu na zastosowanie: na wojskowe, energetyczne i badawcze. Różnią się budową, ze względu np. na łatwość wymiany paliwa, by pozyskiwać militarne surowce, możliwość wprowadzania różnych materiałów w strefy różnych gęstości neutronów lub wyprowadzania różnych strumieni neutronów. Reaktory wojskowe służą produkcji paliwa do broni jądrowej, zaś badawcze celom badawczym, pomiarowym, do produkcji izotopów promieniotwórczych istotnych dla medycyny i przemysłu. Reaktory energetyczne służą do produkcji energii elektrycznej jak i cieplnej. Mogą też być stosowane do produkcji wodoru, o którym ostatnio pisałem, jak i odsalania wody morskiej. Reaktory stosowane są również jako napęd dla łodzi podwodnych, okrętów, ale i jednostek cywilnych (np. lodołamacze). Paliwo do reaktora wymaga wzbogacania w izotop 235U, co jest dość kłopotliwe i energochłonne. By stosować uran bez wzbogacania, potrzeba innych moderatorów, np. ciężkiej wody, która jest dość droga. O reaktorach można pisać długo, bo temat jest bardzo obszerny. Tu jednak skupimy się na uranie i jego krewnych.

Uran jest promieniotwórczy. Rozpadowi uranu towarzyszy emisja cząstki α (jąder helu 4He), a więc powstaje pierwiastek o liczbie atomowej mniejszej o 2, a masie mniejszej o 4. Są to różne izotopy toru Th. Gdy w jądro uranu wbijemy neutron, to jego liczba atomowa nie zmieni się, ale zmianie ulegnie liczba masowa. Neutron w końcu nie wnosi ładunku, za to wnosi masę i destabilizuje jądro. Takie jądro może rozpaść się na dwa mniejsze, czemu towarzyszy emisja neutronów. W takim jądrze może też neutron zamienić się w proton, dzięki wyrzuceniu elektronu i antyneutrina elektronowego (rozpad β). Może też zamienić proton w neutron poprzez emisję dodatniego elektronu, zwanego pozytonem i neutrina elektronowego (rozpad β+). Zatem sam uran może zamienić się w sąsiedztwo z układu okresowego pierwiastków, a więc protaktyn lub neptun. Co ciekawsze, sąsiedzi też mogą zmieniać swoją tożsamość. Produktami rozpadu jądrowego samego uranu będą izotopy pierwiastków o masach atomowych 85 – 104 i 130 – 149. Ilości i rodzaje produktów podlegają prawom statystycznego rozkładu normalnego wokół dwóch mas, tj. 90 (kryptonu) i 140 (ksenonu). Powszechnie występujące produkty, to np. stront 90Sr, krypton 85Kr, cyrkon 93Zr, molibden 99Mo, technet 99mTc, jod 129I,  131I, cez 137Cs, czy ksenon 140Xe. Biorąc pod uwagę nietrwałość wielu izotopów, część zamienia się w inne, a produkty tych przemian w jeszcze inne. Stąd ostatecznie problemem skażenia po awariach w elektrowniach, jak i z użyć bomb jądrowych, są izotopy strontu, jodu i cezu (z rozszczepienia jąder), oraz pluton (z rozpadu promieniotwórczego).

największym producentem i eksporterem uranu jest kazachstan, natomiast Kanada jest jednym z ważniejszych eksporterów reaktorów jądrowych CANDU stosowanych w energetyce.

Pokrótce wymieniłem potomstwo Uranosa. Jednak, by trochę sytuacje rodzinną zagmatwać, warto zdać sobie sprawę, że potomkowie Uranosa mogą być jednocześnie jego dziadkami. Tak np. jedyny naturalny izotop toru 232Th po napromieniowaniu neutronami zamienia się w 233Th, połowa tego izotopu po około 23 minutach zamieni się protaktyn 233Pa, a połowa tego po 27 dniach zamieni się w uran 233U. Tak więc dziecko uranu – tor, stało się jednocześnie dziadkiem uranu, a ojcem protaktynu. Relacje te są bardziej zawiłe, niż w starożytnej mitologii!

Warto zapamiętać tor, bo jest go więcej niż uranu, a sam choć jest nierozszczepialny, to może być łatwo przerobiony na uran 233U, a ten może być przyszłościowym paliwem dla reaktorów jądrowych, w których paliwo jest wypalane w znacznie większym stopniu, niż w powszechnych reaktorach na uran 235U (reaktory IV generacji bazujące na szeregu torowym). Poza tym w produktach z takiego reaktora jest znacznie mniej odpadów, zwłaszcza o dużej aktywności promieniotwórczej. Tor występuje w przyrodzie właściwie jako jedyny izotop 232, przez co nie jest wymagany proces skomplikowanego i kosztownego rozdzielania izotopów, jak to ma miejsce w przypadku uranu. Jedyne zastosowanie toru, to dawniej stosowane w oświetleniu gazowym koszulki Auera oraz produkcja elektrod do spawania wolframu. Znane jest też zastosowanie toru jako katalizatora reakcji kondensacji przy produkcji BMK, półproduktu przy produkcji amfetaminy i utwardzaczy do lakierów chemoutwardzalnych.

otrzymano generatory RTG stosowane jako baterie w statkach kosmicznych, a także jako źródła zasilania morskich i oceanicznych boi nawigacyjnych i bezobsługowych latarni morskich.

Wróćmy na chwilę do wspomnianego plutonu. O ile celowe napromieniowywanie neutronami zamienia uran 238U w 239Pu, to zwykłej pracy reaktora towarzyszy powstawanie długożyciowego i silnie promieniotwórczego 238Pu. Jest to izotop emitujący duże ilości ciepła, co stwarza duże wymagania przy magazynowaniu jako odpadu. Na szczęście znaleziono zastosowanie dla niego, niestety za małe, względem jego podaży. W 1821 roku Thomas Seebeck odkrył zjawisko termoelektryczne, w obwodzie  zbudowanym z dwóch różnych metali, posiadającym dwa punkty łączące te metale. Jeżeli jeden taki punkt umieścimy w zimnym miejscu, a drugi w gorącym, to w obwodzie popłynie prąd. W dużym skrócie: 238Pu jest źródłem ciepła, a otoczenie źródłem zimna. Zestawiając baterie takich obwodów otrzymano generatory RTG, na bazie źródeł plutonowych, stosowane jako baterie w statkach kosmicznych, a także jako źródła zasilania morskich i oceanicznych boi nawigacyjnych i bezobsługowych latarni morskich. Poza tym jest stosowany w radioizotopowych jednostkach grzejących, utrzymujących stabilną temperaturę obwodów w satelitach (RHU).

Protaktyn, bliski sąsiad uranu jako pierwiastek nie znalazł powszechnego zastosowania ze względu na silną promieniotwórczość. Warto jednak wspomnieć o nim ze względu na pewną tragiczną postać z nim związaną. Jednym z odkrywców izotopu 234Pa był Kazimierz Fajans. Odkrywca prawa przesunięć promieniotwórczych, znanego jako reguła Soddy’ego-Fajansa, był trzykrotnie nominowany do Nagrody Nobla, w 1924 z fizyki, 1928 i 1934 roku z chemii. Po pierwszej nominacji był pewnym laureatem. Niestety, nagrody nie dostał z winy dziennikarzy! Dziennik Svenska Dagblade poprosił Fajansa o zdjęcie, by zilustrować artykuł o werdykcie Komitetu Noblowskiego, zanim ten został ogłoszony. Wiele mediów donosiło o zwycięstwie Fajansa. W związku z wyciekiem informacji komitet tego roku nikomu nie przyznał nagrody w dziedzinie fizyki. Później Kazimierz Fajans był znów nominowany, jednak bezskutecznie.

Neptun, najbliższy sąsiad uranu, to pierwiastek nieposiadający obecnie zastosowania. Jest jednym z produktów wypalania paliwa jądrowego w reaktorach, a że jest też pierwiastkiem podatnym na rozszczepianie jądrowe, został wniesiony w 1999 roku na listę materiałów nadzorowanych przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej.

Trochę wniosków
To, gdzie zaprowadzi nas wiedza na temat materiałów promieniotwórczych, zależy od klimatu towarzyszącego. Badania promieniotwórczości, począwszy od zastosowań medycznych, doprowadziły do powstania najbardziej zabójczych rodzajów broni, by w końcu dać szansę światu na tanią i bezpieczną energię, stosowaną w celach pokojowych. Radiofobia i postrzeganie wyżej wymienionych pierwiastków i ich izotopów mogą nie sprzyjać poszukiwaniom innych zastosowań, a mogą się też przyczynić do sterowania przez polityków nastrojami społecznymi. Dlatego ważne jest przekazywanie informacji odczyniających rzucony na Uranosa urok bomby jądrowej. Miejmy nadzieję, że prace nad stosowaniem pierwiastków promieniotwórczych posłużą ludzkiemu dobrobytowi i zdrowiu, a nie czynieniu zła.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here