Уран (атом 92): изотопи, ядрено делене, приложения и опасности

Уран (атом 92): научете за изотопите, ядрено делене, приложения в енергетиката и оръжията, здравните и екологични опасности — факти, безопасност и история

Уранът е химичен елемент (метал) в периодичната таблица с атомен номер 92. Това означава, че урановият атом има 92 протона в центъра си — ядрото. Атомната маса на естествения уран е приблизително 238.03 u. На практика урановите находища съдържат предимно три естествени изотопа — U-238, U-235 и U-234 — които се различават по броя неутрони в ядрата си. Повечето природен уран е уран-238 (≈99.2745%), уран-235 се среща в малък дял (≈0.72%), а уран-234 е още по-редък (≈0.0055%). Основната руда, от която се добива уран, е питчбленд.

Изотопи и радиоактивност

Уран-238 има много дълъг период на полуразпад — около 4.468 × 10^9 години, и излъчва предимно алфа-частици. Уран-235 има период на полуразпад около 7.04 × 10^8 години и също е основният изотоп, използван за поддържане на верижна ядрена реакция. Уран-234 има период на полуразпад ~2.45 × 10^5 години и често се намира в радиоактивния разпаден низ на U-238. Поради тези различия, уранът е естествено радиоактивен, но степента на радиоактивност зависи силно от изотопния му състав.

Ядрено делене и производни

Ядрените реактори и ядрените оръжия използват главно уран-235, тъй като способен да поддържа верижна реакция: при поглъщане на неутрон U-235 преминава в U-236, често нестабилен и се разделя на две по-малки ядра — процес, наречен ядрено делене. Делението отделя големи количества енергия, използвана за производство на пара в комерсиалните реактори или за експлозивен импулс в оръжията. Въвеждането на допълнителни неутрони при деление може да поддържа верига от реакции.

Освен директното делене на U-235, уран-238 може да улови неутрон и последователно чрез бета-распади да се превърне в плутоний-239 (U-238 + n → U-239 → Np-239 → Pu-239). Pu-239 също е подходящ за използване във военни и някои видове реактори, което е причината повечето ядрени оръжия да разчитат на плутоний или силно обогатен уран.

Обогатяване и обедняване

Естественият уран съдържа ≈0.72% U-235 — твърде малко за повечето комерсиални реактори, затова се прилага обогатяване до около 3–5% U-235 (LEU — нискообогатен уран) за търговските реактори. Обеднен уран (DU) е остатъчният материал след извличане на по-голямата част от U-235; той съдържа по-малко уран-235 (около 0.2–0.3%) и е по-малко радиоактивен от естествения уран.

Приложения

• Електроенергия: урановото гориво в ядрените реактори (LEU) произвежда топлина, която се използва за генериране на електричество.
• Военни приложения: много ядрените оръжия използват плутоний или силно обогатен уран (HEU, >90% U-235). Противотанковите оръжия и бронебойни снаряди често използват обеднен уран заради голямата му плътност и проникащи свойства; DU също може да бъде пирофоричен при удар.
• Промишлени и научни: източници за производство на изотопи, гама-радиография, броене на неутрони и др.
• Исторически художествени приложения: багрило за стъклописи и керамика (ураново стъкло), което дава жълто-зелени оттенъци; това е използвано преди да се познават рисковете.
• Дълготрайно съхранение и отработено гориво: отработените горивни пръти съдържат силно радиоактивни фисионни продукти и трансуранови елементи; те се съхраняват първоначално под вода, а после често в сухи контейнери при стриктен контрол.

Физични свойства и външен вид

Уранът е тежък, метален и блестящ при чиста повърхност, но на открито бързо образува оксиден слой и често се вижда като тъмносив до черен оксид. Противно на популярните митове, уранът не е яркозелен и не „свети“ в тъмното при нормални условия. Отработените горивни елементи, потопени в басейни, могат да предизвикат синя светлина — лъчение на Черенков — когато бързи заредени частици преминават през водата.

Опасности и безопасност

Уранът представлява двойна опасност: радиологична и химическа (като тежък метал). Основни точки:

• Радиологичен риск: уранът е предимно алфа-излъчител. Алфа-частиците нямат голяма проникваща способност и не преминават през кожа, така че външният риск от непокътнати парченца е ограничен. Въпреки това, ако прах или разпрашени частици се вдишат или погълнат, те остават близо до тъканите и могат да причинят значителни вътрешни щети и повишен риск от рак.
• Химична токсичност: уранът е токсичен за бъбреците при високи дози; дългосрочното излагане на разтворими уранови съединения представлява сериозен химически риск.
• Отработено гориво и фисионни продукти: освен уран, отработеното гориво съдържа множество високо-радиоактивни продукти (гамма и бета-излъчватели), които изискват тежко екраниране (бетон, олово) и дистанционно манипулиране.
• Околна среда и здраве: урановите хвостове (окисни отпадъци от обогатяването и преработката) могат да замърсят почви и води; радон (газ от разпада на урановите серии) е важен рисков фактор за рак на белия дроб и трябва да се контролира при минни и жилищни райони близо до уранови находища.

За безопасна работа с уран се прилагат мерки като екраниране, ограничаване на времето на излагане, увеличаване на дистанцията, персонална защита (респиратори, защитни дрехи), и мониторинг на контаминацията. Международни организации и национални агенции регулират добива, преработката, транспорта и съхранението; контрол на разпространението (например IAEA) е съществен за ядрената безопасност и неразпространението.

Добив, преработка и екологични въздействия

Уранът се добива чрез открит или подземен рудодобив, а в някои случаи чрез in-situ leaching (разтваряне и извличане на място). Рудодобивът и обогатяването оставят големи количества отпадъци: скални вкопани маси и хвостове, които съдържат остатъчни радиоактивни материали и токсични метали. Радонът, излизащ от хвостовете, и просмукването на уран в подземни води са основни екологични проблеми. Възстановяването на терени, покриването на хвостове и мониторингът на води и въздух са част от съвременните екологични практики в урановата индустрия.

Кратка историческа бележка

Уранът е открит и идентифициран като химичен елемент в края на XVIII век (откриват го Клапроте и други), получава името си от планетата Уран (откритa през 1781). Откриването на радиоактивността и по-късните изследвания довеждат до използването му в ядрената енергетика и оръжия през XX век.

История

Използване преди откриването

Употребата на уран в естествената му форма на оксид датира от 79 г. от н.е. Той е използван в Римската империя за придаване на жълт цвят на керамичните глазури. Жълто стъкло с 1% уранов оксид е открито в римска вила на нос Позилипо в Неаполитанския залив, Италия. То е намерено от Р. Т. Гюнтер от Оксфордския университет през 1912 г. През късното Средновековие смолистото оцветение е добивано от хабсбургските сребърни мини в Йоахимстал, Бохемия (сега Яхимов в Чешката република). В началото на XIX в. единствените известни източници на уранова руда в света са тези мини.

 
Планетата Уран, на която е кръстен уранът  

Въпроси и отговори

В: Какво представлява уранът?

В: Колко изотопа на урана има?

Въпрос: Какво представлява смолата?

В: Как уранът може да се използва в ядрените реактори и оръжията?

Въпрос: Радиоактивен ли е обедненият уран?

В: Какъв цвят има естественият нерафиниран уран?

Търсене по буква