Uranas — cheminis elementas: izotopai, panaudojimas ir pavojai

Sužinokite apie urano izotopus, panaudojimą energetikoje ir ginkluotėje, nusodrintą uraną bei rizikas — išsamus gidas apie urano savybes, pavojus ir taikymą.

Uranas yra periodinės elementų lentelės cheminis elementas (metalas). Jo atominis skaičius yra 92, o tai reiškia, kad urano atomo centre, kuris vadinamas branduoliu, yra 92 protonai. Iš žemės iškastas uranas bus pagamintas iš trijų skirtingų izotopų: trijų skirtingų urano rūšių, kurių branduoliuose yra skirtingas neutronų skaičius. Daugiausia yra urano-238; uranas-235 pasitaiko rečiau; uranas-234 yra rečiausias. Pagrindinė urano rūdos, iš kurios kasamas uranas, rūšis - piklendis.

Pagrindinės fizikinės ir cheminės savybės

Uranas yra sunkus, tankus metalas — jo tankis apie 19,1 g/cm³. Natūralus uranas yra blizgantis sidabrinės baltos spalvos metalas, tačiau laike jis greitai oksiduojasi. Dažniausiai uranas randamas oksidų pavidalu, pavyzdžiui, oksidas (triuranio oksidas U3O8) — dažnai tamsus arba juodas, o taip pat naudojamas stabilus urano dioksidas (UO2) branduoliniame kurui. Uranui būdingi keli oksidacijos laipsniai (+3…+6), todėl jis formuoja įvairius junginius tiek cheminiais, tiek aplinkos procesais. Melting point apie 1132 °C, virimo temperatūra apie 4131 °C.

Izotopai ir jų savybės

Natūraliame urane dominuoja trys izotopai. Maždaug sudėtis yra tokia: uranas-238 apie 99,2745%, uranas-235 apie 0,7200%, uranas-234 apie 0,0055%. Šių izotopų branduolinės savybės smarkiai skiriasi:

• Uranas-238: pusperiodis ~4,468 × 10⁹ metų. Nėra lengvai dalijamas terminiuose neutronuose, bet sugerdamas neutroną gali virsti plutoniu-239 (per tarpinį U-239 → Np-239 → Pu-239), todėl svarbus gaminant plutonį reaktoriuose.
• Uranas-235: pusperiodis ~7,04 × 10⁸ metų. Tai fissilis izotopas, gebantis palaikyti grandininę branduolinę reakciją — jam būdingas dalijimasis neutrono pagautas ir išskiriama daug energijos.
• Uranas-234: labai mažai aptinkamas, pusperiodis apie 245 500 metų; jis yra antrinis produktas urano-238 skilimo grandinėje.

Gavyba, perdirbimas ir enriquecija

Uranas išgaunamas kasyklose iš rudų, tokių kaip piklendis, ar iš plevenančių telkinių. Po išgavimų urano rūda dažnai apdorojama, kad gauti „žaliąjį uraną“ (yellowcake, chem. U3O8). Norint pagaminti kurą reaktoriams arba ginklams, reikia pakeisti santykį tarp U-235 ir U-238 — procesas vadinamas enriquecija. Komerciniams lengvųjų vandens reaktoriams naudojamas uranas paprastai yra enriquecintas iki 3–5% U-235, o kariniai ar specialūs reaktoriai gali naudoti kitokias koncentracijas. Ginkluose naudojama didelės enriquecijos forma (HEU) paprastai turi >90% U-235. Iš urano pašalintas nusodrintasis uranas (DU) turi sumažintą U-235 kiekį (~0,2–0,3%) ir naudojamas karinėse bei civilinėse taikymuose.

Panaudojimas

Uranas-235 gali būti naudojamas branduoliniuose reaktoriuose ir branduoliniuose ginkluose sukeliant grandininę branduolinę reakciją. Jos metu uranas-235 virsta uranu-236, o branduolys suskyla į du mažesnius branduolius. Taip gaunami du visiškai skirtingi elementai su mažesniais atominiais skaičiais. Šis procesas vadinamas branduolių dalijimusi ir jo metu susidaro daug šilumos. Ši šiluma labai naudinga gaminant garą branduoliniuose reaktoriuose arba atliekant sprogimus branduoliniuose ginkluose. Tačiau daugumoje tokių ginklų naudojamas plutonis, pagamintas iš urano-238. Uranas yra šiek tiek radioaktyvus.

Be energijos gamybos ir ginklų, uranas turi ir kitų taikymų:

• Branduolinė energetika (komerciniai reaktoriai, povandeninių laivų ir laivuose naudojami reaktoriai).
• Plutono gamyba kare ir taikomojo branduolinio kuro gamyboje (per neutronų sugėrimą U-238 → Pu-239).
• Nusodrintasis uranas — šarvams pramušti skirti šovinių užtaisai, šarvų ir sverto svoriai dėl didelio tankio.
• Menas ir keramika: urano junginiai istorijoje naudoti kaip dažiklis vitražams ar keramikai, taip pat urano stiklas (uranium glass) su specifiniu atspalviu — tai buvo įprasta iki radioaktyvumo suvokimo.
• Moksliniai ir pramoniniai panaudojimai: branduolinių reaktorių kuras, izotopų gamyba tyrimams, tam tikri radiaciniai šaltiniai.

Pavojai, radiacinė ir cheminė toksiškumas

Uranas yra pavojinga medžiaga. Kadangi uranas yra radioaktyvus, jis dažnai žymimas radioaktyviųjų elementų pavojaus ženklu - trijų trikampių grupe, kurių išorinės kraštinės išlenktos į vidurį (kaip matote kairėje). Kai kurie žmonės mano, kad uranas yra šviesiai žalias ir švyti, nes taip jis vaizduojamas daugelyje filmų. Tačiau tai netiesa. Uranas yra blizgantis baltas metalas, tačiau dažniausiai matomas oksido pavidalu, kuris yra juodas. Uranas yra ne tik radioaktyvus, bet ir sunkusis metalas, chemiškai toksiškas.

Pavojai susideda iš:

• Radiacinė žala: dauguma urano izotopų yra alfa dalelių emisijos šaltiniai. Išorinis alpha spinduliavimas lengvai blokuojamas oda ar popieriumi, tačiau nuodingas, jei įkvepiamas arba prarijamas (įsiskverbia į plaučius ar virškinimo traktą) — tuomet gali pažeisti audinius ir ilgainiui sukelti vėžį.
• Cheminė toksiškumas: kaip sunkusis metalas uranas gali paveikti inkstus ir kitus organus net nepriklausomai nuo jo radioaktyvumo.
• Ilgalaikė tarša: branduolinio kuro atliekos, kasybos nuotekos ir šachtų nuosėdos gali užteršti gruntinį vandenį ir dirvožemį; taip pat išsiskiria radonas (Rn-222) — radioaktyvus dujų produktas iš urano skilimo grandinės, kuris yra oro taršos rizika patalpose.

Prevencija ir sauga

Saugus urano naudojimas ir tvarkymas reikalauja specialių procedūrų: tinkamo individualios apsaugos inventoriaus (respiratoriai, pirštinės), darbo su radioaktyviosiomis medžiagomis apribojimų, uždarų sistemų, filtravimo ir šalinimo įrenginių. Spinduliuotės apsaugos principai — laikas, atstumas ir užtvara — taikomi, kad sumažinti ekspoziciją. Įkvėpimo ar nurijimo atveju taikomi specialūs dekontaminavimo ir medicininio stebėjimo protokolai.

Branduolinio kuro atliekų saugojimas yra sudėtinga ilgalaikė problema. Spent fuel paprastai saugomas uždarose ertmėse prie reaktorių, o vėliau gali būti perdirbamas arba ilgalaikiai saugomas geologiniuose saugyklose. Perdirbimas sumažina tam tikrų radioaktyvių elementų kiekį, bet sukuria papildomų tvarkymo iššūkių.

Aplinkos ir reguliavimo aspektai

Uranas ir jo produktai yra griežtai reguliuojami tarptautiniu ir nacionaliniu lygmeniu. Tarptautinės organizacijos, tokios kaip Tarptautinė atominės energijos agentūra (IAEA), nustato gaires dėl saugaus urano gavybos, perdirbimo, pervežimo ir atliekų tvarkymo. Dėl kasybos ir apdorojimo kyla socialiniai ir aplinkosauginiai klausimai — ne tik radiacinė rizika, bet ir tradicinė chemijos tarša, kraštovaizdžio pažeidimai ir vietinių bendruomenių sveikata.

Santrauka: uranas yra reikšmingas ir daugiafunkcis elementas — nuo energijos gamybos iki karo panaudojimų ir pramoninių taikymų. Tačiau jo naudojimas reikalauja atsargumo dėl tiek radiacinės, tiek cheminės žalos galimybės, taip pat dėl ilgalaikių aplinkosauginių pasekmių.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra uranas?

K: Kiek yra urano izotopų?

Klausimas: Kas yra piklendis?

K: Kaip uranas gali būti naudojamas branduoliniuose reaktoriuose ir ginkluotėje?

K: Ar nusodrintasis uranas yra radioaktyvus?

K: Kokios spalvos yra natūralus nerafinuotas uranas?

Paieška pagal raidę