Urāns (Z=92) — radioaktīvais elements: izotopi, īpašības, pielietojums

Urāns (Z=92) — izotopi, īpašības un pielietojums: no kodolenerģijas un ieročiem līdz rūpnieciskai izmantošanai, keramikai, drošības riskiem un ieguves avotiem.

Urāns ir ķīmiskais elements (metāls) periodiskajā tabulā. Tā atomu skaits ir 92, kas nozīmē, ka urāna atoma centrā, ko sauc par kodolu, ir 92 protoni. No zemes izraktais urāns būs izgatavots no trim dažādiem izotopiem: trīs dažādiem urāna veidiem ar atšķirīgu neitronu skaitu kodolos. Lielākā daļa ir urāns-238; urāns-235 ir retāk sastopams; urāns-234 ir visretāk sastopamais. Galvenā urāna ieguves rūda ir piķblends.

Īsi par fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām: Urāna simbols ir U. Tas ir smags aktinīdu grupas metāls ar blīvumu ap 19,1 g/cm³ (līdzīgs dažiem citiem ļoti smagiem metāliem). Virsma tīrā metāla stāvoklī ir sudrabota — spīdīga —, taču ārējā vide ātri pārklāj to ar oksīdiem un citiem slāņiem, kas parasti ir tumšā krāsā. Urānam ir vairākas oksidācijas pakāpes (no +3 līdz +6), no kurām visizplatītākais ir +6 stāvoklis urāna(VI) savienojumos, piemēram, urāla jonu (uranyl) UO2^2+. Kušanas temperatūra ir aptuveni 1132 °C, vārīšanās punktu pārsniedzot 4000 °C. Elektronu konfigurācija veido urāna ķīmisko uzvedību (bieži raksturo kā [Rn] 5f3 6d1 7s2).

Izotopi un radioaktivitāte: Dabiskais urāns galvenokārt sastāv no urāna-235 un urāna-238 (U-238), kā arī nelielā daudzumā urāna-234. U-238 ir visizplatītākais (~99,27%), U-235 aptuveni 0,72% un U-234 ap 0,005–0,006%. Nojaušanas (decay) ceļi atšķiras: U-238 pāriet caur virkni sabrukšanas posmu līdz galaproduktam svinam (Pb-206), U-235 līdz Pb-207. Urāns izstaro galvenokārt alfa daļiņas; alfa starojums ir jutīgs risks, ja materiāls nokļūst organismā (iekļūst elpceļos vai gremošanas traktā), bet ādas caurlaidībā to aptur bieži vien pat papīrs.

Kodoldarbošanās, kodolenerģija un kodolieroči: Urāns-235 var izmantot kodolreaktoros un kodolieročos, izraisot ķēdes reakciju. Tās rezultātā urāns-235 pārvēršas urānā-236 un kodols sadalās divos mazākos kodolos. Tādējādi rodas divi pilnīgi atšķirīgi elementi ar mazāku atomu skaitu. Šo procesu sauc par kodola skaldīšanu, un tas rada lielu siltumu. Šis siltums ir ļoti noderīgs tvaika ražošanai kodolreaktoros vai sprādzienu radīšanai ar kodolieročiem. Lai iegūtu komerciālu kodoldegvielu trillās spēcīgajās vieglajās ūdeņraža reaktoros, urānu-235 parasti bagātina līdz aptuveni 3–5% U-235. Lai radītu ieročos izmantojamu materiālu, bagātinājums ir nepieciešams būtiski augstāks (parasti virs ~90%). Taču lielākajā daļā šādu ieroču izmanto plutoniju, kas iegūts no urāna-238. U-238 neutronu absorbcijas rezultātā var pārvērsties par Pu-239, ko pēc tam var attīrīt un izmantot kā sprāgstvielu materiālu.

Noplicinātais urāns un tā pielietojumi: Urānu, no kura ir izņemts urāns-235, sauc par noplicinātu urānu. To izmanto prettanku ieročos un bruņutehnikā galvenokārt tā augstās blīvuma (lielas masas uz tilpumu) un piroforiskās īpašības dēļ — trieciena laikā materiāls var izkust un aizdegties, palielinot caurduršanas spēju. Noplicinātais urāns joprojām ir radioloģiski aktīvs un ķīmiski toksisks, tāpēc ar to saistītas vides un veselības apsvērumu problēmas. Urānu var izmantot arī kā krāsvielu vitrāžām vai keramikas izstrādājumiem, un tieši tā to izmantoja, pirms cilvēki uzzināja, ka tas ir radioaktīvs. Piemēram, urāna sāļi piešķīra stiklam dzeltenzaļu vai spilgti zaļu toņu un izstaroja fluorescenci ultravioletā gaismā.

Drošība, toksicitāte un vides ietekme: Urāns ir bīstama viela. Tā kā urāns ir radioaktīvs, to bieži redz ar radioaktīvo elementu bīstamības zīmi - trīs trijstūru grupu ar izliektām ārējām malām, kas vērstas uz vidu (kā redzams kreisajā pusē). Daži cilvēki uzskata, ka urāns ir gaiši zaļš un spīd, jo tā tas ir attēlots daudzās filmās. Tomēr tā nav taisnība. Urāns ir spīdīgi balts metāls, bet parasti to redz oksīda formā, kas ir melns. Urāns ir ne tikai radioaktīvs, bet arī smags metāls un ķīmiski toksisks. Ķīmiski toksiska iedarbība galvenokārt ietekmē nieres; radioaktīvā iedarbība — audus un DNS — ja nu urāns nokļūst organismā. Ar urānu strādājot, nepieciešama atbilstoša aizsardzība, ventilācija, personīgā aizsardzības aprīkojuma lietošana un stingra atkritumu apsaimniekošana. Alfa starojumu viegli aptur virsējie materiāli, bet gadījumos, kad urāna fragmenti nokļūst iekšā organismā, risks ir lielāks. Ļoti augstas enerģijas gamma un neitronu komponentes no urāna sadalīšanās produktiem vai reakcijām prasa biezāku svina vai cita materiāla aizsardzību.

Ieguve, rūpniecība un atkritumu apsaimniekošana: Urāna rūdas kā piķblends (piemēram, uranīnīts) un citas minerālu formas tiek ieguvas atsevišķās raktuvēs un ar atklātās ieguves metodēm. Pēc ieguves rūda tiek sasmalcināta, ķīmiski apstrādāta un koncentrēta kā sārnē saturošs materiāls (yellowcake), no kura vēlāk var veikt bagātināšanu vai reaktoru degvielas ražošanu. Kodoldegvielas cikls ietver bagātināšanu, ražošanu, izmantošanu reaktorā, un pēc tam iespējamo atkārtotu pārstrādi, kur no izdedžiem var izdalīt urānu un plutoniju. Jebkurā posmā rodas radioaktīvi atkritumi ar ilgstošu bīstamību — daži radionuklīdi saglabā radiāciju gadsimtiem vai tūkstošiem gadu —, tāpēc to uzglabāšana, izolācija un ilgtermiņa pārvaldība ir svarīga problēma.

Vēsturiskie un praktiskie aspekti: Urānā un tā savienojumos tika veikti agrīnie radioaktivitātes pētījumi, un urāns bija viens no elementiem, kas noveda pie kodoltehnoloģiju attīstības 20. gadsimta vidū. Mūsdienās urāns ir centrālais resurss kodolenerģētikā, militārās tehnoloģijās (noplicinātais urāns), kā arī dažos rūpnieciskos vai mākslinieciskos pielietojumos. Pētījumi turpina uzlabot drošāku ieguvi, atkritumu apsaimniekošanu, bagātināšanas un reaktoru tehnoloģijas (piem., šķidmetāla, ātrā neitronu reaktori un citas alternatīvas), lai samazinātu vides un ģeopolitiski sensitīvos riskus.

Īsi atcerēties:

• Urāna symbols: U; atomu skaits 92.
• Galvenie dabiskie izotopi: U-238, U-235, U-234.
• U-235 ir kodolreakciju un ieroču svarīgais izotops; noplicinātais urāns tiek izmantots militāros un rūpnieciski smagos pielietojumos.
• Urāns ir radioaktīvs, ķīmiski toksisks un ļoti blīvs — nepieciešama piesardzība un atbilstoša regulācija tā izmantošanā un uzglabāšanā.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir urāns?

J: Cik ir urāna izotopu?

J: Kas ir piķblends?

J: Kā urānu var izmantot kodolreaktoros un ieročos?

Vai noplicinātais urāns ir radioaktīvs?

J: Kādā krāsā izskatās dabiskais nerafinētais urāns?

Meklēt pēc burta