Uran (prvek)

Protaktinium – Uran – Neptunium Nd  U (Uqb)         [Rn]5f36d17s2 238 U 92
Obecné
Název, značka, číslo	Uran, U, 92
Skupina	Aktinoidy
perioda, blok	7, f
Vzhled	stříbřitě šedý kov
Hmotnostní část zemské kůry	3 · 10−4 %
Atomové vlastnosti
Atomová hmotnost	238,0289 amu
Atomový poloměr	138,5 pm (α-Uran)
Kovalentní poloměr	142 pm
van der Waalsův poloměr	186 pm
Elektronová konfigurace	[Rn]5f36d17s2
e− na energetickou hladinu	2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
Oxidační čísla	3, 4, 5, 6 (slabě bazický)
Hmotnostní schodek jádra	1,908 amu
Vazebná energie jádra	1 776,0 MeV
Fyzikální vlastnosti
Skupenství	pevné
Krystalová struktura	kosočtverečná
Hustota	19 g/cm3
Magnetické chování	paramagnetický
Teplota tání	1 405 K (1 132 °C)
Teplota varu	4 404 K (4 131 °C)
Skupenské teplo varu	417,1 kJ/mol
Skupenské teplo tání	9,14 kJ/mol
Rychlost zvuku	3155 m/s (tenká tyč při 20 °C)
Měrná tepelná kapacita	117 J/(kg · K) (při 20 °C)
Elektrická vodivost	3,57 MS·m−1
Tepelná vodivost	27,5 W/(m · K) (při 300 K)
Různé
Elektrodový potenciál	−1,798 V (U3+ + 3e− → U)
Elektronegativita	1,38 (Paulingova stupnice)
1. ionizační potenciál	597,6 kJ/mol
2. ionizační potenciál	1420 kJ/mol
Izotopy
izo výskyt t1/2 rozpad en. MeV výsl. 232U {syn.} 68,9 r α 5,414 228Th 233U {syn.} 159 200 roku α 4,909 229Th 234U 0,006 % 245 500  roku α 4,859 230Th 235U 0,72 % 7,038·108  roku α, SR 4,679 231Th 236U {syn.} 2,342·107  roku α, SR 4,572 232Th 237U {syn.} 6,75 dne β− 0,519 237Np 238U 99,275 % 4,468·109  roku α 4,270 234Th
Pokud není uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP.

Uran je radioaktivní chemický prvek, kov, patří mezi aktinoidy. Prvek objevil v roce 1789 Martin Heinrich Klaproth, v čisté formě byl uran izolován roku 1841 Eugene-Melchior Peligotem.^[zdroj?]

Prvek byl pojmenován podle tehdy nově objevené planety Uran, která dostala jméno podle boha Urana v řecké mytologii (otec Titánů a první bůh nebes, manžel bytosti Gaia). Uran se tak stal prvním prvkem pojmenovaným podle nově objevené planety – později následovaly ještě neptunium a plutonium.

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti

Vzhled, základní vlastnosti

Uran je v čistém stavu stříbrobílý lesklý kov, který na vzduchu pozvolna nabíhá – pokrývá se vrstvou oxidů. Rozmělněný na prášek je samozápalný. Není příliš tvrdý a dá se za obyčejné teploty kovat nebo válcovat. Při zahřívání se stává nejprve křehkým, při dalším zvyšování teploty je však plastický. Za teplot pod 0,68 K se stává supravodičem I typu.

Hustota

Hustota (specifická hmotnost) uranu při 20 °C je asi 19,05 g.cm⁻³ (různé zdroje uvádějí údaje v rozmezí 19,05 – 19,20 g · cm⁻³; při teplotě varu je hustota uranu cca 17,30 g.cm⁻³), uran tak patří k nejtěžším prvkům vůbec, je o asi 70 % těžší než olovo.

Z dalších prvků je těžší pouze iridium (22,50 g.cm⁻³), osmium (22,48 g.cm⁻³), platina (21,45 g.cm⁻³) či rhenium (20,50 g.cm⁻³); jen o málo menší hustotu má wolfram (19,30 g.cm⁻³). Vysoká hustota uranu je důvodem pro mnohá jeho nejaderná využití.

Elektronová konfigurace (podrobný rozpis)

Elektronová konfigurace atomu: K: 2, L: 8, M: 18, N: 32, O: 5s², 5p⁶, 5d¹⁰, 5f³ P: 6s², 6p⁶, 6d¹ Q: 7s²; celková konfigurace: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁶ 5f³ 6d¹ 7s².

Historie

Historie do objevu radioaktivity

Uran se už v roce 79 př. n. l. používal k barvení glazur (nálezy poblíž Neapole s 1% výskytem oxidu uranu).

První laboratorně izolovanou sloučeninou uranu byla uranová žluť 1789 izolovaná lékárníkem a profesorem chemie Martinem Heinrichem Klaprothem, jenž objevil nebo spoluobjevil i několik dalších prvků – (zirkonium, titan, cer a tellur). Objev oznámil v projevu před Pruskou akademií věd 24. září 1789. Pojmenován byl podle planety Uran objevené krátce předtím (1781), původní název ovšem byl uranit, v roce 1790 přejmenován na uranium. Klaproth analyzoval rudu z dolu George Wagsfort ve Wittingshalu u Johanngeorgstadtu v Sasku. Vystavil ji působení kyseliny a silně zahřál a získal žlutý prášek, uran, jak se domníval. Ve skutečnosti šlo o jeho síran, čistý uran se podařilo získat až v roce 1841 Francouzi Eugene-Melchior Peligotovi.

Uran se pak používal k barvení skla a glazur, kterým dodává zelenou barvu (v Jáchymově od roku 1826), těžen byl v českém Jáchymově a v britském Cornwallu. Toto použití podstatně kleslo v 2. polovině 20. století. Podle Ottova slovníku naučného bylo v roce 1904 vytěženo 17 193 kg uranu.

Historie po objevu radioaktivity

V roce 1896 zjistil Henri Becquerel, že uran je radioaktivní a – pokud nepočítáme objev rentgenových paprsků krátce předtím – vlastně tím radioaktivitu objevil. Marie Curie-Sklodovská se svým manželem Pierrem Curie poté z uranové rudy (jáchymovského smolince) izolovala 2 nové prvky: nejdřív polonium a o něco později pak i radium. Uranové rudy pak byly až do 30. let (objev umělých izotopů) používány pro výrobu radia v něm obsaženého (radia se velmi brzo po objevu začalo v malých množstvích používat pro lékařské účely). Podle Františka Běhounka bylo ovšem za celou tuto dobu izolováno jen kolem 1,5 kg radia.

Pro účely jaderného průmyslu se začal uran využívat až během (resp. po) druhé světové války.

První umělá jaderná řetězová reakce (tzv. Fermiho reakce) byla spuštěna 2. prosince 1942 italským fyzikem E. Fermim na hřišti Chicagské univerzity. Prostřednictvím jaderného reaktoru (EBR-1) byl poprvé vyroben proud 20. prosince 1951, první jaderná elektrárna byla zprovozněna v roce 1954 v Obinsku v SSSR.

Izotopy

V přírodě se uran nachází v nejrůznějších rudách, ovšem jen v nízkých koncentracích 0,04 – 3 %. Vyskytuje se zde jako směs izotopů – ²³⁸U (99,276 %) a ²³⁵U (0,718 %) a jen ve velmi malé míře ²³⁴U (0,004 %).

Uměle bylo syntetizováno mnoho dalších izotopů, včetně přirozeně se vyskytujících tak byla dosud (2011) objevena celá souvislá řada s nukleonovými čísly 217 až 242:

Izotop	Poločas rozpadu	Druh rozpadu	Produkt rozpadu
217U	16 ms	α	213Th
218U	510 ms	α	214Th
219U	42 μs	α	215Th
220U	?	ε/ α	220Pa/ 216Th
221U	700 ns	?	?
222U	1 μs	α	218Th
223U	18 μs	α (99,80 %)/ ε (0,20 %)	219Th/ 223Pa
224U	900 μs	α	220Th
225U	95 ms	α	221Th
226U	350 ms	α	222Th
227U	1,1 min	α	223Th
228U	9,1 min	α (95 %)/ ε (5 %)	224Th/ 228Pa
229U	58 min	ε (80 %)/ α (20 %)	229Pa/ 225Th
230U	20,8 d	α	226Th
231U	4,2 d	ε (100,00 %)/ α (4,0·10-3 %)	231Pa/ 227Th
232U	68,9 r	α	228Th
233U	159 200 r	α	229Th
234U	245 500 r	α	230Th
235U	7,04·108 r	α	231Th
236U	2,342·107 r	α	232Th
237U	6,75 d	β-	237Np
238U	4,468·109 r	α	234Th
239U	23,45 min	β-	239Np
240U	14,1 h	β-	240Np
241U	?	β-	241Np
242U	16,8 min	β-	242Np

Minerály a rudy

Nejstarší, nejznámější a patrně nejdůležitější rudou je uraninit (jeho ledvinitá forma se nazývá smolinec) neboli nasturan UO₂ s příměsemi, patrně druhou nejdůležitější je mikroskopický koffinit U(SiO₄)_1-x(OH)₂, který často doprovází uraninit. další důležitou rudou uranu (zároveň i rudou vanadu) je carnotit K₂(UO₂)₂[VO₄]₂.3H₂O, dál např. bröggerit, cleveit, nivenit (Norsko) či zippeit (skupina minerálů), autunit a johannit.

Výskyt

Výskyt ve světě

Uraninit

10 států, které dohromady těží přes 90 % uranu

Uranové rudy se ve velkém množství vyskytují v Kanadě, Austrálii, USA, Nigeru, Nigérii, Kongu, Zairu, Namibii, Gabonu, Rusku, Uzbekistánu , Kazachstánu a Jihoafrické republice. Nové významné ložisko bylo nedávno (oznámeno v roce 2007) objeveno v Guineji.

V Evropě se uran těží nebo těžil v Sasku, v anglickém Cornwallu, v Rumunsku, na Ukrajině a v Česku (viz dál Výskyt, těžba a zpracování v Česku). Probíhají jednání o možné těžbě na Slovensku. Těžba v Evropě však v současnosti z celosvětového hlediska není příliš významná.

Podle ve světe existují hospodářsky využitelné zásoby ve výši mezi 1,73 až 9,4 mil. tun, při připočtení zásob předpokládaných činí celkové zásoby 16,9 mil. tun, při současné spotřebě by tak zásoby vystačily na 260 let; nedostatek uranu se nepředpokládá ani v případě masivního rozvoje jaderné energetiky.

Velikost těžitelných zásob uranu přesahuje 20 Mt, společně s uranem z moří, z hornin a z thoria dosahují těžitelné zásoby dokonce nejméně 160 Mt.

Značné rezervy navíc existují v recyklaci vyhořelého paliva (zásoby by se pomocí recyklace, která se dosud nevyplatí, zvýšily o 1/3) a ve využití rychlých množivých reaktorů. V případě využití rychlých množivých reaktorů by zásoby vystačily na tisíce let.

Velkou výhodou při těžbě uranu je to, že v řadě jeho nalezišť ho je možné těžit současně s jinými surovinami (např. australský megadůl Olympic Dam).

Výskyt v mořské vodě

Uran se vyskytuje rovněž v mořské vodě a to v relativně velké koncentraci kolem 3,3 mikrogramů na litr. Odhaduje se, že v mořské vodě jsou celkově obsaženy 4 miliardy tun uranu, zatím však jeho získávání z vody není efektivní. V sladkovodních vodách je obsah uranu velmi proměnný.

Výskyt v uhlí

Uran je obsažen mimo jiné rovněž v uhlí, což je důvod, proč tepelné elektrárny do prostředí uvolňují celkově mnohem víc radioaktivity než elektrárny jaderné. Z uhlí by dokonce v budoucnu mohla být získávána podstatná část světové spotřeby uranu.

Výskyt, těžba a zpracování v Česku

Pozůstatky hlubinné těžby uranu v okolí Stráže pod Ralskem

V minulosti byla významná těžba v Česku, zde zejména v Jáchymově (do 2. poloviny 20. století zdaleka nejvýznamnější zdroj), v Horním Slavkově, v Příbrami a v křídových pískovcích v okolí Stráže pod Ralskem. V Česku se dosud uranová ruda těží poblíž Dolní Rožínky u Žďáru nad Sázavou, jde o jedinou probíhající těžbu v Evropské unii. Těžba zde byla v květnu 2007 prodloužena na dobu neurčitou, po dobu ekonomické výhodnosti. těžba se v současnosti rozšiřuje.

Australská firma Uran Limited usiluje o získání práv na průzkum uranových ložisek na Jihlavsku Spor o případnou těžbu uranu probíhá také v Podještědí na Liberecku, kde o težbu v ložisku Osečná-Kotel má zájem společnost Urania Mining, jejímž 100% vlastníkem je australská firma Discovery Minerals Pty Ltd. Firma požádala o průzkumné vrty na ložiscích Osečná-Kotel a Ploužnice, ministerstvo životního prostředí sice žádost v květnu 2008 zamítlo, ale firma Urania Limited se odvolala. Na jaře roku 2010 začalo Ministerstvo průmyslu a obchodu opět uvažovat o těžbě uranu v Libereckém kraji. Hlavním důvodem je snížení závislosti na dovozu paliva ze zahraničí. Odpůrci argumentují především nedostatkem zkušeností se sanací uzavřených dolů a tím, že ložiska leží v chráněné krajinné oblasti Jizerské hory.

Hlubinná těžba uranu se v okolí Stráže pod Ralskem prováděla po léta za pomocí vhánění silných kyselin do podzemí, což vedlo ke značnému zamoření podzemních vod. Nyní se po skončení vlastní těžby zamořená podzemní voda odčerpává, aby se chemická kontaminace nešířila do přiléhající zásobárny pitné vody. Těžba zde v současností dobíhá a získávání uranu je vedlejším produktem odstraňování starých škod.

V bývalém Československu se v minulosti zpracovávala uranová ruda v mydlovarském podniku MAPE. Areál bývalé zpracovny představuje jednu z vážných ekologických zátěží v České republice.

Těžba a úprava

Uranová ruda obsahující smolinec se nejprve vylouží kyselinou sírovou, dusičnou nebo chlorovodíkovou. K roztoku se poté k vysrážení hliníku, železa, kobaltu a manganu přidá přebytek Na₂CO₃ a Ca(OH)₂; při tom vzniklý rozpustný uhličitan uranylo-sodný se rozloží kyselinou chlorovodíkovou a uran se vyloučí ze získaného roztoku soli uranylu zaváděním amoniaku jako (NH₄)₂U₂O₇, který se potom žíháním převede na oxid U₃O₈.

Jde-li o rudy obsahující měď a arsen, vylučuje se uran z uhličitanového roztoku po okyselení kyselinou chlorovodíkovou obvykle nejdřív přidáním NaOH jako Na₂U₂O₇. Tato sloučenina se opět rozpustí v kyselině chlorovodíkové a do roztoku se zavádí H₂S, čímž se srazí CuS a As₂S₃. Z filtrátu zbaveného varem sirovodíku se potom při přidání amoniaku vylučuje uran jako (NH₄)₂U₂O₇. Vychází-li se z carnotitu, musí být použito metod, které umožňují dělení vanadu a kyseliny fosforečné od uranu. Také pro zpracování rud na uran se užívá zvláštních postupů, například zahřívání v proudu chloru nebo s jinými chloračními činidly SCl₂, SOCl₂, COCl₂, CCl₄, přičemž uran sublimuje jako UCl₄.

Jak zjistil už Moissan v roce 1883, může se redukce oxidu U₃O₈ na kov provádět zahříváním s uhlím v elektrické obloukové peci, avšak kov připravený touto cestou obsahuje karbid. Příprava čistého kovu je ztížena nejen sklonem uranu tvořit karbidy, ale i jeho velkou afinitou ke kyslíku a dusíku.

Redukce UCl₄ kovovým vápníkem probíhá podle rovnice:

UCl₄ + 2 Ca → U + 2 CaCl₂

Redukce UCl₄ kovovým draslíkem:

UCl₄ + 4 K → U + 4 KCl

Běžný způsob přípravy čistého kovového uranu pro použití v atomových reaktorech je založen na redukci fluoridu uraničitého kovovým vápníkem:

UF₄ + 2 Ca → U + 2 CaF₂

Využití

Z ekonomického a technologického hlediska je důležité především jaderné využití uranu, ostatní možnosti využití jsou spíš vedlejší.

Jaderné využití uranu

Nádoba jaderného reaktoru

obohacení uranu (zvýšení koncentrace izotopu ²³⁵U) používá jako palivo v jaderných reaktorech nebo jako náplň jaderných bomb. Pro využití uranu jako jaderného paliva je nutné zvýšit koncentraci izotopu ²³⁵U z 0,72 % většinou na 2 – 4 %. Pro použití v jaderné bombě je koncentraci třeba zvýšit na hodnotu přes 95 %.

Jako jaderné palivo se dá v tzv. těžkovodních reaktorech využít rovněž přírodní uran, je to však mnohem náročnější, proto se tato možnost zatím v praxi příliš nevyužívá.

Z izotopu ²³⁸U se v rychlých množivých reaktorech dá vyrábět plutonium, zejména štěpitelný izotop ²³⁹Pu. Tento postup se však zatím příliš nepoužívá kvůli vysokým investičním nákladům a vyšší technologické náročnosti.

Štěpitelný je rovněž izotop ²³³U, který lze množit z thoria.

Výhody energetického využívání uranu

Velkou výhodou energetického využívání uranu je skutečnost, že cena samotného uranu tvoří jen malý podíl v nákladech na výrobu elektřiny z něho (v Česku v roce 2009 kolem 17 %), cena elektřiny je dána především náklady na výstavbu elektrárny. K výrobě elektřiny je třeba o několik řádů menší množství jaderného paliva než fosilních paliv, je proto relativně snadné a levné i shromažďování zásob uranu a jeho skladování. To je vlastnost velmi výhodná pro zajištění energetické nezávislosti státu dokonce i v případě, že nemá vlastní zdroje uranu. Na rozdíl od ropy je navíc většina zemí vyvážejících uran politicky stabilní a demokratická.

Nevýhody energetického využívání uranu

Těžba uranu představuje vážný zásah do krajiny, ať už jde o rozsáhlé povrchové doly, hlubinnou těžbu nebo těžbu chemickým loužením (metoda in situ). Ta spočívá v pumpovaní obrovského množství roztoku kyseliny sírové nebo uhličité, případně hydrogenuhličitanu sodného, do podzemí s cílem uran rozpustit a následně jej chemicky extrahovat.

Kromě vlastní devastace těžbou představují problém také vytěžené horniny kontaminované radioaktivním či toxickými rozpadovým produkty. V okolí mnoha uranových dolů došlo ke kontaminaci okolí. V případě špatně provedeného chemického loužení uranu mohou být ohroženy zásoby podzemní vody.

Těžba uranu také ohrožuje zdraví pracovníků, zejména v případě historických špatně větraných hlubinných dolů hrozilo zvýšené riziko rakoviny plic (radon).

Nejaderné využití uranu

Související informace naleznete také v článku Ochuzený uran.

Uranové sklo pod UV zářením

Jako odpad po obohacování uranu zbyde tzv. ochuzený uran (ochuzený proto, že byl zbaven podstatné části izotopu ²³⁵U využitelného jako palivo pro jaderné reaktory). V angličtině se často označuje zkratkou DU (depleted uranium) nebo řidčeji tuballoy.

Uran je pro svou vysokou hustotu využíván všude tam, kde je žádoucí vysoká hmotnost (vyvážení, nutnost dosáhnout vysoké kinetické energie při malém objemu).

Ve starším, ale ještě používaném Boeingu 747 je používán jako vyrovnávací závaží na zádi. Uvádí se, že bylo vyrobeno kolem 600 exemplářů tohoto modelu obsahujícího ochuzený uran, přičemž jednotlivé exempláře obsahují 400 – 600 kg ochuzeného uranu (jiný pramen uvádí dokonce 400 – 1 500 kg). Podobným způsoben je využíván rovněž v amerických letadlech McDonnell Douglas DC-10. Jako zátěž je využíván rovněž v plachetnicích, rotorech gyroskopů, ropných vrtných soupravách, údajně dokonce i ve vozech Formule 1. V některých amerických tancích (např. M1 Abrams) je používán jako součást pancíře. Ochuzený uran může být použit rovněž jako stínění před radioaktivitou.

Sloučeniny hexahydrát diurananu sodného (Na₂U₂O₇.6H₂O) a hexahydrát diurananu draselného (K₂U₂O₇.6H₂O) se dosud označují jako uranová žluť používající se k barvení skla, glazur a porcelánu (barví na žluto až žlutozeleno, přičemž fluoreskuje). Zřejmě se jím však dá barvit i oranžově až rudě. Míra tohoto použití se však v minulosti výrazně snížila. V Česku jsou podle Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (SÚJB) 2 výrobci skla barveného uranem, podle je v Česku vyráběné sklo zdravotně zcela neškodné i při silně konzervativním přístupu hodnocení zdravotního rizika.

Ve fotografii se sloučenin (solí) uranu (např. UO₂(NO₃)₂ – dusičnan uranylu) používá k zesilování negativů, do tónovacích lázní, zesilovač světlotisku. Kvůli chemické toxicitě se dusičnan uranylu používá pro experimentální vyvolání patologického stavu ledvin u pokusných zvířat.

Octan uranylu UO₂(C₂H₃O₂)₂.2H₂O, NaUO₂(C₂H₃O₂) a diuranan amonný (NH₄)₂U₂O₇ má význam v analytické chemii.

Uran s obsahem karbidu je vhodným katalyzátorem pro syntézu amoniaku Haberovým způsobem.

Nejaderné využití ve vojenství

Ochuzený uran se používá jako vysoce průrazný projektil

Využívá se vedle wolframu pro výrobu protipancéřových projektilů (tzv. šípové, přesněji podkaliberní střely – průměr střely je menší než průměr hlavně, ze které je vystřelena). Působí zde sice především vysoká kinetická energie střely, účinek však zesiluje i to, že po průniku projektilu za pancíř se tlakem a třením rozžhavené úlomky uranu vznítí, což zvyšuje ničivý účinek uvnitř obrněného prostoru. Střely z ochuzeného uranu též mají výhodnější mezní úhel, pod kterým se po zásahu do svého opancéřovaného cíle neodrazí.

Je třeba důrazně upozornit na to, že toto použití jako takové nemá absolutně žádnou souvislost s jaderným využíváním uranu pro výrobu nukleárních zbraní. Důvodem je zde pouze vysoká hustota uranu, pevnost srovnatelná s jeho konkurenčním materiálem wolframem, snadná vznětlivost a relativně nízká cena. Přes poměrně nízkou radioaktivitu ²³⁸U však přesto dochází k slabému radioaktivnímu zamoření, míra jeho neškodnosti nebo škodlivosti není dosud dořešena. V posledních letech padlo na Valném shromáždění OSN několik návrhů na prozkoumání účinků zbraní a munice z ochuzeného uranu, které byly přes odpor několika zemí (USA, Izrael, Francie, Česká republika, …) schváleny.

Větší roli přitom hraje ani ne tak radioaktivita ochuzeného uranu (která je nízká, ovšem pokud se dostane dovnitř těla, její účinky jsou vyšší), jako jeho celková toxicita, protože uran stejně jako většina těžkých kovů je pro živé organizmy jedovatý. Jeho velké rozptýlení v prostředí poskytuje možnost dostat se přímo do těla živých organizmů (potravou, pitím nebo vdechnutím).

Tyto střely byly použity spojenci v první válce v Iráku v roce 1991, v Kosovu v roce 1999, pravděpodobně rovněž v Afghánistánu v roce 2001 a od března 2003 i v Iráku během operace Irácká svoboda, kdy bylo podle irácké ministryně zdravotnictví Nermin Othman bombardováním kontaminováno přes 350 míst. Počet rakovinných onemocnění údajně činí 140 tisíc a každý rok je registrováno 7 až 8 tisíc případů rakoviny. Tato data však nebyla potvrzena nezávislými zdroji, naopak podle Světové zdravotnické organizace (WHO) by pro vyvolání rakoviny plic bylo nutné vdechnout velké množství uranového prachu. U jiných typů rakoviny je riziko ještě mnohem menší.

31. října 2007 první výbor OSN schválil většinou hlasů návrh rezoluce požadující přezkoumání zdravotních rizik zbraní používajících ochuzený uran. Pro bylo 122 zemí, proti 6 (včetně Česka, které proti jednáním o omezení zbraňových systémů s ochuzeným uranem hlasovala i 5. prosince).

Obohacený uran a jeho výroba

Pro jaderné využití uranu je vhodný především izotop ²³⁵U s poměrně nízkým zastoupením (okolo 0,73 %) v přírodním uranu. Například pro výrobu paliva pro jaderné reaktory se obvykle používá uran, obsahující kolem 3–4 % ²³⁵U. Při výrobě jaderné zbraně je toto obohacení naprosto nedostatečné. Minimální nutný obsah ²³⁵U zde činí přibližně 90 %, obvykle se však pro konstrukci atomové bomby využívá uran s ještě vyšším stupněm obohacení.

Oddělení hlavních izotopů uranu – ²³⁸U a ²³⁵U je poměrně značně obtížné. Z hlediska chemického chování jsou oba izotopy prakticky identické a i jejich odlišnosti ve fyzikálních vlastnostech jsou velmi malé. Nicméně oba izotopy vykazují poněkud dostatečně odlišné fyzikální vlastnosti, aby je moderními technologiemi bylo možné oddělit.

Mezi základní technologické postupy patří:

Elektromagnetická separace

Calutron, Oak Ridge laboratories

Technické zařízení pro elektromagnetickou separaci se nazývá calutron a jde vlastně o zvětšenou verzi hmotnostního spektrometru. Letící elektricky nabité ionty separovaného materiálu jsou zde oddělovány působením magnetického pole, které zakřivuje jejich dráhu podle hmotnosti příslušné částice. Zařízení poskytuje vynikající separační schopnosti, avšak jeho praktická účinnost je velmi nízká. Je schopno pracovat pouze s velmi nízkými koncentracemi dělených iontů, z nichž je ještě značná část ztracena uvnitř dělicího bloku. Výsledně je pak spotřeba energie, nutná pro výrobu jednotkového množství obohaceného uranu, vyšší než u méně účinných separačních technik, které však vykazují mnohem nižší energetickou náročnost.

Difuze

Rozdílných difuzních koeficientů plynů se často využívá pro oddělování molekul s výrazně odlišnými hmotnostmi. V případě oddělování plynných sloučenin ²³⁸U a ²³⁵U je rozdíl hmotností obou molekul (UF₆) velmi malý a pro dosažení vysokého stupně separace je třeba tento postup opakovat až několika tisícinásobně. Provozní zařízení pak obsahuje stovky kaskád jednotlivých separačních stupňů, kdy v každém z nich prochází dělený plyn porézní přepážkou, která zpomaluje těžší molekuly a lehčí tak postupují kaskádou o něco málo rychleji. Tato technika byla použita například pro přípravu štěpného materiálu pro výrobu první atomové bomby na světě v USA.

Obdobně lze využít i rozdílu difuzních koeficientů molekul rozpuštěných v kapalině. Platí zde obdobné závislosti jako pro difuzi v plynech a hlavním ekonomickým problémem pro separaci uranu je v tomto případě mimořádná energetická náročnost, protože navržené technologie bylo nutno provozovat za poměrně vysokých teplot.

Centrifugální separace

Kaskády plynových centrifug slouží k obohacení uranové rudy

V centrifuze o vysokých otáčkách dochází k dělení molekul podle jejich hmotnosti na základě rozdílného momentu hybnosti pohybujících se částic. Tento systém pracuje poměrně efektivně i pro poměrně hmotné částice s pouze mírně odlišnými hmotami a jeho účinnost je závislá především na rychlosti otáčení centrifugy.

Pro dělení izotopů uranu se tento systém prakticky výlučně prosadil v 70. letech 20. století a je dnes hlavním průmyslovým zdrojem obohaceného uranu. Dříve se obvykle používaly rotačky s ocelovými lopatkami, dosahujícími rychlosti kolem 330 m/s (rychlost zvuku), v současné době se prosazují materiály z uhlíkových vláken s rychlostí 600 m/s a teoretické možnosti využití vlastností Kevlaru dávají předpoklad dosáhnout až 1 100 m/s.

Pro výrobu kvalitního štěpného materiálu je stále nezbytné použití kaskád odstředivek v řádu několika stovek až tisíc kusů, přesto je energetická náročnost procesu výrazně nižší, než při difuzním dělení izotopů.

Ionizace laserem

Princip metody spočívá ve skutečnosti, že velmi jemně naladěný laser může svým zářením excitovat pouze plynné atomy jednoho izotopu děleného prvku, zatímco zbývající izotopy zůstávají v základním stavu. Ionizované izotopy potom lze oddělit elektromagneticky nebo po reakci s nějakou chemickou látkou.

Tato teoreticky perspektivní technika je v současné době testována pouze v laboratorním měřítku a nikdy nebyla použita pro skutečnou separaci izotopů uranu v makroměřítku. Základním problémem je přitom skutečnost, že energetické rozdíly potřebné pro vybuzení dvou podobných izotopů jednoho prvku jsou velmi malé a je technicky obtížné vyladit laser do takového stavu, aby excitoval přednostně pouze vybraný izotop. Zkráceně se metoda označuje jako AVLIS (atomic vapor laser isotope separation).

Jedná-li se o molekuly UF₆, tak se metoda označuje MLIS (molecular laser isotope separation) či SILEX (Separation of Isotopes by Laser Excitation).

Související články

• Aktiniová rozpadová řada
• Plutonium
• Thorium
• MOX

Literatura

• Cotton F.A., Wilkinson J.:Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973
• Holzbecher Z.:Analytická chemie, SNTL, Praha 1974
• Dr. Heinrich Remy, Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961
• N. N. Greenwood – A. Earnshaw, Chemie prvků 1. díl, 1. vydání 1993 ISBN 80-85427-38-9

Externí odkazy

• (česky) Zásoby uranu – krátký rozbor na priroda.cz
• (česky) URAN – bude se u nás znovu těžit? Sdružení Calla, 2008, ISBN 978-80-903910-5-5 (ke stažení v PDF)
• (česky) Jan Lukšík: Bude dost uranu pro všechny?, 22.9.2006, 21stoleti.cz
• (česky) Zásoby uranu v Rusku na rusnuclear.cz
• (německy) Minerály uranu

Šablona:Tabulka prvků