Bookshelf

4.2. FYZIKÁLNÍ, CHEMICKÉ A RADIOLOGICKÉ VLASTNOSTI

Fyzikální vlastnosti uranu a jeho sloučenin důležité pro jaderný palivový cyklus a obranné programy jsou uvedeny v tabulce 4-2. Procentuální výskyt a radioaktivní vlastnosti přirozeně se vyskytujících izotopů uranu jsou uvedeny v tabulce 4-3. Dvě rozpadové řady přirozeně se vyskytujících izotopů uranu jsou uvedeny v tabulce 4-4.

Metalurgicky může kovový uran existovat ve třech alotropických formách: orthorombické, tetragonální nebo tělesově centrované kubické (Lide 2008) a může být legován s jinými kovy, aby se změnily jeho strukturní a fyzikální vlastnosti podle použití. Stejně jako kovový prášek hliníku je i kovový prášek uranu autopyroforický a může samovolně hořet při pokojové teplotě v přítomnosti vzduchu, kyslíku a vody. Stejným způsobem povrch sypkého kovu při prvním vystavení atmosféře rychle oxiduje a vytváří tenkou povrchovou vrstvu UO2, která odolává pronikání kyslíku a chrání vnitřní kov před oxidací. Při teplotách 200-400 °C se může uranový prášek v atmosféře CO2 a N2 samovznítit. Aby se zabránilo samovznícení, lze třísky pro obrábění uranu skladovat v otevřených nádobách a pod strojním olejem nebo vodou, aby se zabránilo hromadění plynného vodíku. Hořící uran může být umístěn pod vodou až do uhašení, které může být zpožděno hydrolýzou vody, která poskytuje určité množství kyslíku a vodíku pro pokračování hoření. Vodní sprej, CO2 a halon jsou neúčinné a vypouštění halonu může být výbušné a produkovat toxické plyny (DOE 2001).

Uran může existovat v pěti oxidačních stavech: +2, +3, +4, +5 a +6 (Lide 2008); pouze stavy +4 a +6 jsou však dostatečně stabilní, aby měly praktický význam. Tetravalentní uran je poměrně stabilní a tvoří hydroxidy, hydratované fluoridy a fosforečnany s nízkou rozpustností. Šestimocný uran je nejstabilnějším stavem a nejčastěji se vyskytujícím stavem je U3O8, i když ve Spojených státech existuje několik lokalizovaných skladů antropogenního hexafluoridu uranu (UF6) (DOE 2011a). Mezi hlavní sloučeniny uranu patří oxidy, fluoridy, karbidy, dusičnany, chloridy, octany a další. Jednou z vlastností iontů UO2+2 je jejich schopnost fluoreskovat pod ultrafialovým světlem.

Přestože prvek uran objevil v roce 1789 Klaproth, který jej pojmenoval „uran“ podle nově objevené planety Uran, teprve v roce 1896 Becquerel zjistil, že uran je radioaktivní. Je známo 22 izotopů uranu, z nichž pouze 3 se vyskytují v přírodě (NNDC 2011). Tyto tři izotopy, 234U, 235U a 238U, mají relativní hmotnostní zastoupení v neporušených horninách zemské kůry 0,005, 0,72 a 99,275 %. Jeden gram přírodního uranu s tímto relativním zastoupením izotopů má aktivitu 0,69 µCi. Z těchto 0,69 µCi připadá 49,0 % aktivity na 234U, 2,27 % aktivity na 235U a 48,7 % aktivity na 238U (Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2011). Tento poměr platí pouze pro neporušené horniny zemské kůry. Přestože relativní hmotnostní zastoupení 234U je pouze 0,005 %, připadá na něj přibližně polovina celkové aktivity. Výše uvedené relativní hmotnostní zastoupení izotopů může být do jisté míry změněno přírodními procesy, které nejsou zcela pochopeny, ale které mohou způsobit rozdílné poměry ve vzduchu, vodě a půdě, jak ukazují zprávy EPA (EPA 1994a, 2007).

235U je izotop zvláště zajímavý, protože je štěpný (schopný štěpení), a proto může udržovat jadernou řetězovou reakci za přítomnosti neutronů s odpovídající energií. Převažující izotop uranu vyskytující se v přírodě, 238U, není snadno štěpný, ale malá část jeho přeměn vede ke spontánnímu štěpení namísto typického rozpadu alfa; tyto neutrony mohou být dostatečné k zahájení řetězové reakce za vhodných podmínek koncentrace, hmotnosti a termalizace neutronů. Proto, aby mohl být uran používán jako palivo v jaderných reaktorech, zvyšuje se poměr 235U a 238U z 0,72 na 2-4 % procesem zvaným obohacování. Proces obohacování, který se nejčastěji používá ve Spojených státech, se nazývá plynná difúze, ale lze použít i jiné procesy obohacování zahrnující tepelné, odstředivé a laserové metody a do výroby obohaceného uranu se aktivně zapojují i další země. Uranová ruda se zpracovává na oxid uraničitý (U3O8) a poté se fluoruje na UF6; poté proud plynného UF6 obsahujícího všechny tři izotopické sloučeniny prochází dlouhou řadou difúzních stupňů, kterými 234U a 235U procházejí rychleji než 238U. Přední část proudu má tedy zvýšenou koncentraci 235U a nazývá se obohacený hexafluorid uranu, zatímco zadní část proudu má sníženou koncentraci 235U a nazývá se ochuzený hexafluorid uranu. Procento obohacení je mírou hmotnostního procenta 235U v konečném produktu a stupeň obohacení se určuje podle použití. Obohacený UF6 se obvykle přeměňuje na kovový uran nebo oxid uranu pro palivo energetických reaktorů nebo na kov pro použití ve zbraních. Ochuzený UF6 se buď přeměňuje na kovový uran pro různé civilní a vojenské aplikace, nebo se skladuje pro budoucí použití. Nízko obohacený uran (2-4 % obohacení) se používá v civilních jaderných energetických reaktorech (DOE 2000), zatímco vysoce obohacený uran (>90 % obohacení) se používá ve speciálních výzkumných reaktorech (z nichž většina byla vyřazena z provozu), v jádrech reaktorů jaderných ponorek a v jaderných zbraních. Kovový ochuzený uran se používá jako radiační stínění, střely pro řízené střely, cílové prvky v reaktorech na výrobu plutonia, součást gyroskopů a protizávaží nebo stabilizátory v letadlech.

Uran neustále prochází přeměnou v procesu rozpadu, při kterém uvolňuje energii, aby se nakonec stal stabilním nebo neradioaktivním prvkem. V případě izotopů uranu se jedná o složitý proces zahrnující sériovou produkci řetězce produktů rozpadu, tzv. potomků, až do vzniku konečného stabilního prvku. Produkty rozpadu izotopů uranu, které jsou rovněž radioaktivní, jsou uvedeny v tabulce 4-4. 238U je mateřským izotopem uranové řady (234U je produktem rozpadu 238U), zatímco 235U je mateřským izotopem rozpadové řady aktinia. Všechny izotopy přírodního uranu a některé jejich potomci se rozpadají emisí částic alfa; ostatní členové obou řad se rozpadají emisí částic beta a záření gama (NNDC 2011). Rozpadové řady uranu i aktinia mají tři společné rysy. Každá řada začíná dlouho žijícím mateřským prvkem, 235U nebo 238U, každá řada obsahuje izotop vzácného plynu radonu a každá řada končí stabilním izotopem olova, 207Pb nebo 206Pb.

Čas potřebný k přeměně poloviny atomů radionuklidu se nazývá jeho radioaktivní poločas rozpadu. Rychlost rozpadu, a tedy poločas rozpadu, je pro každý radionuklid jedinečná. Poločas rozpadu 238U je velmi dlouhý, 4,5×109 let; poločasy rozpadu 235U a 234U jsou řádově nižší, 7,0×108 a 2,5×105 let. Protože aktivita dané hmotnosti uranu závisí na hmotnosti a poločasu rozpadu každého přítomného izotopu, čím větší je relativní množství rychleji se rozpadajících izotopů 234U a 235U, tím vyšší je aktivita. Ochuzený uran je tedy méně radioaktivní než přírodní uran a obohacený uran je radioaktivnější.

Uran je mezi prvky neobvyklý, protože je zároveň chemickým i radioaktivním materiálem. Nebezpečí spojená s uranem závisí na jeho chemické a fyzikální formě, způsobu příjmu a úrovni obohacení. Chemická forma uranu určuje jeho rozpustnost, a tím i transportovatelnost v tělesných tekutinách a zadržování v těle a různých orgánech. Chemická toxicita uranu představuje hlavní zdravotní problém, protože rozpustné sloučeniny uranu způsobují poškození tkáně ledvin těžkými kovy. Radiologická nebezpečnost uranu může být hlavním problémem, pokud se vdechnuté, obohacené (DOE 2001) a nerozpustné sloučeniny uranu dlouhodobě zadržují v plicích a přidružených lymfatikách.

.