Könyvespolc

4.2. Fizikai, kémiai és radiológiai tulajdonságok

A nukleáris üzemanyagciklus és a védelmi programok szempontjából fontos urán és uránvegyületek fizikai tulajdonságait a 4-2. táblázat tartalmazza. A természetben előforduló uránizotópok százalékos előfordulását és radioaktív tulajdonságait a 4-3. táblázat tartalmazza. A természetben előforduló uránizotópok két bomlási sorozatát a 4-4. táblázat tartalmazza.

Metallurgiai szempontból az uránfém három allotróp formában létezhet: orthorombos, tetragonális vagy testközpontú köbös formában (Lide 2008), és más fémekkel ötvözhető, hogy szerkezeti és fizikai tulajdonságait az alkalmazásnak megfelelően megváltoztassák. Az alumíniumfémporhoz hasonlóan az uránfémpor is autopiroforikus, és levegő, oxigén és víz jelenlétében szobahőmérsékleten spontán éghet. Ugyanígy az ömlesztett fém felülete, amikor először kerül a légkörbe, gyorsan oxidálódik, és egy vékony UO2 felületi réteget hoz létre, amely ellenáll az oxigén behatolásának, és megvédi a belső fémet az oxidációtól. 200-400°C-os hőmérsékleten az uránpor CO2 és N2 atmoszférában öngyulladásra képes. Az öngyulladás megelőzése érdekében az urán megmunkálási forgácsokat nyitott tartályokban és gépolaj vagy víz alatt lehet tárolni, hogy megakadályozzák a hidrogéngáz felhalmozódását. Az égő uránt víz alá lehet helyezni, amíg el nem olvad, ami késleltethető a víz hidrolízisével, amely némi oxigént és hidrogént biztosít a további égéshez. A vízpermet, a CO2 és a halon hatástalan, a halonkisülés pedig robbanásveszélyes lehet és mérgező gázokat termelhet (DOE 2001).

Az urán öt oxidációs állapotban létezhet: +2, +3, +4, +5 és +6 (Lide 2008); azonban csak a +4 és +6 állapotok elég stabilak ahhoz, hogy gyakorlati jelentőséggel bírjanak. A négyértékű urán meglehetősen stabil, és alacsony oldhatóságú hidroxidokat, hidratált fluoridokat és foszfátokat képez. A hatvegyértékű urán a legstabilabb állapot, és a leggyakrabban előforduló állapot az U3O8, bár az Egyesült Államokban van néhány helyi tárolóhely az antropogén urán-hexafluorid (UF6) számára (DOE 2011a). Az urán főbb vegyületei közé tartoznak az oxidok, fluoridok, karbidok, nitrátok, kloridok, acetátok és mások. Az UO2+2 ionok egyik jellemzője, hogy ultraibolya fényben képesek fluoreszkálni.

Bár az urán elemet 1789-ben Klaproth fedezte fel, aki az újonnan felfedezett Uránusz bolygó után “urániumnak” nevezte el, Becquerel csak 1896-ban fedezte fel, hogy az urán radioaktív. Az uránnak 22 ismert izotópja van, amelyek közül csak 3 fordul elő a természetben (NNDC 2011). E három izotóp, a 234U, a 235U és a 238U relatív tömeggyakorisága a földkéreg érintetlen kőzetében 0,005, 0,72 és 99,275%. Az ilyen relatív izotópbőségű természetes urán egy grammjának aktivitása 0,69 µCi. Ebből a 0,69 µCi aktivitásból 49,0% a 234U-nak, 2,27% a 235U-nak és 48,7% a 238U-nak tulajdonítható (Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2011). Ez az arány csak a bolygatatlan földkéreg kőzetekre vonatkozik. Bár a 234U relatív tömeggyakorisága csak 0,005%, a teljes aktivitásnak körülbelül a felét adja. A fent megadott relatív izotópszámokat bizonyos mértékig megváltoztathatják olyan természetes folyamatok, amelyek nem teljesen ismertek, de amelyek eltérő arányokat okozhatnak a levegőben, a vízben és a talajban, amint azt az EPA jelentései (EPA 1994a, 2007) bizonyítják.

A235U izotóp különösen érdekes, mivel hasadó (hasadásra képes), és következésképpen megfelelő energiájú neutronok jelenlétében nukleáris láncreakciót képes fenntartani. A természetben előforduló urán uralkodó izotópja, a 238U nem könnyen hasadó, de átalakulásainak egy kis része a tipikus alfa-bomlás helyett spontán hasadáshoz vezet; ezek a neutronok megfelelő koncentráció, tömeg és neutronhőmérséklet mellett elegendőek lehetnek egy láncreakció beindításához. Következésképpen ahhoz, hogy az uránt üzemanyagként lehessen használni az atomreaktorokban, a 235U és 238U arányát 0,72-ről 2-4%-ra kell növelni egy dúsításnak nevezett eljárással. Az Egyesült Államokban leginkább használt dúsítási eljárást gázdiffúziónak nevezik, de más, termikus, centrifugás és lézeres módszerekkel végzett dúsítási eljárások is alkalmazhatók, és más országok is aktívan részt vesznek a dúsított urán előállításában. Az uránércet uránoxiddá (U3O8) dolgozzák fel, majd UF6-á fluorozzák; ezután a mindhárom izotópos vegyületet tartalmazó UF6 gázáramot diffúziós szakaszok hosszú sorozatán vezetik át, amelyeken a 234U és 235U gyorsabban halad át, mint a 238U. Így az áram elülső végén a 235U koncentrációja megnövekedett, és azt dúsított urán-hexafluoridnak, míg az áram hátsó végén a 235U koncentrációja csökkent, és azt szegényített urán-hexafluoridnak nevezik. A százalékos dúsítás a 235U tömegszázaléka a végtermékben, és a dúsítás mértékét a felhasználás határozza meg. A dúsított UF6-ot jellemzően uránfémdé vagy -oxiddá alakítják át erőművi reaktorok üzemanyagául, vagy fémmé fegyveres alkalmazásokhoz. A szegényített UF6-ot vagy uránfémmé alakítják át különböző polgári és katonai célokra, vagy tárolják későbbi felhasználásra. Az alacsony dúsítású uránt (2-4%-os dúsítású) polgári atomerőművi reaktorokban használják (DOE 2000), míg a magas dúsítású uránt (>90%-os dúsítású) speciális kutatóreaktorokban (amelyek többségét már kivonták a forgalomból), atom-tengeralattjárók reaktormagjaiban és nukleáris fegyverekben. A szegényített uránfémet sugárzásvédőként, rakétalövedékként, plutóniumot előállító reaktorok célelemeként, giroszkóp-alkatrészként és repülőgépek ellensúlyaként vagy stabilizátoraként használják.

Az urán folyamatosan átalakul a bomlási folyamat révén, amelynek során energiát szabadít fel, hogy végül stabil vagy nem radioaktív elemmé váljon. Az uránizotópok esetében ez egy összetett folyamat, amely a bomlástermékek, az úgynevezett utódok láncolatának sorozatos keletkezésével jár, amíg egy végső stabil elem nem keletkezik. Az uránizotópok bomlástermékei, amelyek szintén radioaktívak, a 4-4. táblázatban láthatók. A 238U az urán sorozat szülőizotópja (a 234U a 238U bomlásterméke), míg a 235U az aktínium bomlási sorozat szülőizotópja. Az összes természetes uránizotóp és néhány utódja alfa-részecskék kibocsátásával bomlik; mindkét sorozat többi tagja béta-részecskék és gamma-sugárzás kibocsátásával bomlik (NNDC 2011). Mind az urán, mind az aktínium bomlási sorozata három közös jellemzővel rendelkezik. Mindegyik sorozat egy hosszú élettartamú szülőanyaggal, a 235U-val vagy 238U-val kezdődik, mindegyik sorozat tartalmazza a radon nemesgáz egy izotópját, és mindegyik sorozat az ólom egy stabil izotópjával, a 207Pb-vel vagy 206Pb-vel végződik.

A radionuklid atomjainak felének átalakulásához szükséges időtartamot radioaktív felezési idejének nevezzük. A bomlási sebesség és így a felezési idő minden egyes radionuklid esetében egyedi. A 238U felezési ideje nagyon hosszú, 4,5×109 év; a 235U és a 234U felezési ideje nagyságrendekkel alacsonyabb, 7,0×108, illetve 2,5×105 év. Mivel egy adott tömegű urán aktivitása az egyes izotópok tömegétől és felezési idejétől függ, minél nagyobb a gyorsabban bomló 234U és 235U relatív mennyisége, annál nagyobb lesz az aktivitás. Így a szegényített urán kevésbé radioaktív, mint a természetes urán, a dúsított urán pedig radioaktívabb.

Az urán szokatlan az elemek között, mert egyszerre kémiai és radioaktív anyag. Az uránnal kapcsolatos veszélyek az urán kémiai és fizikai formájától, a bevitel módjától és a dúsítás szintjétől függnek. Az urán kémiai formája határozza meg az urán oldhatóságát és így a testnedvekben való szállíthatóságát, valamint a szervezetben és a különböző szervekben való megmaradását. Az urán kémiai toxicitása a legfőbb egészségügyi probléma, mivel az oldható uránvegyületek nehézfémkárosodást okoznak a veseszövetben. Az urán radiológiai veszélyei akkor jelenthetnek elsődleges aggodalmat, ha a belélegzett, dúsított (DOE 2001) és oldhatatlan uránvegyületek hosszú távon megmaradnak a tüdőben és a kapcsolódó nyirokerekben.