Bookshelf

4.2. WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE, CHEMICZNE I RADIOLOGICZNE

Właściwości fizyczne uranu i związków uranu ważnych w jądrowym cyklu paliwowym i programach obronnych wymieniono w tabeli 4-2. Procentowe występowanie i właściwości promieniotwórcze naturalnie występujących izotopów uranu podano w tabeli 4-3. Dwie serie rozpadu naturalnie występujących izotopów uranu przedstawiono w tabeli 4-4.

Metalurgicznie, uran metaliczny może występować w trzech formach alotropowych: ortohombicznej, tetragonalnej lub sześciennej ze środkiem ciężkości (Lide 2008) i może być stopiony z innymi metalami w celu zmiany jego właściwości strukturalnych i fizycznych, aby dopasować go do danego zastosowania. Podobnie jak proszek aluminiowy, proszek uranu jest autopiroforyczny i może palić się samoistnie w temperaturze pokojowej w obecności powietrza, tlenu i wody. W ten sam sposób, powierzchnia metalu luzem, gdy po raz pierwszy narażone na działanie atmosfery, szybko utlenia się i wytwarza cienką warstwę powierzchniową UO2, który opiera się penetracji tlenu i chroni wewnętrzny metal przed utlenianiem. W temperaturze 200-400°C proszek uranowy może ulec samozapłonowi w atmosferze CO2 i N2. Aby zapobiec samozapłonowi, uranowe wióry obróbkowe można przechowywać w otwartych pojemnikach i pod olejem maszynowym lub wodą, aby zapobiec gromadzeniu się wodoru. Płonący uran można umieścić pod wodą aż do ugaszenia, co może być opóźnione przez hydrolizę wody, która dostarcza pewną ilość tlenu i wodoru do dalszego spalania. Rozpylanie wody, CO2 i halon są nieskuteczne, a wydzielanie halonu może być wybuchowe i wytwarzać toksyczne gazy (DOE 2001).

Uran może występować w pięciu stanach utlenienia: +2, +3, +4, +5, i +6 (Lide 2008); jednak tylko stany +4 i +6 są wystarczająco stabilne, aby mieć znaczenie praktyczne. Uran czterowalentny jest dość stabilny i tworzy wodorotlenki, uwodnione fluorki i fosforany o niskiej rozpuszczalności. Uran sześciowartościowy jest najbardziej stabilnym stanem i najczęściej występującym stanem jest U3O8, chociaż w Stanach Zjednoczonych istnieje kilka miejsc składowania antropogenicznego sześciofluorku uranu (UF6) (DOE 2011a). Do głównych związków uranu należą tlenki, fluorki, węgliki, azotany, chlorki, octany i inne. Jedną z cech jonów UO2+2 jest ich zdolność do fluorescencji w świetle ultrafioletowym.

Ale pierwiastek uran został odkryty w 1789 r. przez Klaprotha, który nazwał go „uranem” po nowo odkrytej planecie Uran, dopiero w 1896 r. Becquerel odkrył, że uran jest radioaktywny. Istnieją 22 znane izotopy uranu, z których tylko 3 występują naturalnie (NNDC 2011). Te trzy izotopy, 234U, 235U i 238U, mają względne liczebności masowe w niezakłóconej skorupie ziemskiej wynoszące odpowiednio 0,005, 0,72 i 99,275%. Jeden gram naturalnego uranu o takiej względnej liczebności izotopowej ma aktywność 0,69 µCi. Z tych 0,69 µCi 49,0% aktywności przypada na 234U, 2,27% aktywności przypada na 235U, a 48,7% aktywności przypada na 238U (Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2011). Stosunek ten dotyczy tylko niezakłóconej skały skorupowej. Chociaż względna obfitość masowa 234U wynosi tylko 0,005%, odpowiada ona za około połowę całkowitej aktywności. Względne obfitości izotopowe podane powyżej mogą być zmienione do pewnego stopnia przez naturalne procesy, które nie są w pełni zrozumiałe, ale które mogą powodować różne proporcje w powietrzu, wodzie i glebie, jak wykazano w raportach EPA (EPA 1994a, 2007).

235U jest izotopem o szczególnym znaczeniu, ponieważ jest rozszczepialny (zdolny do rozszczepienia), a w konsekwencji może podtrzymywać jądrową reakcję łańcuchową w obecności neutronów o odpowiedniej energii. Dominujący izotop uranu występujący w przyrodzie, 238U, nie jest łatwo rozszczepialny, ale niewielka część jego przemian prowadzi do spontanicznego rozszczepienia, a nie do typowego rozpadu alfa; neutrony te mogą być wystarczające do zainicjowania reakcji łańcuchowej przy odpowiednim stężeniu, masie i warunkach termalizacji neutronów. W związku z tym, aby uran mógł być stosowany jako paliwo w reaktorach jądrowych, stosunek 235U do 238U jest zwiększany z 0,72 do 2-4% w procesie zwanym wzbogacaniem. Proces wzbogacania najczęściej stosowany w Stanach Zjednoczonych nosi nazwę dyfuzji gazowej, ale możliwe jest zastosowanie innych procesów wzbogacania z wykorzystaniem metod termicznych, wirówkowych i laserowych, a inne kraje są aktywnie zaangażowane w produkcję wzbogaconego uranu. Rudę uranu przerabia się na tlenek uranu (U3O8), a następnie fluoryzuje do UF6; następnie strumień gazu UF6 zawierającego wszystkie trzy związki izotopowe przepuszcza się przez długi szereg stopni dyfuzyjnych, przez które 234U i 235U przechodzą szybciej niż 238U. W ten sposób przednia część strumienia ma zwiększoną koncentrację 235U i jest nazywana wzbogaconym sześciofluorkiem uranu, podczas gdy tylna część strumienia ma zmniejszoną koncentrację 235U i jest nazywana zubożonym sześciofluorkiem uranu. Procent wzbogacenia jest miarą procentowej zawartości masy 235U w produkcie końcowym, a stopień wzbogacenia określa się w zależności od zastosowania. Wzbogacony UF6 jest zwykle przerabiany na uran metaliczny lub tlenkowy do paliwa do reaktorów energetycznych lub na metal do zastosowań w broni. Zubożony UF6 jest albo przetwarzany na uran metaliczny do różnych zastosowań cywilnych i wojskowych, albo przechowywany w celu przyszłego wykorzystania. Nisko wzbogacony uran (wzbogacony o 2-4%) jest używany w cywilnych jądrowych reaktorach energetycznych (DOE 2000), natomiast wysoko wzbogacony uran (wzbogacony o >90%) jest używany w specjalnych reaktorach badawczych (z których większość została wycofana z eksploatacji), rdzeniach reaktorów atomowych okrętów podwodnych oraz w broni jądrowej. Metal uranu zubożonego jest stosowany jako osłona przed promieniowaniem, pociski rakietowe, elementy docelowe w reaktorach do produkcji plutonu, element żyroskopów oraz przeciwwagi lub stabilizatory w samolotach.

Uran stale ulega przemianie w procesie rozpadu, w którym uwalnia energię, aby ostatecznie stać się stabilnym lub nieradioaktywnym pierwiastkiem. W przypadku izotopów uranu jest to złożony proces obejmujący seryjne wytwarzanie łańcucha produktów rozpadu, zwanych potomstwem, aż do powstania ostatecznego stabilnego pierwiastka. Produkty rozpadu izotopów uranu, które również są promieniotwórcze, przedstawiono w tabeli 4-4. 238U jest izotopem macierzystym szeregu uranowego (234U jest produktem rozpadu 238U), natomiast 235U jest izotopem macierzystym szeregu rozpadu aktynu. Wszystkie naturalne izotopy uranu i niektóre z ich potomstwa rozpadają się poprzez emisję cząstek alfa; pozostali członkowie obu serii rozpadają się poprzez emisję cząstek beta i promieni gamma (NNDC 2011). Zarówno serie rozpadu uranu, jak i aktynu mają trzy cechy wspólne. Każda seria zaczyna się od długożyciowego rodzica, 235U lub 238U, każda seria zawiera izotop gazu szlachetnego radonu, a każda seria kończy się stabilnym izotopem ołowiu, 207Pb lub 206Pb.

Czas potrzebny na przemianę jednej połowy atomów radionuklidu nazywa się jego radioaktywnym okresem połowicznego zaniku. Szybkość rozpadu, a tym samym okres półtrwania, dla każdego radionuklidu jest unikalny. Okres połowicznego rozpadu 238U jest bardzo długi i wynosi 4,5×109 lat; okresy połowicznego rozpadu 235U i 234U są o rząd wielkości krótsze i wynoszą odpowiednio 7,0×108 i 2,5×105 lat. Ponieważ aktywność danej masy uranu zależy od masy i czasu połowicznego rozpadu każdego z obecnych w niej izotopów, im większa względna obfitość szybciej rozpadających się 234U i 235U, tym wyższa będzie aktywność. Tak więc uran zubożony jest mniej radioaktywny niż uran naturalny, a uran wzbogacony jest bardziej radioaktywny.

Uran jest nietypowy wśród pierwiastków, ponieważ jest zarówno materiałem chemicznym, jak i radioaktywnym. Zagrożenia związane z uranem zależą od jego formy chemicznej i fizycznej, drogi pobrania i poziomu wzbogacenia. Postać chemiczna uranu określa jego rozpuszczalność, a tym samym zdolność do przenoszenia się w płynach ustrojowych, a także zatrzymywanie w organizmie i różnych organach. Toksyczność chemiczna uranu stanowi główny problem zdrowotny, ponieważ rozpuszczalne związki uranu powodują uszkodzenie tkanek nerek przez metale ciężkie. Zagrożenia radiologiczne związane z uranem mogą być głównym problemem, gdy wdychane, wzbogacone (DOE 2001) i nierozpuszczalne związki uranu są zatrzymywane na długo w płucach i związanych z nimi układach limfatycznych.

.