Izotopy wokół nas - uran-238

Pamiętacie może ten odcinek "Zwariowanych Melodii" (Looney Tunes) pt. "Show biz Bugs (1957), w którym Królik Bugs i Kaczor Daffy rywalizują na scenie teatru? Występy Bugsa spotykają się z aplauzem, popisy Daffy'ego - pustą widownią lub rzutem pomidorem. Zdesperowany kaczor sięga po swój numer zarezerwowany na szczególną okazję. Połyka różne materiały wybuchowe, aby na koniec połknąć zapaloną zapałkę. Wśród tychże materiałów jest benzyna, proch, nitrogliceryna oraz... uran-238. Tak, 238! Już wtedy, jak to oglądałem w podstawówce, wiedziałem, że coś tu nie gra.

Przecież materiałem rozszczepialnym stosowanym w produkcji bomb jądrowych jest pluton-239, otrzymywany w reaktorach powielających przez bombardowanie neutronami uranu-238. Jeśli już upieramy się na uran (jak w bombie Little Boy, zrzuconej na Hiroszimę), to jest to uran-235, zawarty w uranie naturalnym w ilości zaledwie 0,7 %. Uran-238 stanowi pozostałe 99 % uranu naturalnego i nie nadaje się do lawinowej reakcji rozszczepialnej, choć bywa stosowany w tzw. bombach trójstopniowych, ale o tym za chwilę. Oddzielanie uranu-235 od 238, czyli jego wzbogacanie, było skomplikowanym, energochłonnym i wielostopniowym procesem, a technologia ściśle reglamentowana. Podejrzewam, że ktoś nie zadbał o ten detal nieistotny dla większości widzów, bo nie sądzę, że miało to na celu ukrycie tajników amerykańskiego programu nuklearnego, wystarczająco zinfiltrowanego przez radzieckich szpiegów. Swoją drogą, odcinek ten był wielokrotnie cenzurowany - w zależności od dystrybutora usuwano bądź poszczególne materiały, które połykał Daffy, bądź scenę z połykaniem zapałki (eksplozja następowała od wstrząsów).

Po tym nerdowskim wstępie (wiem, wiem, musieli mnie lubić) przyjrzyjmy się bliżej temu najcięższemu z występujących naturalnie pierwiastków.

***

Gęstość uranu wynosi 19 g/cm3, jest więc znacznie większa niż ołowiu (11,3) i rtęci (13,6).  Występuje w skałach, głównie w granicie, w wodzie morskiej, a także w śladowych ilościach w ludzkim ciele. Głównymi minerałami są blenda smolista, uraninit i karnotyt. Uran był stosowany do barwienia szkła już w I w. n.e., - w 1911 r. koło Neapolu odkryto taką oto mozaikę zawierającą 1,25% oktatlenku triuranu (U3O8):

Źródło - artykuł wraz ze szczegółową analizą - http://www.arche-kurzmann.de/P%203%20Antique%20Non-Roman%20Glass%20Mosaic%20in%20Italy.htm

Następnie technologia barwienia szkła uranem została zapomniana, a rudy uranu traktowano jako odpad w kopalniach srebra i innych metali. Rozpoczęcie produkcji szkła uranowego w XIX w. spowodowało, że uran stał się cennym surowcem. Stosowano go również do barwienia glazury pokrywającej wyroby ceramiczne, gdy odkryto, że odpady z kopalni składowane na hałdach zaczynały z biegiem czasu nabierać żywych barw. Do tej pory można trafić na ceramikę barwioną na różne odcienie pomarańczu, żółci, brązu czy zieleni.

W odpadach pozostałych po oddzieleniu uranu Maria Skłodowska-Curie i jej mąż Piotr odkryli dwa silnie promieniotwórcze pierwiastki - rad i polon. Odpady te otrzymano z kopalni w Jachymowie na terenie obecnych Czech - wówczas Austro-Węgier. Maria i Piotr zauważyli, że syntetyczny tlenek uranu jest mniej radioaktywny niż naturalny, zatem musi być w nim jeszcze jakiś składnik.

***

Odkrycie rozszczepienia jądra atomu uranu spowodowało] że stał się pierwiastkiem niezwykle poszukiwanym, a jego zasoby zyskały znaczenie strategiczne, zarówno podczas II wojny światowej, jak i w okresie zimnej wojny. Wymagało to jednak wzbogacenia naturalnego uranu w izotop U-235. Izotop ten różni się wieloma właściwościami od U-238, przede wszystkim znacznie większą aktywnością właściwą oraz zdolnością do rozszczepienia za pomocą neutronów termicznych, czyli spowolnionych. Różnice występują też w masie, co umożliwiało rozdzielanie izotopów w wirówkach, metodą termodyfuzji czy w separatorach magnetycznych.

Separator elektromagnetyczny Y-12 działający w ramach Projektu Manhattan (źródło).

Uran naturalny, z  którego usunięto większość zawartości U-235, to tzw. uran zubożony. Jego aktywność wynosi w przybliżeniu czterokrotność tła naturalnego i jest o połowę mniejsza niż uranu naturalnego. Nie powoduje zatem istotnego zagrożenia jeżeli chodzi o napromieniowanie zewnętrzne, choć dozymetr wykazuje wzrost wskazań. Uran zubożony zastąpił naturalny w większości zastosowań cywilnych, czyli do barwienia szkła i ceramiki, jako balast w samolotach, materiał na osłony przed promieniowaniem i rdzenie amunicji przeciwpancernej (oprócz większego ciężaru, jest również znacznie twardszy od ołowiu). Wyroby szklane i ceramiczne barwione uranem zubożonym wykazują niższą aktywność, a także w ich spektrogramie brak piku odpowiadającego produktom rozpadu uranu-235. Oba te izotopy uranu rozpoczynają własne szeregi promieniotwórcze - uran-238 szereg uranowo-radowy (m.in. z radem-226), zaś uran-235 - uranowo-aktynowy (z aktynem-227). Obecność charakterystycznych produktów rozpadu, których piki widać w widmie spektralnym, pozwala ustalić, czy mamy do czynienia z uranem naturalnym, czy zubożonym.

Uran zubożony stosowany był jako balast równoważący w samolotach, jednakże z uwagi na ryzyko jego rozproszenia podczas katastrofy takiej maszyny, zarzucono jego stosowanie na rzecz kadmu (również toksycznego i wymagającego malowania zewnętrznej powierzchni wyrobu z kadmu). Uran w stanie rozdrobnionym jest piroforyczny - zapala się w kontakcie z powietrzem - co może powodować rozległe skażenia w miejscu katastrofy. Podobne problem występuje przy stosowaniu amunicji przeciwpancernej z rdzeniem uranowym.

Balast równoważący z Boeinga 747 - źródło - http://www.radioactivethings.com/trinitite.html

Używano jej z racji dużego ciężaru właściwego i twardości uranu. Co ciekawe, zapoczątkowali to Niemcy podczas II wojny światowej, choć na szeroką skalę używano uranowej amunicji dopiero podczas wojny w Zatoce Perskiej. Powodowało to liczne problemy zdrowotne zarówno u walczących żołnierzy, jak i ludności cywilnej.

Wróćmy jeszcze do zastosowania uranu naturalnego lub zubożonego w tzw. bombach trójstopniowych (FFF - fission-fusion-fission - rozszczepienie - synteza - rozszczepienie). Jest to bomba termojądrowa (wodorowa), otoczona dodatkowym płaszczem uranowym. Pierwszym "stopniem" jest typowa bomba atomowa (rozszczepialna), powodująca eksplozję bomby wodorowej (opartej na syntezie), która jest drugim stopniem, a trzeci stopień to płaszcz z uranu-238, ulegający rozszczepieniu pod wpływem neutronów prędkich i zwiększający energię wybuchu. Powoduje on również dodatkowe skażenia produktami rozszczepienia uranu zawartego w płaszczu.

https://nuclearweaponarchive.org/Library/Brown/index.html

Sam uran-238, choć nie ulega rozszczepieniu pod wpływem neutronów powolnych, to jest tzw. materiałem paliworodnym, stosowanym w reaktorach powielających. Bombardowanie jąder uranu-238 neutronami powoduje powstanie uranu-239, który następie poprzez neptun-239 ulega rozpadowi do plutonu-239. Pluton, jak wiemy, jest typowym materiałem rozszczepialnym, stosowanym powszechnie w broni jądrowej.
Stopień wzbogacenia paliwa jądrowego w reaktorach waha się w dużych granicach, generalnie im mniej wzbogacone paliwo, tym reaktor jest bardziej ekonomiczny w eksploatacji. W reaktorze RMBK-1000, znanym z elektrowni w Czarnobylu, wzbogacenie wynosiło zaledwie 1,8 %, natomiast w polskim reaktorze "Maria" najpierw 80%, następnie 36%, później poniżej 20.  Z kolei w starszym reaktorze "EWA" wzbogacenie najpierw wynosiło 10%, później 36.

Reaktor EWA, lata 70., fot. Zbyszko Siemaszko, zbiory NAC.

W codziennym życiu z uranem-238 zetknąć się możemy głównie przy starych wyrobach szklanych i ceramicznych, barwionych za pomocą tego pierwiastka. Jeśli będą to przedmioty wykonane przed wojną, oprócz uranu-238 będą zawierać również uran-235 i ich aktywność będzie wyższa, do rozpoznania potrzebny będzie spektrometr. Samo promieniowanie uranu i jego produktów rozpadu jest "miękkie", składa się z niskoenergetycznego promieniowania gamma, emisji beta oraz alfa, zatem dość łatwo je wytłumić. Nawet wyroby ceramiczne powodujące znaczny wzrost wskazań dozymetru po włożeniu do szklanego słoika wywołują jedynie nieznaczne przekroczenie tła naturalnego i nie stanowią zagrożenia dla zdrowia.