Uranij

Uranij (jednakovrijedan naziv uranStjepan Babić, Sanda Ham, Milan Moguš, Hrvatski školski pravopis : usklađen sa zaključcima Vijeća za normu hrvatskoga standardnog jezika, 4. izd., Školska knjiga, Zagreb, mjeseca siječnja 2012., CIP 790248, , str. 153. navodi: "uran i uranij (U)", te str. 152. navodi: "U (znak za uran)") jest srebrno-bijeli metalni kemijski element i pripada skupini aktinida u periodnome sustava elemenata. Dobio je ime po planetu Uranu, a otkrio ga je Martin Heinrich Klaproth 1789. godine. Osim 92 protona, jezgra uranija može imati između 141 i 146 neutrona. Najčešći izotopi uranija jesu U-238 (146 neutrona) i U-235 (143 neutrona). Atom uranija ima 92 elektrona od kojih su 6 valentni. Njegova je gustoća otprilike 70 % veća od gustoće olova, ali nije tolika kao kod zlata ili volframa. Uranij je slabo radioaktivan. U prirodi se u malim količinama pojavljuje u tlu, stijenama i vodi. U gospodarske se svrhe dobiva iz ruda poput uranita.

U prirodi se pojavljuje smjesa izotopa, uranija-238 (99,284 %), uranija-235 (0,711 %) i vrlo malih količina uranija-234 (0,0058 %). Raspada se polako emitirajući pritom alfa-čestice. Poluvijek uranija-238 jest 4,47 milijardi godina, a uranija-235 704 milijuna godina, pa služe u svrhu radiometrijskog datiranja. "WWW Table of Radioactive Isotopes"

U nuklearna goriva ubrajaju se tri fisilna materijala: uranij-233, uranij-235 i plutonij-239. Samo jedan od njih nađen je u prirodi više nego u tragovima i to je uranij-235, a naziva se prirodno nuklearno gorivo. Druga dva nuklearna goriva dobivaju se umjetno, u nuklearnim reaktorima. Bombardiranjem neutronima uranija-238 nastaje plutonij-239, a od torija-232 nastaje uranij-233 i to su umjetna nuklearna goriva.

S obzirom na malu zastupljenost uranija-235, prirodni uranij kao gorivo mogu rabiti teškovodni i grafitom moderirani reaktori, dok lakovodni reaktori zahtijevaju obogaćeni uranij. Obogaćenje za lakovodne reaktore mijenja se od nešto manje od 2 % do maksimalno dozvoljenih 5 % (težinskih) uranij-235. Obogaćenje u podmorničkim reaktorima, a naročito u nuklearnom oružju jest veće. Osim obogaćena uranija, u procesu obogaćivanja nastaje i osiromašeni uranij gdje je težinski udio uranija-235 obično između 0,20 % i 0,35 %. Manji težinski udio uranija-235 u osiromašenom uraniju znači manju upotrebu prirodnog uranija, ali i veće troškove obogaćenja i obrnuto. "Nuklearni gorivni ciklus"

Odlike

U čistom, elementarnom stanju, uranij je srebrno-bijel, slabo reaktivan metal, malo mekši od čelika, jako elektropozitivan i slab električni vodič. Također je kovak, žilav i malo paramagnetičan. Ima jako veliku gustoću, otprilike 70 % veću od olova, i malo manju od zlata.C. R. Hammond: The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press, 2000.

Uranij reagira s gotovo svim nemetalnim elementima i njihovim spojevima, gdje se reaktivnost povećava s temperaturom. Klorovodična i dušična kiselina ga otapaju, a s neoksidirajućim kiselinama reagira vrlo sporo. Fino usitnjen može reagirati s hladnom vodom na zraku, pri čemu se oblaže tamnim slojem uranijeva oksida. Dobiva se iz rude i pretvara u uranijev dioksid ili ine uranijeve spojeve koji se rabe u industriji.

Uranij-235, izotop uranija, bio je prvi izotop za kojeg je otkriveno da se može podvrći fisiji. Ostali izotopi koji se pojavljuju u prirodi podložni su fisiji, ali se ne cijepaju pomoću neutrona uz malu kinetičku energiju. Nakon bombardiranja sporim neutronima, uranij-235 će se u većini slučajeva podijeliti na dvije manje jezgre, oslobađajući nuklearnu rastavljajuću energiju i još neutrona. Ako ove neutrone apsorbiraju druge jezgre uranija-235, počinje nuklearna lančana reakcija, i ako dalje ne postoji ništa što bi apsorbiralo dio neutrona i usporilo reakciju, ona postaje eksplozivna. Količina od 7 kg uranija-235 dovoljna je za izradu atomske bombe. Prva nuklearna bomba uporabljena u ratu, Little Boy, temeljila se na fisiji uranija, dok su prvu nuklearnu eksploziju (The Gadget) i uništenje Nagasakija prouzročile plutonijske bombe.

Uranij ima tri alotropske modifikacije: α (ortorompska rešetka) stabilna do 660 °C β (tetragonalna rešetka) stabilna od 660 °C do 760 °C γ (prostorno-centrirana rešetka) od 760 °C do tališta – najkovkija i najžilavija faza.

Primjena Vojna

Glavna primjena uranija u vojnom sektoru je u penetratorima visoke gustoće. Ovo streljivo se sastoji od osiromašenog uranija, legiranog s 1-2 % drugih elemenata. Pri visokoj udarnoj brzini, gustoća, tvrdoća i zapaljivost projektila omogućuju uništavanje snažno oklopljenih ciljeva. Tenkovski oklopi i pomični oklopi na borbenim vozilima također su očvrsnuti pločama osiromašenog uranija. Uporaba osiromašenog uranija u streljivu postalo je kontroverzan političko-ekološki problem nakon što su ga SAD-a, Velike Britanije i druge nacije uporabile u ratovima u Perzijskom Zaljevu i na Balkanu te se postavilo pitanje zaostalih uranijevih spojeva u tlu.

Osiromašeni uranij se također koristi kao zaštitni materijal u kontejnerima za skladištenje i transport radioaktivnog materijala. Ostale primjene uranija uključuju podešavanje težine u avionima, prigušivanje različitih projektila, zaštitu različitih materijala. Zbog svoje velike gustoće primjenjuje se u navigacijskim uređajima i žiromagnetskim kompasima. Osiromašeni uranij ima prednost nad drugim materijalima podjednake gustoće zbog lake obradljivosti i mogućnosti lijevanja, kao i zbog svoje relativno niske cijene. U suprotnosti s raširenim mišljenjem, puno veću opasnost korištenja uranija predstavlja kemijsko otrovanje zbog uranijevog oksida, nego njegova radioaktivnost (slabo emitira alfa zračenje).

Pri kraju drugog svjetskog rata, za vrijeme hladnog rata, te u manjoj mjeri nakon toga, uranij se, zbog eksplozivne fisije, koristio za proizvodnju nuklearnog oružja. Napravljena su dva glavna tipa fisijskih bombi, relativno jednostavna naprava koja rabi uranij-235 i puno složeniji mehanizam s uranijem-238 iz kojeg nastaje plutonij-239. Kasnije je napravljena puno snažnija fuzijska bomba koja koristi plutonijske naprave u kućištu od uranija s ciljem da se stvori mješavina tricija i deuterija podvrgnuta nuklearnoj fuziji.

Civilna

Uranij se u civilnom sektoru uglavnom upotrebljava kao gorivo u nuklearnim elektranama. Dok se u potpunosti ne raspadne, jedan kilogram uranija-235 teoretski može proizvesti 80 teradžula energije (80 J), koliko primjerice daje 1500 tona ugljena.

Komercijalne nuklearne elektrane koriste gorivo koje je obično obogaćeno s 3 % uranija-235. CANDU-reaktor je jedini reaktor koji može koristiti neobogaćena goriva. Goriva upotrebljavana u mornarici SAD-a su obično visoko obogaćena uranijem-235. U oplodnom reaktoru, uranij-238 se može pretvoriti u plutonij kroz sljedeću reakciju: 238U (n, gama) → 239U -(beta) → 239Np -(beta) → 239Pu.

Jedan od glavnih, još neriješenih problema vezanih za nuklearno gorivo je nuklearni otpad. U tradicionalnim nuklearnim reaktorima izgara samo 1-2 % nuklearnog goriva, dok nuklearni reaktori koji koriste alternativna, tekuća torijeva goriva u reaktorima s tekućom soli proizvode kratkotrajan nuklearni otpad.

Prije otkrića zračenja, uranij se prvotno koristio, u malim količinama, za izradu žutog stakla i keramičke glazure.

Nakon što je Marie Curie otkrila radij u uranijevoj rudi, razvila se velika industrija za iskopavanje uranija kako bi se došlo do radija koji se upotrebljavao za satove i zrakoplovne brojčanike koji svijetle u mraku. Ovaj proces ostavljo je golemu količinu uranija kao otpadnog produkta, s obzirom na to da je potrebno 3 tone uranija da bi se dobio 1 gram radija. Ovaj otpadni produkt bio je preusmjeren u proizvodnju glazura, pa su uranijeve glazure postale vrlo jeftine i mnogobrojne. Također, uranijeve keramičke glazure široko su se primjenjivale, uključujući sanitarnu i kuhinjsku keramiku, koja može biti u zelenoj, žutoj, ružičastoj, crnoj, plavoj i drugim bojama.

Uranij se također upotrebljavao u fotografskim kemikalijama (posebice uranilov nitrat kao toner), u svijetlećim nitima, za poboljšanje izgleda zubnih proteza, te u kožnoj i drvnoj industriji u bojama i pigmentima (uranijeve soli su bojila za svilu i vunu. Uranilov acetat i uranilov formijat koriste se kao elektronski-gusti kontrasti u transmisijskim elektronskim mikroskopima, kako bi se povećao kontrast bioloških uzoraka u vrlo tankim presjecima, te u tehnici negativnog obojenja virusa, izoliranih staničnih organela i makromolekula.

Otkrićem radioaktivnosti uranija, proširene su njegove znanstvene i praktične primjene. Dugi poluvijek izotopa U-238 (4,51 × 109 godina), čini ga pogodnim za procjenjivanje starosti najranijih magmatskih stijena, kao i kod ostalih tehnika radiometrijskog datiranja (uranij-torij metoda, uranij-olovo metoda). Uranij se također koristi kao metalna meta za elektrone kod proizvodnje tvrdih X-zraka.

Prirodni nuklearni reaktori su pronađeni u rudniku Oklo na zapadu Afrike, u državi Gabon. Ovi afrički prirodni radioaktivni reaktori bili su radili prije 2 milijarde godina. U uzorcima rude iz Okla, s tri lokacije duboko pod zemljom, nađena je skoro dva puta manja koncentracija izotopa uranija-235 nego u svim drugim rudnicima uranija na našoj planeti. Dokazni materijal za odigravanje pojave samoodržavajuće nuklearne fisije, praćene oslobađanjem energije i nastankom određenih radioaktivnih elemenata u rudniku Oklo, dobiven je mjerenjima radioaktivnosti u zaostaloj rudi uranija. Pokazalo se da su u njoj prisutni izotopi neodimija, samarija, europija i cerija, koji se nalaze i u korištenom uranijevom gorivu današnjih reaktora. Tako je dobiven dokaz da je priroda davno prije čovjeka pustila u rad nuklearne reaktore. "Prirodni nuklearni reaktori", Svijet oko nas, 2011.

U Gabonu je otkriveno 15 takvih prirodnih nuklearnih reaktora. Oni su povremeno radili i gasili se tokom desetina milijuna godina. Ciklusi njihovih aktivnosti zavisili su od voda koje su priticale u podzemne slojeve rudnika s uranijevom rudom, omogućavajući tako usporavanje brzih neutrona, a time i nastajanje i odvijanje samoodržavajuće nuklearne fisije uranija-235. Kada bi zbog isparavanja vode ponestalo, dolazilo bi do prekida rada prirodnih reaktora, sve do pojave kiša, tj. dotoka novih voda. To je tako trajalo do osiromašenja, utroška sadržaja uranija-235 do granice na kojoj on više nije bio dovoljan za pokretanje nove lančane fisione reakcije.

Povijesno korištenje uranija Cijenjen zbog svoje sjajne narančaste boje, uranijev oksid bio je popularno bojilo za keramiku, a zabranjen je već godinama odlukom Komisije za atomsku energiju (engl. Atomic Energy Comission, SAD). Žuto staklo s 1 % uranijevog oksida je pronađeno u starorimskoj vili u blizini Napulja, koje potječe iz 79. godine. U srednjem vijeku uranova ruda je vađena u rudnicima srebra u današnjoj Češkoj i koristila se kao bojilo u industriji stakla.

Uranij je 1789. otkrio Martin Heinrich Klaproth (Njemačka). Ime je dobio po planetu Uranu, koji je prije 8 godina otkrio William Herschel. Klaproth je dobio žuti talog iz uranijeve rude, djelujući na nju s dušičnom kiselinom i natrijevim hidroksidom. 1841. Eugène-Melchior Péligot, profesor u tehničkoj školi u Parizu, je uspio prvi izdvojiti uranij, grijući uranijev tetraklorid (UCl4) s kalijem. U 19. stoljeću uranij se nije smatrao opasnim, pa se dosta koristio u izradi stakla i keramike."Chemische Untersuchung des Uranits, einer neuentdeckten metallischen Substanz" M. H. Klaproth, journal = Chemische Annalen, 1789."Recherches Sur L'Uranium", E.-M. Péligot, journal = Annales de chimie et de physique, 1842.,

Uranij

Źródło i licencja