Uran (U) ‒ właściwości, działanie i występowanie uranu

We współczesności uran powszechnie kojarzy się reaktorami nuklearnymi i bombami atomowymi. Jak się łatwo domyśleć, siła tkwiąca w tym niepozornym metalu jest ogromna i może się okazać, że przewyższy kiedyś możliwości człowieka. Gdzie bowiem przebiega granica między wykorzystaniem fantastycznego naturalnego potencjału uranu a wyniszczeniem ludzkości i środowiska naturalnego?

Uran to radioaktywny metal o liczbie atomowej 92 o srebrzystej barwie i niezwykle wysokiej gęstości – posiada najwyższą masę atomową ze wszystkich naturalnie występujących pierwiastków! Nie to jest jednak jego najważniejszym wyróżnikiem, ale fakt, że spośród trzech występujących w przyrodzie izotopów uranu, uran-235, jako jedyny na świecie podlega rozszczepieniu nuklearnemu.

Historia uranu

Uran nieświadomie wykorzystywany był przez człowieka już w I w. n.e., kiedy to atrakcyjnie żółty tlenek metalu służył starożytnym do barwienia szkła. Jako niezależny pierwiastek odkryty został jednak dopiero w 1789 r. przez niemieckiego chemika Martina Heinricha Klaprotha. Za pomocą kwasu azotowego rozpuścił on minerał zwany dziś uranititem, o którym myślano, że jest mieszaniną rud cynku i żelaza. Powstały żółty osad połączył z solami potasu i otrzymał reakcję nieodpowiadającą żadnym znanym wówczas pierwiastkom. Nowe odkrycie nazwał uranem na cześć odkrytej dopiero co planety Uran, której nazwa wzięła się z kolei od starogreckiego boga nieba, Uranosa.

Klaproth myślał jednak, że odkrył czysty uran, a w rzeczywistości było to jedynie tlenek uranu o owej charakterystycznej żółtej barwie. Potrzeba było kolejnych 50 lat, aby wyizolować czysty uran, a dzieła tego dokonał w 1841 r. Francuz Eugène-Melchior Péligot. Autorem najbardziej przełomowego odkrycia był jednak Antoine H. Becquerel, który w 1896 r. pozostawił próbkę uranu na wierzchu zakrytej płyty fotograficznej, która w rezultacie uległa zamgleniu. Był to pierwszy dowód na radioaktywność uranu, choć samo pojęcie wprowadziła dopiero po jakimś czasie nasza rodaczka Marie Curie-Skłodowska.

W 1938 r. uran stał się źródłem pogłębionych badań niemieckich chemików, Otto Hahna i Fritza Strassmanna, którzy odkryli zjawisko rozszczepienia jądra atomowego. Kolejne prace badaczy z różnych krajów doprowadziły do opracowania w 1942 r. pierwszego samopodtrzymującego się łańcucha reakcji nuklearnych, które uwieńczone zostało niesławnym atakiem bombowym na Hiroshimę zakończonym śmiercią ponad 100 tysięcy ludzi. W 1957 r. powstał z kolei pierwszy generator elektryczny zasilany energią atomową.

Właściwości uranu – jakie związki tworzy?

Czysty uran ma postać srebrzystego metalu, który bardzo szybko utlenia się w kontakcie z powietrzem, wskutek czego na powierzchni powstaje ciemny nalot. Jest twardy, łatwy do wypolerowania, plastyczny i nadaje się do kucia, ale stosunkowo słabo przewodzi energię elektryczną. Rozdrabniany podlega samozapaleniu.

Wbrew pozorom uran nie jest jednak wysoce radioaktywny. Jego izotop U-238, występujący najpowszechniej w skorupie ziemskiej cechuje się połowicznym czasem rozpadu na poziomie 4.5 miliarda lat, U-235 ma połowiczy rozpad szacowany na 700 milionów lat, zaś U-234 na zaledwie 245500 lat, ale zachodzi on jedynie pod wpływem rozpadu U-238. Jest to przysłowiowa pestka w porównaniu z najbardziej radioaktywnym polonem o połowicznym czasie rozpadu określanym na 138 dni! Mimo to uran posiada znaczący potencjał wybuchowy, dzięki wspomnianej wyżej zdolności do rozszczepienia jądra atomowego pod wpływem termalnych neutronów. Wystarczy, że wolny neutron uderzy w atom uranu U-235, aby jądro rozszczepiło się, pociągając za sobą łańcuch wydarzeń określanych reakcją nuklearną i produkujących ogromne ilości energii w postaci ciepła.

Jeśli chodzi o właściwości chemiczne, uran łatwo reaguje z wodą i rozpuszcza się w kwasach, ale nie w zasadach. Oprócz tlenków tworzy także związki z fluorem i chlorem (tzw. halogenki), a nawet z węglem – te ostatnie badane są szeroko w ramach chemii metaloorganicznej.

Występowanie i wydobycie uranu

Zdaniem naukowców uran uformowany został 6.6 miliarda lat temu w gwiazdach typu supernowa. Nie jest prawdopodobnie powszechny w Układzie Słonecznym, ale na Ziemi występuje 40 razy częściej niż srebro, a w podobnych ilościach co arsen i molibden (2-4 ppm) – jest 48 najczęściej występującym pierwiastkiem! Uważa się wręcz, że jego powolna radioaktywność w połączeniu z rozpadem toru i potasu-40 odpowiada za utrzymanie ciepła w płaszczu naszej planety, umożliwiając tym samym ruchy tektoniczne.

Najważniejsze minerały zawierające uran to oprócz uranititu również karnotyt, autunit oraz torbernit. Współcześnie uran wydobywa się w ponad 20 krajach świata, przy czym największymi producentami są Kazachstan, Kanada, Australia, Niger, Rosja oraz Namibia. Wydobyte rudy poddaje się działaniu wysokich temperatur, które pozwalają pozbyć się związków siarkowych i węglowych, a także gliny. Następnie surowiec jest ługowany za pomocą roztworów kwasów i zasad oraz nadtlenków, a potem filtrowany i suszony, dając w efekcie półprodukt zwany z jęz. angielskiego tzw.  „yellowcake” – w tej postaci jest najczęściej składowany i transportowany.

Tak pozyskiwany uran jedynie w 0.7% składa się jednak z najbardziej pożądanego izotopu U-235 – jego główną część stanowi U-238. Dlatego też naukowcy opracowali system wzbogacania uranu obejmujący transformację do stanu lotnego i odwirowywanie go w centryfugach. W efekcie otrzymuje się uran o zawartości U-235 na poziomie 3-5%.

Zastosowania uranu

Podstawowa rola uranu w dzisiejszym świecie związana jest pozyskiwaniem energii atomowej. Jak to działa? Ogromne ilości ciepła emitowane w trakcie procesu rozszczepienia jądra U-235 wykorzystywane są w elektrowniach atomowych do podgrzewania wody do temperatury wrzenia, a uzyskana tym sposobem para obraca olbrzymie turbiny produkujące energię elektryczną. Proces utrzymywany jest pod kontrolą dzięki wykorzystaniu takich pierwiastków jak kadm i bor, które łatwo absorbują dodatkowe neutrony. W przypadku bomby atomowej mechanizm rozszczepienia jądra jest ten sam, ale reakcja uwalnianie energii nie jest w żaden sposób kontrolowana, a samo rozszczepianie zachodzi ze stale zwiększającą się intensywnością, uwalniając kolosalne ilości energii w postaci ciepła i fali uderzeniowej. Bomba, która w 1945 r. zniszczyła japońskie miasto Hiroshima z mniej niż 1 kg uranu wytworzyła energię szacowaną na 15 TNT. Do jej przygotowania wykorzystano 64 kg wybuchowego pierwiastka, ale tylko niewiele ponad 1% uległo rozszczepieniu.

Z uranu pozostałego po wykorzystaniu izotopu U-235 do celów reakcji nuklearnej wyrabia się osłony do czołgów oraz amunicję, a ponadto stosuje się go jako balast w przemyśle stoczniowym. W 2017 r. powstał również pomysł na wykorzystanie zubożonego uranu do wytwarzania ogniw fotowoltaicznych, a więc kolejnej „zielonej” energii.

Wpływ uranu na zdrowie

W naturalnej postaci uran występuje w pożywieniu, wodzie, powietrzu i glebie, nie stwarzając jednak zagrożenia dla człowieka ani innych organizmów żywych ze względu na niezwykle małe ilości. Problemem są jednak odpady powstające przy przetwarzaniu uranu, na które natknąć się można pracując w fabrykach produkujących nawozy fosfatowe, mieszkając w lokalizacjach, gdzie przeprowadzano testy nuklearne bądź gdzie składowany jest zubożony uran. Ryzyko stwarzają również kopalnie uranu i zakłady go przetwarzające, nawet elektrownie opalane węglem.

Co prawda, większość spożytego uranu wydalana jest z ciała procesie trawienia, ale nierozpuszczalne związki, które dostaną się do płuc wraz z powietrzem, przenikają łatwo do tkanek i akumulują się w kościach, wątrobie, nerkach oraz organach rozrodczych. W efekcie powodują zmiany w systemie immunologicznym i sprzyjają rozwojowi wad wrodzonych u płodów. Uważa się, że osoby mające częstszą styczność z uranem mogą rozwinąć choroby nerek, a prawdopodobnie również nowotwory.

Uran a środowisko naturalne

Uran z jednej strony wydaje się być kluczem do zachowania środowiska naturalnego w relatywnie dobrej kondycji. W coraz bardziej uzależnionej od energii elektrycznej cywilizacji jest bowiem niezwykle efektywnym źródłem „czystej” energii, to znaczy powstającej bez emisji szkodliwych gazów cieplarnianych. Pół kilograma uranu jest nam w stanie zapewnić tyle samo energii co 1.4 miliony kilogramy węgla! Niestety, uran jest łatwo rozpuszczalny w wodzie, co zapewnia mu łatwość penetracji środowiska naturalnego. I choć sam w małych ilościach nie jest niebezpieczny, problemem są efekty uboczne jego rozpadu, zwłaszcza radon.

Akumulacja uranu w glebie w wielu miejscach na świecie stanowi dziś rosnący powód do zaniepokojenia z powodu uwalniania się radioaktywnych gazów radonowych. Na szczęście, warzywa wykazują niski poziom koncentracji uranu, a po właściwym umyciu są praktycznie od niego wolne. Studia naukowe wskazują jednak, że uran powodować może również wady wrodzone u zwierząt, zwłaszcza żab i gryzoni, zaś samo wydobycie uranu sprzyja zakwaszaniu wód powierzchniowych, które łatwiej akumulują wówczas toksyczne ciężkie metale. Na dzień dzisiejszy jednak, energia atomowa wydaje się z punktu widzenia ekologii bardzo racjonalnym rozwiązaniem!