Uran (U)

Uran (z łac. uranium) jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 92 i masie atomowej 238,0289 u. Jest to pierwiastek promieniotwórczy z grupy aktynowców. Jest to ciało stałe.
Właściwości i dane
W dużych ilościach jest śmiertelny dla ludzi. Występuje w skorupie ziemskiej w postaci rud i minerałów. Gęstość uranu wynosi dziewiętnaście tysięcy pięćdziesiąt kg/m3. Jest on sześćdziesiąt pięć procent gęstszy od ołowiu. Temperatura topnienia to tysiąc sto trzydzieści pięć stopni Celsjusza, a wrzenia cztery tysiące sto trzydzieści jeden stopni Celsjusza. Elektroujemność uranu wynosi jeden i trzydzieści osiem setnych. Uran leży w bloku f na tablicy Mendelejewa i znajduje się w 7 okresie. Uran naturalnie jest srebrzystobiałym metalem, ale pod wpływem powietrza pokrywa się ciemną powłoką powstającą w wyniku reakcji pierwiastka z tlenem. Jest to jeden z najtwardszych metali na świecie. Uran jest plastyczny i kowalny, czyli jest łatwy w obróbce. Słabo przewodzi prąd elektryczny, jest także słabym paramagnetykiem. Jest za to silnie elektrododatni. Reaguje z większością niemetali i ich związkami. Silnie rozdrobniony jest piroforyczny i reaguje z zimną wodą.
Po podgrzaniu do czterystu pięćdziesiąt stopni Celsjusza reaguje z azotem. Podgrzany z wodorem tworzy UH3. Zapala się w powietrzu po podgrzaniu, a sproszkowany nawet w temperaturze pokojowej może samoistnie się zapalić . Reaguje z kwasami, siarką, chlorem i fluorem. Uran może zostać roztworzony przez kwas solny i azotowy, ale kwasy nieutleniające rozpuszczają go bardzo powoli. Posiada osiem powłok, na których krążą osiemdziesiąt trzy elektrony. Stopnie utlenienia to trzeci, czwarty, piąty i szósty. Najtrwalszy jest szósty stopień. Tlenek uranu (VI) przyjmuje żółtą bądź pomarańczową barwę oraz jest proszkiem. Tlenek uranu (IV) przyjmuje sproszkowaną formę i czarną barwę. Z powodu jego promieniotwórczości jest bardzo niebezpieczny dla człowieka, ponieważ kontakt z nim może wywołać chorobę popromienną. Wszystkie związki chemiczne uranu są trujące.
Występowanie
Zdaniem naukowców uran uformował się około 6,6 miliarda lat temu w supernowych. Naturalnie występuje w skorupie ziemskiej w postaci związków chemicznych. Spotkać go można także w oceanie w ilości 3mg na metr sześcienny, co w praktyce oznacza, że można znaleźć tam około cztery i sześć dziesiątych miliarda ton tego pierwiastka. Co roku rzeki wymywają koło trzydzieści dwa tysiące ton uranu. Pod względem występowania w przyrodzie zajmuje 51 miejsce wśród wszystkich pierwiastków. Występuje w glebie, skałach, roślinach i zwierzętach. Tworzy minerały m.in. blendę uranową. Na świecie główne złoża uranu występują w Australii, Kazachstanie, Kandzie, Rosji, RPA, Nigrze, Brazylii, Chinach oraz Namibii. Do Australii należy trzydzieści jeden procent wszystkich świtowych zasobów. Kazachstan dysponuje ilością około dwunastu procent światowych zasobów, do Rosji i Kanady należy po dziewięć procent zasobów. Do Nigru należy osiem procent zasobów. Do RPA, Brazylii i Namibii – po pięć procent światowych zasobów. Do Zjednoczonych Stanów Zjednoczonych należy cztery procent. Do Chin – trzy procent. W posiadaniu Ukrainy i Uzbekistanu znajduje się po dwa procent. W krajach takich jak: Mongolia, Tanzania, Jordania znajduje się po jednym procencie zasobów uranu. Mniej niż jeden procent posiadają: Argentyna, Szwecja, Malawi i Republika Środkowoafrykańska. Uran występuje głównie jako izotop238u (około 99,3%), 235u (około 0,3%) i śladowe ilości 234u. Szacuje się że światowe zasoby uranu to koło 3,3 mln ton. Izotop U-238 rozkłada się połowicznie 4,5 miliardów lat, a izotop U-235 rozkłada się połowicznie koło 704 milionów lat.
W Polsce uran występuje w słabo wydajnych rudach w Rudawach Janowickich, w okolicach Masywu Śnieżnika, w Górach Świętokrzyskich i w Górach Izerskich. Większość rud uranu w Polsce została ogołocona przez ZSRR. W Miedziance duża skala wydobycia uranu przez ZSRR doprowadziła do zniszczenia i wysiedlenia miasta.
Wydobywanie
Rudy uranu klasyfikuje się według kosztów wydobycia na jednego funta (około czterystu pięćdziesiąt g). Dzieli się na tańsze (kilkanaście procent całego wydobycia) i droższe (kilkadziesiąt procent całego wydobycia) . Najtańsze są rudy, których wydobycie kosztuje około osiemdziesięciu dolarów za funt uranu. Roczne wydobycie uranu sięga czterdziestu tysięcy ton. W Polsce w latach 1945-1960 wydobyto ponad pięćset dwadzieścia ton uranu. Najwięcej uranu wydobywa się w Kazachstanie (dwudziestu trzech i jednej dziesiątej tysięcy ton), Kanadzie (dziewięć i jedna dziesiętna tysięcy ton), Australii (pięć tysięcy ton), Niger (cztery i jedna dziesiąta tysięcy ton), Namibia (trzy i trzy dziesiąte tysięcy ton), Rosja (trzy tysiące ton), Uzbekistan (dwa i cztery dziesiąte tysięcy ton), Stany Zjednoczone (jeden i dziewięć dziesiątych tysięcy ton), Ukrainna (dziewięć dziesiątych tysięcy ton). Wydobycie w Kazachstanie i Afryce wiąże się ze zmniejszonymi kosztami eksploatacji tego surowca, ponieważ w tamtych regionach wydobywa się go na trzy różne sposoby: odkrywkowy – polegający na tworzeniu dołu, z którego wydobywa się surowce, za pomocą kopalni głębinowej w której kopie się jeden lub więcej szybów pionowych, od których odchodzą szyby poziome. Innym sposobem jest tworzenie kopalni otworowych. Ten sposób kopania polega na upłynnianiu skały, którą potem wypompowuje się na powierzchnię. Po wydobyciu skałę z rudą należy poddać specjalnej obróbce. Pierwszym etapem jest jest mielenie i ługowanie, po tym procesie otrzymujemy tak zwany yellowcake (nazwa pochodzi od koloru otrzymanego produktu) czyli oczyszczony U3O8. W następnej kolejności tlenek jest rozpuszczany przy pomocy kwasów na drobiny materiału uranowego, w ten sposób otrzymujemy zawiesinę, z której uzyskuje się uran naturalny.
Ceny i możliwość kupna
W 2001 roku cena za kilogram uranu wynosiła tylko dwadzieścia dolarów, złożyła się na to nadwyżka wydobycia oraz niechęć większości populacji do energii atomowej. Spowodowane to było faktem, że dokonano rozbrojenia wielu głowic nuklearnych, co doprowadziło do nagromadzenia przez firmy dużych ilości uranu. W latach 2005-2007 nastąpił wzrost cen uranu do nawet trzystu dolarów za kilogram. Obecnie kończą się rezerwy uranu z lat 90 ubiegłego wieku. Ceny obecnie stabilizują się i wynoszą około siedemdziesiąt dolarów za kilogram. Powoduje to zainteresowanie wydobyciem z mniej opłacalnych i nieopłacalnych rud. Ilość uranu, jaką można kupić, zależy od ceny, jaką można za niego zapłacić. Przez długie lata cena uranu była niska, co powodowało, że wielu rud przez wiele lat nie eksploatowano ze względu na niską opłacalność, lecz teraz przy wzroście cen wiele nowo odkrytych rud lub starych, nieopłacalnych cieszy się coraz większym zainteresowaniem. Zwiększyła się także intensywność poszukiwań nowych rud uranu.
Wielkość znanych rud, które opłaca się wydobywać stale się powiększa. Uran można także wydobywać z oceanu z pomocą metody japońskich naukowców, która polega na wrzuceniu do wody klatek wypełnionych żywicą jonowymienną, która wiąże metale ciężkie. Pozostawia się je na kilka miesięcy po czym wymywa się je kwasem solnym. Koszty szacuje się na około dwieście pięćdziesiąt dolarów za kilogram. Zapasy uranu według rządów głównych krajów wyczerpią się dopiero za kilka tysięcy lat, jeżeli intensywność jego wydobycia i zużywania nie zmieni się.
Transport
Uran jako pierwiastek promieniotwórczy należy specjalnie przygotować do transportu. Może być transportowany samolotami, pociągami i ciężarówkami. Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej opracowała przepisy i standardy dotyczące bezpiecznego przewozu materiałów radioaktywnych. Pierwiastki i związki promieniotwórcze są przewożone w niewielkich ilościach i w specjalnych opakowaniach zapewniającym integralność przesyłki. W zależności od stopnia promieniowania paczki są inne. Opakowania dzielą się na opakowania typu A, typu B i przemysłowe.
Historia uranu
Już w pierwszym wieku naszej ery człowiek nieświadomie zaczął używać uranu do barwienia szkła na żółto. Jako pierwiastek został odkryty przez Martina Heinricha Klaprotha w 1789r. Początkowo myślano, że uraninit, który rozpuścił naukowiec za pomocą kwasu azotowego to mieszanka rudy cynku i żelaza. Powstał żółty osad, który nie pasował do żadnych innych znanych pierwiastków. Nazwano go na cześć nowo odkrytej planety Uran, która wzięła nazwę od greckiego boga Urana. Jednak odkryty materiał nie był czystym uranem, tylko jego tlenkiem. Dopiero w 1841 roku odkryto czysty uran. W 1896 roku odkryto jego radioaktywność, poprzez zostawienie uranu na wierzchu zakrytej płyty fotograficznej, która uległa zamgleniu. W 1938 roku dokonano odkrycia zjawiska rozczepienia jądra atomowego. W 1942 roku utworzono pierwszy samopodtrzymujący się łańcucha reakcji nuklearnych.
Wpływ uranu na zdrowie
Co prawda uran występuje w pożywieniu i wodzie, jednak nie jest niebezpieczny z powodu jego małej ilości. Problemem są odpady pozostające po przetworzeniu uranu, które występują między innymi w fabrykach nawozów fosfatowych, w miejscach testów broni nuklearnej, w miejscach składowania uranu, kopalniach i przetwórniach tego pierwiastka. Uran magazynuje się w kościach, wątrobie i nerkach. Może powodować wady wrodzone u płodów. Uważa się, że uran może zwiększać ryzyko zachorowania na raka.
Uran a środowisko naturalne
Uran jest jednym z rozwiązań przyszłości. Jest to bowiem jedno z najbardziej opłacalnych i wydajnych źródeł energii. Z kilograma uranu można wytworzyć dwadzieścia milionów kWh. Dla przykładu z kilograma węgla uzyskujemy około osiem kWh. Jeden gram uranu dostarcza tyle energii co półtora tony węgla. Uran rozpuszcza się w wodzie, przez co łatwo przenika do środowiska naturalnego. Jednym z najgroźniejszych aspektów uranu jest radon, który jest efektem ubocznym jego rozkładu. Kumulacja uranu może powodować uwalnianie się radioaktywnych gazów radonowych. Wydobycie uranu sprzyja zakwaszeniu wód.
Produkcja uranu zubożałego i wzbogaconego
Wzbogacanie uranu polega na przekształceniu uranu za pomocą fluoru w postać gazową. Po czym poddaje się go jednej z trzech metod. Pierwsza z nich polega na przepuszczeniu UF6 przez małe kanaliki. Siła odśrodkowa sprawa, że lżejszy izotop 235-U zbiera się u góry probówki i jest odprowadzany. Kolejna polega na zastosowaniu przesłon, które są półprzepuszczalne, przez które pod dużym ciśnieniem jest przesiewany przez co lżejszy izotop-235 zostaje oddzielony od izotopu-238. Trzecia metoda polega na szybkim wirowaniu gazu. Przez co cięższy u-238 zostaje przyciśnięty do ścianek bębna, a lżejszy u-235 zostaje po środku. Uran zubożony powstaje w wyniku wzbogacania uranu. Uran zubożały jest dużo mniej radioaktywny, niż uran naturalny. Uran wzbogacony jest bardziej radioaktywny.
Wykorzystanie uranu
Uran w dawnych czasach wykorzystywało się do barwienia szkła na kolor żółty. Dziś pierwiastek ten stosowany jest w elektrowniach i służy do podgrzewania wody do temperatury wrzenia. Tym sposobem w elektrowniach cieplnych otrzymuje się prąd elektryczny. W tym przypadku cała reakcja jest utrzymywana w ryzach przez kadm i bor. Bomba atomowa działa na podobnej zasadzie, jednak tu reakcja nie jest w żaden sposób kontrolowana. Uwalniana energia jest wyzwalana jako ciepło i fala uderzeniowa. Bomba Little Boy miała moc równoważną 15 kilo ton trotylu. W czasie drugiej wojny światowej Niemcy używali uranu w pociskach przeciwczołgowych. Zubożały uran jest wykorzystany w gospodarce militarnej do tworzenia pocisków APFSDS, które wstrzeliwuje się z dział gładkolufowych przykłady między innymi amerykański M827 i M829, niemiecki DM33 i DM43. Wytwarza się też pancerz z zubożałego uranu, ponieważ jest on twardym materiałem. Pojazdy, w których zastosowano taki pancerz to między innymi M1 Abrams produkcji amerykańskiej. Jest on też dosyć tani i mało radioaktywny, około cztery razy bardziej w porównaniu z tłem. Używany jest też jako materiał w kołach zamachowych, gdyż może on gromadzić więcej energii kinetycznej niż stal w tej samej objętości. Produkuje się z niego też pudła do transportu pierwiastków promieniotwórczych. Jest wykorzystywany w medycynie. Jako materiał paliworodny w FBR. Używany był też używany jako balast trymujący w samolotach np. Boeing 474. Jest wykorzystywany w tarczach w generatorach promieni X. Tworzy się z niego szkło uranowe jednak nie jest ono już produkowanie przez strach populacji co do radiacji. Stosowany jest także w fotografii oraz analizie chemicznych.