8 lucruri interesante despre uraniu. O poveste radioactivă

Uraniul este un element natural radioactiv care, printre altele, alimentează reactoarele nucleare și bombele atomice.

Uraniul este un metal radioactiv legat de unele dintre cele mai devastatoare acțiuni din istorie. Pe 6 august 1945, o bombă de trei metri a căzut din cer peste orașul japonez Hiroshima. La mai puțin de un minut după, totul pe o rază de aproape doi kilometri a fost distrus. O ploaie de foc devastatoare a distrus în continuare și mai mult, omorând mii de oameni.

• Copiii neandethalieni ar fi colecționat fosile la fel cum cei de azi colecționează abțibilduri
• „Fluierul morții” al aztecilor are un efect ciudat asupra creierului uman

Acesta a fost primul caz în care a fost folosită o bombă atomică în război, lucru care nu ar fi fost posibil în lipsa uraniului. Acest metal radioactiv este unic prin faptul că unul dintre izotopii săi, uraniu-235 este singurul capabil de a susține o reacție de fisiune nucleară, indică Live Science.

1. Descoperirea uraniului

Pentru a înțelege uraniul este important să înțelegem radioactivitatea. Uraniul este radioactiv în mod natural. Nucleul acestuia este instabil, așa că elementul se află într-o permanentă stare de descompunere, căutând aranjamente mai stabile. De fapt, uraniul este cel care a permis descoperirea radioactivității.

În 1897, fizicianul francez Henri Becquerel a lăsat niște săruri de uraniu pe o placă fotografică ca parte a unor cercetări asupra modului în care lumina influența aceste săruri. Spre surprinderea lui, plasa s-a aburit, ceea ce indica faptul că existau niște emisii din partea sărurilor de uraniu. Pentru aceste descoperiri, Becquerel a împărțit în 1903 Premiul Nobel cu Marie și Pierre Curie.

2. Câteva date despre uraniu

• Numărul atomic: 92
• Simbolul atomic: U
• Greutatea atomică/ Masa medie a atomului: 238.02891
• Densitate: 18,95 grame per centimetru cubic
• Stare la temperatura camerei: solidă
• Punct de topire: 1.135 grade Celsius
• Punct de fierbere: 4.131 grade Celsius
• Cei mai comuni izotopi: U-234, U-235, U-238

3. Istoria uraniului

Martin Heinrich Klaproth, un chimist german a descoperit uraniul în 1789, cu toate că informații despre acest element existau încă din anul 79, atunci când uraniul era folosit drept colorit pentru glazuri ceramice sau sticlă. Chimistul a descoperit elementul în smoala minerală, care la vremea respectivă se credea a fi minereu de zinc și fier.

Acest mineral era dizolvat în acid nitric, iar mai apoi, sărurile de potasiu erau adăugate precipitatului galben care rămânea. Klaproth a concluzionat astfel că a descoperit un nou element, atunci când reacțiile dintre sărurile de potasiu și precipitat cu corespundeau cu nici un element cunoscut. Descoperirea acestuia s-a dovedit a fi oxid de uraniu și nu uraniu pur, așa cum crezuse el inițial.

Potrivit Laboratorului Național Los Alamos, Klaproth a numit elementul după recent descoperita planetă Uranus, denumită la rândul ei după zeul grec al cerului. Eugène-Melchior Péligot, un chimist francez a izolat uraniul pur în 1841 prin încălzirea tetraclorurii de uraniu cu potasiu.

Despre uraniu s-a descoperit că este radioactiv în 1896 de către Antoine H. Becquerel, un fizician francez. Acesta a lăsat o mostră de uraniu pe o placă fotografică, care s-a încețoșat. A concluzionat astfel că datorită razelor invizibile a fost posibil acest lucru, indică Societatea Regală pentru Chimie. Acesta a fost primul moment în care s-a studiat radioactivitatea în mediu deschis, într-un nou domeniu al științei.

Marie Curie, om de știință polonez a patentat termenul de radioactivitate la scurt timp după descoperirea făcută de Becquerel. Pierre Curie, cercetător francez a continuat cercetările pentru a descoperi și alte elemente radioactive, cum ar fi poloniul sau radiul, alături de proprietățile acestora.

4. Putere și război

Potrivit Asociației Nucleare Mondiale, uraniul din univers s-a format acum 6,6 miliarde de ani în urma unei supernove. Se găsește peste tot pe planetă și reprezintă cam 2-4 părți dintr-un milion, din majoritatea rocilor. Este pe locul 48 printre cele mai abundente materiale, fiind de 40 de ori mai abundent decât argintul.

Cu toate că uraniul este asociat cu radioactivitatea, rata sa de descompunere este atât de scăzută încât acest element nu este chiar cel mai radioactiv existent. Uraniul-235 are o perioadă de înjumătățire de 4,5 miliarde de ani. Uraniul-234 de 245.500 de ani, dar are loc indirect ca urmare a descompunerii Uraniului-238. Cel mai ciudat izotop este Uraniul-2014, creat în 2021 la Heavy Ion Research Facility din Lanzhou, China.

Acest izotop poate fi creat doar în circumstanțe artificiale, cercetătorii bombardând mostre de tungsten cu laser de argon. Perioada de înjumătățire a fost în acest caz de o jumătate de milisecundă. Prin comparație, cel mai radioactiv element este poloniul, cu o perioadă de înjumătățire de 138 de zile.

Cu toate acestea, uraniul are un potențial exploziv foarte mare, grație capacității sale de a susține o reacție nucleară în lanț. U-235 este „ușor de fisionat”, adică nucleul acestuia poate fi împărțit de neutroni termici – neutroni cu aceeași energie ca cea dimprejur.

5. Bomba cu fisiune

În cazul bombei cu fisiune, ca cea care a distrus orașul japonez, reacția ajunge să fie super-critică. Acest lucru înseamnă că fisiunea are loc la o rată din ce în ce mai mare. Aceste reacții super-critice eliberează cantități colosale de energie. Unda de șoc care a distrus Hiroshima a avut puterea estimată a 15 kilotone de dinamită, totul datorat aproximativ unui kilogram de uraniu supus fisiunii.

Pentru a face această fisiune și mai eficientă, inginerii îmbogățesc uraniul. Elementul natural conține doar 0,7% U-235, izotopul fisionabil, restul fiind U-238. Pentru a crește proporția de U-235 inginerii fie gazifică uraniul pentru a separa izotopii, fie folosesc centrifuge. Potrivit Asociației Nucleare Mondiale, cel mai îmbogățit uraniu pentru centrale nucleare conține U-235 în procente de până la 3-5%.

La polul opus se găsește uraniul sărăcit, care este folosit pentru blindajul tancurilor sau pentru a face gloanțe. Acest tip de uraniu este ceea ce rămâne după ce uraniul îmbogățit este consumat de o centrală nucleară. Este cu aproape 40% mai puțin radioactiv decât uraniul natural. Acesta este toxic doar dacă este inhalat sau intră în organism printr-o explozie sau împușcare.

6. Lucruri interesante despre uraniu

• doar 1,38% din uraniul folosit pentru „Little Boy”, bomba care a distrus Hiroshima, a trecut prin procesul de fisiune. Bomba conținea aproximativ 64 kilograme de uraniu în total.
• „Little Boy” a detonat la 509 metri deasupra orașului lăsând în urmă doar câteva fărâme ale unor clădiri întărite cu ciment, pe o rază de aproape doi kilometri de la Zona 0. Ploile de foc au distrus totul pe o rază de șapte kilometri.
• perioada de înjumătățire pentru U-238 este de 4,5 miliarde de ani. Se descompune în radiu-226, care la rândul său se descompune în radon-222. Acesta din urmă devine poloniu-210, care în cele din urmă se descompune într-un nuclid stabil, plumb.
• Marie Curie, cea care a lucrat cu uraniul pentru a descoperi alte câteva elemente radioactive – poloniu și radiu – a decedat ca urmare a expunerii la radiații. Aceasta a murit în 1935 de anemie aplastică, o deficiență a globulelor roșii, datorată cel mai probabil efectelor radiațiilor asupra măduvei osoase.
• uraniul pur este un metal argintiu care se oxidează rapid la contactul cu aerul.
• uraniul este folosit uneori pentru a colora sticla, care strălucește în nuanțe verzi-galbene în lumina neagră.
• uraniul este exploatat în 20 de state, mai bine de jumătate provenind din Canada, Kazahstan, Australia, Nigeria, Rusia și Namibia.

7. Cercetările prezentului cu privire la uraniu

Având în vedere importanța pe care o are ca și combustibil nuclear, cercetătorii sunt interesați de modul de funcționare al uraniului. În special de topirea acestuia, care are loc atunci când sistemele de răcire dintr-un reactor cedează, iar căldura generată de fisiune topește combustibilul. Acest lucru s-a petrecut în cazul dezastrului de la Cernobîl.

Înțelegerea modului de funcționare al uraniului atunci când se topește este crucial pentru inginerii care construiesc containere de izolare. John Parise este chimist în cadrul  Universității Stony Brook, respectiv în cadrul Laboratorului Național Brookheaven.

În noiembrie 2014, alături de colegii săi de la Laboratorul Național Argonne au publicat un articol în Science. În acesta se elucidau procesele interne legate de dioxidul de uraniu topit – componentă majoră a combustibilului nuclear.

8. Cercetările privind dioxidul de uraniu

Dioxidul de uraniu nu se topește decât la temperaturi de 3000 de grade Celsius. Este astfel greu de măsurat ceea ce se petrece atunci când materialul devine lichid – nu există un vas suficient de rezistent.

„Soluția a fost să încălzim bila de dioxid de carbon cu laser CO2, aceasta fiind apoi ridicată pe un flux gazos”, spune Parise. „Având această bilă levitând pe un flux gazos, nu mai ai nevoie de un vas”. Cercetătorii au bombardat mai apoi dioxidul de uraniu cu raze X pentru a măsura dispersia acelor raze cu ajutorul unui detector. Unghiul de dispersie avea să arate structura atomică interioară a dioxidului de uraniu.

Cercetătorii au descoperit că la dioxidul de uraniu solid, atomii sunt aranjați ca într-o înșiruire de cuburi care alternează cu spațiile goale pe un model tip grilă. Sunt astfel identificați opt atomi de oxigen care înconjoară fiecare atom de uraniu. Pe măsură ce materialul se apropie de punctul de topire, oxigenul o ia „razna”. Aceștia încep să se mute, umplând spațiile goale ciocnindu-se de atomii de uraniu.

În cele din urmă, atunci când materialul se topește cuburile se transformă în forme poliderice dezordonate. În acest moment, numărul atomilor de oxigen scade de la opt la șapte. Cunoașterea acestui număr face posibilă prezicerea modului de comportare al dioxidului de uraniu la temperaturi crescute.

Următorul pas este ceva mai complex. Nucleul nu este compus doar din dioxid de uraniu pentru că mai avem aici și zirconiu. ”Trebuie să cunoști modul în care se comportă dioxidul de uraniu pur pentru ca atunci când analizezi adaosul de aditivi, să înțelegi schimbările care apar”.

Astfel, potențialul pentru noi cercetări în domeniul uraniului există în continuare.

Vă mai recomandăm și:

Iranul anunţă progrese în purificarea uraniului. Care sunt riscurile

Un nou izotop de uraniu a fost creat. Este cel mai ușor de până acum

Nivelul radioactivității în România. Se fac măsurători în fiecare oră cu 58 de aparate

Suntem cu toții radioactivi. Așadar, de ce ne este teamă de radiații?