Uran-238

Rozbalit box

Obsah boxu

Uran-238 (značka ²³⁸U) je nejběžnější a nejstabilnější izotop uranu, který se nachází v přírodě. Tvoří přibližně 99,274 % veškerého přírodního uranu. Na rozdíl od uranu-235 není přímo štěpitelný tepelnými neutrony, a proto se nemůže přímo použít jako jaderné palivo v běžných typech jaderných reaktorů. Je však klasifikován jako tzv. „plodivý“ (fertilní) materiál, protože po záchytu neutronu se může přeměnit na štěpitelný izotop plutonia-239. Jeho extrémně dlouhý poločas rozpadu (přibližně 4,468 miliardy let) je srovnatelný se stářím Země, což z něj činí klíčový prvek pro radiometrické datování geologických formací.

⚛️ Fyzikální a chemické vlastnosti

Jádro atomu uranu-238 obsahuje 92 protonů a 146 neutronů. Jeho atomová hmotnost je přibližně 238,05 u. Je to radioaktivní prvek, který podléhá primárně alfa rozpadu, při kterém emituje částice alfa (jádro helia) a přeměňuje se na thorium-234. Tento proces je prvním krokem v dlouhé rozpadové řadě, známé jako uranová řada, která končí stabilním izotopem olova-206.

Energie uvolněná při alfa rozpadu ²³⁸U je přibližně 4,27 MeV. Ačkoliv je jeho radioaktivita ve srovnání s jinými radionuklidy nízká, představuje při vnitřní kontaminaci (vdechnutí nebo požití) zdravotní riziko. Kromě alfa rozpadu podléhá uran-238 také, i když s mnohem menší pravděpodobností, spontánnímu štěpení a dvojité beta přeměně na plutonium-238.

Chemicky se uran-238 chová stejně jako ostatní izotopy uranu. Je to velmi hustý, stříbřitě bílý kov, který na vzduchu rychle oxiduje.

🌍 Výskyt v přírodě

Uran-238 je primordiální nuklid, což znamená, že existuje od doby vzniku Země. Díky svému velmi dlouhému poločasu rozpadu se dochoval až do současnosti. Je nejhojnějším izotopem uranu a tvoří drtivou většinu (přes 99 %) veškerého uranu na planetě. Nachází se v nízkých koncentracích v horninách, půdě i vodě. Průměrná koncentrace uranu v zemské kůře je asi 2,7 ppm. Mezi významné uranové rudy patří uraninit (smolinec) a karnotit.

Přirozený uran obsahuje kromě ²³⁸U také:

• Uran-235 (²³⁵U) – přibližně 0,720 %
• Uran-234 (²³⁴U) – přibližně 0,0055 %

Izotop ²³⁴U je produktem rozpadu ²³⁸U, a proto se v přírodě nachází v sekulární rovnováze s ²³⁸U.

📜 Rozpadová řada

Uran-238 je výchozím bodem pro tzv. uranovou (nebo radiovou) rozpadovou řadu (4n+2). Během této série postupných rozpadů vzniká řada nestabilních meziproduktů, z nichž mnohé jsou významnými zdroji ionizujícího záření. Rozpadová řada končí stabilním izotopem olova ²⁰⁶Pb.

Nejdůležitější členové rozpadové řady ²³⁸U jsou:

• ²³⁸U (poločas rozpadu 4,468 mld. let) → α rozpad na:
• Thorium-234 (²³⁴Th) (24,1 dne) → β⁻ rozpad na:
• Protaktinium-234m (^234mPa) (1,17 minuty) → β⁻ rozpad na:
• Uran-234 (²³⁴U) (245 500 let) → α rozpad na:
• Thorium-230 (²³⁰Th) (75 380 let) → α rozpad na:
• Radium-226 (²²⁶Ra) (1 600 let) → α rozpad na:
• Radon-222 (²²²Rn) (3,82 dne) → α rozpad na:
• Série krátkodobých izotopů (polonium, olovo, bismut) → končí na:
• Olovo-206 (²⁰⁶Pb) (stabilní)

Významným produktem této řady je plynný radon-222, který může unikat z hornin a hromadit se v nevětraných prostorách, jako jsou sklepy, a představovat tak významné zdravotní riziko.

⚙️ Využití

Ačkoliv ²³⁸U není přímo štěpitelný, hraje klíčovou roli v jaderném průmyslu a dalších odvětvích.

☢️ Jaderná energetika

Hlavní význam uranu-238 v jaderné energetice spočívá v jeho schopnosti stát se štěpitelným materiálem. Tento proces se nazývá "množení" (breeding).

1. Jádro ²³⁸U zachytí rychlý neutron.
2. Vznikne nestabilní jádro uranu-239 (²³⁹U).
3. ²³⁹U se s poločasem rozpadu 23,5 minuty přemění beta rozpadem na neptunium-239 (²³⁹Np).
4. ²³⁹Np se s poločasem rozpadu 2,36 dne přemění dalším beta rozpadem na plutonium-239 (²³⁹Pu).

Plutonium-239 je vynikající štěpitelný materiál, který lze použít jako palivo v jaderných reaktorech i jako materiál pro jaderné zbraně. Tento proces je základem fungování rychlých množivých reaktorů, které dokáží vyrobit více paliva, než samy spotřebují.

Materiál, který zbude po procesu obohacování uranu (kdy se zvyšuje koncentrace ²³⁵U), se nazývá ochuzený uran. Skládá se téměř výhradně z ²³⁸U a díky své extrémně vysoké hustotě nachází další uplatnění.

🛡️ Vojenské aplikace

Ochuzený uran (Depleted Uranium, DU) se díky své vysoké hustotě (cca 19,1 g/cm³, což je asi 1,7krát více než u olova) a pyrophorickým vlastnostem (při nárazu hoří) využívá pro vojenské účely:

• Protipancéřová munice: Kinetické penetrátory z ochuzeného uranu mají vynikající průraznost pancíře.
• Pancéřování: Desky z ochuzeného uranu se používají jako součást kompozitního pancíře u moderních tanků, například u amerického M1 Abrams.

Použití této munice je kontroverzní kvůli potenciálním dlouhodobým dopadům na zdraví a životní prostředí v zasažených oblastech.

📅 Geologické datování

Stabilní a velmi dlouhý poločas rozpadu ²³⁸U je základem jedné z nejdůležitějších metod radiometrického datování – uran-olověné metody. Analýzou poměru mateřského izotopu ²³⁸U a dceřiného stabilního izotopu ²⁰⁶Pb v minerálech, jako je zirkon, mohou geologové s vysokou přesností určit stáří hornin. Tato metoda byla klíčová pro stanovení stáří Země na přibližně 4,54 miliardy let.

🏭 Další využití

• Stínění proti záření: Ochuzený uran se díky své hustotě používá jako účinný materiál pro stínění proti záření gama v medicíně i průmyslu.
• Závaží: Používá se jako vyvažovací závaží v letadlech a jako kýl u závodních plachetnic.
• Historické použití: Sloučeniny uranu se v minulosti používaly k barvení skla (tzv. uranové sklo) a keramiky, kterým dodávaly žlutou až zelenou barvu s charakteristickou fluorescencí pod ultrafialovým světlem.

☣️ Zdravotní a environmentální rizika

Rizika spojená s uranem-238 lze rozdělit na radiologická a chemická.

• Radiotoxicita: Jako alfa zářič je ²³⁸U nebezpečný především při vnitřní kontaminaci (vdechnutí prachu nebo požití). Částice alfa mají krátký dosah, ale vysokou ionizační schopnost, která může poškodit buňky a DNA. Značné riziko představují také jeho dceřiné produkty, zejména plynný radon, který je druhou nejčastější příčinou rakoviny plic po kouření.
• Chemotoxicita: Uran je těžký kov a jako takový je toxický. Při vysokých koncentracích může poškozovat především ledviny. U většiny scénářů expozice přírodnímu nebo ochuzenému uranu je chemická toxicita považována za dominantní zdravotní riziko, které převyšuje riziko radiologické.

💡 Pro laiky

• Co je to izotop? Představte si, že prvek je jako značka auta, například Škoda. Všechny Škody mají stejný základ, ale mohou mít různé motory. Podobně všechny atomy uranu mají 92 protonů (to je jejich "značka"). Uran-238 má ale 146 neutronů, zatímco jeho slavnější "bratr" uran-235 jich má jen 143. Právě tento rozdíl v počtu neutronů jim dává odlišné vlastnosti.
• Proč není ²³⁸U palivo, ale může se jím stát? Uran-235 je jako suché dříví – stačí malá jiskra (pomalý neutron) a začne hořet (štěpit se). Uran-238 je spíše jako mokré, syrové poleno. Samo o sobě nehoří, ale když ho dáte do velkého ohně (v reaktoru ho "ostřelujete" neutrony), může se "vysušit" a přeměnit na něco, co už hoří skvěle – na plutonium-239. Tomuto procesu se říká "množení".
• Proč je důležitý jeho pomalý rozpad? Uran-238 se rozpadá extrémně pomalu, jeho poločas rozpadu je srovnatelný se stářím naší planety. Funguje jako obří přírodní hodiny. Když geologové najdou starou horninu, změří, kolik ²³⁸U se v ní už přeměnilo na olovo. Z tohoto poměru dokáží přesně vypočítat, jak je hornina stará, podobně jako byste z množství písku v dolní části přesýpacích hodin poznali, kolik času uplynulo.

Šablona:Aktualizováno