Radioaktywna rodzina, czyli uran-235 i jego kuzyni. Czy każdy nadaje się do elektrowni? 

Czym są izotopy i jakie są między nimi różnice?

Izotopami nazywamy pierwiastki, które mają taką samą liczbę protonów (liczbę atomową) w jądrze atomowym, lecz różnią się liczbą neutronów, czyli mają inną masę atomową. Pod względem chemicznym i fizycznym izotopy tego samego pierwiastka wykazują w przybliżeniu te same właściwości i zachowanie, lecz różnią się znacznie właściwościami nuklearnymi. Większość naturalnie występujących izotopów jest stabilna, co oznacza, że ich cechy nuklearne nie zmieniają się z czasem. W przypadku radioaktywnych izotopów (takich jak izotopy uranu) ich właściwości nuklearne zmieniają się w czasie w wyniku tzw. „prawdopodobieństwa spontanicznej zmiany w jądrze atomowym”. 

Ważnym parametrem jest „okres połowicznego rozpadu”, który informuje o ilości czasu, po którym jądro radioaktywnego izotopu ulegnie rozpadowi i przekształci się w inny pierwiastek. Na skutek tego zjawiska większość naturalnego plutonu-244 oraz innych jego izotopów zanikło w skorupie ziemskiej w wyniku radioaktywnego rozpadu.

Naturalnie występujące izotopy uranu

Naturalny uran występuje w formie uraninitu, który jest minerałem składającym się głównie z tlenków uranu. Zawiera on 3 izotopy uranu: uran-238 (99.275%), uran-235 (0.7%) i uran-234 (0.05%). 

Nie każdy uran można rozszczepić?

Uran-238 jest nierozszczepialny, co oznacza, że nie można go użyć w łańcuchowej reakcji jądrowej potrzebnej do produkcji energii w reaktorze nuklearnym. Z uwagi na jego powszechne występowanie i zwiększony popyt na uran-235, jego duże ilości są pozyskiwane jako produkt uboczny podczas procesu wzbogacania uranu-235. Jego głównym zastosowaniem jest produkcja rozszczepialnego plutonu-239 poprzez transmutację uranu-238. Rozszczepienie tego izotopu jest możliwe za pomocą „szybkich neutronów” natomiast nie jest to proces wydajny i kontrolowany, ponieważ bardzo trudno podtrzymać tę reakcję, aby stała się łańcuchowa. Dlatego do tego celu rzadko używa się uranu-238 i najczęściej nie nazywa się go rozszczepialnym, ponieważ nie jest on w tej samej lidze rozszczepialności co uran-235 lub pluton-239. Przez bardzo długi okres połowicznego rozpadu, uran-238 wykorzystywany jest do datowania izotopowego materiałów mających ponad milion lat.

• Zobacz również: Jak wyglądają kopalnie uranu? Metody wydobycia i praca górnika

Najpopularniejsze paliwo w przemyśle jądrowym

Uran-235 jest najpowszechniej używanym izotopem uranu w przemyśle technologii jądrowych. Jego wyjątkowość objawia się w rozszczepialności jądra atomowego za pomocą bombardowania atomu uranu „wolnymi neutronami”. 

Po wielu naukowych trudach ludzie nauczyli się kontrolować tę jądrową reakcję w reaktorach nuklearnych za pomocą materiałów absorbujących i spowalniających neutrony. Owa reakcja produkuje ogromne ilości energii w postaci ciepła (3 miliony razy więcej niż spalanie węgla). Dodatkowo, jeśli uda się osiągnąć masę krytyczną uranu w reaktorze jądrowym, to reakcja staje się łańcuchowa i samopodtrzymująca. Oznacza to, że rozszczepione jądro atomowe powoduje emisję kolejnych neutronów, które rozszczepiają następne jądro atomowe innego atomu. Jednakże jest to możliwe tylko i wyłącznie, jeśli pierwiastek jest rozszczepialny oraz gdy mamy odpowiednią ilość tego pierwiastka, aby osiągnąć masę krytyczną.

Uran jest najcięższym pierwiastkiem występującym naturalnie w skorupie ziemskiej, przez co posiada duże jądro atomowe, a ono po rozszczepieniu uwalnia ogromną ilość energii. Ponadto uran występuje naturalnie podobnie często jak cyna, a częściej niż złoto. Po wydobyciu uranu jako rudy, wymaga on zwiększenia koncentracji izotopu 235. Proces ten nazywa się wzbogaceniem i jako rezultat zwiększamy procentową ilość uranu-235 z 0.7% do 3%-5%, co jest już wystarczające, aby użyć go w reaktorach jądrowych.

Trzeci naturalny izotop uranu – znikoma ilość w przyrodzie

Uran-234 powstaje w wyniku radioaktywnego rozkładu uranu-238. Jego znikoma ilość w rudzie uranu wynika z krótkiego okresu połowicznego rozpadu. Jest on głównym powodem radioaktywności uranu naturalnego. Podczas procesu wzbogacania uranu-235, również rośnie koncentracja uranu-234.

Istnieje możliwość transmutacji uranu-234 w uran-235 za pomocą bombardowania neutronowego. Natomiast nie jest to wykorzystywane na wielką skalę przez znikome ilości uranu-234 w przyrodzie. Nie jest on również dobrze rozszczepialnym izotopem, ponieważ pochłania najpierw neutrony, aby przekształcić się w uran-235, a dopiero na tym etapie może zajść nuklearna reakcja łańcuchowa. Przez wspomniane trudności nie jest on powszechnie wykorzystywany do reaktorów jądrowych i jest gorszym paliwem, niż uran-235.

Izotopy uranu stworzone przez człowieka

Po odkryciu zjawiska rozszczepienia jądra atomowego i transmutacji nuklidów na całym świecie rozpoczęły się badania nad tworzeniem sztucznych izotopów, wykorzystując wcześniej wspomniane procesy.

Uran-233 jest rozszczepialnym pierwiastkiem uzyskiwanym poprzez transmutację toru-232 i jest produktem cyklu paliwowego toru. Przeprowadzono liczne eksperymenty używając tego izotopu, lecz nigdy nie został on użyty komercyjnie w elektrowni jądrowej, ani też zastosowany do broni jądrowej. Wynika to głównie z niższego stosunku absorpcji neutronu do rozszczepienia jądra w porównaniu do radioaktywnych liderów uranu-235 czy plutonu-239. Uran-233 zazwyczaj ulega łańcuchowej reakcji rozszczepienia, lecz czasami może dojść do absorpcji neutronu, wskutek czego powstanie uran-234, co zmniejsza wydajność reakcji.

Uran-236 jest nierozszczepialnym i niedobrze ulegającym transmutacji izotopem uranu. Powstaje głównie jako odpad podczas użytkowania reaktora jądrowego, gdy uran-235 nie ulegnie rozszczepieniu jądra, lecz pochłonie neutron. Występuje w zużytym paliwie i poprzez jego detekcję można stwierdzić czy paliwo uranowe było używane.

Uran-232 również jest produktem ubocznym podczas cyklu paliwowego toru. Podczas produkcji uranu-233 z toru-232 jest on zanieczyszczeniem, które sprawia, że reakcja jest trudniejsza do kontrolowania. Charakteryzuje się przyzwoitym przekrojem poprzecznym strefy absorpcji neutronów, co sprawia, że jest dobrze rozszczepialny. Jednakże używanie go jako jedyny składnik paliwa w reaktorze nie jest rozsądne, z uwagi na wielkie ilości promieniowania gamma, emitowanego podczas rozszczepienia przez ten izotop. Czyni go to niebezpiecznym dla życia i zdrowia człowieka oraz trudnym do kontrolowania podczas reakcji w reaktorze.

Czemu akurat uran-235?

W technologiach jądrowych w największej skali wykorzystuje się uran-235, ze względu na jego właściwości wymienione wcześniej. Tor i pluton są alternatywnymi paliwami jądrowymi, które również są wykorzystywane, lecz rzadziej niż uran-235.

Tor występuje trzy razy częściej w naturalnej formie niż uran, natomiast nie jest on pierwiastkiem rozszczepialnym. Jest on użyteczny do reakcji jądrowych jedynie, gdy poddamy go tzw. „transmutacji nuklidów”. Wspomniany proces polega na zbombardowaniu neutronami jądra atomowego pierwiastka nieulegającego rozszczepieniu, w wyniku czego dojdzie do wymuszonego pochłonięcia neutronu przez to jądro i przekształcenia pierwiastka w inny, który może okazać się użyteczny. W przypadku toru można go przekształcić w rozszczepialny uran-233.

Pluton występuje naturalnie najrzadziej spośród wymienionych pierwiastków. Zazwyczaj otrzymuje się go poprzez transmutację uranu-238, nierozszczepialnego izotopu uranu, który jest produktem ubocznym podczas wydobywania i „wzbogacania” rozszczepialnego uranu-235. W wyniku transmutacji uranu-238 dostaniemy pluton-239. Pomimo trudności z pozyskaniem izotopu plutonu odznacza się lepszymi właściwościami nuklearnymi, niż uran. Pluton ma prawie pięciokrotnie mniejszą masę krytyczną, jest bardziej rozszczepialny przez większy przekrój poprzeczny jądra atomowego (może szybciej pochłonąć więcej neutronów) oraz ma większą gęstość energetyczną. Jednakże pluton-239 jest znacznie bardziej niebezpieczny i radioaktywny dla człowieka, niż uran-235, przez co technologia do reakcji jądrowych plutonu musi być znacznie bardziej wyrafinowana i skomplikowana. Dodatkowo jest trudniejszy w pozyskaniu i bardziej kosztowny. Dlatego do większości standardowych reaktorów jądrowych jako paliwo używany jest uran-235, a pluton-239 jest przeznaczony bardziej do produkcji broni nuklearnej.

Źródła: radioactivity.eu.com, orano.group, world-nuclear.org, ucs.org, en.wikipedia.org, isotopes.gov

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Tobiasz Kobza