Uran-235

Rozbalit box

Obsah boxu

Uran-235 (značka ²³⁵U) je izotop uranu, který tvoří přibližně 0,72 % přírodního uranu. Na rozdíl od mnohem hojnějšího uranu-238 je jako jediný přirozeně se vyskytující nuklid štěpitelný pomalými (tepelnými) neutrony, což z něj činí klíčový materiál pro jadernou energetiku a jaderné zbraně. Proces zvyšování koncentrace ²³⁵U se nazývá obohacování uranu. Tento izotop objevil v roce 1935 kanadsko-americký fyzik Arthur Jeffrey Dempster.

⚛️ Fyzikální a chemické vlastnosti

Jádro uranu-235 obsahuje 92 protonů a 143 neutronů. Jeho poločas rozpadu je přibližně 704 milionů let. Rozpadá se alfa rozpadem na thorium-231. Je výchozím bodem rozpadové řady nazývané aktiniová, která končí stabilním izotopem olova ²⁰⁷Pb.

Chemicky se ²³⁵U chová prakticky identicky jako ostatní izotopy uranu. Právě tato chemická identita a zároveň velmi malý rozdíl v hmotnosti oproti ²³⁸U činí proces jejich oddělování (obohacování) technologicky mimořádně náročným. Pro účely obohacování se uran typicky převádí do plynné formy fluoridu uranového (UF₆).

Účinný průřez pro záchyt pomalého neutronu, který vede ke štěpení, je u ²³⁵U vysoký (kolem 584 barnů), zatímco u ²³⁸U je tato pravděpodobnost zanedbatelná. Pro rychlé neutrony je účinný průřez výrazně nižší (řádově 1 barn).

⏳ Objev a historie

Uran-235 byl objeven v roce 1935 Arthurem Jeffrey Dempsterem. Klíčový objev, že tento izotop je štěpitelný neutrony, učinili v roce 1938 němečtí chemici Otto Hahn a Fritz Strassmann. Tento objev otevřel cestu k využití jaderné energie.

Během druhé světové války se ²³⁵U stal ústředním bodem amerického projektu Manhattan, jehož cílem bylo vyvinout atomovou bombu. Vzhledem k technologické náročnosti obohacování uranu byl tento proces jedním z největších vědeckých a průmyslových úkolů své doby. První jaderná zbraň použitá v historii, bomba s názvem Little Boy svržená na Hirošimu 6. srpna 1945, obsahovala právě vysoce obohacený uran-235.

💥 Jaderné štěpení

Jaderné štěpení ²³⁵U je proces, při kterém se jádro atomu po pohlcení neutronu rozštěpí na dvě menší jádra (štěpné produkty, např. baryum a krypton), přičemž se uvolní obrovské množství energie (asi 202,5 MeV na jedno jádro) a dva až tři další neutrony.

Právě uvolněné neutrony mohou zasáhnout další jádra ²³⁵U a způsobit jejich štěpení, čímž vzniká řetězová reakce.

Řízená řetězová reakce: V jaderném reaktoru je počet štěpení udržován na konstantní úrovni. Přebytečné neutrony jsou pohlcovány regulačními tyčemi (např. z boru nebo kadmia), což umožňuje stabilní produkci tepla, které se využívá k výrobě elektřiny. Pro efektivní štěpení je nutné rychlé neutrony vzniklé při reakci zpomalit pomocí moderátoru (např. vody nebo grafitu).
Neřízená řetězová reakce: V jaderné zbrani probíhá reakce lavinovitě a v co nejkratším čase se rozštěpí maximální možné množství jader, což vede k ničivé explozi.

K udržení řetězové reakce je nutné dosáhnout tzv. kritické množství. Jedná se o minimální množství štěpného materiálu, při kterém počet nově vzniklých neutronů přesně kompenzuje počet neutronů, které jsou pohlceny bez štěpení nebo uniknou z materiálu ven. Pro kouli čistého ²³⁵U bez odražeče neutronů je kritické množství přibližně 48-56 kg. Použitím odražeče neutronů (např. z beryllia nebo ochuzeného uranu) lze tuto hodnotu snížit.

🏭 Využití

⚡ Jaderná energetika

Většina současných jaderných elektráren využívá jako palivo nízko obohacený uran (LEU), ve kterém je koncentrace ²³⁵U zvýšena na 3 až 5 %. Toto palivo, obvykle ve formě tablet oxidu uraničitého (UO₂), je uspořádáno do palivových článků v aktivní zóně reaktoru. Energie uvolněná štěpením ohřívá vodu, která následně pohání parní turbíny a generátory. Některé typy reaktorů, například CANDU, mohou využívat i přírodní, neobohacený uran, ale vyžadují použití těžké vody jako moderátoru.

💣 Jaderné zbraně

Pro vojenské účely se používá vysoce obohacený uran (HEU), kde podíl ²³⁵U přesahuje 85 %, typicky i více než 90 %. Takto vysoká koncentrace umožňuje dosažení nadkritického stavu a spuštění neřízené řetězové reakce. Zbraň typu "gun-type", jako byla bomba Little Boy, funguje na principu rychlého spojení dvou podkritických množství HEU do jednoho nadkritického celku pomocí konvenční výbušniny.

🌎 Výskyt a obohacování

Uran-235 tvoří jen malou část (0,72 %) přírodního uranu, drtivou většinu (99,27 %) tvoří uran-238. V minulosti, před miliardami let, byl podíl ²³⁵U vyšší, protože má kratší poločas rozpadu než ²³⁸U. Tato vyšší koncentrace v minulosti dokonce umožnila vznik přírodních štěpných reaktorů, jako byl ten v Oklo v Gabonu.

Obohacování uranu je fyzikální proces oddělování izotopů ²³⁵U a ²³⁸U. Mezi hlavní metody patří:

Plynová difúze: Historicky významná, ale energeticky velmi náročná metoda. Využívá faktu, že lehčí molekuly UF₆ s ²³⁵U procházejí porézní membránou o něco rychleji.
Plynové centrifugy: Dnes nejpoužívanější a energeticky úspornější metoda. V rychle rotujících centrifugách jsou těžší molekuly s ²³⁸U vytlačovány ke stěnám, zatímco lehčí s ²³⁵U se koncentrují u středu.
Laserová separace (AVLIS/SILEX): Moderní a potenciálně velmi efektivní metoda, která využívá lasery k selektivní ionizaci atomů ²³⁵U, které jsou následně odděleny elektromagnetickým polem.

Vedlejším produktem obohacování je ochuzený uran, který obsahuje méně než 0,7 % ²³⁵U a využívá se například pro svou vysokou hustotu ve zbrojním průmyslu nebo jako stínění proti záření.

☢️ Bezpečnost a nakládání

Uran-235 je radioaktivní a emituje záření alfa. Přestože alfa záření má krátký dosah a je zastaveno i listem papíru nebo lidskou pokožkou, je nebezpečné při vdechnutí nebo požití. Proto je při manipulaci s uranem nutné dodržovat přísná bezpečnostní opatření. Hlavní riziko spojené s ²³⁵U však spočívá v jeho schopnosti tvořit kritické množství a spustit řetězovou reakci, což vyžaduje pečlivou kontrolu množství a geometrie skladovaného materiálu. Produkty štěpení ²³⁵U jsou vysoce radioaktivní a tvoří podstatnou část vyhořelého jaderného paliva, které se musí bezpečně a dlouhodobě skladovat v hlubinných úložištích.

👨‍🏫 Pro laiky: Uran-235 jednoduše

Představte si velkou místnost plnou pastiček na myši. Většina z nich (993 z 1000) je bezpečných a nesklapne – to je jako stabilní uran-238. Ale 7 z nich je natažených a připravených sklapnout – to je náš vzácný uran-235.

Když do místnosti hodíte malý míček (neutron), je malá šance, že trefí jednu z natažených pastiček. Pokud se to stane, pastička sklapne a vymrští do vzduchu dva nebo tři další míčky. Tyto nové míčky mohou zasáhnout další natažené pastičky, které také sklapnou a vymrští další míčky.

V jaderné elektrárně tento proces pečlivě kontrolujeme. Postavíme mezi pastičky speciální zdi (regulační tyč), které většinu nových míčků zachytí. Dovolíme, aby vždy jen jeden nový míček trefil další pastičku. Tím udržujeme stálý, kontrolovaný počet "sklápění" a vyrábíme teplo.
V atomové bombě naopak chceme, aby se reakce co nejvíce rozjela. Odstraníme všechny překážky a všechny natažené pastičky dáme co nejblíže k sobě. První míček spustí lavinu, kdy každá sklapnutá pastička aktivuje několik dalších, a během zlomku sekundy dojde k obrovskému uvolnění energie – explozi.

Klíčem k obojímu je právě ten malý počet speciálních "natažených pastiček" – uranu-235.

Zdroje