Jadrová energia – Nový zatiaľ úplne najľahší izotop Uránu (214).
Takmer neuveriteľné, až doslova neskutočné – od pol milisekundy až po 4,5 miliárd rokov! To je rozdiel medzi najmenším a najväčším polčasom rozpadu izotopov uránu.
Čínski vedci vo Výskumnom zariadení ťažkých iónov (Heavy Ion Research Facility) v Lan-čou vytvorili nový izotop uránu.
Najťažším prirodzene sa vyskytujúcim prvkom je urán (atómové číslo 92). Vedci teraz objavili nový typ (teda presne jeho izotop) uránu, ktorý je z jeho izotopov vôbec zatiaľ najľahší. Objav by mohol odhaliť viac o stále podivnej alfa častici, ktorá sa pri rozpade vylučuje z rádioaktívnych prvkov.
Novoobjavený urán s názvom urán-214 je izotop alebo variant prvku, ktorý má o 30 neutrónov viac ako protóny, o jeden menej neutrónov ako ďalší najľahší izotop uránu. Pretože neutróny majú pochopiteľne svoju hmotnosť, je urán-214 oveľa ľahší ako bežnejšie izotopy uránu, vrátane uránu-235, ktorý sa používa v jadrových reaktoroch a má ďalších 51 neutrónov.
Tento novo nájdený izotop nie je len ľahší ako ostatné, ale počas svojho rozpadu tiež vykazoval jedinečné správanie.
Nové poznatky ako také by mohli pomôcť vedcom lepšie pochopiť proces rádioaktívneho rozpadu známy ako rozpad alfa, pri ktorom atómové jadro stratí skupinu dvoch protónov a dvoch neutrónov - súhrnne nazývaných alfa častica.
A aj keď vedci už dávno vedia, že rozpad alfa vedie k akémusi vyleteniu tejto častice alfa, po storočí štúdia stále nepoznajú úplne presné podrobnosti o tom, ako sa častica alfa vytvára predtým, ako vyletí (rsp. je vyhodená).
Našim čitateľom chemický prvok Urán (U-92) nie je treba príliš predstavovať.
Drvivá väčšina z nich vie, že sa už veľmi dávno používal na farbenie skla pretože vytvára citrónovo žlté až zelené farby. V ultrafialovom svetle fluoreskuje uránové sklo zelenou farbou. Urán bol tiež kedysi v ranných časoch rozvoja fotografovania používaný na tónovanie a tieňovanie.
V modernejšej dobre si ho však ľudia najviac spájajú s výrobou atómových bômb a potom ako jadrové palivo do jadrových elektrární hlavne na výrobu elektrickej energie.
Ale vzhľadom aj k iným vlastnostiam uránu – kedže je to mimoriadne hustý, (tesný, nepreniknuteľný) kov, je často používaný aj mimo jadrovej energetiky. Napríklad sa používa sa ako cieľ na výrobu röntgenových lúčov, alebo „ochudobnený“ urán ako obal streliva pre niektoré typy vojenských zbraní – takže ľahko preráža pancier, a naopak môže slúžiť ako plát proti strelám zvonku. Taktiež ako štít pred žiarením, alebo ako protizávažie pre riadiace plochy lietadiel a tiež v gyroskopoch inerciálnych navádzacích systémov.
Za objav uránu v mineráli smolica z roku 1789 sa zaslúžil Martin Heinrich Klaproth, ktorý pomenoval nový prvok po vtedy nedávno objavenej planéte Urán.
Mimochodom názov „Urán“ pochádza z rímskej mytológii, kde znamená „Otec nebies“ - po gréckom bohovi nebies (Uranus). Podľa mýtu bol (Uranus) otec Saturna a starý otec Jupitera.
Eugène-Melchior Péligot bol prvou osobou, ktorá urán izolovala ako kov. Jeho rádioaktívne vlastnosti objavil v roku 1896 Henri Becquerel. A nakoniec výskum Otta Hahna, Lise Meitnerovej, Enrica Fermiho a ďalších, ako napríklad J. Roberta Oppenheimera, ktorý sa začal v roku 1934, viedol k jeho použitiu ako paliva v jadrovej energetike a samozrejme v prvej jadrovej zbrani použitej vo vojne.
Urán (U – atómové číslo 92) je prirodzene sa vyskytujúci rádioaktívny prvok, ktorý nemá žiadny stabilný izotop.
Má dva prvotné izotopy, urán-238 a urán-235, ktoré majú dlhý polčas rozpadu a v zemskej kôre sa nachádzajú v značnom množstve. Ľudovo ba sa dalo povedať, že urán je skoro všade okolo nás.
Termín tzv. „Prírodný urán“ je označenie uránu s priemerne (lebo existujú aj výnimky) s rovnakým izotopovým pomerom, aký sa nachádza v prírode. Obsahuje hlavne izotop uránu-238 – a to až 99,284 %, potom 0,711 % uránu-235, a stopové prvky uránu-234 podľa hmotnosti (0,0055 %).
Veľkou zaujímavé je (a to asi väčšina čitateľov nevie) že vo vzťahu k rádioaktivite je to úplne inak - najviac rádioaktivity v prírodnom uráne pochádza z toho skoro zanedbateľného zastúpenia uránu-234 – až 49,2 %, potom približne 48,6 % z uránu-2382, a iba 2 % jeho rádioaktivity pochádza z uránu-235.
Kedže urán nie je stabilný, tak sa rozpadá – a to pomaly emitovaním častice alfa.
Polčas rozpadu uránu-238 je asi 4,47 miliárd rokov a polčasu uránu-235 je 704 miliónov rokov, vďaka čomu sú užitočné a využívané pri datovaní veku Zeme.
Prírodný urán sa môže používať ako jadrové palivo v nízko aj vysoko výkonných jadrových reaktoroch. Také boli (alebo sú) napríklad jadrové reaktory moderované grafitom, či ťažkou vodou, keď bolo palivo v keramickej forme čistého kovu (U), alebo oxidu uraničitého (UO2). Také reaktory sú napríklad CANDU, alebo bol aj jadrový reaktor KS-150 A-1 v Jaslovských Bohuniciach. Pre drvivú väčšinu prevádzkovaných jadrových reaktorov je však jadrové palivo zmes izotopu U-238 a U-235, kde práve izotop U-235 musí byť navýšený, teda urán je v tomto zmysle „obohatený“. Vtedy ako moderátor stačí aj obyčajná (teda presnejšie demineralizovaná) voda. Je to z dôvodu, že 0,72 % uránu-235 nie je dostatočné na produkciu sebestačnej kritickej reťazovej reakcie v takýchto (ľahkovodných) reaktoroch alebo napríklad aj v jadrových zbraniach; tieto aplikácie musia používať obohatený urán.
Jadrové zbrane, ale aj jadrové reaktory v ponorkách majú koncentráciu 90 % uránu-235, ale bežné ľahkovodné reaktory vyžadujú koncentráciu zhruba 3% uránu-235.
Ďalšie izotopy, ako napríklad urán-233, boli vyrobené v množivých reaktoroch. Okrem izotopov nachádzajúcich sa v prírode alebo v jadrových reaktoroch sa vyrobilo veľa izotopov s oveľa kratšími polčasmi rozpadu, v rozmedzí od 214-U do 242-U (s výnimkou 220-U a 241-U).
Štandardná atómová hmotnosť prírodného uránu je 238,02891.
Všetky prvky majú jeden alebo viac izotopov, ktoré sa navzájom líšia počtom neutrónov v jadrách. Takmer všetky prirodzene sa vyskytujúce atómy uránu obsahujú buď 143 alebo 146 neutrónov.
Teraz sa čínskemu vedcovi Zai-Guo Gan na Čínskej akadémii vied v Lan-čou spoločne s jeho kolegami podarilo „vyrobiť“ izotop uránu s iba 122 neutrónmi a to nastreľovaním lúča argónu na cieľ volfrámu, až kým sa atómy každého prvku nezlúčili - čo je mimoriadne zriedkavá udalosť, pri ktorej sa vytvorili atómy uránu .
Obrázok zmesi solitárnych a zoskupených atómov uránu (umelo zafarbených) vo vedcami vyrobenom ultraľahkom atóme uránu iba s 122 neutrónmi.
Vedci pôsobením lúča na volfrám účinne pridali do materiálu protóny a neutróny a vytvorili tak urán. Technicky to urobili pomocou magnetického zariadenia nazývaného separátor (vlastne technicky odlučovač využívajúci spätný ráz) ktorý bol naplnený plynom - v tomto prípade spektrometer pre ťažké atómy a jadrovú štruktúru alebo inak v skratke nazývaný SHANS) extrahovali 122-neutrónový izotop uránu.
Všetky izotopy uránu prechádzajú α-rozpadom, čo je proces, pri ktorom atóm stráca dva protóny a dva neutróny.
Dôsledným sledovaním toho, ako sa izotopy rozpadajú, dokázali vedci študovať tzv. silnú jadrovú silu - jednu zo štyroch základných síl, ktoré držia hmotu pohromade - pôsobiacu na alfa častice - neutróny a protóny - na povrchu uránu. Zistili, že protón a neutrón v každej častice alfa interagujú oveľa silnejšie ako v izotopoch a iných prvkoch s podobným počtom protónov a neutrónov, ktoré boli predtým študované.
Autori neočakávane zistili, že ich ultraľahký izotop a predtým detekovaný izotop uránu obsahujúci 124 neutrónov sa rozpadá ľahšie ako ľahké izotopy iných prvkov.
To naznačuje, že interakcie medzi protónmi a neutrónmi v atómových jadrách môžu mať väčšiu úlohu pri rozpade α, ako sa doteraz myslelo.
Tento ľahulinký izotop uránu ou pomôže viac vysvetliť základnú formu jadrového rozpadu.
Nový izotop uránu-214 mal polčas iba pol milisekundy, čo znamená, že to je doba, ktorá trvá, kým sa rozpadne polovica rádioaktívnej vzorky. Najbežnejší izotop uránu - nazývaný urán-238 - má polčas rozpadu asi 4,5 miliárd rokov, čo je zhruba vek Zeme.
Keď teda porovnáme tieto dva časy, je to úplne neuveriteľné rozmedzie.
Uvidíme k čomu vedci v budúcnosti dôjdu.
Kto by chcel o tomto novom fenoméne vedieť viac, môže si to priamo preštudovať v publikácii „New α-Emitting Isotope 214-U and Abnormal Enhancement of α-Particle Clustering in Lightest Uranium Isotopes - Z. Y. Zhang (张志远) et al.- Phys. Rev. Lett. 126, 152502 – Published 14 April 2021“, ktorú nájde tu:
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.152502 , resp. tu:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.152502
