Czym jest uran 235? Dlaczego używamy uranu 235 zamiast 238?

Co to jest uran i jakie są jego izotopy?

Uran to silnie radioaktywny pierwiastek chemiczny należący do grupy metali ciężkich. Jest oznaczany symbolem U i posiada liczbę atomową 92. W przyrodzie występuje głównie w postaci dwóch izotopów: uran-238 (U-238) oraz uran-235 (U-235). Choć U-238 stanowi około 99,3% naturalnego uranu, to właśnie U-235, będący znacznie rzadszym izotopem (około 0,7% zawartości), ma kluczowe znaczenie dla technologii jądrowej.

Izotopy różnią się liczbą neutronów w jądrze, co wpływa na ich właściwości jądrowe. U-235 ma 143 neutrony, podczas gdy U-238 ma ich 146. Ta pozornie niewielka różnica sprawia, że uran-235 jest rozszczepialny, co oznacza, że może ulec reakcji łańcuchowej pod wpływem bombardowania neutronami — cechy, której brakuje U-238.

Dlaczego uran-235 jest używany w reaktorach jądrowych?

Uran-235 jest wykorzystywany jako paliwo jądrowe ze względu na swoją zdolność do samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej. Gdy jądro U-235 pochłonie powolny neutron, rozpada się na dwa lżejsze jądra, uwalniając przy tym ogromną ilość energii oraz kolejne neutrony, które mogą rozszczepić inne jądra U-235.

To właśnie ta kaskadowa reakcja jest źródłem energii cieplnej w reaktorach jądrowych. Energia ta jest następnie przekształcana w energię elektryczną. U-238, mimo że bardziej obfity, nie rozszczepia się łatwo pod wpływem wolnych neutronów, przez co nie nadaje się do bezpośredniego wykorzystania jako paliwo w cywilnych reaktorach jądrowych.

Czym różni się uran-235 od uranu-238?

Główna różnica pomiędzy uranem-235 a uranem-238 leży w ich właściwościach jądrowych. U-235 może być łatwo rozszczepiony przy pomocy neutronów termicznych (wolnych), co umożliwia jego skuteczne wykorzystanie w elektrowniach jądrowych oraz broni jądrowej. U-238 z kolei jest izotopem fertilnym, czyli sam nie jest rozszczepialny, ale może zostać przekształcony w rozszczepialny izotop plutonu-239 (Pu-239) po pochłonięciu neutronu.

Różnice obejmują także czas połowicznego rozpadu. Dla U-235 jest to około 704 miliony lat, natomiast dla U-238 okres ten wynosi aż 4,5 miliarda lat. To powoduje, że U-238 jest bardziej stabilny względem rozpadu, ale mniej reaktywny jądrowo. W praktyce oznacza to, że do produkcji energii potrzebny jest wzbogacony uran zawierający większy procent U-235.

Dlaczego uran musi być wzbogacany?

W przyrodzie uran występuje głównie jako mieszanina izotopów zawierająca zaledwie ok. 0,7% U-235. Taka ilość nie wystarcza, aby utrzymać reakcję łańcuchową w większości reaktorów jądrowych. Z tego powodu stosuje się proces wzbogacania, w którym zwiększa się procent zawartości izotopu U-235 w paliwie.

Typowe paliwo jądrowe zawiera od 3% do 5% uranu-235. Istnieją różne technologie wzbogacania uranu, m.in. dyfuzja gazowa i wirowanie gazowe, które oddzielają lżejszy U-235 od cięższego U-238. Proces ten jest skomplikowany technologicznie i mocno regulowany ze względów bezpieczeństwa.

Jakie zastosowania ma uran-235 poza produkcją energii?

Poza wykorzystaniem w reaktorach jądrowych, uran-235 znalazł również zastosowanie w militariach, przede wszystkim w produkcji broni jądrowej. Bomby atomowe, takie jak ta zrzucona na Hiroszimę („Little Boy”), były zbudowane z wysoko wzbogaconego uranu-235.

W kontekście pokojowym U-235 stosowany jest również w badaniach naukowych i reaktorach badawczych, np. do produkcji radioizotopów wykorzystywanych w diagnostyce medycznej. Ponadto, wykorzystuje się go w różnego rodzaju reaktorach transportowych, np. w okrętach podwodnych i lotniskowcach o napędzie jądrowym.

Jakie są zagrożenia związane z uranem 235?

Choć uran-235 sam w sobie nie jest silnie radioaktywny w porównaniu z innymi materiałami, zagrożenie związane z jego wykorzystaniem wynika głównie z możliwości przeprowadzenia reakcji łańcuchowej. Niewłaściwe przechowywanie lub manipulowanie może doprowadzić do niekontrolowanego wyzwolenia energii.

Wysoko wzbogacony uran (ang. HEU, Highly Enriched Uranium) może być wykorzystany do budowy broni jądrowej, dlatego jego produkcja i przemieszczanie są przedmiotem surowych regulacji międzynarodowych. Ponadto, zużyte paliwo zawierające pozostałości U-235 oraz powstałe izotopy promieniotwórcze stanowią istotne wyzwanie dla gospodarki odpadami promieniotwórczymi.

Czy można wykorzystać uran-238 w energetyce?

Pomimo ograniczeń, uran-238 odgrywa ważną rolę pośrednią w cyklu paliwowym. Choć sam nie jest rozszczepialny, może zostać przekształcony (przez pochłonięcie neutronu) w izotop plutonu-239, który jest rozszczepialny.

Taki proces zachodzi w tzw. reaktorach prędkich (reaktorach breeder), których zadaniem jest „hodowla” nowych materiałów rozszczepialnych z izotopów fertilnych, takich jak U-238. Dzięki temu możliwe staje się znacznie wydajniejsze wykorzystanie zasobów uranu, co może być istotne w przyszłości, gdy zapasy łatwo dostępnego U-235 będą się kurczyć.

Jakie są alternatywy dla uranu-235?

Rośnie zainteresowanie alternatywnymi technologiami, w których wykorzystywane są inne pierwiastki niż uran-235. Jedną z głównych alternatyw jest tor (Th-232), który, podobnie jak U-238, jest izotopem fertilnym. W reaktorach torowych Th-232 przekształca się w rozszczepialny U-233, który może być użyty jako paliwo.

Reaktory torowe oferują szereg potencjalnych korzyści, takich jak mniejsze ryzyko proliferacji broni jądrowej oraz niższa produkcja długożyciowych odpadów promieniotwórczych. Mimo licznych zalet, technologia ta nadal jest w fazie demonstracyjnej i nie została jeszcze powszechnie wdrożona.

Ile uranu-235 potrzeba do zasilenia elektrowni?

Zapotrzebowanie zależy od rodzaju reaktora oraz jego mocy. Typowa elektrownia jądrowa o mocy 1000 MW potrzebuje około 27 ton niskowzbogaconego uranu rocznie, z czego około 3-5% stanowi uran-235. W przeliczeniu oznacza to około 800–1300 kg U-235 rocznie do podtrzymywania odpowiedniego poziomu reakcji łańcuchowej.

Wydajność tego pierwiastka jest jednak imponująca — 1 kg U-235 może teoretycznie wygenerować tyle energii, co spalenie ponad 2 000 000 kg węgla kamiennego. Dlatego mimo trudnego i kosztownego procesu wzbogacania, uran-235 wciąż pozostaje fundamentem współczesnej energetyki jądrowej.