Uran-238

Uran-238 (²³⁸U nebo U-238) je nejběžnější izotop uranu v přírodě s relativním zastoupením kolem 99,27 %. Na rozdíl od uranu-235 je neštěpitelný, což znamená, že není schopen sám o sobě udržet řetězovou reakci. Je však štěpitelný rychlými neutrony a je množivý, což znamená, že může být přeměněn na štěpné plutonium-239. ²³⁸U nedokáže udržet řetězovou reakci, protože rozptyl neutronů snižuje energii neutronů pod prahovou energii potřebnou pro rychlé štěpení. Dopplerovo rozšíření rezonanční absorpce neutronů ²³⁸U, které zvyšuje absorpci s rostoucí teplotou paliva, je také zásadním mechanismem negativní zpětné vazby pro řízení reaktoru.^[2][3] Přibližně 99,284 % přírodního uranu na Zemi tvoří uran-238, který má poločas rozpadu 4,468 miliard let.^[4] Kvůli svému přirozenému zastoupení a poločasu rozpadu ve srovnání s jinými radioisotopy produkuje ²³⁸U ~40 % radioaktivního tepla produkovaného na Zemi. Rozpadová řada ²³⁸U přispívá 6 elektronovými antineutriny na každé jádro ²³⁸U , což má za následek velký detekovatelný signál geoneutrin vyprodukovaných v uranových ložiscích. Rozpad ²³⁸U na dceřiné izotopy je široce používán v radiometrickém datování, zejména pro materiály starší než 1 milion let.

Ochuzený uran má vyšší koncentraci izotopu ²³⁸U než přírodní uran. Palivo v jaderných reaktorech je zpravidla z drtivé většiny tvořeno neštěpným ²³⁸U. Přepracovaný uran je také hlavně ²³⁸U, s přibližně stejným množstvím uranu-235 jako přírodního uranu, srovnatelným podílem uranu-236 a mnohem menším množstvím jiných izotopů uranu, jako je uran-234, uran-233 a uran-232.^[3][5]

Přírodní izotopy uranu ²³⁸U a ²³⁵U jsou od sebe oddělovány během obohacování uranu. Oba izotopy mají velmi odlišné neutronově-fyzikální vlastnosti, pro většinu aplikací je potřebný jen jeden izotop. Izotopy mají téměř identické chemické vlastnosti, proto je potřeba využít malých rozdílů v jejich fyzikálních vlastnostech jako je hmotnost, rychlost difuze a excitační energie. Tyto procesy jsou technologicky i ekonomicky velmi náročné, jen malá část zemí světa dokáže uran obohacovat na velkém měřítku. Obohacování většinou probíhá v kaskádě s několika obohacovacími stupni, na každém stupni se uran obohatí o velmi malou část. Cílovým produktem je téměř vždy ²³⁵U, ²³⁸U je pouze vedlejší produkt.^[2][3][6][7]

Nejpravděpodobnější reakcí ²³⁸U je neutronový záchyt, během kterého jádro pohltí neutron a následně se přemění na ²³⁹ a poté ²³⁹Pu:

${\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U ->[\beta^-][23.5\ {\ce {min}}] {}^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2.356\ {\ce {d}}] {}^{239}_{94}Pu}}}$.

Touto reakcí se v reaktoru ztrácí velké množství volných neutronů, zhruba 20 % pro lehkovodní reaktory, což negativně ovlivňuje koeficient násobení ${\displaystyle k_{eff}}$. Neutronový záchyt v ²³⁸U je jedním z hlavních důvodů proč se palivo pro lehkovodní reaktory musí obohacovat. Reakce je však důležitá pro množivé reaktory, protože vzniklé ²³⁹Pu je štěpné. Množivé reaktory jsou proto schopny vytvořit více paliva (štěpného materiálu), než kolik spotřebují. V lehkovodních reaktorech s 18měsíčním palivovým cyklem může pocházet ze štěpení

²³⁹Pu až 50 % celkové energie.^[6][7][8]

V případě, že je energie neutronu dostatečně vysoká (> ~1 MeV), může dojít k rozštěpení jádra.

${\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U ->{}^{29}_{36}Kr +{}^{144}_{56}Ba + {}3^{1}_{0}n}}}$

Vytvořené neutrony jsou však příliš zpomalovány elastickým rozptylem, což znemožňuje udržitelnou štěpnou reakci s pomocí čistého ²³⁸U. I přesto je touto reakcí vytvořeno kolem 2 % neutronů v lehkovodních reaktorech.^[8][9]

Zatímco první stupeň jaderných zbraní používá vysoce obohacený uran ²³⁵U, i ²³⁸U má své využití. Používá se totiž na výrobu reflektoru neutronů, který dramaticky zvyšuje výbušnou sílu a snižuje potřebné množství štěpného materiálu. Několik milisekund po dosažení kritické hmotnosti se uvolní takové množství energie, že se všechny komponenty vypaří a ztratí jakoukoliv strukturální integritu. Jedním způsobem jak štěpnou reakci prodloužit je zvýšení setrvačnosti reflektoru použitím materiálu s vysokou hustotou. Uran je v pro tuto aplikaci vhodným kandidátem, protože má velmi vysokou hustotu 19.1 g/cm³. Zároveň mohou rychlé volné neutrony štěpit ²³⁸U v reflektoru a uvolnit tak velké množství energie. Například u vodíkové Car-bomby by použití uranového reflektoru zdvojnásobilo výbušnou sílu z 50 na 100 MT TNT ekv.^[2][7]

Ochuzený uran má bohaté využití i mimo jadernou energetiku, kde se používá pro své nejaderné vlastnosti jako levnější alternativa přírodního uranu. Mezi tato uplatnění patří například uranové protitankové střely, radiační stínění, uranové sklo a uranem barvený porcelán.

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Uranium-238 na anglické Wikipedii.

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Uran-238 na Wikimedia Commons