Uran (prvek)

Uran je v čistém stavu stříbrobílý lesklý kov, který na vzduchu pozvolna nabíhá – pokrývá se vrstvou oxidů. Rozmělněný na prášek je samozápalný. Není příliš tvrdý a lze jej za obyčejné teploty kovat nebo válcovat. Při zahřívání se stává nejprve křehkým, při dalším zvyšování teploty je však plastický. Při teplotách pod 0,68 K se stává supravodičem I. typu.

Hustota (specifická hmotnost) uranu při 25 °C je 19,01 g·cm⁻³, uran tak patří k prvkům s nejvyšší hustotou vůbec, má zhruba o 70 % vyšší hustotu než olovo.

Z dalších prvků má vyšší hustotu pouze osmium (22,57 g·cm⁻³), iridium (22,50 g·cm⁻³), platina (21,45 g·cm⁻³) či rhenium (20,50 g·cm⁻³); jen o málo větší hustotu má wolfram (19,25 g·cm⁻³) a zlato (19,30 g·cm⁻³). Vysoká hustota uranu je důvodem pro mnohá jeho nejaderná využití (např. tanková munice ve vojenství).

Elektronová konfigurace atomu: K: 2, L: 8, M: 18, N: 32, O: 5s², 5p⁶, 5d¹⁰, 5f³ P: 6s², 6p⁶, 6d¹ Q: 7s²; celková konfigurace: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁶ 5f³ 6d¹ 7s².

Uran se už v roce 79 př. n. l. používal k barvení glazur (nálezy poblíž Neapole s 1% výskytem oxidu uranu).

První laboratorně izolovanou sloučeninou uranu byla uranová žluť 1789 izolovaná lékárníkem a profesorem chemie Martinem Heinrichem Klaprothem, jenž objevil nebo spoluobjevil i několik dalších prvků – (zirkonium, titan, cer a tellur). Klaproth analyzoval rudu z dolu George Wagsfort ve Wittingshalu u Johanngeorgenstadtu v Sasku. Působením kyseliny a po silném zahřátí získal žlutý prášek, uran, jak se domníval. Objev oznámil v projevu před Pruskou akademií věd 24. září 1789 a pojmenoval prvek podle planety Uran objevené krátce předtím (1781), původní název ovšem byl uranit, až v roce 1790 byl přejmenován na uranium. Ve skutečnosti však šlo o jeho síran, čistý uran se podařilo získat až v roce 1841 Francouzi Eugene-Melchior Peligotovi.

Uran se pak používal k barvení skla a glazur, kterým dodával zelenou nebo žlutou barvu (v Jáchymově od roku 1826), těžil se v českém Jáchymově a v britském Cornwallu. Toto použití podstatně kleslo ve druhé polovině 20. století. Podle Ottova slovníku naučného bylo v roce 1904 vytěženo 17 193 kg uranu.

V roce 1896 zjistil Henri Becquerel, že uran je radioaktivní a – pokud nepočítáme objev rentgenových paprsků krátce předtím – vlastně tím radioaktivitu objevil. Marie Curie-Skłodowská se svým manželem Pierrem Curie poté z uranové rudy (jáchymovského smolince) izolovala dva nové prvky: nejdřív polonium a o něco později pak i radium. Uranové rudy pak byly až do třicátých let (objev umělých izotopů) používány pro výrobu radia v něm obsaženého (radia se velmi brzo po objevu začalo v malých množstvích používat pro lékařské účely). Podle Františka Běhounka bylo ovšem za celou tuto dobu izolováno jen kolem 1,5 kg radia.

Pro účely jaderného průmyslu se začal uran využívat až během (resp. po) druhé světové války.

První umělá jaderná řetězová reakce (tzv. Fermiho reakce) byla spuštěna 2. prosince 1942 italským fyzikem Enricem Fermim na hřišti Chicagské univerzity (CP-1). Prostřednictvím jaderného reaktoru (EBR-1) byl poprvé vyroben proud 20. prosince 1951, první jaderná elektrárna byla zprovozněna v roce 1954 v Obninsku v SSSR.

V přírodě se uran nachází v nejrůznějších rudách, ovšem jen v nízkých koncentracích 0,04 – 3 %. Vyskytuje se zde jako směs izotopů ²³⁸U (99,274 2 %) a ²³⁵U (0,720 4 %) a jen ve velmi malé míře ²³⁴U (0,005 4 %).

Uměle bylo syntetizováno mnoho dalších izotopů, včetně přirozeně se vyskytujících tak byla dosud (2018) objevena celá souvislá řada s nukleonovými čísly 216 až 243:^[5]

Nejstarší, nejznámější a patrně nejdůležitější rudou je uraninit (jeho ledvinitá forma se nazývá smolinec) neboli nasturan. Chemicky jde o UO₂ s příměsemi oxidů olova, thoria a radia. Druhou nejdůležitější rudou je mikroskopický koffinit U(SiO₄)_1-x(OH)₂, který často doprovází uraninit. Další rudy uranu (a zároveň i rudy vanadu) jsou carnotit K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O a ťujamunit Ca(UO₂)₂(VO₄)₂·xH₂O. Dále např. ulrichity, což jsou minerály s různým poměrem oxidu uraničitého a oxidu uraničito-uranového, chemicky UO₂.U₃O₈. Méně významné minerály uranu jsou bröggerit, cleveit, nivenit (Norsko) či zippeit (skupina minerálů), autunit a johannit.

 

 

Uranové rudy se ve velkém množství vyskytují v Kanadě, Austrálii, USA, Nigeru, Nigérii, Kongu, Zairu, Namibii, Gabonu, Rusku, Uzbekistánu, Kazachstánu a Jihoafrické republice. Nové významné ložisko bylo v roce 2007 objeveno v Guineji.^[6]

V Evropě se uran těží nebo těžil v Sasku, v anglickém Cornwallu, v Rumunsku, na Ukrajině a v Česku (viz dál Výskyt, těžba a zpracování v Česku). Přestože také Slovensko má podle průzkumů významnější zásoby uranu, těžba se neplánuje. Obecně však těžba v Evropě není z celosvětového hlediska příliš významná.

Podle výroční zprávy OECD z roku 2018^[7] ve světe existují zásoby na více než 130 let, nedostatek uranu se nepředpokládá ani v případě masivního rozvoje jaderné energetiky. Současné světové zásoby dosažitelné pod spotovou úrovní současných cen uvádí na svém webu Světová jaderná organizace^[8] pro následujících 90 let.^[9]

Velikost těžitelných zásob uranu přesahuje 20 Mt, společně s uranem z moří, z hornin a z thoria dosahují těžitelné zásoby dokonce nejméně 160 Mt.

Značné rezervy navíc existují v recyklaci vyhořelého paliva (zásoby by se pomocí recyklace, která se dosud nevyplatí, zvýšily o 1/3) a ve využití rychlých množivých reaktorů. V případě využití rychlých množivých reaktorů by zásoby vystačily na tisíce let^[10].

Velkou výhodou při těžbě uranu je, že v řadě nalezišť je možné těžit jej současně s jinými surovinami (např. australský megadůl Olympic Dam).

Uran se vyskytuje rovněž v mořské vodě a to v relativně velké koncentraci kolem 3,3 mikrogramů na litr. Odhaduje se, že v mořské vodě jsou celkově obsaženy 4 miliardy tun uranu, zatím však jeho získávání z vody není efektivní. V sladkovodních vodách je obsah uranu velmi proměnlivý.

Uran je obsažen mimo jiné rovněž v uhlí, což je důvod, proč tepelné elektrárny do prostředí uvolňují celkově mnohem víc radioaktivity než elektrárny jaderné. Z uhlí by dokonce v budoucnu mohla být získávána podstatná část světové spotřeby uranu.^[11]

 

V minulosti byla významná těžba v Česku, zde zejména v Jáchymově (do 2. poloviny 20. století zdaleka nejvýznamnější zdroj), v Horním Slavkově, v Příbrami a v křídových pískovcích v okolí Stráže pod Ralskem. Po roce 2000 byla v Česku uranová ruda těžena už jen poblíž Dolní Rožínky u Žďáru nad Sázavou, šlo do dubna 2017 o jedinou probíhající těžbu v Evropské unii. Těžba zde byla v květnu 2007 prodloužena na dobu neurčitou, po dobu ekonomické výhodnosti.^{[12][13][14][15]} Zásoby na ložisku byly vytěženy v dubnu 2017 a tím došlo k ukončení těžby po 60 letech těžební činnosti.^[16]

Australská firma Uran Limited usiluje o získání práv na průzkum uranových ložisek na Jihlavsku^[17] Spor o případnou těžbu uranu probíhá také v Podještědí na Liberecku, kde o těžbu v ložisku Osečná-Kotel má zájem společnost Urania Mining, jejímž 100% vlastníkem je australská firma Discovery Minerals Pty Ltd. Firma požádala o průzkumné vrty na ložiscích Osečná-Kotel a Ploužnice, ministerstvo životního prostředí sice žádost v květnu 2008 zamítlo, ale firma Urania Limited se odvolala.^[18] Na jaře roku 2010 začalo Ministerstvo průmyslu a obchodu opět uvažovat o těžbě uranu v Libereckém kraji. Hlavním důvodem je snížení závislosti na dovozu paliva ze zahraničí. Odpůrci argumentují především nedostatkem zkušeností se sanací uzavřených dolů a tím, že ložiska leží v chráněné krajinné oblasti Jizerské hory.^[19]

Hlubinná těžba uranu se v okolí Stráže pod Ralskem prováděla po léta za pomocí vhánění silných kyselin do podzemí, což vedlo ke značnému zamoření podzemních vod. Po skončení vlastní těžby, která dobíhala během roku 2017, se zamořená podzemní voda odčerpávala, aby se chemická kontaminace nešířila do přiléhající zásobárny pitné vody. Celkové náklady na sanaci zamoření, které v lokalitě způsobila těžba uranu, byla v roce 2015 odhadována na 50 miliard korun.^[20]

V bývalém Československu se v minulosti zpracovávala uranová ruda v mydlovarském podniku MAPE. Areál bývalé chemické úpravny je již zlikvidován a je dále zajišťována dlouhodobá sanace odkališť rmutu, která představují jednu z velkých ekologických zátěží v České republice.

Uranová ruda obsahující smolinec se nejprve vylouží kyselinou sírovou, dusičnou nebo chlorovodíkovou. K roztoku se poté přidá přebytek Na₂CO₃ a Ca(OH)₂ k vysrážení hliníku, železa, kobaltu a manganu; vzniklý rozpustný uhličitan uranylo-sodný se rozloží kyselinou chlorovodíkovou a uran se vyloučí ze získaného roztoku soli uranylu zaváděním amoniaku jako (NH₄)₂U₂O₇, který se potom žíháním převede na oxid U₃O₈.

Jde-li o rudy obsahující měď a arsen, vylučuje se uran z uhličitanového roztoku po okyselení kyselinou chlorovodíkovou obvykle nejdřív přidáním NaOH jako Na₂U₂O₇. Tato sloučenina se opět rozpustí v kyselině chlorovodíkové a do roztoku se zavádí H₂S, čímž se srazí CuS a As₂S₃. Z filtrátu zbaveného varem sirovodíku se potom při přidání amoniaku vylučuje uran jako (NH₄)₂U₂O₇. Vychází-li se z carnotitu, musí být použito metod, které umožňují dělení vanadu a kyseliny fosforečné od uranu. Také pro zpracování rud na uran se užívá zvláštních postupů, například zahřívání v proudu chloru nebo s jinými chloračními činidly SCl₂, SOCl₂, COCl₂, CCl₄, přičemž uran sublimuje jako UCl₄.

Jak zjistil už Moissan v roce 1883, může se redukce oxidu U₃O₈ na kov provádět zahříváním s uhlím v elektrické obloukové peci, avšak kov připravený touto cestou obsahuje karbid. Příprava čistého kovu je ztížena nejen sklonem uranu tvořit karbidy, ale i jeho velkou afinitou ke kyslíku a dusíku.

Redukce UCl₄ kovovým vápníkem probíhá podle rovnice:

UCl₄ + 2 Ca → U + 2 CaCl₂

Redukce UCl₄ kovovým draslíkem:

UCl₄ + 4 K → U + 4 KCl

Běžný způsob přípravy čistého kovového uranu pro použití v atomových reaktorech je založen na redukci fluoridu uraničitého kovovým vápníkem:

UF₄ + 2 Ca → U + 2 CaF₂

Obohacení uranu znamená zvýšení podílu izotopu ²³⁵U v uranu nad přirozený podíl 0,71%, typicky na 3-5%.

 

Pro výrobu paliva pro jaderné reaktory se obvykle používá uran, obsahující kolem 3–4 % ²³⁵U. Některé typy reaktorů (plynem chlazené reaktory a tlakovodní reaktory) mohou využívat přírodní neobohacený uran. Při výrobě jaderné zbraně je minimální nutný obsah ²³⁵U přibližně 90 %, obvykle se však pro konstrukci atomové bomby využívá uran s ještě vyšším stupněm obohacení.

Oddělení hlavních izotopů uranu ²³⁸U a ²³⁵U je poměrně značně obtížné. Z hlediska chemického chování jsou oba izotopy prakticky identické a i jejich odlišnosti ve fyzikálních vlastnostech jsou velmi malé. Nicméně oba izotopy vykazují dostatečně odlišné fyzikální vlastnosti, aby je moderními technologiemi bylo možné oddělit. Mezi základní technologické postupy patří elektromagnetická separace, difuze, centrifugální separace a ionizace laserem.

Z ekonomického a technologického hlediska je důležité především jaderné využití uranu, ostatní možnosti využití jsou spíš vedlejší.

 

Obohacený uran se používá jako palivo v jaderných reaktorech nebo jako náplň jaderných bomb. Pro využití uranu jako jaderného paliva je nutné zvýšit koncentraci izotopu ²³⁵U z 0,72 % většinou na 2 až 4 %. Pro použití v jaderné bombě je koncentraci třeba zvýšit na hodnotu přes 95 %.

Z izotopu ²³⁸U se v rychlých množivých reaktorech dá vyrábět plutonium, zejména štěpitelný izotop ²³⁹Pu. Tento postup se však zatím příliš nepoužívá kvůli vysokým investičním nákladům a vyšší technologické náročnosti.

Štěpitelný je rovněž izotop ²³³U, který lze množit z thoria.

Velkou výhodou energetického využívání uranu je skutečnost, že cena samotného uranu tvoří jen malý podíl v nákladech na výrobu elektřiny z něho (v Česku v roce 2009 kolem 17 %), cena elektřiny je dána především náklady na výstavbu elektrárny. K výrobě elektřiny je třeba o několik řádů menší množství jaderného paliva než fosilních paliv, je proto relativně snadné a levné i shromažďování zásob uranu a jeho skladování. To je velmi výhodné pro zajištění energetické nezávislosti státu dokonce i v případě, že nemá vlastní zdroje uranu. Na rozdíl od ropy je navíc většina zemí vyvážejících uran politicky stabilní a demokratická.

Těžba uranu představuje vážný zásah do krajiny, ať už jde o rozsáhlé povrchové doly, hlubinnou těžbu nebo těžbu chemickým loužením (metoda in situ). Ta spočívá v pumpovaní obrovského množství roztoku kyseliny sírové nebo uhličité, případně hydrogenuhličitanu sodného, do podzemí s cílem uran rozpustit a následně jej chemicky extrahovat.

Kromě vlastní devastace těžbou představují problém také vytěžené horniny kontaminované radioaktivním či toxickými rozpadovým produkty. V okolí mnoha uranových dolů došlo ke kontaminaci okolí. V případě špatně provedeného chemického loužení uranu mohou být ohroženy zásoby podzemní vody.

Těžba uranu také ohrožuje zdraví pracovníků, zejména v případě historických špatně větraných hlubinných dolů hrozilo zvýšené riziko rakoviny plic (radon).

 

Jako odpad po obohacování uranu vzniká tzv. ochuzený uran (ochuzený proto, že byl zbaven podstatné části izotopu ²³⁵U využitelného jako palivo pro jaderné reaktory). V angličtině se často označuje zkratkou DU (depleted uranium) nebo řidčeji tuballoy.

Uran je pro svou vysokou hustotu využíván všude tam, kde je žádoucí vysoká hmotnost (vyvážení, nutnost dosáhnout vysoké kinetické energie při malém objemu).

Ve starším, ale ještě používaném Boeingu 747 je používán jako vyrovnávací závaží na zádi. Uvádí se, že bylo vyrobeno kolem 600 exemplářů tohoto modelu obsahujícího ochuzený uran, přičemž jednotlivé exempláře obsahují 400–600 kg ochuzeného uranu (jiný pramen uvádí dokonce 400–1 500 kg). Podobným způsoben je využíván rovněž v amerických letadlech McDonnell Douglas DC-10. Jako zátěž je využíván rovněž v plachetnicích, rotorech gyroskopů, ropných vrtných soupravách, údajně dokonce i ve vozech Formule 1. V některých amerických tancích (např. M1 Abrams) je používán jako součást pancíře. Ochuzený uran může být použit rovněž jako stínění před radioaktivitou.

Sloučeniny hexahydrát diurananu sodného (Na₂U₂O₇.6H₂O) a hexahydrát diurananu draselného (K₂U₂O₇.6H₂O) se dosud označují jako uranová žluť používající se k barvení skla, glazur a porcelánu (barví na žluto až žlutozeleno, přičemž fluoreskuje). Zřejmě se jím však dá barvit i oranžově až rudě. Míra tohoto použití se však v minulosti výrazně snížila. V Česku jsou podle Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (SÚJB) 2 výrobci skla barveného uranem, podle úřadu^[21] je v Česku vyráběné sklo zdravotně zcela neškodné i při silně konzervativním přístupu hodnocení zdravotního rizika.

Ve fotografii se sloučeniny (solí) uranu (např. UO₂(NO₃)₂ – dusičnan uranylu) používají k zesilování negativů, do tónovacích lázní, zesilovač světlotisku. Kvůli chemické toxicitě se dusičnan uranylu používá pro experimentální vyvolání patologického stavu ledvin u pokusných zvířat.

Octan uranylu UO₂(C₂H₃O₂)₂.2H₂O, NaUO₂(C₂H₃O₂) a diuranan amonný (NH₄)₂U₂O₇ má význam v analytické chemii.

Uran s obsahem karbidu je vhodným katalyzátorem pro syntézu amoniaku Haberovým způsobem.

 

Využívá se vedle wolframu pro výrobu protipancéřových projektilů (tzv. šípové, přesněji podkaliberní střely – průměr střely je menší než průměr hlavně, ze které je vystřelena). Působí zde sice především vysoká kinetická energie střely, účinek však zesiluje i to, že po průniku projektilu za pancíř se tlakem a třením rozžhavené úlomky uranu vznítí, což zvyšuje ničivý účinek uvnitř obrněného prostoru. Střely z ochuzeného uranu též mají výhodnější mezní úhel, pod kterým se po zásahu do svého opancéřovaného cíle neodrazí.

Je třeba důrazně upozornit na to, že toto použití jako takové nemá absolutně žádnou souvislost s jaderným využíváním uranu pro výrobu nukleárních zbraní. Důvodem je zde pouze vysoká hustota uranu, pevnost srovnatelná s jeho konkurenčním materiálem wolframem, snadná vznětlivost a relativně nízká cena. Přes poměrně nízkou radioaktivitu ²³⁸U však přesto dochází k slabému radioaktivnímu zamoření, míra jeho neškodnosti nebo škodlivosti není dosud dořešena. V posledních letech padlo na Valném shromáždění OSN několik návrhů na prozkoumání účinků zbraní a munice z ochuzeného uranu,^[22] které byly přes odpor několika zemí (USA, Izrael, Francie, Česká republika, …) schváleny.^[23]

Větší roli přitom hraje ani ne tak radioaktivita ochuzeného uranu (která je nízká, ovšem pokud se dostane dovnitř těla, její účinky jsou vyšší), jako jeho celková toxicita, protože uran stejně jako většina těžkých kovů je pro živé organizmy jedovatý. Jeho velké rozptýlení v prostředí poskytuje možnost dostat se přímo do těla živých organizmů (potravou, pitím nebo vdechnutím).

Tyto střely byly použity spojenci v první válce v Iráku v roce 1991,^[24] v Kosovu v roce 1999, pravděpodobně rovněž v Afghánistánu v roce 2001 a od března 2003 i v Iráku během operace Irácká svoboda, kdy bylo podle irácké ministryně zdravotnictví Nermin Othman bombardováním kontaminováno přes 350 míst. Počet rakovinných onemocnění údajně činí 140 tisíc a každý rok je registrováno 7 až 8 tisíc případů rakoviny.^[25] Tato data však nebyla potvrzena nezávislými zdroji, naopak podle Světové zdravotnické organizace (WHO) by pro vyvolání rakoviny plic bylo nutné vdechnout velké množství uranového prachu. U jiných typů rakoviny je riziko ještě mnohem menší.^[26]

31. října 2007 první výbor OSN schválil většinou hlasů návrh rezoluce požadující přezkoumání zdravotních rizik zbraní používajících ochuzený uran. Pro bylo 122 zemí, proti 6 (včetně Česka,^[23] které proti jednáním o omezení zbraňových systémů s ochuzeným uranem hlasovala i 5. prosince^[27]).

 

Uran vytváří sloučeniny s oxidačními čísly U³⁺ až U⁶⁺, z nichž nejstabilnější jsou ty s U⁶⁺. Rozpustné soli sloučenin uranu jsou barevné. Pokud jejich barva není ovlivněna barvou aniontu, tak uranité soli U³⁺ mají hnědočervené zbarvení, uraničité U⁴⁺ zelenou. Uraničné U⁵⁺ se vyskytují v podobě kationtu UO₂⁺, jsou bezbarvé a navíc nestabilní a rozkládají se (disproporcionují) na směs solí uraničitých a uranových. Soli uranové U⁶⁺ se vyskytují v podobě kationtu UO₂²⁺, tzv. uranylový kationt, který má v roztocích žlutou barvu a je stabilní. Nejběžnější soli, se kterými se dá v praxi setkat (kromě níže popsaných) jsou právě soli, které obsahují kationt uranylu a patří mezi ně např. dusičnan uranylu UO₂(NO₃)₂.

Mezi nejběžnější sloučeniny uranu patří oxid uraničitý UO₂, který se v přírodě nachází v podobě minerálu smolince a je základní surovinou pro výrobu kovového uranu. Další z oxidů, který se také vyskytuje v přírodě jako uranová ruda, je směsný oxid uraničito-uranový U₃O₈ (lze rozepsat na složky – UO₂.2UO₃ a možno také pojmenovat jako oxid uraničito-diuranový, ale tento název se nepoužívá). Z oxidu uraničitého ho lze připravit žíháním na vzduchu.

K dalším významným sloučeninám uranu patří některé halogenidy – konkrétně chlorid uraničitý UCl₄ a fluorid uraničitý UF₄, které se používají k výrobě kovového uranu redukcí draslíkem či vápníkem, a fluorid uranový UF₆, který se díky tomu, že fluor se v přírodě vyskytuje pouze jako jeden izotop, využívá k separaci ²³⁵UF₆ a ²³⁸UF₆ na základě odlišné hmotnosti těchto dvou izotopických sloučenin (viz výše v sekci o obohaceném uranu a jeho výrobě).

• Cotton F.A., Wilkinson J.:Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973
• Holzbecher Z.:Analytická chemie, SNTL, Praha 1974
• Dr. Heinrich Remy, Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961
• N. N. Greenwood – A. Earnshaw, Chemie prvků 1. díl, 1. vydání 1993 ISBN 80-85427-38-9
• VOHLÍDAL, Jiří; ŠTULÍK, Karel; JULÁK, Alois. Chemické a analytické tabulky. 1. vyd. Praha: Grada Publishing, 1999. ISBN 80-7169-855-5. 

• Aktiniová rozpadová řada
• Plutonium
• Thorium
• MOX
• Uraninit (Smolinec)
• Těžba uranu

•   Obrázky, zvuky či videa k tématu uran na Wikimedia Commons
•   Slovníkové heslo uran ve Wikislovníku
• (česky) Zásoby uranu – krátký rozbor na priroda.cz
• (česky) URAN – bude se u nás znovu těžit? Sdružení Calla, 2008, ISBN 978-80-903910-5-5 (ke stažení v PDF)
• (německy) Minerály uranu