Uran in infrastruktura za njegovo bogatenje so cilji izraelskih in ameriških letalskih napadov v Iranu.
Kaj je obogateni uran?
Uran je najtežji element, ki se pojavlja v naravi. Njegovo atomsko število je 92, kar pomeni, da ima v jedru prav toliko pozitivnih protonov, ki imajo pozitiven električni naboj. Protoni se, kot vsi istoznačni električni naboji, med seboj odbijajo. Jedro zato skupaj držijo nevtroni, ki nimajo električnega naboja. Več kot je protonov v jedru, težje nevtroni držijo jedro skupaj, vse dokler je jedro tako veliko, da po naravni poti sčasoma razpade na dva manjša elementa.
Uran je še zadnji element, ki je dovolj stabilen, da ga lahko najdemo v naravi. Pojavlja se v dveh izotopih z različnim številom nevtronov, bodisi 143 ali 146. Tako dobimo dve različici oziroma izotopa urana: uran-235 (U-235) in uran-238 (U-238).
U-235 je manj stabilen, zato je v dolgi zgodovini Zemlje postopoma razpadel. Zato je daleč najbolj pogost bolj stabilen U-238, ki ga je v uranovi rudi približno 99,3 odstotka. V verižni reakciji lahko sodeluje le manj stabilni U-235, zato moramo v večini primerov uporabe verižne jedrske reakcije njegov delež povečati. Takemu uranu, kjer je delež U-235 višji, rečemo obogateni uran.
Kadar je delež U-235 nižji od 20 odstotkov, to imenujemo nizko obogateni uran, če pa je višji od 20 odstotkov, pa visoko obogateni uran. Pri procesu bogatenja urana kot stranski produkt nastane uran z znižanim deležem U-235, kar imenujemo osiromašeni uran.
Kako bogatijo uran?
Uran-235 in uran-238 imata kot izotopa istega elementa enake kemične lastnosti, zato ju ni mogoče ločevati s kemijskim procesom. Procesi ločevanja zato izkoriščajo majhno (1,2 odstotka) razliko v teži med elementoma. Vsi procesi so izredno zahtevni, za pridobivanje tudi samo nekaj kilogramov visoko obogatenega urana pa so potrebni veliki industrijski objekti.
Poznamo več postopkov ločevanja U-235 in U-238. Prve procese ločevanja izotopov urana so jih razvili v ZDA s projektom Manhattan, v katerem je nastalo prvo jedrsko orožje. Velik del stroškov projekta Manhattan, skoraj polovico, je šel prav za gradnjo ogromnih tovarn, namenjenih bogatenju urana.
Kaj so centrifuge za bogatenje urana?
Danes je najbolj pogost in praktičen postopek za bogatenje urana uporaba plinskih centrifug. V tem procesu je potrebno uran najprej pretvoriti v plinasto obliko. To dosežejo s pretvorbo urana, ki se v rudi nahaja v obliki uranovega oksida (koncentrat uranovega oksida je tako imenovana rumena pogača), v uranov heksafluorid (UF₆). Ta plin se v pokončnih centrifugah vrti z več kot 1000 obrati na sekundo, kar pomeni, da so molekule UF₆ izpostavljene velikim pospeškom zaradi centripetalne sile. Ti pospeški so več kot milijonkrat večji od gravitacije na Zemlji.
Pri vrtenju v centrifugah težje molekule, ki vsebujejo U-238, izkusijo nekoliko večjo silo kot tiste z U-235, zato se po centrifugi razporedijo z nekoliko različnimi koncentracijami.
Posamezna centrifuga lahko doseže le minimalen dvig koncentracije U-235, zato je treba proces ponoviti tudi do več tisočkrat. Bogatenje urana zato poteka v kaskadi več tisoč centrifug, kjer UF₆ teče iz ene centrifuge v drugo, pri čemer se delež U-235 postopoma povečuje. Ko je dosežena želena koncentracija, se uran iz uranovega heksafluorida spet kemijsko pretvori v uranov oksid (npr. za reaktorsko gorivo) ali v čisto uranovo kovino (npr. za sredico jedrske bombe).
Kako nevaren je uran?
Uran, ki ga najdemo v naravi, ne predstavlja večje radiološke grožnje. U-238, ki v naravnem uranu močno prevladuje, je precej stabilen element z razpolovno dobo 4,5 milijarde let. Razpadanje jeder je relativno počasno, zato lahko kos uranove kovine brez nevarnosti z rokavico držimo v roki.
U-235 je nekoliko bolj nestabilen, a tudi njegova razpolovna doba je več kot 700 milijonov let. Tudi ta razpada preko alfa delcev, ki jih zaustavi že papir, se pa pri tem tvorijo nekateri bolj radioaktivni izotopi.
Uran je, tako kot številne druge težke kovine, na primer svinec, kemično precej strupen. Nevarnost naravnega urana predstavlja predvsem prah uranovega oksida, ki lebdi v zraku in ga ljudje lahko vdihnejo.
Še veliko večjo kemično nevarnost predstavlja uranov heksafluorid (UF₆), ki se uporablja v procesu bogatenja. Je izredno reaktiven tako z zrakom kot z vodo in vodnimi hlapi. Pri tem tvori izredno strupene in korozivne spojine (uranil fluorid in vodikov fluorid), ki so poleg tega bodisi topne v vodi ali hlapljive, zato hitro uidejo v okolje in v organizem. Te spojine so nevarne predvsem zaradi kemičnih lastnosti in ne zaradi radiološkega sevanja.
Radiološko sevanje predstavlja uranovo gorivo, ki se je nekaj časa nahajalo v jedrskem reaktorju. Pri tem teče verižna reakcija, v kateri U-235 razpada v različne nestabilne elemente. Radioaktivno sevanje prihaja praktično v celoti iz novih elementov, ki so nastali med verižnimi reakcijami. Izrabljeno gorivo tako po ustavitvi reaktorja seva kar 45-milijonkrat močneje tudi kot visoko obogateni uran v sredici jedrske bombe. Enako velja za jedrsko bombo, ki ob eksploziji povzroči izjemno močno nevtronsko sevanje, to pa povzroči nastanek močno radioaktivnih elementov. Elementi, ki so bolj nestabilni, razpadajo hitreje, zato oddajajo več sevanja. Ko ti elementi, kot na primer jod 131, razpadejo, se tudi stopnja radioaktivnosti postopoma zmanjšuje.
Edini iranski reaktor, ki so ga do sedaj zadele izraelske bombe, je težkovodni reaktor v Araku, ki ne samo, da med napadom ni deloval, ampak ni bil nikoli zagnan. V skladu z dogovorom o omejitvah iranskega jedrskega programa so bili deli reaktorske posode, ki bi omogočali pridobivanje plutonija, zaliti z betonom.
Koliko obogatenega urana potrebujemo za jedrsko orožje?
V civilnih jedrskih reaktorjih se uporablja uran, ki je obogaten na nekaj manj kot štiri odstotke deleža U-235. Jedrske podmornice uporabljajo visoko obogateni uran.
Za izdelavo atomske bombe je potrebna obogatitev na 90 odstotkov, a to ni stroga fizikalna meja. Bomba Little Boy (Fantek), ki so jo ZDA odvrgle na Hirošimo leta 1945, je imela jedro izdelano iz urana, obogatenega na povprečno 80 odstotkov, pri čemer so bili deli obogateni na 89 odstotkov, drugi pa le na 50 odstotkov.
Čeprav so natančni podatki tajni, je mogoče izdelati eksplozivno napravo, kjer poteče verižna reakcija tudi z nižjo stopnjo obogatitve, a taka naprava je izredno neučinkovita in velika. »Fantek« je vseboval 64 kilogramov visoko obogatenega urana in je tehtal približno štiri tone in pol. Zato je bilo mogoče bombo odvreči zgolj iz velikih bombnikov, za namestitev na balistično raketo pa je taka naprava zelo nepraktična.
Sodobne jedrske bombe so močnejše, veliko lažje in potrebujejo veliko manj jedrskega materiala (nekaj kilogramov). Velik del razvoja jedrskega orožja po drugi svetovni vojni je bil usmerjen prav v večjo učinkovitost jedrskih bomb, da je bilo mogoče izdelati več konic, ki so bile lažje in tako bolj primerne za izstreljevanje z balističnimi raketami.
Kaj pa plutonij?
Poleg urana-235 je za izdelavo jedrske bombe primeren še element plutonij. Tega so uporabili pri drugi atomski bombi, ki so jo ZDA odvrgle na Japonsko: na Nagasaki je padel Fat Boy oziroma Debeluh.
Za razliko od urana plutonij ne potrebuje procesa obogatitve, a plutonija ne najdemo v naravi. Gre za umetni element, ki se pridobiva v jedrskih reaktorjih iz urana.
Del urana v aktivnem jedrskem reaktorju ne razpade, ampak ujame nove nevtrone. V precej kompleksnih procesih v atomskem jedru nekateri nevtroni nato razpadejo v protone in elektrone in tako nastane nov, umetni element plutonij.
Za pridobivanje plutonija v reaktorjih je potrebno uranovo gorivo relativno hitro umakniti iz reaktorske sredice, zato običajni reaktorji za pridobivanje električne energije niso primerni za pridobivanje plutonija. V teh reaktorjih je namreč dobro, da se gorivo menja čim redkeje. Ko gorivni elementi pridejo iz reaktorja, se jih raztopi v kislini, nato pa se z različnimi kemijskimi postopki izloči plutonij.
Plutonij je z razpolovno dobo 24 tisoč let znatno bolj nestabilen kot uran-235 in je kot tak še bolj primeren za izdelavo jedrske bombe. Zaradi nestabilnosti je rokovanje z njim bolj nevarno, poleg tega, pa je plutonij izredno težko fizično obdelovati (je izredno koroziven, lahko se vžge in spreminja močno dimenzije glede na temperaturo) in iz njega izdelati sredico jedrske bombe.
Zaradi možnosti veliko manjših in lažjih jedrskih sredic je plutonij, kljub nekaterim slabostim, prevladujoč element v obstoječem jedrskem arzenalu velikih svetovnih sil. Podatki so seveda tajni, a predvideva se, da so sredice velike večine jedrskih bomb največjih jedrskih sil, kot so ZDA in Rusija, izdelane iz plutonija ali iz mešanice plutonija in visoko obogatenega urana.
