využití radioaktivních surovin

Atom je základní částice hmoty, která už je dále chemicky nedělitelná. Skládá se z jádra tvořeného protony a neutrony a obalu obsahujícího elektrony. Atomy se od sebe liší počtem částic.

Chemický prvek je látka složená z atomů se stejným atomovým (protonovým) číslem. Atomové číslo je počet protonů v jádře daného atomu. Označuje se symbolem Z a zapisuje se dolním indexem před značku prvku. Např. kobalt má 27 protonů v jádře: Z = 27, čili ₂₇Co. Nukleonové číslo je počet protonů i neutronů v jádrře daného atomu. Označuje se symbolem A a zapisuje se horním indexem před značku prvku. Např. kobalt má v jádře 27 protonů a 32 neutronů: A = 59, čili ⁵⁹Co. Nuklid je chemický prvek tvořený atomy se stejným nukleonovým číslem. Většina přírodních prvků je ale složená z několika nuklidů. Izotop je označení pro nuklidy v rámci jednoho prvku. Např. kobalt má stálý izotop ⁵⁹Co a 22 nestabilních izotopů, z nichž nejvýznamnější jsou ⁶⁰Co, ⁵⁶Co a ⁵⁷Co. Izotopy mají velice podobné chemické vlastnosti, často se ale výrazně liší jadernými vlastnostmi. Vzhledem ke stabilizační funkci neutronů v jádře atomů existuje nejvýhodnější poměr protonů a neutronů v jádře, při kterém je přírodní prvek stálý. Některé prvky mají více stabilních izotopů, jiné pouze jeden nebo v menšině případů žádný.

Nestabilní izotopy (radioizotopy) nemají výhodný poměr protonů a neutronů v jádře atomu a samovolně se rozpadají, přičemž se uvolňuje energie ve formě radioaktivního záření. Nestabilní izotopy se vyskytují v přírodě, ale mohou být připraveny i uměle.

Radioaktivní záření je energie ve formě pohybujících se subatomových částic nebo elektromagnetického vlnění. Částicové (korpuskulární) záření jsou záření α (alfa), β (beta) a neutronové záření, které se liší typem částic a jejich energií:

- α-záření je tvořeno jádry hélia, tj. částicemi tvořenými dvěma protony a dvěma neutrony. Jeho energie je poměrně malá a dá se odstínit listem papíru.

- β-záření je tvořeno elektrony (β^-) nebo pozitrony (β⁺), které mají elektrický náboj. Jejich energie je vyšší než u předchozího typu, nepronikne ale více jak 1 m vzduchu nebo tenkým kovovým plechem.

- neutronové záření je tvořeno neutrony. Jeho pronikavost záleží na energii (typu) neutronů a může být velmi vysoká.

Elektromagnetické záření má v přírodě mnoho podob, z hlediska radioaktivních prvků je nejdůležitější γ-záření (gamma). Je tvořeno fotony s energií vyšší než 10 keV. Vzhledem ke své povaze a energii je mimořádně pronikavé a stínit lze hlavně materiálem s vysokým atomovým číslem a vysokou hustotou. Obvykle nepronikne centimetrovými mocnostmi olova nebo decimetrovými mocnostmi betonu.

Radioaktivní rozpad atomových jader nelze v konkrétním místě a čase předpovědět. Proto se stanovují pouze pravděpodobnostní charakteristiky jednotlivých radioizotopů - např. poločas rozpadu. Jde o dobu, za jakou se rozpadne (přemění) polovina jader. U různých izotopů se velice liší: izotopy s velice krátkou životností mají poločasy rozpadu ve zlomcích sekundy a je obtížné je vůbec analyzovat (a v přírodě se prakticky nevyskytují), naopak u izotopů s extrémně dlouhým poločasem rozpadu (stovky bilionů let a více) je obtížné vůbec radioaktivitu prokázat.

Radioaktivní záření má nežádoucí účinky na živé organizmy. Způsobuje ionizaci atomů a poškozuje genetické informace nesené DNA. Tím způsobuje morfologické a funkční změny orgánů. Účinky záření však závisí na absorbované dávce záření, tj. míře energie záření absorbované tkání dané hmotnosti. Mohou tak být žádné nebo jen dočasné, ale okamžitě nebo latentně smrtelné. Jednotky používané při popisu ionizujícího záření jsou uvedeny v kapitole Míry, váhy a použité zkratky.

Jaderný materiál má několik skupin možného využití. Jde o energetické, vojenské, lékařské využití a zkoumání vlastností látek.

Štěpný materiál začíná své využití tím, že je vytěžen ve formě rud. Nejběžnější uranové rudy jsou uraninit, coffinit, cantotit, ťujamunit, autunit a torbernit, v případě thoria pak monazit, thorianit, thorit a příměs v dalších minerálech. Obsah uranu nebo thoria v těchto minerálech kolísá v jednotkách až desítkách procent, díky obsahu jalových příměsí však průmyslově těžené rudy obsahují obvykle jen 0,02 - 3 % U (příp. Th) (Jirásek, Sivek 2007).

Toto množství je tak nepatrné, že je třeba před dalším použitím koncentraci řádově zvýšit a navíc převést prvek do formy vhodné pro další zpracování. Ruda se tedy drtí, mele a uranové sloučeniny se z ní vymývají kyselým nebo zásaditým loužením. Z roztoku se zachytávají sorpcí na ionexech (iontových sítech), ze kterých se chemicky vymývají a filtrací a sušením převádí na poloprodukt, kterým je tzv. žlutý koláč - obr. 1. Jde o žlutý práškový diuranát amonný - (NH₄)₂U₂O₇ · n H₂O nebo diuranát sodný - Na₂U₂O₇ · 6 H₂O. Jde o poměrně náročný proces, který v případě naší poslední úpravny uranu - DIAMO s.p., odštepný závod GEAM - na 1 kg U spotřebuje asi 13 kg Na₂SO₄, 3,5 kg H₂SO₄, 2 kg NH₃, a 1 kg mlecích koulí. Při tomto prvním stupni úpravy dochází ke zvýšení koncentrace uranu z rud s obsahem 0,3 % U (tj. 3 kg U na 1 t rudy) na 70 % U (tj. 700 kg U na 1 t diuranátu amonného).

Obr. 1 Finální produkt úpravy uranových rud těžených na našem území - diuranát amonný. Sbírky Geologického pavilonu VŠB-TU Ostrava.

Uran v rudách na celém světě (až na jedinou výjimku - viz poznámka) má stálý poměr izotopů: obsahuje 99,284 % ²³⁸U, 0,711 % ²³⁵U a 0,005 % ²³⁴U. Pro štěpné reakce je však přímo využitelný jen ²³⁵U, tj. méně jak 1 %uranu (před i po chemické úpravě). Zbytek je odpad, i když z izotopu ²³⁸U lze v množivých reaktorech transmutací připravit štěpný izotop plutonia ²³⁹Pu. Protože množství 0,7 % štěpného izotopu ²³⁵U není dostatečné pro nastartování a udržení štěpné reakce a tudíž pro jaderné využití, musí se jeho množství dále zvýšit, což chemickými procesy není možné.

Pozn. Z pochopení vzniku prvků ve vesmíru a existence tří štěpných řad přírodních radioaktivních prvků bylo ve druhé polovině 20. století jasné, že obsah izotopů uranu se v rudách nemůže lišit, ať už pochází odkudkoli. O to větší překvapení přišlo v květnu 1972. V závodě na obohacování uranu ve Francii bylo při rutinní kontrole zjištěno, že ruda z dolu Oklo v Gabonu (západní pobřezí rovníkové Afriky) má izotopové složení jiné - namísto 0,711 obsahovala jen 0,440 % U-235. Výzkum byl zahájen i proto, aby se vyvrátilo podezření na neautorizovanou manipulaci s štěpným materiálem. Záhy se ukázalo, že skutečnost je jiná. Na ložisku Oklo bylo do současné doby nalezeno 16 přírodních jaderných reaktorů - tj. míst, kde se samovolně rozběhla štěpná reakce. Podle produktů štěpení se tak stalo zhruba před 2 mld. lety, tedy v době, kdy obsah štěpného U-235 v rudách byl vyšší než dnes (viz poločas rozpadu). Jeho koncentrace okolo 3,7 % stačila k tomu, aby se samovolně rozběhla řetězová reakce. Jako moderátor sloužila podzemní voda, která se při přílišném zahřátí odpařovala a reakci tím přirozeně zastavovala. Reakce za teplot 300-400 °C a tlaků okolo 150-160 barů probíhaly po dobu asi 150 tisíc let a spotřebovaly asi 5 až 6 t U-235. I indicie ukazující na podobné přírodní reaktory byly později objeveny i na několika dalších místech světa, pouze Oklo umožňuje studovat chování rozpadových produktů štěpení uranu v horninovém masívu. Tím se stále udržuje v centru pozornosti vědců, protože s ohledem na plány trvalých úložišť jaderného odpadu je důležité pochopit dlouhodobé chování radioizotopů v zemské kůře. Dnes už se díky nižší koncentraci izotopu U-235 samovolná řetězová reakce nemůže zopakovat ani na bohatých ložiscích uranu (např. Gauthier-Lafaye, Holliger, Blanc 1996; Meshik, Hohenberg, Pravdivtseva 2004).

Pro zvýšení množství štěpného izotopu je možné použít několik procesů, které se souhrnně označují jako obohacování uranu. Jsou založené na nepatrně odlišných fyzikálních vlastnostech uranových izotopů. Z tzv. žlutého koláče se chemicky získá kysličník UO₄ a ten se dále redukuje na kovový uran. I když metod pro separaci izotopů existuje více, průmyslový význam mají zatím pouze tři. Každá pracuje s plynným hexafluoridem UF₆, který je silně toxický, korozivní a vyžaduje provozní teplotu vyšší jak 60 °C. Separace difuzí, plynovými ultracentrifugami a trysková separace využívají rozdílnou molekulovou hmotnost sloučenin ²³⁵UF₆ a ²³⁸UF₆, které se od sebe liší o 3,007 atomové hmotnostní jednotky (Dubšek 1994). Proces obohacování uranu je nejen hygyenicky a časově velmi náročný a tudíž drahý, ale i pod velkou mezinárodní kontrolou. Jeho produkty totiž mohou být nejen nízko obohacený uran (do 20 % ²³⁵U) pro jaderné elektrárny, ale i vysoce obohacený uran (nad 20 % ²³⁵U) využitelný pro výrobu jaderných zbraní (Uranium 2005). V současnosti obohacování uranu provádí oficiálně 13 zemí, několik dalších je z toho podezříváno.

Odpadem obohacovacího procesu je ochuzený uran (méně než 0,711 % ²³⁵U), který má omezené nejaderné využití - viz dále.

Z uranu ²³⁸U je možné záměrně vyrábět štěpný izotop plutonia ²³⁹Pu, který má obdobné použití jako štěpný izotop ²³⁵U (energetické a zejména vojenské). Menší množství plutonia je ale v každém vyhořelém (použitém) palivu jaderných elektráren. Plutonium se v přírodě prakticky nevyskytuje, protože má kratší poločas rozpadu než výše zmiňované izotopy uranu (Dubšek 1994).

Thorium nemá podobně jako plutonium žádný stabilní izotop. V přírodě se ovšem kromě krátce existujících izotopů v rozpadových řadách ²³⁸U a ²³⁵U vyskytuje pouze nestabilní izotop ²³²Th díky mimořádně velkému poločasu rozpadu (13,9 mld. let). Thorium ²³²Th není pro štěpné reakce použitelné přímo, ale až po transmutaci na ²³³U (Dubšek 1994). I když z hlediska průběhu štěpné reakce je výhodnější než ²³⁵U a ²³⁹U, zatím se s výjimkou několika pokusných reaktorů neuplatnilo.

Základem současné jaderné energetiky je štěpení přírodních nebo uměle připravených jader atomů těžkých nestabilních prvků ze skupiny aktinoidů, nejčastěji uranu a plutonia.

Jaderné palivo bývají nejčastěji tablety oxidu uraničitého UO₂, plutoničitého PuO₂ nebo jejich směsi, které jsou sestavené do palivových proutků a ty do větších palivových souborů - kazet (obr. 2). Použití oxidů namísto čistých kovů je výhodnější z hlediska jejich chování (změny objemu při zahřívání, vyšší teploty tání a varu aj.). Stupeň obohacení paliva štěpnými izotopy je závislý na typu použitého reaktoru - u obvyklých jaderných elektráren jde o nízko obohacený uran s 1,5 - 4 % ²³⁵U, rychlé množivé reaktory a reaktory sloužící k pohonu lodí vysoko obohacený uran s 15 - 90 % ²³⁵U (Dubšek 1994). Konstrukčním materiálem palivových kazet bývá antikorozní ocel nebo slitiny s velmi vysokým obsahem zirkonia a niobu. Ty jsou také nerezavějící, mají výrazně vyšší teplotu tání a varu a navíc mají velmi nízký účinný průřez pro záchyt neutronů.

Samotná řízená řetězová reakce probíhá v jaderných reaktorech. I když existuje více konstrukčních variant reaktorů, základní princip zůstává stejný. Jaderný reaktor bývá hermeticky uzavřená nádoba (obr. 3 a 4), ve které jsou v aktivní zóně umístěny palivové kazety.

Obr. 3 Usazování ocelové tlakové reaktorové nádoby v Jaderné elektrárně Dukovany.

Přirozeným rozpadem štěpných izotopů v nich vznikají fragmenty štěpení (tj. nové prvky) a neutrony, které jsou nositeli značné energie. Ta se uvolňuje jako teplo, které vzniká srážkami fragmentů s atomy paliva. Vzniklé neutrony jsou poměrně nestabilní částice, které jsou za určitých podmínek schopné štěpit jádra dalších atomů a tím reakci udržovat - proto se mluví o řetězové reakci (obr. 5). Takový obsah štěpného materiálu, kde z každé reakce alespoň jeden neutron rozštěpí další jádro, se označuje jako kritické množství. V případě uranu lze proces štěpení přiblížit na příkladu (i když reakcí probíhá daleko více):

I když v reakcích vzniká více neutronů než se při nich spotřebovává, nemusí to nutně zajišťovat pokračování štěpení. Část neutronů může být pohlcena konstrukčním materiálem palivových kazet nebo aktivní zóny, případně se dostat mimo ni. Proto jsou části reaktoru přiléhající k aktivní zóně konstruovány z reflektorů - materiálů odrážejících co největší počet neutronů zpět (např. grafit, beryllium) (Dubšek 1994).

Obr. 5 Schéma řetězové jaderné reakce. Rychlé neutrony vzniklé štěpením se zpomalují moderátorem a štěpí další jádra (Kusala 2003).

Při jaderném štěpení vznikají neutrony s různou energií. Pouze u pomalých neboli tepelných neutronů (s kinetickou energií pod 0,1 eV) lze s vysokou pravděpodobností očekávat štěpení jader ²³⁵U. Rychlé neutrony (s kinetickou energií nad 0,1 MeV) jsou pro štěpení tohoto izotopu nevhodné. Aby jejich energie nevyšla nazmar, používají se v tepelných reaktorech moderátory. Jde o látky, které díky srážkám neutronů s jádry svých atomů snižují jejich energii, aniž by je zachytávaly. Využívá se zejména těžká voda (obsahující deuterium - izotop vodíku²H), beryllium, grafit nebo lehká (demineralizovaná) voda.

Kromě tepelných reaktorů, kde se pro získávání energie využívají tepelné neutrony, ale existují i reaktory rychlé množivé. Ty využívají k řetězové reakci rychlé neutrony, a proto nepotřebují žádný moderátor. Palivem je plutonium ve směsi oxidu plutoničitého a uraničitého. Při štěpení rychlými neutrony vzniká daleko více neutronů než při štěpení tepelnými neutrony. Během provozu tyto reaktory vyprodukují více nového plutoniového paliva, než kolik sami spálí. Jejich chladivem je tekutý sodík. Tyto reaktory se používají se pro výrobu ²³⁹Pu z ²³⁸U a pro přepracování jaderného odpadu.

Výroba energie v jaderných reaktorech je principielně poměrně jednoduchá. Většina jaderných bloků (souhrn zařízení, která se využívají pro výrobu konečné elektrické energie od reaktoru přes turbínu, případně turbíny, generátory, transformátory a všechna další potřebná vedlejší zařízení) se dá rozdělit na tři uzavřené okruhy – primární, sekundární a terciální. Primární okruh slouží k výrobě tepelné energie. Základním zařízením je jaderný reaktor, ve kterém probíhá řízená štěpná reakce, při které se uvolňuje velké množství tepla. To se odvádí pomocí chladiva - podle typu a konstrukce reaktoru může jít o lehkou (demineralizovanou) vodu, o těžkou vodu, tekutý sodík nebo plyny jako CO₂ a He - cirkulačními smyčkami (potrubí) do parogenerátorů (tepelné výměníky) (Janovská 2008, Dubšek 1994).

Obr. 6 Animace přibližující fungování jaderné elektrárny. Použito s laskavým svolením společnosti ČEZ, a.s. - ze vzdělávacího programu Svět energie.

V parogenerátorech předá chladivo primárního okruhu přes teplosměnnou plochu část tepla vodě sekundárního okruhu a vrací se zpět do reaktoru ohřát. Voda sekundárního okruhu začíná vřít, vytváří se pára, která se parovody vede na parní turbínu/turbíny, aby ji/je roztočila a přeměnila se tak tepelná energie na energii mechanickou rotační a dále v generátorech na energii elektrickou. Toto je okruh, který je principem skoro shodný s výrobou elektrické energie v elektrárnách spalujících fosilní paliva. Třetí terciální okruh je pomocným okruhem pro předcházející sekundární okruh a slouží k ochlazení páry, která roztočila parní turbínu/turbíny. Součástí tohoto okruhu bývají chladící věže (některé jaderné elektrárny ve světě místo chladících věží užívají přímo vodu z velkých toků, popř. moří), pod kterými jsou umístěny bazény s vodou, která se vede k turbíně/turbínám do kondenzátorů. V nich se přeměňuje pára roztáčející turbínu/turbíny ochlazením zpět na vodu a ta se vrací do parogenerátorů, aby znovu mohla vzniknout pára pro turbínu/turbíny. Voda od chladicích věží se nepatrně ohřátá vrací z kondenzátorů do chladicích věží a z určité výšky (ne až shora) se přes vnitřní vestavby rozstřikuje zpět do bazénu a pomocí proudícího vzduchu pod pilíři věží se ochlazuje. Ačkoli se chladící věže pro veřejnost staly symboly jaderných elektráren, ve skutečnosti z nich stoupá na rozdíl od komínů elektráren spalujících fosilní paliva jen čistá vodní pára. Nehledě na to, že chladící věže mají samozřejmě i elektrárny na fosilní paliva, protože také vyrábí elektrickou energii prací vodní páry.

Pozn.: Existuje také typ jaderného bloku, který nevyužívá okruhy tři. Jedná se o reaktor RBMK (varný grafitový), který byl použit např. v Černobylu. Zde reaktor vytváří rovnou páru, která dále roztáčí turbosoustrojí.

Regulace jaderné reakce se provádí pomocí změn bilance neutronů. Významným prvkem pasivní bezpečnosti jaderných elektráren (tj. systémů regulace výkonu, chlazení aktivní zóny a jejího havarijního dochlazování fungujících i při výpadku dodávky elektřiny) jsou havarijní regulační tyče. Ty jsou vyrobeny z materiálů silně pohlcujících neutrony (sloučeniny B, slitiny s Hf nebo Ag-In-Cd aj.) a zasunutím pomocí elektropohonů mezi palivové kazety mohou reakci brzdit a nebo ji úplně zastavit, pokud se dostanou mezi palivové kazety volným pádem působením zemské přitažlivosti.

V jaderných elektrárnách se palivo mění v pravidelných cyklech (kampaních). Palivová kampaň spočívá v pravidelné výměně nejstarších a nejvíce využitých palivových kazet za čerstvé tak, aby v reaktoru bylo optimální množství štěpného materiálu. Ve použitém palivu však nebyl zdaleka vyčerpán všechen štěpný materiál, většinou pouze množství do 4 %. Palivo po vyjmutí z reaktoru tedy obsahuje velké množství původního materiálu a produkty jeho štěpení. Stále ještě v něm probíhají samovolné štěpné reakce a je zdrojem ionizujícího záření a tepla. Použité palivo z reaktoru se musí po jistou dobu (nejčastěji 5 let) chladit v bazénech použitého paliva, aby se rozpadly některé nově vzniklé izotopy s krátkým a středním poločasem rozpadu a snížila se tak aktivita paliva. Další nakládání s palivem se liší podle země a typu reaktoru, ve kterém bylo použito. Je však předmětem zájmu široké veřejnosti, protože vzhledem k dlouhému poločasu rozpadu některých radioizotopů, které obsahuje, bude použité palivo radioaktivní po velmi dlouhou dobu (min. stovky tisíc let). Použité palivové kazety je možné:

- přemístit do meziskladu použitého paliva v areálu elektrárny (obr. 7 a 8) nebo na jiném vhodném místě, kde zůstanou pod dozorem skladovány po dobu desítek let,

- přepracovat na nově použitelné palivo, další využitelné radioizotopy a menší množství radioaktivního odpadu,

- umístit v trvalém úložišti. Nejčastěji jsou navrhována hlubinná úložiště v geologicky stabilních a vhodných oblastech (solné pně, masívy granitoidů). Vzhledem k nezvratnosti tohoto řešení k němu zatím žádný stát nepřistoupil.

- další navrhované a dosud nerealizované možnosti jsou například úprava použitého paliva transmutací, jeho export do vesmíru aj. (Janovská 2008, Dubšek 1994)

Obr. 7 Zaplnění prvního meziskladu v areálu Jaderné elektrárny Dukovany. Použité palivo je uloženo v transportních a skladovacích kontejnerech typu Castor 440/84.

Obr. 8 Mezisklad použitého jaderného paliva v Jaderné elektrárně Dukovany. Vlevo budova meziskladu, který byl uveden do provozu v roce 1995 a pojme 600 t paliva, vpravo budova nového skladu (2006) s kapacitou 1340 t. Se svolením společnosti ČEZ, a.s.

Přes nejasnosti ohledně dlouhodobého nakládání s použitým jaderným palivem a nebezpeční plynoucí z jeho zneužití je jaderná energetika v současnosti jediným řešením krize týkající se fosilních paliv. Výroba jaderné energie štěpením jader atomů:

- je výrazně levnější než výroba z fosilních paliv i alternativních zdrojů,

- neprodukuje žádný prach ani plynné produkty (nepodílí se na produkci tzv. skleníkových plynů),

- z hlediska surovinové základny vystačí zásoby uranu a thoria na mnohokrát delší dobu než zásoby fosilních paliv.

První řízená štěpná řetězová reakce uranu ve výzkumném reaktoru byla spuštěna 2. prosince 1942 na stadionu chicagské university v rámci projektu Manhattan, díky kterému získaly USA během 2. světové války jaderné zbraně. Po druhé světové válce se jaderné reaktory používaly pro výzkum nebo zbrojní účely (výroba plutonia). První elektrická energie byla jaderným reaktorem vyrobena 20. prosince 1951 v Idahu, USA. V současné době je v provozu 439 komerčních jaderných reaktorů s výkonem 371,686 GW (obr. 9). Dalších 5 reaktorů o celkovém výkonu 2,814 GW dlouhodobě ukončuje provoz (4 v Kanadě, 1 v Japonsku), 34 reaktorů o celkovém výkonu 28,139 GW ve 13 státech světa je rozestavěných (Nuclear Power Plant Information, 2007). Na území České republiky jsou dvě jaderné elektrárny provozované společností ČEZ, a.s., a to JE Dukovany se čtyřmi jadernými bloky (spuštěna 1985 - 1987, celkový instalovaný výkon 4 × 440 MW, tj. 1760 MW) a JE Temelín se dvěma jadernými bloky (spuštěna 2002, celkový instalovaný výkon 2 × 1000 MW, tj. 2000 MW).

Obr. 9 Počet komerčních jaderných reaktorů a jejich podíl na výrobě elektrické energie v jednotlivých zemích světa. Podle Nuclear Power Plant Information (2007).

Kromě toho se jaderné reaktory používají pro pohon námořních lodí a (zejména vojenských lodí a ponorek) a pro výzkumné účely (výuka, materiálový výzkum, produkce radioizotopů pro průmysl a medicínu). Na našem území jde o tři reaktory - LR-0 a LVR-15 v Ústavu jaderného výzkumu a.s. v Řeži a VR-1 VRABEC na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské na ČVUT v Praze.

Zneužití jaderné reakce pro výrobu zbraní bylo navrženo krátce poté, co byl v prosinci 1938 objeven princip jaderného štěpení a 2. prosince 1942 spuštěna první umělá řetězová reakce štěpením uranu. Bylo však závěrem déle trvajících objevů souvisejících s fenoménem radioaktivity. Výsledkem vývoje mimořádně utajeného projektu Manhattan byl první jaderný pokus, který se odehrál 16. července 1945 v poušti na cvičné střelnici základny Alamogordo v Novém Mexiku, USA. Výbuch plutoniové bomby zvané Trinity o síle zhruba 20 kilotun TNT je považován za počátek atomového věku a „Pandořina skříňka“ tak byla otevřena.

6. srpna 1945 byla svržena atomová bomba na japonské město Hirošima a o tři dny později další na město Nagasaki, což urychlilo japonskou kapitulaci a konec druhé světové války. Šlo o konstrukčně odlišné typy bomb využívajících jako štěpný materiál izotop plutonia ²³⁹Pu. Způsobily okamžitou smrt asi 68 tisíc lidí v Hirošimě a 38 tisíc lidí v Nagasaki, další desítky tisíc lidí byly zraněny a mnoho dalších zemřelo později na následky ozáření (Rhodes 2005).

Tyto strašné události sice pomohly ukončit krveprolití druhé světové války, záhy však mezi světovými velmocemi začaly nové závody ve zbrojení a jaderné zbraně v nich hrály rozhodující roli. Sovětský svaz odpálil první jadernou bombu 29. srpna 1949, Velká Británie 3. října 1952, 13. února 1960 Francie, 16. října 1964 Čína, 18. května 1974 Indie, 28. května 1998 Pákistán. Nejasnosti jsou okolo testu, který provedla 22. září 1979 v jižním Atlantiku pravděpodobně Jihoafrická republika ve spolupráci s Izraelem a 9. října 2006 Severní Korea. Další státy (Izrael, Jihoafrická republika, Kanada) mají nebo měly jaderný arzenál, přestože nejsou důkazy o jeho testování. Dalších asi dvacet zemí má technologii na výrobu jaderné zbraně (většina z nich však o ní neusiluje), naopak některé státy se snaží tuto technologii získat. Celkem bylo v letech 1945 až 2006 provedeno nejspíš 2082 testů jaderných zbraní v podzemí, na zemi, ve vodě i v atmosféře.

Pro jaderné (atomové) zbraně se fakticky využívají izotopy uranu ²³⁵U a ²³³U a plutonia ²³⁹Pu. Protože štěpných izotopů uranu je v přírodních rudách nepatrné množství, musí se (podobně jako pro energetické účely) obohacovat na 80 - 93,5 % štěpného izotopu. Plutonium ²³⁹Pu se získává jako odpadní produkt ze štěpného materiálu většiny jaderných reaktorů, kde vzniká z uranu ²³⁸U zachycením jednoho neutronu přes meziprodukty štěpné řady ²³⁹U a ²³⁹Np, které mají krátký poločas rozpadu. V jaderných zbraních se používá plutonium s min. 92,8 % izotopu ²³⁹Pu. Štěpné izotopy jiných prvků nemají kvůli své ceně, poločasu rozpadu nebo velikosti potřebného kritického množství praktický význam.

Jaderné zbraně jsou založené na několika principech. První z nich je stejný princip řetězové reakce, jaký využívá jaderná energetika. Jde o řetězovou reakci rozpadu nestabilních jader těžkých prvků (viz dále), na rozdíl od energetiky ovšem nekontrolovanou. Při odpálení takové bomby dojde ke krátkodobému setkání dvou částí štěpného materiálu, které dohromady tvoří nadkritické množství. Jejich setkání zažehne řetězovou reakci, která uvolní velké množství energie různých typů (tlaková vlna, tepelné a ionizující záření, elektromagnetický impulz a nově vzniklé radioaktivní látky):

Zároveň se díky explozi štěpný materiál rozptýlí do podkritických množství a štěpná reakce se sama zastaví. Zbraně této konstrukce po dalších vylepšeních (deuteriové nebo tritiové inicializační neutronové zářiče a berylliové neutronové odražeče, složené jádro, vylepšený design) dosáhly účinku odpovídajícímu asi 500 kilotunám TNT (přepočet na tisíce tun klasické výbušniny trinitrotoluenu).

Další kategorií jaderných zbraní jsou vodíkové a neutronové bomby. Ty využívají běžné atomové bomby popsané výše ke spuštění termojaderné fúze lehkých prvků. Nejčastěji jsou využívané izotopy vodíku deuterium ²H a tritium ³H, případně deuterid lithia ⁶Li²H (LiD). Při dosažení velmi vysokých tlaků a teplot řetězovou reakcí uranu nebo plutonia dojde k rozpadu lithia na deuterium a jejich slučování (syntéze, termonukleární fúzi) podle vzorců:

Jde o silně exotermické reakce s uvolněním energie (zejména rentgenových paprsků) v řádech podobných štěpení jader. Nejde však o řetězovou reakci, protože vyprodukované teplo a tlak nejsou dostačující pro další fúze. Obdobné procesy probíhají také ve hvězdách včetně našeho Slunce a díky syntézním reakcím vznikly ve Vesmíru prakticky všechny prvky kromě vodíku. První vodíková bomba byla odpálena Spojenými státy Americkými 1. listopadu 1952 a v současnosti jsou termojaderné zbraně v arzenálu šesti nebo sedmi států - USA, Velké Británie, Ruska, Číny, Francie, Indie a pravděpodobně Izraele. Zbraně této konstrukce dosáhly účinku odpovídajícímu asi 50 megatunám TNT. Variantou vodíkových bomb jsou neutronové bomby, které využívají neutrony vznikající při fúzi, často podpořené obsahem izotopů uranu. Ničivější než tlaková a tepelná vlna je působení ionizujícího záření neutronů s vysokou energií, které má smrtelné účinky pro živé organizmy (Sublette 1999).

Zničující účinek jaderných zbraní a nemožnost fakticky vyhrát jadernou válku vyústila v to, že od druhé světové války nebyly nikdy kromě testů použity. Od Kubánské krize v roce 1962, kdy svět byl na pokraji jaderné války, se datuje zvýšení snahy o nešíření jaderných zbraní a odzbrojení. V roce 1968 byla podepsána Smlouva o nešíření jaderných zbraní (Treaty on the Non-Proliferation of Nuclear Weapons, 1968), jejímiž signatáři v současnosti nejsou jen Indie, Pákistán, Izrael a Severní Korea. Konec studené války mezi západním a východním blokem a zánik Sovětského svazu přinesl částečnou redukci jaderných zbraní, bohužel ne příliš razantní. Odhadovaný počet jaderných hlavic v roce 2004 je uveden v tab. 1.

stát	počet hlavic
Rusko	16000
USA	15350
Čína	400
Francie	350
Velká Británie	200
Izrael	200
Pákistán	24-48
Indie	30-35
Severní Korea	6-8

Nově diskutovanou alternativou jsou tzv. špinavé bomby. Výbuch způsobený klasickou trhavinou rozmetá štěpný materiál a zamoří jím okolí. Jejich nebezpečí spočívá v tom, že je lze vyrobit relativně snadno a levně bez vysoce obohaceného uranu nebo plutonia z radioizotopů využívaných v průmyslu nebo medicíně. Radioaktivní zamoření by ale nebylo příliš rozsáhlé a dopad by byl spíše psychologický (Sublette 1999).

Lékařské využití radionuklidů přinesl objev nového prvku radia v roce 1898 paní Marií Curie-Sklodowskou a jejím manželem Pierrem. Bylo izolováno z louhu po zpracování odpadu z výroby uranových barev v Jáchymově (viz níže). Marií Curie-Sklodowská si proces izolace radia nenechala patentovat, protože věřila, že jeho potenciál je příliš velký a technologie by měla být ve vlastnictví celého lidstva. Celá produkce radia se využívala pro léčení rakovinových nádorů, ovšem jeho dostupné množství bylo velice omezené a surovina měla nesmírnou cenu (zpočátku díky monopolu stál 1 miligram chloridu radnatého 400 rakouských korun). V roce 1902 bylo izolováno jen 0,1 g RaCl₂, po výstavbě nového zpracovatelského závodu dosáhla produkce 13 g v roce 1913. Konkurenční podniky ve Francii (používající uranové rudy ze Švédska, Maďarska, Kanady a později i domácí), Anglii (používající domácí suroviny) a později v USA (také domácí suroviny) měly roční produkce také maximálně v prvních desítkách gramů ročně. Teprve zpracování rudy z belgické provincie Haut-Katanga (dnešní Konžská demokratická republika) v Africe snížilo ceny radia a tím i radioterapie, ale až do druhé světové války šlo stále o mimořádně drahou a špatně dostupnou, i když téměř jedinou léčbu některých nádorových onemocnění. Až s nástupem řízených řetězových štěpných reakcí během druhé světové války se podařilo levně připravovat umělé radioizotopy se stejným využitím, což ukončilo produkci radia (Bothwell 1984, Horák 2000).

V současné době se má radioterapie nezastupitelné místo v léčbě některých typů nádorových onemocnění. Má za úkol prodloužit život pacientů a/nebo snižovat jejich bolest. Vzhledem k tomu, že záření poškozuje i zdravou tkáň, musí se dávka aplikovat postupně. K léčbě se nejčastěji využívají zevní uzavřené zářiče - izotopy ⁶⁰Co (gamma záření) a ¹³⁷Cs (beta záření). I přes akutní a pozdní nežádoucí účinky je radioterapie v některých případech nejefektivnější možností léčby. Pro určité typy nádorových onemocnění medicína využívá i radioterapii otevřenými zářiči. Při ní se využívají radionuklidy s krátkým poločasem rozpadu (³²P,¹³¹I), jejichž záření má malou pronikavost - nejčastěji alfa a beta zářiče. Jsou ve formě vhodné sloučeniny aplikovány do organizmu a rámci metabolických procesů se selektivně akumulují v nádorové tkáni, kterou ničí.

Uměle připravené radionuklidy s krátkým poločasem rozpadu se v medicíně využívají i pro diagnostiku některých onemocnění a lokalizaci nádorů. Jde např. o sloučeniny obsahující ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O a ¹⁸F používané v pozitronové emisní tomografii a ⁶⁷Ga, ^81mKr,^99mTc,¹¹¹In,¹³¹I, ¹⁵³Sm, ²⁰¹Tl používané v jednofotonové emisní tomografii (scintigrafii nebo též gamagrafii) a planární scintigrafii. Tyto radioindikátory jsou aplikovány do organizmu a podle typu látky jsou metabolizovány v různých orgánech - štítné žláze, ledvinách, plicích, játrech , srdci, mozku aj. Distribuci látky, která odráží stav a funkci příslušného orgánu, lze pak změřit pomocí intenzity záření určitého místa (Ullmann 2002).

Další využití mají radioaktivní materiály při měření mechanických vlastností látek. Absorpce a zeslabení záření je závislá na tloušťce materiálu. Toto se využívá při bezdotykovém měření tloušťky materiálů a jejích změn v metalurgii, případně v hustoměrech monitorujících dopravu potrubím nebo pásovými dopravníky. Na podobném principu fungují i radiační hladinoměry kapalin i sypkých materiálů a celá sféra radiační defektoskopie. Ta umožňuje nedestruktivně odhalovat dutiny, praskliny a další vnitřní nehomogenity konstrukčních materiálů. Radiační analytické metody, např. neutronová aktivační analýza a Mössbauerova spektroskopie, se používají při studiu složení látek. Podobně fungují ionizační hlásiče požárů. Další využití radioaktivních látek je v chemii při vyvolvání některých reakcí a v radiační sterilizaci materiálů, především zdravotnických prostředků (Ullmann 2002).

Ještě před objevem radioaktivity se uran používal k výrobě barev do skla a keramických glazur. Tato výroba má velkou tradici právě na našem území. Od roku 1852 začala být ve větším měřítku v Jáchymově vyráběna uranová žluť - diuranan sodný Na₂U₂O₇ - v objektu královské huti na stříbro. Od roku 1855 pak pro velký zájem byla budována samostatná továrna na výrobu uranových barev - k. k. Urangelbfabrik, později k. k. Uranfarbenfabrik. Původní produkce 84,6 kg barev v roce 1853 rychle rostla a dosáhla maxima v roce 1886 - 12776 kg. Vyráběla se nejen původní uranová žluť, ale i pomerančová žluť, amoniaková žluť (diuranan amonný), zlatožluto-červená žluť (diuranan draselný), žlutozelený uranový nitrát a světlá uranová žluť (obr. 10). Uranové sklo je zajímavé nejen díky svým netypickým sytým barvám, ale i díky fluorescenci a tím i různé barvě v dopadajícím a procházejícím světle. Útlum výroby přišel v 90. letech 19. století, kdy uranové sklo vyšlo z módy a jáchymovská produkce se stala jen vedlejší činností při získávání radioaktivních preparátů - viz výše (Horák 2000, Majer 2004).

Obr. 10 Příklady produkce jáchymovské továrny na uranová barviva z období počátků 20. století. Zleva: dva druhy světlé uranové žluti, uranová oranž a amoniaková žluť. Ze sbírek Geologického pavilonu VŠB-TU Ostrava.

Oxidy a další sloučeniny uranu jsou u nás v omezené míře používány dosud (obr. 11). Analýza rizik provedená Státním ústavem pro jadernou bezpečnost potvrdila, že u těchto výrobků nejsou překračována legislativní kritéria ochrany jednotlivce ani společnosti před škodlivými účinky radioaktivního záření (Problematika skla barveného uranem, 2004).

Obr. 11 Skleněná váza „Velké vinobraní“ barvená uranovou žlutí. Design František Pazourek, výška 20,5 cm. Toto současné sklo s obsahem ochuzeného uranu do 0,9 % je hygienicky zcela neškodné. Z katalogu kolekce dekorativního skla „Desná“ - se svolením společnosti JABLONEX GROUP, a.s.

Uran má také využití díky své velmi vysoké hustotě - 19 g·cm^-3. Proto se také uran zbavený štěpného izotopu ²³⁵U, tzv. ochuzený uran, využívá v aplikacích, kde je žádoucí vysoká hmotnost při malém objemu. Jde například o zátěže, závaží nebo o protipancéřovou munici. Ta využívá pouze velkou kinetickou energii střel a vznětlivost uranu, nikoli jeho radioaktivní účinky. Vzhledem k toxicitě uranu je však snaha dosáhnout mezinárodní dohody o zákazu tohoto využití (GA/DIS/3357, 2007).

Nejaderné využití dalšího přirozeně radioaktivního prvku - thoria - je diskutováno v kapitole Energetické suroviny. Radium s nástupem uměle připravovaných radionuklidů zcela ztratilo díky své drahé výrobě svůj význam.

Bothwell, R.: Eldorado. Canada’s National Uranium Company. Toronto: University of Toronto Press, 1984. 470 s.

Dubšek, F.: Jaderná energetika. Brno: skripta Fakulty strojní VUT v Brně, PC-DIR, 1994. 209 s.

GA/DIS/3357 [online]. United Nations, General Assembly, Department of Public Information, News and Media Division, GA/DIS/3357, New York, 1 November 2007 [cit. 2007-12-20]. HTML formát. Dostupný z www: <URL: http://www.un.org/News/Press/docs/2007/gadis3357.doc.htm>

Gauthier-Lafaye, F., Holliger, P., Blanc, P.-L.: Natural fission reactors in the Franceville basin, Gabon: A review of the conditions and results of a “critical event” in a geologic system. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1996, Vol. 60, No. 23, s. 4831 - 4852.

Horák, V.: Jáchymovské hornictví a jáchymovské doly. Minerál, 2000, roč. 8, č. 3, s. 163 - 186.

Janovská, D. (informační centrum JE Dukovany, ČEZ a.s.). Ústní sdělelní. Dukovany, dne 4. února 2008.

Jirásek, J., Sivek, M.: Ložiska nerostů. Ostrava: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR & Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 2007.

Majer, J.: Rudné hornictví v Čechách, na Moravě a ve Slezsku. Praha: Libri, 2004. 254 s.

Meshik, A. P., Hohenberg, C. M., Pravdivtseva, O. V.: Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon. Physical Review Letters, 2004, Vol. 93, No. 18, s. 1 - 4.

Nuclear Power Plant Information [online]. IAEA, Power Reactor Information System, 2007 [cit. 2007-12-20]. HTML formát. Dostupný z www: <URL: http://www.iaea.org/programmes/a2/index.html>

Problematika skla barveného uranem. Zpráva Státního úřadu pro jadernou bezpečnost o výsledku šetření [online]. Státní úřad pro jadernou bezpečnost, 2004 [cit. 2007-12-20]. HTML formát. Dostupný z www: <URL: http://www.sujb.cz/?c_id=159>

Rhodes, R.: Život s bombou. National Geographic Česko, 2005, č. 8, s. 30 - 45

Ullmann, V.: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření [online]. Klinika nukleární medicíny, Fakultní nemocnice s poliklinikou Ostrava, 2002 [cit. 2007-12-20]. HTML formát. Dostupný z www: <URL: http://astronuklfyzika. cz/Fyzika-NuklMed.htm>

Uranium 2005: Resources, Production and Demand. Paris: OECD Nuclear Energy Agency & International Atomic Energy Agency, 2006. 388 s.